輸油管清蠟車操作人員作業(yè)姿態(tài)分析

屈文濤，趙瑞紅,2，徐曉航，王蕊

（1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))管道運(yùn)輸公司，陜西 延安 716000）

輸油管清蠟車操作人員作業(yè)姿態(tài)分析

屈文濤1，趙瑞紅1,2，徐曉航1，王蕊1

（1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))管道運(yùn)輸公司，陜西 延安 716000）

本文針對(duì)輸油管清蠟車操作人員傳統(tǒng)的作業(yè)姿態(tài)，應(yīng)用CAITA選取合適的人體模型并調(diào)整為正常作業(yè)姿態(tài)，完成舒適度評(píng)估、上肢評(píng)價(jià)與視野分析， 并結(jié)合分析結(jié)果提出改進(jìn)方案，為其后進(jìn)行輸油管清蠟車操作空間設(shè)計(jì)提供了客觀的理論指導(dǎo)依據(jù)。

輸油管清蠟車；作業(yè)姿態(tài)；CATIA；舒適度評(píng)估；空間設(shè)計(jì)

CLC NO.: U469.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)10-62-03

前言

輸油管清蠟車是油田洗井清蠟作業(yè)的理想設(shè)備[1]，其操作空間設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性決定了操作人員的作業(yè)姿態(tài)，而操作人員作業(yè)姿態(tài)的舒適性與作業(yè)受力情況直接影響到清蠟作業(yè)的工作效率。為了節(jié)省操作空間設(shè)計(jì)過(guò)程中的模擬和模型試驗(yàn)法的成本，本文采用計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真法對(duì)作業(yè)人員的視野域、姿態(tài)舒適度與肢體受力負(fù)荷進(jìn)行人機(jī)分析，并依據(jù)分析結(jié)果對(duì)操作空間進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1、虛擬人體模型的選取

人體模型是進(jìn)行作業(yè)姿態(tài)分析的重要工具，精準(zhǔn)的人體模型不僅可以模擬操作人員正常的作業(yè)姿態(tài)，同時(shí)也可展示虛擬人體與工作環(huán)境之間的相互關(guān)系[2]。CATIA軟件中沒(méi)有中國(guó)大陸地區(qū)的人體模型，而臺(tái)灣與大陸地區(qū)的人體尺寸最為相近，故選用臺(tái)灣地區(qū)的人體模型作為分析依據(jù)[3]?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，輸油管清蠟車操作大部分選擇男工從事作業(yè)，因而本文選用成年男性第5、50、95三種常用百分位數(shù)尺寸參數(shù)進(jìn)行研究[4]。

2、作業(yè)舒適度評(píng)估

舒適度評(píng)估可定量的分析出作業(yè)過(guò)程中肢體各關(guān)節(jié)所成角度是否處于舒適范圍，并可依據(jù)分析結(jié)果對(duì)操縱裝置與區(qū)域布置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況與人機(jī)工程學(xué)理論，在分析中預(yù)設(shè)最佳關(guān)節(jié)舒適角度取舒適度范圍的中值。即最佳關(guān)節(jié)舒適角度定量分?jǐn)?shù)為100分，在關(guān)節(jié)舒適度范圍內(nèi)依次遞減至80分，再?gòu)氖孢m范圍邊緣到可觸及范圍內(nèi)遞減為0 分[5]。其后建立操作人員作業(yè)姿態(tài)模擬仿真，這樣便可對(duì)當(dāng)前姿態(tài)舒適度進(jìn)行整體和局部的合理評(píng)定(如圖1所示)。

以操作人員基本作業(yè)姿態(tài)為例，在DOF-1方向上，分別

對(duì)人體模型的Arms(上臂)、Forearms(前臂)、Hands(手)、Neck(頸部)的首選角度進(jìn)行設(shè)定，將活動(dòng)范圍劃分為舒適區(qū)域(80～100分)、可作業(yè)區(qū)域(60～80分)與可到達(dá)區(qū)域(0～60分)。

如圖2所示，可定量表示出整體作業(yè)舒適度64.3分，頸椎舒適度60.6分，左/右上臂分別為82.0與80.1分，左/右前臂59.1與62.8分，左/右手53.7與51.8分，根據(jù)舒適區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)的定義只有得分高于80分，便定義為此部位姿態(tài)符合人機(jī)工程學(xué)要求，因此根據(jù)結(jié)果，可知除左右上臂外，其他部位在DOF-1方向上舒適度偏低，作業(yè)損傷較大。根據(jù)操作空間人機(jī)設(shè)計(jì)理論與仿真模擬可知，當(dāng)操作人員軀干軸線與垂線所稱角度為10°時(shí)頸椎得分為滿分，當(dāng)前臂與上臂所成角度為85°時(shí)前臂得分最高，手部得分偏低的原因與操縱裝置的形狀有直接關(guān)系。因而在設(shè)計(jì)優(yōu)化中應(yīng)重新布置操作面板，需將儀表顯示裝置布置于頸椎舒適情況下直視視野范圍內(nèi)，使操作人員在讀取時(shí)無(wú)需仰頭，操縱裝置的布置應(yīng)依據(jù)前臂與上臂的最佳角度進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)操縱裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)符合手部生理特征。

3、上肢評(píng)價(jià)

操作人員在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，下肢處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，主要是上肢進(jìn)行作業(yè)，故而針對(duì)上肢的分析主要用上肢評(píng)價(jià)。如圖3所示，此處以右肢評(píng)價(jià)為例，按照人機(jī)工程學(xué)理論，分值的范圍分為以下幾個(gè)部分：1～2分，表示該姿勢(shì)處于舒適狀態(tài)，無(wú)需改進(jìn)，是可以接受的；3～4分，表示如果不是長(zhǎng)期維持或重復(fù)此姿勢(shì)，該姿勢(shì)是可以接受的；5～ 7分，表示要立即研究并改變姿勢(shì)。右肢評(píng)價(jià)的最終結(jié)果Final Score得分為7分，屬于需要立即研究并改變姿勢(shì)。圖中Wrist and Arm(手腕與手臂)與Neck、Trunk and Leg(頸、軀干和腿)兩個(gè)選項(xiàng)的評(píng)價(jià)得分為5～6分，Trunk與Leg得分為1分，說(shuō)明需要立即對(duì)手腕、手臂與頸進(jìn)行研究，此分析結(jié)果與作業(yè)姿態(tài)舒適度分析結(jié)果相似，因而應(yīng)從操作面板的區(qū)域布置與操作裝置的形態(tài)設(shè)計(jì)方面入手進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

4、視野分析

圖4模擬的是第五十百分位人群彎腰10°直視前方視野，此種姿態(tài)為較舒適站姿作業(yè)姿態(tài)，由圖中可以觀察出，左上方的儀表顯示裝置并未處于視野舒適區(qū)域，因而需降低顯示裝置所處高度，并集中布置于視野舒適區(qū)域。在方便讀數(shù)的同時(shí)使得身高較低的第五百分位數(shù)人群也可以對(duì)儀表顯示進(jìn)行良好的監(jiān)測(cè)。

5、結(jié)論

根據(jù)分析結(jié)果，主要從以下幾方面對(duì)操作空間進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化(如圖5所示)：(1)集中布置儀表顯示裝置于作業(yè)視野域中心范圍；(2)設(shè)計(jì)操縱裝置形狀大小使其符合手部生理特征；(3)調(diào)整操縱裝置所處位置使作業(yè)姿態(tài)符合肢體關(guān)節(jié)所成舒適角度。其后針對(duì)重新設(shè)計(jì)的操作空間進(jìn)行作業(yè)姿態(tài)舒適度與受力負(fù)荷分析，得出如圖5、圖6所示的結(jié)論。

如圖6所示，優(yōu)化后的作業(yè)姿勢(shì)舒適度在DOF-1方向上整體得分為84.5分，其余選項(xiàng)皆在80分以上。根據(jù)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)得分高于80分，便可定義為此部位姿態(tài)符合人機(jī)工程學(xué)要求，因而操作空間的設(shè)計(jì)符合人機(jī)作業(yè)姿態(tài)舒適度評(píng)價(jià)原則。

圖7中右肢受力負(fù)荷最終得分為3分，分選項(xiàng)中得分皆處于4分以下，屬于如果不是長(zhǎng)期維持或重復(fù)此姿勢(shì)，該姿勢(shì)是可以接受的。而在輸油管清蠟車的作業(yè)中，作業(yè)人員并不需長(zhǎng)時(shí)間維持此作業(yè)姿勢(shì)，說(shuō)明設(shè)計(jì)合理。

[1]李廣福,張威等.油田專用洗井清蠟車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[J].專用汽車.2003,02:39～40.

[2]趙紅芬.基于CATIA的中國(guó)人體模型的研究[J].汽車實(shí)用技術(shù),2013,01:41～44.

[3]董 鵬,張 堃等.某型車駕駛室人機(jī)工程分析[J].汽車實(shí)用技術(shù),2010,01:12～14.

[4]劉鳳山等.基于CATIA軟件的人機(jī)工程設(shè)計(jì)中作業(yè)姿態(tài)分析[J].信息技術(shù),2012,3:78～79.

[5]屈文濤,徐曉航等.石油修井機(jī)操控室人機(jī)分析[J].汽車實(shí)用技術(shù),2014,02:68～70.

Analysis Of The Operator's Working Posture On The Oil Pipe Paraffin Vehicle

Qu Wentao1, Zhao Ruihong1,2, Xu Xiaohang1, Wang Rui1
(1.School of Mechanical Engineering, Xi'an Shiyou University, Shaanxi Xi'an 710065; 2. Yanchang Petroleum Group pipeline company, Shaanxi Yan’an 716000)

Aimed at the operator's working posture on the oil pipe paraffin vehicle, CATIA is applied to select appropriate human model and adjust normal working posture, comfort evaluation, upper limbs evaluation and vision analysis are completed. Combined with the results of the analysis, the improved scheme is put forward, which provides objective theoretical guidance for the design of the pipeline paraffin vehicle operating space.

The oil pipe paraffin vehicle; CATIA; Comfort evaluation; Space design

U469.6

A

1671-7988(2014)10-62-03

屈文濤，就職于西安石油大學(xué)。