手持射釘緊固工具的相關(guān)人機(jī)要素分析及手柄設(shè)計(jì)

周萬軍　胡光忠　楊余

摘要：射釘緊固技術(shù)是一種直接緊固的方法，廣泛應(yīng)用于冶金、建筑、安裝工程等領(lǐng)域。隨著社會的進(jìn)步和對職業(yè)健康的關(guān)注度越來越高，手持射釘緊固工具的設(shè)計(jì)朝向更科學(xué)、安全和人性化的方向發(fā)展。本文從分析射釘器de基本特眭與使用特性分析入手，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)的研究成果，對工具的尺寸、形態(tài)、重量、使用沖擊振動(dòng)以及其他等人機(jī)要素做了分析研究，對工具的人機(jī)設(shè)計(jì)提出了合理化建議，并針對現(xiàn)行的吊頂類射釘工具提出了改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：手持射釘緊固工具;人機(jī)要素;手柄設(shè)計(jì)

中圖分類號：TS914 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）08-0158-03

手持射釘緊固工具是手持工具的一種形態(tài)，它包含了射釘器、射釘彈、射釘和其他輔助配件（手柄、加長桿等）組成的工具系統(tǒng)，核心為射釘器。射釘器通過爆炸能轉(zhuǎn)化為射釘?shù)膭?dòng)能，將射釘打入基體同時(shí)起到構(gòu)件與基體的連接緊固作用。射釘器的結(jié)構(gòu)工作原理與槍械類似，因此其生產(chǎn)、銷售及使用受到嚴(yán)格的管控。射釘緊固技術(shù)的特點(diǎn)為自帶能源，操作迅速、方便、安全，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低等，在建筑裝潢等施工中有廣泛的應(yīng)用。通過對多款手持射釘緊固器的使用測試，發(fā)現(xiàn)其在使用感受上和電動(dòng)工具有著很大的差異，通過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，對于手持射釘緊固工具的人機(jī)工程學(xué)方向的研究較缺乏，因此手持射釘緊固工具的人機(jī)要素的合理性研究勢在必行。

1現(xiàn)有的射釘緊固工具的分類及相關(guān)特分析

1.1射釘緊固工具的分類

射釘緊固工具又稱射釘槍或射釘器，其分類有很多種。按作用原理分為直接作用射釘器和間接作用射釘器。直接作用射釘器是通過火藥燃燒產(chǎn)生高壓氣體直接作用于射釘，推動(dòng)射釘運(yùn)動(dòng)，將被固件釘入基體;間接作用射釘器內(nèi)設(shè)有活塞結(jié)構(gòu)，當(dāng)擊針擊發(fā)射釘彈，火藥燃燒產(chǎn)生高壓氣體作用于活塞，活塞再推動(dòng)射釘運(yùn)動(dòng)，將被固件釘入基體。按使用范圍可分為通用和專用射釘器。按重量和威力大小可分為輕型和重型射釘器。按射釘飛行速度分為高速、中速、低速射釘器。高速射釘槍主要運(yùn)用于冶金業(yè)，低速射釘槍多用于建筑裝修中。

1.2射釘緊固工具的常用參數(shù)分析

1.3手持射釘緊固工具的基本特性

1）從工具的尺寸和重量角度看，射釘緊固工具屬于較大型的手持工具，不適合單手操作。

2）從造型結(jié)構(gòu)角度看，均采用了手柄彎曲設(shè)計(jì)，模擬手槍形態(tài)，使用時(shí)虎口會承受一定的壓力，能有效地分?jǐn)偭苏撇繅毫ζ鸬綔p振作用，符合人們對工具的一般使用習(xí)慣。

3）射釘緊固工具在使用中會對人手的反作用力產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)，和電動(dòng)工具的振動(dòng)相比有較大的區(qū)別，沖擊振動(dòng)對人體的影響不容小覷。

4）工具在使用時(shí)會產(chǎn)生噪聲，會對使用人造成影響。

2手持射釘緊固工具的使用分析

1）手持射釘緊固工具的使用環(huán)境較為惡劣。手持射釘緊固工具的使用環(huán)境主要是建筑裝潢安裝施工工地，它運(yùn)用在管道安裝施工，吊頂安裝施工，門窗安裝，木工安裝等，可替代大部分傳統(tǒng)的鉆孔緊固安裝施工。施工環(huán)境中通常有泥工，電工、木工等多個(gè)施工項(xiàng)目同時(shí)存在，施工現(xiàn)場通常較凌亂，且伴隨著噪聲、粉塵等污染存在。因此手持射釘緊固工具的在惡劣環(huán)境中使用的可靠性、穩(wěn)定性、安全性和耐用性就尤為重要。

2）手持射釘緊固工具使用人群主要是青壯年如安裝技術(shù)男性工人。手持射釘緊固工具不同于鉗子、扳手等通用性較強(qiáng)的工具，它主要用于建筑裝潢安裝中的緊固施工，從事這類工作的技術(shù)工人以青壯年男性居多，同時(shí)也是手持射釘緊固工具的主要使用者。他們一般身強(qiáng)力壯，有較強(qiáng)的安裝專業(yè)技能，工具使用嫻熟。他們對工具的基本要求是操作簡單，可靠性高，穩(wěn)定性高、安全性高、使用舒適。

3）手持射釘緊固工具的使用特性是單次使用時(shí)間長、頻率高。手持式射釘緊固工具的使用在管道安裝和吊頂安裝等安裝中，屬于專用工具，其使用時(shí)間長、頻率高，會貫穿整個(gè)施工過程。因此工具的使用穩(wěn)定性高、安全性高和使用舒適則是此類工具的基本要求。

從使用環(huán)境、使用人群和使用特性三個(gè)方面分析得出，對手持射釘緊固工具的要求是可靠性高、穩(wěn)定性高、耐用性高、安全性高及使用舒適。需要從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整個(gè)流程來滿足要求，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料與工藝、人機(jī)工程設(shè)計(jì)等多個(gè)方面。

3手持射釘緊固工具的相關(guān)人機(jī)要素分析

手持式工具的使用方式分為強(qiáng)力握把和精確握把兩種。手持射釘緊固工具屬于強(qiáng)力握把使用方式，需要整只手都握住把柄進(jìn)行操作，并且操作過程中需要使用前臂中較強(qiáng)壯的肌肉，且手指和手掌均需要用力來達(dá)到工作目的。因此，對于手持射釘緊固工具的設(shè)計(jì)，研究人體結(jié)構(gòu)尤其是手部結(jié)構(gòu)是其人機(jī)特性的重要內(nèi)容。主要包括對使用者手掌的尺寸、結(jié)構(gòu)，力量與工具的形態(tài)、重量及使用時(shí)的沖擊振動(dòng)等與其他因素的關(guān)系需要作對應(yīng)的分析。

3.1手的結(jié)構(gòu)尺寸要素與手柄形態(tài)尺寸

對于強(qiáng)力握把手持工具而言，手柄或手握部分的設(shè)計(jì)是較關(guān)鍵的設(shè)計(jì)點(diǎn)。手的尺寸和手柄的形態(tài)和尺寸息息相關(guān)，這直接影響使用者的握持舒適度和使用效果。根據(jù)查閱人機(jī)工程學(xué)相關(guān)資料和手部尺寸分析，手柄的直徑尺寸應(yīng)在20mm—50mm之間，以30mm—40mm為最佳握把尺寸圈。手柄的截面形狀對把手握持有影響，圓形的截面不符合手抓握時(shí)的自然狀態(tài)，不穩(wěn)定的抓握使手柄很容易從手上滑落;接近橢圓的截面是最理想的形態(tài)，適合工具工作的特性，同時(shí)手握時(shí)有摩擦力，最適合手的抓握。

射釘器的握把分為兩種類型：手槍型和直柄型，傳統(tǒng)射釘器主要采用手槍型手柄，手柄和射釘器是一體式設(shè)計(jì);吊頂射釘器是以附件形式存在的兩種手柄類型。手槍型手柄握把的截面形狀應(yīng)設(shè)計(jì)成為雞蛋形或橢圓形，首尾尺寸變化小，以保證手掌部分接觸面積較大，手心部分不受力。直柄型受鋼管載體影響，手柄截面設(shè)計(jì)成圓形較為合理，握把部分用厚度為4mm左右的橡膠較為適宜。

3.2手的力量要素與工具的使用力量

手操作力的大小與人體姿勢、著力部位、用力方向和用力方式都有關(guān)系。人的施力方式有靜態(tài)施力和動(dòng)態(tài)施力兩種。靜態(tài)施力指施力靠肌肉收縮產(chǎn)生，會使供血受阻，產(chǎn)生疲勞，在設(shè)計(jì)手持工具時(shí)要盡量避免手部的靜態(tài)施力。一般人的右手握力大約為380N，左手握力大約為350N。持續(xù)時(shí)間越久，握力會明顯下降。如保持1分鐘以上，右手平均握力大約為280N，左手大約為250N。在手持工具的操作中，手的作用是握持工具，手臂的作用是支撐，在承受同樣的力量時(shí)，若要手臂保持水平或上舉狀態(tài)比手的握持更困難。因此手握持的力量大于支撐的力量。

手持射釘緊固工具屬于使用時(shí)間長且使用頻率高的工具，其普遍使用重量在2kg以上，使用工具時(shí)，大約需要70N—100N的力壓縮彈簧才能激發(fā)，因此射釘不適合單手握持使用，必須設(shè)計(jì)成雙手柄握持或者一只手支撐另一只手控制，工具的重心應(yīng)位于兩手柄之間或接近支撐手柄。吊頂射釘器配合手槍式手柄使用時(shí)，與普通射釘器無異;在配合加長桿和加長手柄使用時(shí)，工具的長度會有約1m—3.5m的多種形態(tài)，工具重量和重心隨著實(shí)際長度的變化而變化，使用時(shí)雙手只能握持工具的一端，握持的體感重量將遠(yuǎn)超過工具本身的重量。在握把設(shè)計(jì)時(shí)，手柄握把的長度應(yīng)為800mm左右，增加雙手握持的距離，來減輕工具對手的壓迫感。在施工中通常工具為豎直狀態(tài)，手柄與手之間靠摩擦力來支撐工具，在握持力一定的情況下，改變手柄的截面形狀可以增加摩擦力，因此將加長桿手柄握把設(shè)計(jì)成起伏的波浪形是比較合理的，波峰與波谷的落差約1.5mm—2mm，波長約20mm為宜。

3.3手的形態(tài)關(guān)節(jié)要素與工具使用中的振動(dòng)與沖擊

手持工具使用中的沖擊振動(dòng)，必然會帶給人一些影響。手承受的沖擊振動(dòng)往往會引起和帶動(dòng)手臂的振動(dòng)。手臂振動(dòng)通常會引起人的不適或工作效率降低，甚至疾病。手指在承受振動(dòng)時(shí)會出現(xiàn)發(fā)麻、刺痛，長時(shí)間手指會變白，演變成白指病。所以，如何降低手持工具的振動(dòng)，保護(hù)操作者的身體健康成為了手持工具設(shè)計(jì)制造必須解決的問題。

通過對現(xiàn)在手持射釘緊固工具的實(shí)際使用體驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)射釘器的沖擊振動(dòng)與電動(dòng)工具的振動(dòng)是不同的，電動(dòng)工具使用時(shí)的振動(dòng)具有高頻率、持續(xù)性長的特點(diǎn)，使用中會給手造成持續(xù)的振動(dòng)影響，感受較為明顯;手持射釘緊固工具的沖擊振動(dòng)是觸發(fā)式的，沖擊振動(dòng)是單向的、瞬時(shí)的，單次承受沖擊振動(dòng)的感受不明顯，若連續(xù)短時(shí)間完成十次左右的緊固作業(yè)，手部則會有酸麻、刺痛感。對于加長的直柄握，沖擊振動(dòng)的方向與手握持力的方向垂直，靠手與握把的摩擦力抵抗沖擊振動(dòng)，手的酸麻和刺痛感較弱隨著長度的增加，沖擊振動(dòng)的感受并不明顯。手槍式手柄給使用者的沖擊振動(dòng)感受尤為突出，手部的虎口位置的刺痛感特別明顯。因此在射釘器的設(shè)計(jì)中減小沖擊振動(dòng)非常重要。

對于手持射釘緊固工具的設(shè)計(jì)和制造，需要從握把入手，加長直柄握把同時(shí)需要握把材料具有良好的減振效果，使手部握持舒適。對于手槍式手柄握把需要重新做形態(tài)設(shè)計(jì)，手柄握把部分的形態(tài)與尺寸首尾一致，保證握持時(shí)手柄不緊貼掌心，握把需要更加柔軟的彈性減振材料，以達(dá)到減振效果，避免造成手部的振動(dòng)創(chuàng)傷。

3.4噪聲等其他因素的影響

噪音會使人注意力分散，導(dǎo)致大腦反應(yīng)遲鈍，容易疲勞，工作效率下降，差錯(cuò)率上升等不良后果。同時(shí)，噪音對人的身體也有較大的傷害。據(jù)研究，如果人長期處于噪音環(huán)境中工作或生活，不僅會導(dǎo)致聽力受損，對人的神經(jīng)、心血管、內(nèi)分泌、消化等系統(tǒng)以及視覺、智力等都有不同程度的影響。手持射釘緊固工具的使用噪聲主要是由火藥在槍膛爆炸引起，在消除噪聲影響方面需要從結(jié)構(gòu)入手來減小或消除噪聲。

對于手持工具的人機(jī)要素，除了上述主要考慮因素外，還有些特殊原因也需要進(jìn)行考慮。這些原因包括工具使用的場景（室外、室內(nèi)），使用者的姿勢（站姿、坐姿等），主要著力方向（水平、垂直或其他方向），使用者的用手習(xí)慣（如右手或左手），是否能雙手持握，以及兼顧使用者的性別，年齡等多個(gè)要素進(jìn)行考慮，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮這些因素。

4基于人機(jī)要素的手持射釘緊固工具手柄設(shè)計(jì)

手持射釘緊固工具的設(shè)計(jì)是對現(xiàn)有產(chǎn)品的人機(jī)設(shè)計(jì)做進(jìn)一步優(yōu)化。設(shè)計(jì)主要是從射釘器外觀方面和附件（手柄與加長柄）入手進(jìn)行。

4.1射釘器與手柄設(shè)計(jì)

如圖1所示，為T5000吊頂緊固器，手柄為槍式手柄，和射釘器通過螺紋連接，使用時(shí)一只手握持手柄，另一只手握持射釘器，對準(zhǔn)位置，通過手柄施加一定的力量，另一只手則需要換位至手柄后端，施加更大的力來激發(fā)射釘器。其主要問題在于，握持槍式手柄的手在施力方向和射釘槍中心不在同一條直線上，握持手柄的手的虎口會受到較強(qiáng)壓力，一般情況下單手激發(fā)所需的力量較大，不容易實(shí)現(xiàn)，雙手擊發(fā)較容易實(shí)現(xiàn)，在激發(fā)后，握持手柄的手的虎口和另一只手的手掌將會承受瞬時(shí)的沖擊振動(dòng)，單次的沖擊振動(dòng)沒有明顯的感受，多次使用后虎口和手掌會有明顯的不適。

改進(jìn)方案是將槍式手柄改成了吊環(huán)式手柄（如圖2），手柄材料為電木酚醛塑料，手持部分用橡膠材料，以起到減小沖擊振動(dòng)的作用。改進(jìn)后的手柄在射釘器激發(fā)時(shí)手的施力方向和射釘器軸線基本重合，施力過程中除了手掌部位受力以外，虎口部分不會因存在壓力而引起不適。激發(fā)時(shí)雙手分別握住把手和射釘器的中部，雙手均處于握持工具的狀態(tài)，讓激發(fā)更穩(wěn)定。

4.2加長直手柄設(shè)計(jì)

加長手柄是吊頂緊固射釘工具的常用附件，由不銹鋼鋼管通過螺紋連接構(gòu)成，一般分為兩種規(guī)格，直徑為25mm和32mm兩種規(guī)格長度與數(shù)量分別為600mm×5根與1000mm×3根的兩種規(guī)格，每種規(guī)格的加長桿中的一根作為直手柄，設(shè)計(jì)有手握的橡膠材質(zhì)的握把，通過使用實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，原直柄握把在使用過程中存在著較嚴(yán)重的不適，主要問題位手柄凸起部分和手掌小面積的接觸使接觸點(diǎn)受力較集中，手掌與手柄的接觸面積減小所導(dǎo)致，改進(jìn)后的直柄尺寸變化較緩慢，呈波浪形，在滿足了防滑需求做到與手之間較高的貼合度，并加長了握把的面積。讓手柄握把面積增加，滿足不同使用者的使用需求，如圖3。

5結(jié)論

本文對手持射釘緊固工具產(chǎn)品以及同類產(chǎn)品進(jìn)行了使用場合、人群、特性和相關(guān)人機(jī)要素分析，對現(xiàn)行的手持射釘緊固工具使用中存在的人機(jī)工程學(xué)問題提出了解決或優(yōu)化方案，同時(shí)通過對新型吊頂射釘緊固工具（T5000系列）做了實(shí)際的使用測試，最后針對新型吊頂射釘緊固工具的產(chǎn)品外觀，人機(jī)要素等方面做了改進(jìn)的設(shè)計(jì)，優(yōu)化了產(chǎn)品的使用特性。