石油修井机操控室人机分析

屈文涛，徐晓航， 徐剑波，李志栋

（1. 西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安 710065；

2. 陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院，陕西 西安 710065）

石油修井机操控室人机分析

屈文涛1，徐晓航1， 徐剑波1，李志栋2

（1. 西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安 710065；

2. 陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院，陕西 西安 710065）

本文针对因人机工程模块中缺乏中国大陆成年人数字模型而导致CATIA软件在车辆人性化设计适用性差的现象，以GB10000-1988和石油修井机操控室结构设计参数需求为依据，建立了中国大陆成年男子P95、P50和P5人体数字模型和石油修井机数字化样机，完成了视野域、可操作域和坐姿舒适性人机工程分析，为提升国产汽车操作方便性、可靠性与安全性提供了理论依据。

石油修井机；操控室；CATIA；人体模型；人机分析

CLC NO.:U469.6Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)02-68-03

前言

为提高油田修井作业操控室操作方便性、可靠性与安全性，在整车设计中需考虑人机工程因素。CATIA软件可以通过三维模型直观的体现出设计是否合理，同时也可以发现设计所存在的问题。人机分析在设计过程中的应用，可以减少制造样车和实际人体反复检验等所耗费的时间和经济成本[1]。

1、分析依据

中国汽车行业广泛采用CATIA三维软件，因人机工程模块中缺乏中国大陆成年人数字模型，为了节省开发时间，会采用中国台湾地区人体模型作为

分析依据。随着人机工程学在国内的发展以及汽车行业的规范化，设计者逐渐意识到，由于各地区生活环境与地域差异的关系，人体模型的侧重点不同，在设计前只有建立符合使用对象的人体模型，才能对产品做出更客观的人机分析[2]。

石油修井机操控室属于复合类产品，并不特定属于产品尺寸设计任务三种基本类型的某一类，因而只能尽可能满足大范围人群，通常设计中均以满足度达到90%作为设计目标。本文以GB 10000-1988我国成年人人体尺寸的基础数据和延长油田修井作业人员着装进行测量统计结果为依据，选取了P95、P50和P5成年男性人体尺寸，依据人机工程学理论便可得出修正后的延长油田修井作业人员着装人体尺寸数据。

2、建立人体数字模型

CATIA中建立人群文件所需的变量参数较多，而GB 10000-1988中47项人体尺寸基础数据中只有34项符合比对。如果所需参数都进行测量其所需的人力财力都是非常庞大的。由于大陆与台湾成年人人体尺寸数据相差不大，因而在建立人群文件时我们只录入对于设计比较重要的测量数据，其他采用台湾人群数据，并进行修正调整[3]。其后利用修正值与标准差建立三种百分位数的人体模型，以P5人体尺寸为例列出部分国标中人体尺寸与CATIA变量参数比对表（如表1），并进行编程。

当定义完人体模型相关数据后，导入CATIA的人体模型库，然后再确定要建立的人体模型父系产品、人体模型名、性别、百分数，就能生成中国油田修井作业人员的虚拟人体模型。

表1 部分CATIA人体变量与国标人体尺寸对比[4]

3、结果分析

3.1 坐姿舒适性分析

在对人体模型进行坐姿分析前，首先要对人体模型的姿态进行编辑，使模型姿势符合工作时的姿势。在对现场作业姿势有了充分了解，可以对其进行虚拟的定位。如表2，列出了舒适姿势下的人体关节角度范围，以此人机工程理论为基础，在CATIA虚拟环境下，对各个部位建立首选角度，划分区域并设立分值，进行姿态分析，并最终确立操作人员坐姿姿态下在所设计操控室内工作所选择的角度。

表2 虚拟模型姿态数据(°)[5]

图1中举例了小腿的首选角度α3，由于大腿和小腿夹角在舒适性角度在95～135°，所以小腿的首选角度为45～85°，之后划分4个区域进行分析，图中所示，作业人员小腿角度为84°，即α3的选择角度为96°，处于首先角度内，因而姿态最优。

在汽车人机工程学设计理论中，躯干轴线与垂线α1处于10～20°之间属于工作人员最优姿势。如表中分析结果，α1的选择角度6°并不处于此范围内，因此应该对座椅的腰靠与座垫的夹角进行重新的设计，应当将其由原先设定的96°增加至105°左右，至少是110°。

3.2 视野分析

修井作业过程中，操作人员的视野集中于操作面板、大钩与井口三个位置，分别如图2、图3、图4所示。

图2模拟的是操作人员低头25°、弯腰10°的视野，这种坐姿姿态属于舒适操作姿态，且操作人员视野聚焦点处于操作台面中心位置，可以良好的观测仪表显示情况；工作过程中，操作人员的注意力需跟随大钩的运行而移动，频繁的头部活动会加速操作人员的疲劳，仰头范围应尽量控制在30°以内。图3为仰头30°视野仿真，可直观看出，操作人员可在仰头30°的情况下观测到井架最顶端的天车；图4为低头15°、弯腰10°、左扭头15°视野仿真，操作人员的视野聚焦点被井架支架横梁与操作杆所阻挡，并不能很好的观察到井口工作状况。井架支架横梁的位置是不能移动的，如图5所示，可以将其位置移至贴近滚筒，同时将面板最上方的操作杆移至左手操作位置，如此便可解决观察井口工况视野受限问题。

3.3 操作域分析

通过运用CATIA中可触及范围分析工具，可以评价操作界面各操作设施安排和尺寸大小的合理性。从图5中可以看出操作装置都在可操作包络范围内，若操作人员在操作中通过灵活的利用身体的不同姿势，可操作范围会扩大，因而操作空间设计符合人机工程学原理。

[1] 董 鹏,张 堃等.某型车驾驶室人机工程分析[J].汽车实用技术,2010,01:12～14.

[2] 赵红芬.基于CATIA的中国人体模型的研究[J].汽车实用技术,2013,01:41～44.

[3] 束奇,王丙刚等.基于CATIA的修井机作业人体分析与优化[J].石油机械.2011,39(5):79～82.

[4] 郑午.人因工程设计[M].北京:化学工业出版社.2006.

[5] 毛恩荣,张 红,宋正河等.车辆人机工程学[M].北京理工大学出版社.2007.

Ergonomic analysis of the petroleum workover rig control room

Qu Wentao1，Xu Xiaohang1，Xu Jianbo1，Li Zhidong2

（1.School of Mechanical Engineering, Xi’an Shiyou University, Shaanxi Xi’an 710065；
2.Academe Of Automobile Engineering, ShaanXi Automobile Group, Shaanxi Xi’an 710200）

The shortage of mainland adult digital models in ergonomic module leads to the weakness of adaptability in CATIA software in car’s humanized design. According to this phenomenon, this paper has established a digital sample with the adult male P95、P50and P5 digital models of Chinese mainland and oil workover rig and completed an ergonomic analysis of visional region and operational limit region and sitting comfort. It has provided theoretical

for the improvement of operation convenience, reliability and safety for domestic automotives by referring to the parameters of GB10000-1988 and structure design in oil workover rig’s operation room.

Petroleum workover rig；Control room；CATIA；Manikin; Ergonomic analysis

U469.6

A

1671-7988(2014)02-68-03

屈文涛，就读于西安石油大学。