基于人机工程学的桥式起重机司机室设计研究

辛运胜 张亚伶

关键词：人机工程学;桥式起重机;司机室设计

1人机工程学概述

所谓人机工程学，亦即是应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究方法，对人体结构特征和机能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、重量、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时的相互关系和可及范围等人体结构特征参数：还提供人体各部分的出力范围、以及动作时的习惯等人体机能特征参数，分析人的视觉、听觉、触觉以及肤觉等感觉器官的机能特性。人机工程学作为一门系统研究人、机器和环境关系的交叉学科，能够充分体现“以人为本”的设计思想。通过对起重机进行人机工程学分析，能够有效提升驾驶人员的操控舒适性和心理感受，降低事故风险的发生率，为现代起重机功能设计的合理性提供理论依据。

2基于人机工程学的桥式起重机司机室设计分析

2.1内部空间设计分析

桥式起重机司机室的设计首先应保证外观造型和功能的协调性，除了要满足基本的结构、工艺和使用要求外，还应该使司机室整体的外观达到设计美观协调的要求。目前桥式起重机司机室的外观多以棱角分明的块体为主，在司机视野范围内，三个方向面通常被分成几个部分，在此区域内装有大小不同的玻璃，这种多区域的分割会缩小司机的视野范围，影响司机对周围情况的观察，所以司机室外壳的区域划分在保证结构、承重等基本要求下应尽量简单。此外，司机室整体的外观可采用一定的圆弧或者曲面设计，避免直棱直角，给人美观大方的感觉。

其次，桥式起重机司机室要有足够的空间容纳所有的设备，并且要有一定的空间供驾驶员作业以及调整姿势，司机室的空間布局不仅影响着驾驶员操作的舒适性和安全性，也影响着驾驶员作业时的效率，所以司机室的空间设计应以简洁为主，内部布置在保证驾驶员操作舒适的前提下尽可能紧凑，这样才能保证内部有足够大的空间和充分的视野范围。

2.2色彩设计分析

色彩不仅能从生理上对司机产生影响，还能带来一定的心理影响;色彩不仅能给人的视觉带来影响，同时也能影响人的呼吸、血压、心跳等。不同的颜色给人的心理感受也不同，结合桥式起重机恶劣的工作环境，司机室内的颜色不宜太跳跃，也不宜太沉闷。稍浅的颜色可用于司机室内部的大面积装饰，其他的颜色可适当点缀，以减少长时间注视同一颜色造成的视觉疲劳，而鲜艳醒目的颜色可用于司机室室外的设计，比如红色、橙色和黄色，达到警示作用，避免事故发生。

2.3视野布局分析

桥式起重机是一种间歇动作的机械，在搬运物料时，通常反复取物、运送、卸料和空车复位的工作过程，所以，对于桥式起重机司机来说，必须有快速的反应能力和良好的视野范围，尽可能观察到物料的运行位置和周围的环境。这就要求桥式起重机司机室必须要有充分的视野范围，但是驾驶员在操作桥式起重机时，视野几乎为俯视视角，所以必须要对驾驶室的视野进行设计，尽可能减少阻挡物的遮掩，增大驾驶员的视野范围。

显示器可以监测司机看不到的地方，还可以显示司机室相关的信息，所以为了扩大司机的视野范围，提高视野舒适性，缓解眼部疲劳，保证作业的安全性，最好增设显示器辅助驾驶。显示器的作用除了扩大视野范围外，还应该显示起重机的其他相关信息，例如起吊重物的重量、大小、起重机故障状况、油量等，利用显示器可以精确显示起重机作业时的相关数据，能够使驾驶员操作更加准确，避免因外界因素或者个人因主观因素造成判断误差而导致的操作失误，提高作业效率。

在桥式起重机司机室操作时，司机的视野基本为俯视视角，长时间作业必然会造成颈部疲劳，但是由于桥式起重机属于高空作业，这种状况不可避免。显示器可布置在相对于驾驶员平视或者仰视的视野区域内，在这一区域内既不会遮挡驾驶员在操作起重机作业时的视野，又可以使驾驶员的颈椎得到一定的活动，避免长时间保持同一姿势带来的颈椎疲劳。

2.4操作空间分析

操作台是桥式起重机司机室最重要的部分，是司机完成作业的重要操控装置，操作台布置的合理与否关系着司机作业的舒适性、高效性、安全性等问题，所以操作台的布置必须着重考虑和设计。首先，操作台是由司机实时操控的，所以必须以人为中心来进行布局。其次，操作台的尺寸大小应尽量满足大部分人的使用要求。操作台以及操纵装置具体要求如下：

1）操作台的布置在满足人体尺寸的舒适要求下应尽量紧凑。

2）各类操纵装置应尽量在司机手的可达范围内，虚线为人手最大可达区域，实线为人手操作的正常区域，为保证司机的操作舒适性，建议以394mm为参照上下浮动。首先频繁操控的、使用频率高的操纵装置优先考虑安置在距离司机近的位置。一般而言，人使用右手操控最为方便和准确，所以可布置在右边操作台上;使用频率低的、不需要及时操控的装置按使用优先排布在左边的控制台上。

3）各类操纵装置应加以区分，便于司机快速辨识而不混淆，可从颜色、形态、大小等进行区分。

4）操作杆是操作台上重要的操纵装置之一，操作杆的形状应结合人手的生理特点进行设计，否则会影响司机手部肌肉的舒适度。

2.5座椅设计分析

桥式起重机司机的作业姿态基本为坐姿，所以座椅设计的合理与否、舒适与否直接关系到司机作业时的状态。座椅的设计主要涉及四个方面：座高、座面、靠背和扶手。

1）座高。座高是指座面前沿到地面的垂直距离。座高与人体的舒适度有很大的关系，过高会使大腿受压，影响血液循环，过低则会使坐骨产生疼痛感。人体工程学中舒适合理的座高应为人体小腿加足高和一定的鞋跟厚度，再减去适当的活动余地，活动余地可取10mm-20mm。此外，座高可调可满足大部分人使用要求。

2）座面。座面的设计比较复杂，主要涉及四个方面，座面形状、座宽、进深和倾角。根据人体坐骨和股骨的结构，座面的形状应尽量保持为水平面，不可内凹或外凸;座宽和进深应根据人体百分位数确定，为适应大部分人的身体尺寸，可选择女性95百分位臀宽尺寸和坐深尺寸，此外还需考虑一定的活动量;为防止人体向外滑，保证人体坐姿的稳定性，座面可设计成稍微向后倾的形式;工作用座椅座面倾角一般取3°左右，座面倾角还利于人体背部向座椅靠背靠拢，减轻坐骨结节处的压力。

3）靠背。起重机驾驶员在操作过程中长期处于坐姿驾驶状态，受起重机运行过程中机械振动的影响，驾驶员产生腰部职业病的概率较高。靠背由腰靠和肩靠组成，腰靠和肩靠是根据人体坐姿生理曲线设计。正常而言人体坐姿腰部曲线稍微向前凸，承重点在第4、5腰椎之间，而肩靠在第5、6腰椎之间。靠背的高度最大可取480mm-630mm，宽度最大可取350mm-480mm。

4）扶手。扶手可以支撑手臂减轻，避免手臂疲劳，在不妨碍司机作业的情况下，座椅可配备扶手。扶手的高度需要适中，满足不同高度的司机需求，否则会造成上臂或肩部疲劳，合理高度的扶手既可以缓解手臂疲劳，也可以辅助司机起身或者变换姿势。

3人机仿真软件在司机室设计中的应用

CATIA是人机分析的常用软件，可对设计尺寸的合理性进行验证，并进行人体姿势分析（Human Posture Analysis）。本文通过CATIA对桥式起重机司机室尺寸设计进行人机分析验证。

在对起重机人机分析的基础上，利用人机工程仿真软件CATIA建立不同百分位的人体模型，进行姿势的得分分析。驾驶员长时间握持操作杆，胳膊处于悬空状态会加重驾驶员胳膊的负担;如果将扶手安装在椅子上，不方便驾驶员胳膊的调整和操作操作杆。因此，在设计方案中将扶手安装到操作台上，扶手高度可调和旋转，避免查看指示灯时扶手遮挡视野。

操作台通过座椅的调整可满足大部分人的使用，但仍有少部分人不能通过调整座椅来找到适宜的操作状态。操作台也可设计成高度可调，这将使更多的驾驶员调整到更加舒适的姿势，减轻驾驶员的疲劳度，提高操作效率。基于人機工程标准和人体百分位尺寸，对起重机内部布局尺寸进行重新设计，得到操控台的设计尺寸。

图1为驾驶员在驾驶室操作时的工作视野，包括俯视视野、左右两边视野以及观察显示器时的视野，由分析结果可知，此驾驶室具备足够的视野来确保驾驶员能够观察到周围的环境及物料运输过程。此外，由图可知显示器也在驾驶员视野范围内。

4结论

本文首先根据人机工程学等相关知识计算出一个符合人机的桥式起重机驾驶室的相关尺寸，为了验证驾驶室设计的合理性，应用CATIA中的人机分析模块，对其进行视野分析、姿势分析、快速上肢评价分析和手部可达区域进行分析。表明人机工程学对于有效提高工作效率、缓解作业疲劳和避免操作失误都有很好的改善作用。这种“以人为本”的设计理念不仅适用于桥式起重机，也适用于其他工程机械，只有以人为中心来进行设计，才能让笨重的工程机械更加灵活为人所使用，更能提高司机的健康。