基于人机工程的减速器试验台设计与分析

刘小霞

（1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原030006；2.山西天地煤机装备有限公司，山西 太原030006）

0 导言

减速器的试验是检验减速器性能和可靠性的关键手段，也是取得安全标志证书、出厂交付客户的必要环节。 减速器的试验包括空载试验、加载试验、温升试验和噪声试验等[1]。其单台减速器的空载或加载试验时间一般比较长，如某公司要求减速器空载试验至少需要八小时。在减速器的整个试验过程中，测试人员需要定期或不定期的监控记录油温、噪声、功率、转速等参数，工作强度较大。 尤其是随着传感、通讯技术的发展和广泛应用，减速器测试的控制输入和终端输出基本都集中于控制台上，此时，减速器测试控制台的显示系统和操作系统的宜人性就显得尤为重要。

1 减速器测试控制台的人机分析与设计

在减速器的测试过程中，控制台的布局问题直接影响操作人员的作业效率和舒适度。在减速器试验台的设计时，不仅要考虑减速器试验台的结构、造型、安全性等因素，还得考虑“人”的因素。 工作区域的划分原则、测试员的视野特性和测试员工作类型及其操作姿势不仅可以提高操作效率，还可有效避免“误”操作。

减速器测试控制台一般包括显示系统和操作系统两部分，显示系统包括显示器、仪表、指示灯和标识标牌等， 操作系统包括回路控制按钮、磁场旋转按钮等。

2.1 显示系统布局设计

视觉显示装置在人机界面中占有重要的比例，其人机工程设计的基本依据就是人的视觉特性，包括视野及其视区等。 根据人机工程学对人体生理特性的研究，人双眼的最佳水平视区在左右20°范围内，最佳垂直视区在视线水平上15°~下45°范围内， 在该区域短时间内就能辨认清楚形体；人双眼的有效水平视区在左右30°范围内，有效垂直视区在视线水平上10°~下30°范围内，在该区域需要集中精力才能辨认清楚形体；人双眼的最大水平视区在左右120°范围内，最大垂直视区在视线水平上60°~下70°范围内，在该区域能感觉到形体的存在，但是轮廓不清楚。另外，由于不同的颜色对人眼的刺激有所不同，所以视野也不同，其中白色的视野最大，接着依次是黄色、蓝色、红色视野较小，绿色视野最小。产品的显示装置与操纵装置、 社会实施上的标识符号等，在选择他们的颜色和位置的时候都要考虑色觉视野因素。

因此，控制台的重要仪表应该布置在人双眼的最佳视区范围内，其他仪表尽量布置在人双眼的有效视区内，而且仪表的布置应和操作员的观看顺序一致， 符合从左到右或者从上到下的顺序，另外，仪表的标识标牌应与仪表一一对应，且显示内容一致。

2.2 操作系统布局设计研究

在减速器试验过程中，操作员一般状态是在坐姿下操作减速器的试验台，因此减速器的试验台高度首先需要满足人体坐姿的一般使用原则，另外，试验台上回路控制按钮、磁场旋转按钮等操作按钮应该布置在人体适合的操作范围内。

根据一般人的使用原则，选择人体百分数为50 的人， 参考GB/T 10000-88 标准确定相关尺寸。 百分位50 的18-60 岁人的坐姿眼高为798 mm，小腿加足高413 mm，即坐姿下，百分位50的18-60 岁人地面至眼高的距离为798+413=1211 mm；坐姿肘高为263 mm，即坐姿下，百分位50 的18-60 岁人地面至肘高的距离为263+413=676 mm。

2.3 减速器测试试验台的设计

按照某公司减速器试验台的布置要求，结合人机工程学显示系统、 操作系统的设计原则，将减速器试验台设计如图1、图2 所示。

图1

图2

将功能反馈显示、显示器、指示灯布置于视野的主要显示区，将旋转按钮、鼠标布置于人手操作的最佳区域内， 为了避免旋转按钮引起的“误操作”，特将旋转按钮对应的指示灯布置在旋转按钮之下位置。

3 JACK 软件评价

3.1 JACK 软件

JACK 是目前一个公认较成功的人体仿真分析与工效学评估软件，最初是由宾夕法尼亚大学的人类模型和模拟中心历经十多年时间开发的智能型软件系统，JACK 软件提供了简洁的人体几何模型、方便直观的用户界面、完整的人体测量学数据库、有效的作业姿态控制和运动仿真功能，以及利用自然语言对任务环境中精确定义的不同尺寸的数字人体。

JACK 软件主要以人机评估为主， 在三维建模方面功能有所欠缺，但是其提供了强大的三维软件接口， 可将Pro/E、SolidWorks、UG 等三维软件的模型导入JACK 软件中， 在JACK 软件中进行相应的评估分析。

在JACK 软件中评价分析流程为： ①在SolidWorks 软件中构建减速器试验台的三维模型，并将三维模型导入JACK 软件中；②在JACK软件中构建百分位的坐姿人体模型，调整人体模型和减速器试验台相对位置，实现两者的“虚拟装配”；③创建人体模型的舒适、最佳、极限的视线（手臂活动）包络球体；④运用JACK 软件视域（可达域）相应的分析检测工具，分析人体模型与减速器试验台间的干涉性，并记录视野（手臂操作域）与减速器试验台的相对位置。

3.2 视域验证

Jack 软件中的视域是由视野角度和视距确定的视锥体，视锥体包络的范围表示对应人体模型的字母辨别区域、颜色辨别区域、最佳视野区域、极限视野区域等。 在JACK 软件中，将人体模型和减速器试验台“虚拟装配”，运用视域分析检测工具，分别检测该人体模型最佳视野区域与减速器试验台之间的干涉性，若该人体模型的最佳视野区域与减速器试验台布置“匹配”，则软件会显示两者干涉，否则需要重新设计减速器试验台最佳视野区域布置的元部件。

经验证，当屏幕处于最佳视野范围内，50 百分位的人体模型头部向上向下的范围都为10度， 小于50 百分位人体模型头部关节最佳舒适度25 度[2]，如图2 所示。

3.3 可达域验证

可达域的衡量标准也是以合格与不合格体现，可达域的合格性指人体与产品“装配”定位后,手、足可否触及产品上特定部分,并实现预定操纵[3]。

图3 Jack 软件中人体模型的视域

在Jack 软件中， 可达域是指以肩关节和手臂长确定的球体包络的范围，其表示手可达到的范围表示减速器控件的可达范围，通过建立手臂侧伸、平伸、上举的可达域球体，映射可达域球体所包含的控制台按键，如图4 所示，即验证了减速器试验台的控件符合可达域要求。

图4 Jack 软件中人体模型的可达域

4 结论

为提高减速器的试验效率，减少试验的“误操作”和降低操作人员的劳动强度，本文运用人机工程学原理对减速器试验台中显示系统和操作系统进行了人机分析，并以分析结果为依据设计了减速器的试验台，最后运用人机分析评估软件Jack 分析了减速器试验台的视域和可达域，这对类似操作台的设计有借鉴和参考价值。