某車載速射迫擊炮手輪工效分析

易慎光，談樂斌，潘孝斌，陳元泰，單文澤

(南京理工大學機械工程學院，南京 210094)

JACK 是一個廣泛應用于提升產品人因工效學設計的人體建模仿真系統，由賓夕法尼亞大學的人體建模仿真中心在20 世紀80年代開發而成，被認為是目前最成功的工效學評估系統。它包含了上萬人的基本人體測量數據、關節柔韌性、健康狀況、勞累程度、和視力限制等醫學及生理學參數，可以根據用戶參數的設定生成不同類型、不同性別、不同大小的虛擬人體模型，主要用于多約束分析、人的因素分析、視場分析等［1-2］。

某車載速射迫擊炮的高低機和方向機手輪為單人操作，在射擊過程中，炮手需要通過不斷的轉動手輪，使炮口指向打擊目標。在傳統火炮方向機和高低機設計、裝配和維護中，設計人員往往重點考慮的是產品功能和性能指標要求，而沒有足夠地考慮人機關系，忽略了人的生理、心理特點和工作能力極限，降低了炮手操作的舒適性和工作效率。因此，有必要將JACK 虛擬技術應用于某車載速射迫擊炮的手輪設計中，避免炮手操作過程中腕部、肘部、肩部、腰部等部位過度疲勞，從而增加炮手操作的安全性和舒適性。

1 手輪工效分析流程

對于炮手轉動手輪過程進行人機工效分析，首先需要建立人機工效分析的基礎模型，某車載速射迫擊炮操作臺虛擬模型和炮手人體模型［3］。之后，進行炮手轉動手輪過程的運動仿真，通過運動仿真，可以在靜態姿勢下對可達性和舒適性進行分析，此外，還需分析炮手在操作過程中肩部、腕部、腰部等部位的受力。如圖1 所示為手輪人機工效分析流程圖。

圖1 手輪人機工效分析流程

2 手輪工效分析基礎

2.1 建立虛擬炮手模型

針對某車載速射迫擊炮的手輪尺寸及空間布局與人的生理關系，分析不同百分位的炮手和手輪尺寸及空間布局之間的人機工效情況［4］。根據GJB2873—1997 建立18 ～45歲、身高1 620 mm 以上的男性人體模型及18 ～40 歲、身高1 580 mm 以上的女性人體模型，其身高如表1 所示。

表1 人體身高mm

對手輪進行人機工效分析時，以第5 百分位的人體尺寸作為設計下限，以第95 百分位的人體尺寸作為設計上限。研究第5 至第95 百分位的人體，即可滿足絕大部分人體的設計要求。本文選取P5、P50、P95的人體作為研究對象。

2.2 手輪人機工效分析模型

某車載速射迫擊炮的高低機手輪及方向機手輪的直徑分別為190 mm 和100 mm，且高低機手輪采用手輪平面與水平面垂直的方式放置，方向機手輪采用手輪平面與水平面平行的方式放置。在三維軟件Pro/E 中建立高低機和方向機的三維優化模型(即在不影響使用JACK 軟件進行人機工效分析的前提下，對手輪模型進行優化)，將三維模型轉化為JACK 支持的wrl 格式，然后導入JACK 中進行某車載速射迫擊炮的手輪人機工效分析。

3 手輪工效分析內容

3.1 可達域分析

針對炮手轉動手輪過程進行可達性分析，分別選取炮手左右手掌心作為軌跡點，創建炮手掌心位置最大可達域的包絡線［5］，如圖2 所示。

本文分別選取高低機手輪軸線高度為33.55 cm、43.55 cm、53.55 cm、63.55 cm、73.55 cm 作為研究對象。分別對于第5、第50、第95 百分位的人體進行可達域分析時，可以發現，對于P5的人體，當高低機手輪軸線高度處于33.55 cm時，手輪轉動過程不在其可達域范圍內，而當高低機手輪軸線高度處于43.55 cm 時，炮手需要彎腰約40°才可以正常轉動手輪，當高低機手輪軸線高度為53.55 cm、63.55 cm 及73.55 cm 時，炮手可以以正常坐立姿勢轉動手輪。對于P50及P95人體，當高低機手輪軸線高度處于33.55 cm 時，炮手需要彎腰操作，而當當高低機手輪軸線高度處于43.55 cm、53.55 cm、63.55 cm 及73.55 cm 時，炮手可以保持正常坐立姿勢轉動手輪。

圖2 右手可達區域

3.2 工作姿勢分析

炮手操作時的姿勢可能對炮手造成損害或傷害，不同的操作姿勢會對炮手背部、手部和腿部負荷造成影響，從而影響其操作的舒適度。

仿真結果表明，當高低機手輪軸線高度為33.55 cm 時，當手輪轉動135 ～225°時，炮手的OWAS 評級為3 級(1 級說明姿勢正常，2 級說明姿勢有一定的不良影響，3 級說明姿勢有不良影響，4 級說明姿勢非常有害)，如圖3 所示，說明該姿勢對炮手有不良的影響，需要進行糾正。當手輪高度大于43.55 cm 時，炮手的OWAS 評級為2 級，說明該姿勢對炮手可能會產生不良的影響。

圖3 炮手工作姿勢評價

4 炮手受力分析

4.1 下背部受力分析

Lower Back Analysis(下背部分析)利用先進復雜的生理學下背部模型，計算L4/L5 脊椎處的壓力，并將這個壓力和NIOSH(搬運受力分析)的推薦壓力及極限壓力進行比較［6-7］。3400N 是NIOSH 標準給出的背部壓力的推薦力，當下背部壓力超過這個值就意味著該動作會增大少部分人員受傷的風險。

將炮手轉動某車載速射迫擊炮高低機手輪的過程進行分解，分別研究手輪在轉動0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°時炮手的下背部受力狀況。在轉動手輪時，炮手的右手承受69 N 的手輪力［8］。可以從圖4、圖5、圖6 中看出，當炮手逆時針旋轉手輪時，第50 百分位及第95 百分位人體的下背部受力呈現曲線變化，且當手輪轉動90°時，炮手的下背部承受的力最大;而當手輪轉動到270°時，炮手的下背部承受的力最小。當把高低機手輪的軸線高度(手輪的軸線高度為手輪軸線至腳踏底板的垂直高度)由33.55 cm 分別調至43.55 cm、53.55 cm、63.55 cm、73.55 cm 時，炮手的下背部受力變化依然呈現上述變化。

圖4 第5 百分位人體下背部受力

圖5 第50 百分位人體下背部受力

圖6 第95 百分位人體下背部受力

可以看出，炮手下背部所承受的壓力最大不超過2 500 N，小于NIOSH 標準給出的背部壓力的推薦值(3 400 N)。這說明當炮手右手承載69 N 的手輪力，并保持坐立姿勢操作手輪時，炮手的下背部受傷的風險較小。

4.2 肩部受力分析

本文選取P5、P50和P95的人體作為研究對象，研究手輪轉動過程對于炮手的右肩部承載能力產生的影響。肩部承載能力百分比越高，說明能夠在該姿勢強度下完成工作的人員的百分數越高。從圖7、圖8、圖9 可以看出，隨著手輪軸線高度的變化，炮手右肩部的承載能力也出現明顯變化。對于第5 百分位的人體，當手輪軸線高度處于43.55 ～53.55 cm 時，炮手的右肩部承載能力較好; 對于第50 百分位的人體，當手輪軸線高度處于33.55 ～63.55 cm 時，炮手的右肩部承載能力較好;對于第95 百分位的人體，當手輪軸線高度處于43.55 ～53.55 cm 時，炮手的右肩部承載能力較好。

圖7 第5 百分位人體右肩部承載能力百分比

圖8 第50 百分位人體右肩部承載能力百分比

圖9 第95 百分位人體右肩部承載能力百分比

4.3 正反轉對炮手受力的影響

炮手在操作某車載速射迫擊炮的高低機和方向機手輪時，需要正轉和反轉手輪，使得炮口指向目標位置。本文選取第50 百分位的人體作為研究對象，研究當手輪高度為43.55 cm 及手輪力為69 N 時，炮手的下背部及肩部受力變化。從圖10 可以看出，炮手的下背部受力呈現對稱分布，且當手輪轉動到0°及180°時，炮手所受手輪力方向相反，但下背部受力基本相同，這說明此時手輪力的方向對于炮手下背部的受力影響不大;而當手輪轉動到90°及270°時，這時炮手所受手輪力方向相反，其下背部受力變化也較大，說明此時手輪力的方向對于炮手下背部受力的影響也較大。從圖11 可以看出，炮手的肩部受力也呈現對稱分布，且手輪力的方向變化對于炮手的肩部受力影響較大。

圖10 正反轉對下背部受力的影響

圖11 正反轉對肩部受力的影響

5 結論

本文應用JACK 軟件對某車載速射迫擊炮的手輪進行人機功效分析，經過評估得出以下結論:

1)當炮手承受69 N 的手輪力時，其下背部受力均在NIOSH 標準給出的背部壓力的推薦值以內。

2)對于P5、P50和P95的人體，手輪軸線高度為43.55 ～53.55 cm 時，手輪轉動過程均在其可達域范圍內，且炮手的右肩部承載能力最好。

3)該人機工效評估方法，也可用于其他各類武器的優化設計和工效評估。

［1］鈕建偉，張樂. Jack 人因工程基礎及應用實例［M］. 北京:電子工業出版社，2012.

［2］丁玉蘭，郭剛，趙江紅.人機工程學［M］.北京:北京理工大學出版，2000:113.

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［4］Atsuo Murata，Makoto Moriwaka. Ergonomics of steering wheel mounted switch-how number and arrangement of steering wheel mounted switches interactively affects performance［J］. International Journal of Industrial Ergonomics，2005(35):1011-1020.

［5］王華亭，田宇，程廣偉，等.基于JACK 的某自行高炮乘員艙人機工效評估［J］.火炮發射與控制學報，2013(2):63-66.

［6］王睿，莊達民.基于舒適性分析的艙室手操縱裝置優化布局［J］.兵工學報，2008，29(9):1149-1152.

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［8］談樂斌，潘孝斌，顧輝.火炮人-機-環境系統工程學［M］.北京:兵器工業出版社，2011.