土方機械換擋桿舒適操縱力實驗研究

楊愛萍，程光，呼慧敏，張欣

(1.北京聯合大學，工業工程系，北京 100020;2.中國標準化研究院，人類工效實驗室，北京 100083;3.國家市場監督管理總局人因與工效學重點實驗室，北京 100820)

1 引言

土方機械主要用于挖掘、鏟運、推運或平整土壤和砂石等，其種類有挖掘機、鏟運機、推土機、裝載機、平地機及壓路機等，土方機械作業時需要司機手腳配合頻繁執行換擋桿及踏板動作。換擋操作績效受座椅與換擋桿的位置、換擋桿操縱力、換擋桿握柄尺寸及換擋行程等影響。在正常作業姿勢下，手動推拉力過大會引起上肢關節及局部肌肉活動增加，導致肌肉疲勞，降低作業效率。

很多學者針對手動搬運作業開展了基于任務績效、推拉車工效學、與職業相關的疾病風險、以及環境對作業績效影響的多方面的推拉力相關研究。Snook 等人開展了關于手動推拉力實驗研究，給出了基于任務頻率、距離、高度、持續時間、物體大小和握柄、水平可達以及組合任務的最大可接受的推拉力改進數據表［1］。Schaefer 等人結合關于推拉力的國際ISO 和歐洲標準提出了一種基于目標人群特征(年齡、身高、體重)和任務需求(工作高度、頻率、行程)的與推拉相關的損傷風險評估方法(確定推拉力限值)［2］。由于推拉增加了肩部和后背疾病風險，Kuijer 等人提出一種關于手部推拉力和肩及后背所受負荷的工效學評估方法，并應用與實踐［3］。Theado 等人對肌電圖輔助模型進行了改進，以明確推拉任務相比較提舉任務的脊柱生物力學變化，用于推拉車和搬運任務的工效學測評和設計改進［4］。Jung 等人研究了手推車幾何特性和接觸面對推拉力的影響，即:手推車的輪子直徑、扶手高度、負荷大小對推拉力大小的影響，以及地板材質、傾斜角度、維修狀況等引起操作者用力程度變化的研究［5］。Laursen 等人研究了車輪接觸面對推拉力的影響，即:在推拉兩輪箱體過程中，不同表面(石板路、石子路、草坪)的推拉操作(傾斜、初始及持續階段)對肩、腰椎生物力學負荷的影響，在所有情形中，腰椎壓力和剪切力分別低于1 800 N和200 N，另外，容器重量也影響推拉力大小以及肩部負荷。在操作持續階段，接觸面類型影響肩部負荷量，但是不影響腰椎壓力［6］。Garg 等人開展了最大推拉力的心理物理學基礎研究，建立了回歸方程(作為手柄高度、施力頻率和推拉距離的函數)來估計推拉力的最大初始力和持續力(75%男女工人可接受)［7］。Hoozemans 等人開展了混凝土料斗移動作業的推拉力預測方法的有效性研究，工人對于料斗移動時的推力預測一般都高于2 倍的實際需要力，測力裝置不方便使用而測力計更準確［8］。Voorbij 等人開展了五種手動力的年齡差異研究。隨著年齡增長，以青年人(20 -30 歲)的力量為基準，給出了50 歲以上7 個年齡段的老人的(5 歲為一個步長)推、拉、扭和左右手握力下降的比率值［9］。Kumar 等人開展了操作高度對推拉力的影響研究，在矢狀面三個高度(低35 cm、中100 cm、高150 cm)進行了等速肌力和等距肌力測試，在等距肌力測試時的中間高度的拉力最大，以中間高度男性拉力為標準，男女推力分別是標準力的41%-68%和27% -44%［10］。Al-Eisawi 等人開展了手推車最小推拉力影響因素分析研究，推拉力與負荷大小、輪子尺寸、接觸面材質與摩擦系數等相關［11］。Tiwari 等人開展了印度農業工人立姿作業時的最大前后推拉力測試，得到男女向前推力與向后拉力均值分別為254 N/234 N，183 N/185 N［12］。Agrawal 等人開展了印度農業工人靜態力測試研究，坐姿男女右手推拉力分別為145.8 N/112.5 N，第5 百分位值為96.3 N/61 N［13］。Herring 等人開展了換擋桿操作高度對于卡車司機的推拉力的影響，推拉位置(操作的遠近距離和握柄高度)對貨車司機的最大推拉施力績效的影響。結果表明，較遠位置以及在肘高附近時，推拉施力效果最好(即推拉力較大而肌肉活動量較小)［14］。Dewangan 等人開展了印度農業男性工人等長力測試研究，坐姿時工人的右手推拉力平均值118 N/149 N，第5 百分位值70.6 N/83.9 N［15］。

已有研究主要集中在被試最大推拉力實驗、推拉力與關節及后背疾病風險因素評估、推車幾何特性對推拉績效的影響等。研究基本是針對前后推拉動作，文獻13、14 和15 中有關于司機右手推拉力研究，其結果是通過測試得到最大推拉力，然后取力分布中的5 百分位值，此結果為滿足測試樣本的95%的人可接受的操作力，但不是換擋操作的舒適力，而且被測者非中國人。關于車輛手動推拉操作適宜力(即舒適操作力)研究很少涉及，本文基于裝載機換擋操作，搭建相應的實驗場景，對司機進行前后推拉、左右推拉舒適操作力進行了測試，兼顧作業姿勢以及位置對推拉舒適操作力的影響，得到土方機械手動舒適推拉力推薦值范圍。

2 對象與方法

2.1 被試

招募15 名成年男性參加換擋桿舒適操作力測試，被試者平均年齡30 ±5 歲，平均身高1 738±34 mm，平均體重72 ±10 kg?？紤]到換擋操作績效可能與人體上肢尺寸和操作姿勢相關，這里也測量了被試者的臂長和坐姿肩高，被試者基本信息如表1 所示。實驗要求被試者身體健康，需有2 年以上工程機械駕駛經驗。

表1 被試者基本信息

被試 年齡 身高(mm)體重(kg)臂長(mm)坐姿肩高(mm)7 37 1704 76.5 746 960 8 27 1724 69.7 701 989 9 25 1719 57.2 712 981 10 28 1800 60.1 809 1080 11 38 1733 80.5 752 1008 12 28 1757 69.0 719 1016 13 32 1764 68.3 733 1026 14 24 1660 65.6 683 955 15 38 1770 73.0 751 1003

2.2 實驗臺搭建

裝載機的手動換擋操作頻繁，總結為右手的前后推拉及左右推拉動作。由于換擋操作績效受座椅與換擋桿相對位置、換擋桿尺寸及操縱力大小影響，所以在搭建實驗臺時要考慮換擋桿位置和尺寸因素。首先，通過調研市場上換擋桿尺寸、換擋行程以及換擋桿與座椅的相對位置，以某型裝載機換擋工況為參考，確定了實驗用的換擋桿尺寸、握柄中心與地板距離為220 mm、換擋行程(前后及左右轉動均為25°左右)，如圖1 所示，座椅椅背傾角及座面高度如圖2 所示，換擋桿與座椅的相對位置如圖3 所示。借助Primus RS 測力裝置，搭建換擋操作機構測試臺架:具體包括換擋桿及握柄、換擋力調節機構;然后，以某型裝載機座椅與換擋桿位置為參考，搭建了座椅和換擋機構組成的模擬裝載機換擋操作的測試場景，其中，座椅上下、前后及左右位置可調，換擋機構能實現模擬換擋桿前后及左右推拉動作，Primus RS 系統提供換擋操縱力的輸入與顯示。

圖1 操作桿行程及尺寸

圖2 座椅高度及靠背傾角

圖3 座椅與操作桿相對位置

2.3 實驗流程

換擋桿舒適操縱力測試場景如圖4 所示。首先，被試以正常駕駛姿態落座，右手握住操作桿握柄，然后，通過Primus RS 設定換擋桿阻尼力大小，被試以正常換擋速度進行3 -5 次推拉動作，記錄被試關于換擋操作力的主觀評分(5 級分值)，反復改變阻尼力大小，重復本次操作，直到測試完被試者的手動推拉操縱力的5 級分值。用同樣方法依次完成所有被試者的前推、后拉、左右推拉的舒適力測試。

考慮到被試者關于手臂力量的感知量是有一定范圍，為了測試結果更準確，這里將舒適級進一步細化為三級(舒適偏輕，適中，舒適偏重)，并在輕至重的5 個級別中列出每個級別的上下限值，具體的5 級評分標準為:太輕，輕，舒適(偏輕、適中，偏重)，重，太重。

圖4 換擋桿舒適操作力測試場景(左圖-左右推拉，右圖-前后推拉)

3 結果

15 名男性司機的換擋操作前后推拉力測試結果如表2、3 和圖5、6 所示，左右推拉力測試結果如表4、5 和圖7、8 所示。剔除異常值后求平均值及標準差，并給出了中位數和眾數值。

表2 前推力測試結果(單位N)

圖5 換擋桿前推力主觀評價結果

圖6 后拉力測試主觀評價結果

表3 后拉力測試結果(單位N)

表4 左推力測試結果(單位N)

圖7 左推力測試主觀評價結果

圖8 右推力測試主觀評價結果

表5 右推力測試結果(單位N)

4 討論

4.1 手動換擋桿舒適操縱力推薦范圍

由于樣本量較少(15 名司機)，表2、3、4、5 的眾數值僅作為參考。由圖5、6、7、8 可以看到，推拉力在7 個主觀級別上的均值和中位數基本一致，說明測試結果數據穩定，由于手動推拉力量太小，司機不容易感知到任務是否實現，推拉力量太大又易引起手臂肌肉疲勞，所以取測試結果的舒適值的上限和下限作為推拉力推薦值，前后推拉力推薦值5 -10 N，正常操作時前后推拉力不超過13 N 為可接受限值。左右推拉力5 -9 N，正常操作時左右推拉力不超過12 N 為可接受限值。由15 名司機的測試結果可知，手臂前后推拉與左右推拉舒適力范圍基本一致，換擋桿適宜操縱力推薦值約為5 -10 N。

本文所測值與相關文獻中的推拉力值相差較大，如文獻15 中的坐姿右手前后推拉力70.6 N/83.9 N(第5 百分位值)，原因是文獻中的推拉力是基于最大推拉力測試得到的，其值應限定為可接受的最大推拉力。而本文推薦值是直接測試被試者的舒適推拉力給出，理論上舒適力也應該是小于可接受力和最大力。相關推拉力文獻顯示，一般推拉操作力受單雙手、左右手、性別等影響，其中推力和拉力值也有差異，本文研究結果顯示，關于舒適前推力和后拉力基本一致，前后方向和左右方向力基本一致。

本文實驗是參考某型駕駛室布局搭建的測試場景，在實驗過程中，調查了被試關于座椅與換擋桿位置舒適性評價，15 名被試對于座椅和操作桿的位置基本可以接受，即本研究結果是在可接受的位置布局下得到的舒適推拉力值。

表6 人體測量參數與換擋舒適操縱力相關性

4.2 換擋舒適操縱力與人體測量相關性分析

對換擋桿舒適操縱力和身高、體重、臂長以及坐姿肩高分別進行相關性分析，結果表現為:向右推力與身高、體重及臂長表現出一定的相關性，其他三種力與人體參數相關性較小或無;體重與向前推力、向后拉力以及向右推力呈現一定相關性，總體表現為人體參數與手臂推拉力相關性不高，其中相關系數最大僅為0.434(體重與前推力)。坐姿肩高與前后和左右推拉力均不相關，具體結果如表6 所示。

5 結論

本文是對土方機械換擋舒適操作力測試研究，應用Primus RS 測力設備，搭建換擋操作測試臺架及場景，完成了15 名具有駕駛經驗的司機的前后及左右舒適推拉力測試，得到換擋前后及左右推拉操作的舒適力推薦范圍，其值約為5 -10 N，正常作業時舒適操縱力不超過13 N 左右。其研究結果對于工程機械的駕駛室工效學設計及改善有一定的實際參考價值。

本研究樣本量偏少，上肢舒適推拉力推薦范圍有待于增加樣本量進行修正，另外，本研究沒有考慮手腳配合時的作業疲勞可能會對換擋操作績效的影響，還有，關于操作位置是參考某型車駕駛室實際值給定，盡管在實驗過程中問詢了被試關于位置的主觀感受(均為可接受)，但是已有的研究(文獻2/5/10/14)表明操作位置對操作績效有顯著影響，因此，還需開展關于操作位置(握手高度、握柄與座椅相互位置)對于操作績效的精確影響研究。