屈文濤，徐曉航， 徐劍波，李志棟

（1. 西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065；

2. 陜西重型汽車(chē)有限公司汽車(chē)工程研究院，陜西 西安 710065）

石油修井機(jī)操控室人機(jī)分析

屈文濤1，徐曉航1， 徐劍波1，李志棟2

（1. 西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065；

2. 陜西重型汽車(chē)有限公司汽車(chē)工程研究院，陜西 西安 710065）

本文針對(duì)因人機(jī)工程模塊中缺乏中國(guó)大陸成年人數(shù)字模型而導(dǎo)致CATIA軟件在車(chē)輛人性化設(shè)計(jì)適用性差的現(xiàn)象，以GB10000-1988和石油修井機(jī)操控室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)需求為依據(jù)，建立了中國(guó)大陸成年男子P95、P50和P5人體數(shù)字模型和石油修井機(jī)數(shù)字化樣機(jī)，完成了視野域、可操作域和坐姿舒適性人機(jī)工程分析，為提升國(guó)產(chǎn)汽車(chē)操作方便性、可靠性與安全性提供了理論依據(jù)。

石油修井機(jī)；操控室；CATIA；人體模型；人機(jī)分析

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

前言

為提高油田修井作業(yè)操控室操作方便性、可靠性與安全性，在整車(chē)設(shè)計(jì)中需考慮人機(jī)工程因素。CATIA軟件可以通過(guò)三維模型直觀的體現(xiàn)出設(shè)計(jì)是否合理，同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)所存在的問(wèn)題。人機(jī)分析在設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用，可以減少制造樣車(chē)和實(shí)際人體反復(fù)檢驗(yàn)等所耗費(fèi)的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本[1]。

1、分析依據(jù)

中國(guó)汽車(chē)行業(yè)廣泛采用CATIA三維軟件，因人機(jī)工程模塊中缺乏中國(guó)大陸成年人數(shù)字模型，為了節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間，會(huì)采用中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)人體模型作為

分析依據(jù)。隨著人機(jī)工程學(xué)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展以及汽車(chē)行業(yè)的規(guī)范化，設(shè)計(jì)者逐漸意識(shí)到，由于各地區(qū)生活環(huán)境與地域差異的關(guān)系，人體模型的側(cè)重點(diǎn)不同，在設(shè)計(jì)前只有建立符合使用對(duì)象的人體模型，才能對(duì)產(chǎn)品做出更客觀的人機(jī)分析[2]。

石油修井機(jī)操控室屬于復(fù)合類(lèi)產(chǎn)品，并不特定屬于產(chǎn)品尺寸設(shè)計(jì)任務(wù)三種基本類(lèi)型的某一類(lèi)，因而只能盡可能滿足大范圍人群，通常設(shè)計(jì)中均以滿足度達(dá)到90%作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。本文以GB 10000-1988我國(guó)成年人人體尺寸的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和延長(zhǎng)油田修井作業(yè)人員著裝進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果為依據(jù)，選取了P95、P50和P5成年男性人體尺寸，依據(jù)人機(jī)工程學(xué)理論便可得出修正后的延長(zhǎng)油田修井作業(yè)人員著裝人體尺寸數(shù)據(jù)。

2、建立人體數(shù)字模型

CATIA中建立人群文件所需的變量參數(shù)較多，而GB 10000-1988中47項(xiàng)人體尺寸基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中只有34項(xiàng)符合比對(duì)。如果所需參數(shù)都進(jìn)行測(cè)量其所需的人力財(cái)力都是非常龐大的。由于大陸與臺(tái)灣成年人人體尺寸數(shù)據(jù)相差不大，因而在建立人群文件時(shí)我們只錄入對(duì)于設(shè)計(jì)比較重要的測(cè)量數(shù)據(jù)，其他采用臺(tái)灣人群數(shù)據(jù)，并進(jìn)行修正調(diào)整[3]。其后利用修正值與標(biāo)準(zhǔn)差建立三種百分位數(shù)的人體模型，以P5人體尺寸為例列出部分國(guó)標(biāo)中人體尺寸與CATIA變量參數(shù)比對(duì)表（如表1），并進(jìn)行編程。

當(dāng)定義完人體模型相關(guān)數(shù)據(jù)后，導(dǎo)入CATIA的人體模型庫(kù)，然后再確定要建立的人體模型父系產(chǎn)品、人體模型名、性別、百分?jǐn)?shù)，就能生成中國(guó)油田修井作業(yè)人員的虛擬人體模型。

表1 部分CATIA人體變量與國(guó)標(biāo)人體尺寸對(duì)比[4]

3、結(jié)果分析

3.1 坐姿舒適性分析

在對(duì)人體模型進(jìn)行坐姿分析前，首先要對(duì)人體模型的姿態(tài)進(jìn)行編輯，使模型姿勢(shì)符合工作時(shí)的姿勢(shì)。在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)姿勢(shì)有了充分了解，可以對(duì)其進(jìn)行虛擬的定位。如表2，列出了舒適姿勢(shì)下的人體關(guān)節(jié)角度范圍，以此人機(jī)工程理論為基礎(chǔ)，在CATIA虛擬環(huán)境下，對(duì)各個(gè)部位建立首選角度，劃分區(qū)域并設(shè)立分值，進(jìn)行姿態(tài)分析，并最終確立操作人員坐姿姿態(tài)下在所設(shè)計(jì)操控室內(nèi)工作所選擇的角度。

表2 虛擬模型姿態(tài)數(shù)據(jù)(°)[5]

圖1中舉例了小腿的首選角度α3，由于大腿和小腿夾角在舒適性角度在95～135°，所以小腿的首選角度為45～85°，之后劃分4個(gè)區(qū)域進(jìn)行分析，圖中所示，作業(yè)人員小腿角度為84°，即α3的選擇角度為96°，處于首先角度內(nèi)，因而姿態(tài)最優(yōu)。

在汽車(chē)人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)理論中，軀干軸線與垂線α1處于10～20°之間屬于工作人員最優(yōu)姿勢(shì)。如表中分析結(jié)果，α1的選擇角度6°并不處于此范圍內(nèi)，因此應(yīng)該對(duì)座椅的腰靠與座墊的夾角進(jìn)行重新的設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)將其由原先設(shè)定的96°增加至105°左右，至少是110°。

3.2 視野分析

修井作業(yè)過(guò)程中，操作人員的視野集中于操作面板、大鉤與井口三個(gè)位置，分別如圖2、圖3、圖4所示。

圖2模擬的是操作人員低頭25°、彎腰10°的視野，這種坐姿姿態(tài)屬于舒適操作姿態(tài)，且操作人員視野聚焦點(diǎn)處于操作臺(tái)面中心位置，可以良好的觀測(cè)儀表顯示情況；工作過(guò)程中，操作人員的注意力需跟隨大鉤的運(yùn)行而移動(dòng)，頻繁的頭部活動(dòng)會(huì)加速操作人員的疲勞，仰頭范圍應(yīng)盡量控制在30°以內(nèi)。圖3為仰頭30°視野仿真，可直觀看出，操作人員可在仰頭30°的情況下觀測(cè)到井架最頂端的天車(chē)；圖4為低頭15°、彎腰10°、左扭頭15°視野仿真，操作人員的視野聚焦點(diǎn)被井架支架橫梁與操作桿所阻擋，并不能很好的觀察到井口工作狀況。井架支架橫梁的位置是不能移動(dòng)的，如圖5所示，可以將其位置移至貼近滾筒，同時(shí)將面板最上方的操作桿移至左手操作位置，如此便可解決觀察井口工況視野受限問(wèn)題。

3.3 操作域分析

通過(guò)運(yùn)用CATIA中可觸及范圍分析工具，可以評(píng)價(jià)操作界面各操作設(shè)施安排和尺寸大小的合理性。從圖5中可以看出操作裝置都在可操作包絡(luò)范圍內(nèi)，若操作人員在操作中通過(guò)靈活的利用身體的不同姿勢(shì)，可操作范圍會(huì)擴(kuò)大，因而操作空間設(shè)計(jì)符合人機(jī)工程學(xué)原理。

[1] 董 鵬,張 堃等.某型車(chē)駕駛室人機(jī)工程分析[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2010,01:12～14.

[2] 趙紅芬.基于CATIA的中國(guó)人體模型的研究[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2013,01:41～44.

[3] 束奇,王丙剛等.基于CATIA的修井機(jī)作業(yè)人體分析與優(yōu)化[J].石油機(jī)械.2011,39(5):79～82.

[4] 鄭午.人因工程設(shè)計(jì)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2006.

[5] 毛恩榮,張 紅,宋正河等.車(chē)輛人機(jī)工程學(xué)[M].北京理工大學(xué)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

屈文濤，就讀于西安石油大學(xué)。