東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 李 博 李樹(shù)森
摘要：操作者在使用背負(fù)式割灌機(jī)勞動(dòng)時(shí)，由于操作姿勢(shì)、機(jī)器的振動(dòng)和噪聲等原因，極易導(dǎo)致作業(yè)疲勞和安全事故。運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)理論對(duì)背負(fù)式割灌機(jī)的技術(shù)原理、結(jié)構(gòu)和使用中的人機(jī)因素進(jìn)行分析。計(jì)算得出背負(fù)式割灌機(jī)的手把尺寸、工作桿尺寸和背墊、背帶尺寸，并以此數(shù)據(jù)對(duì)背負(fù)式割灌機(jī)進(jìn)行改良設(shè)計(jì)。使得背負(fù)式割灌機(jī)能夠提高勞動(dòng)效率，能夠減輕勞動(dòng)者的疲勞，降低割灌作業(yè)帶來(lái)的職業(yè)傷害，為便攜式林業(yè)機(jī)械的安全性設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考。
關(guān)鍵詞：人機(jī)工程學(xué) 背負(fù)式割灌機(jī) 改良設(shè)計(jì) 割灌作業(yè) 職業(yè)傷害
中圖分類(lèi)號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：1003-0069(2017)10-0112-03
Abstract：Objective In the process of operators working with knapsack brush cutters， it easily leads to fatigues and safety accidents because of operating posture， vibration and noise of machine， and other reasons. Method Analyze the technical principle， the structure and the human factors used in knapsack brush cutter based on ergonomics theory. Result Calculate the handles size， rods size and straps size of knapsack brush cutter. In accordance with these data， carry out improved design program of handles， rods， straps， back cushions， machine’s molding and colors of knapsack brush cutter. Conclusion Improve the labor efficiency of the cutter， relieve the fatigue of operators and reduce the occupational injuries caused by the cutting operation and provide a reference for safety design of portable forestry machinery.
Keywords：ergonomics knapsack brush cutter improved design cutting operation occupational injury
引言
背負(fù)式割灌機(jī)是割除灌木、雜草的便攜式機(jī)械，園林工人和農(nóng)業(yè)工作者經(jīng)常使用割灌機(jī)來(lái)從事清除林間雜草、修剪園林灌木、收割莊稼等勞務(wù)[1-2]。操作者在使用背負(fù)式割灌機(jī)作業(yè)時(shí)，由于操作姿勢(shì)、機(jī)器的振動(dòng)和噪聲等原因，極易產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象，影響工作效率和身心健康。在背負(fù)式割灌機(jī)的人機(jī)工程領(lǐng)域，Luke D. Knibbs、董金寶、李文彬等對(duì)割灌機(jī)的振動(dòng)和噪聲及其對(duì)人體的影響做出了相關(guān)研究[3-5]。李博、李樹(shù)森等對(duì)割灌作業(yè)姿勢(shì)引起的職業(yè)性肌肉骨骼疾患做了相關(guān)研究[6-7]。對(duì)背負(fù)式割灌機(jī)的技術(shù)、造型、人機(jī)因素進(jìn)行分析，基于人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)原理[8-9]，對(duì)背負(fù)式割灌機(jī)的整機(jī)、手把、背帶、背墊進(jìn)行改良設(shè)計(jì)，可以減輕用戶(hù)的操作疲勞，降低職業(yè)傷害。
一、背負(fù)式割灌機(jī)的技術(shù)原理與結(jié)構(gòu)
（如圖1）所示，背負(fù)式割灌機(jī)利用肩帶和背負(fù)架，將機(jī)器動(dòng)力部分固定并背負(fù)在操作者背上，發(fā)動(dòng)機(jī)和離合器下置有兩根粗彈簧，使機(jī)器適應(yīng)振動(dòng)環(huán)境，并可繞底座支撐軸線(xiàn)沿水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)，操作者可握持工作桿和安裝在工作桿上的手把形成省力杠桿并進(jìn)行不同角度的作業(yè)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速接近機(jī)器工作轉(zhuǎn)速時(shí)，自動(dòng)離心式離合器的飛塊會(huì)在離心力的作用下克服離心碟和彈簧拉力的結(jié)合，從而帶動(dòng)離合器和工作桿之間的軟軸旋轉(zhuǎn)，軟軸又通過(guò)聯(lián)軸節(jié)驅(qū)使工作桿內(nèi)的硬軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)一對(duì)螺旋錐齒輪的減速、換向，促使切割裝置開(kāi)始逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，進(jìn)而進(jìn)行切割作業(yè)。
二、背負(fù)式割灌機(jī)的人機(jī)因素分析
（一）人的因素
1.人體尺寸。在背負(fù)式割灌機(jī)的設(shè)計(jì)中，人體的身高與臂長(zhǎng)是其工作桿直徑和手把尺寸位置設(shè)計(jì)的決定性因素，根據(jù)相應(yīng)百分位的已知人體尺寸數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出合理的工作桿直徑范圍，并確定手把距站臺(tái)與人體前后的最佳高度與距離。
2.人體的肌力。背負(fù)式割灌機(jī)工作時(shí)所需的人體肌力主要是背部肌力和上肢肌力，需要依靠人體背部的骨骼肌肉支撐整機(jī)重量，并通過(guò)上肢關(guān)節(jié)肌肉實(shí)現(xiàn)工作桿在一定范圍內(nèi)的擺動(dòng)。通過(guò)對(duì)割灌機(jī)操作者進(jìn)行表面肌電測(cè)試可知[6]，在使用割灌機(jī)進(jìn)行不同割灌作業(yè)時(shí)腰背部伸肌豎脊肌的平均肌電活動(dòng)都在20%MVE左右，最高達(dá)到30%MVE，而腹部的屈肌僅有12%MVE左右的肌電活動(dòng)，這說(shuō)明在割灌作業(yè)中豎脊肌為主要參與肌肉，豎脊肌過(guò)勞是操作者腰背損傷的主要原因。將此原因作為影響割灌機(jī)人機(jī)工程學(xué)改良的因素可以減輕用戶(hù)的操作疲勞，提升操作體驗(yàn)。
3.人體的平衡機(jī)能。
在背負(fù)式割灌機(jī)工作中，機(jī)身重量、工作桿長(zhǎng)度、整機(jī)振動(dòng)、作業(yè)姿勢(shì)等均會(huì)影響人體平衡機(jī)能[6]。當(dāng)割灌機(jī)開(kāi)始工作，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)影響人體平衡；刀片進(jìn)行切割作業(yè)時(shí)，需要操作者通過(guò)工作桿和手把的協(xié)調(diào)做橫向動(dòng)作，產(chǎn)生足以完成切割作業(yè)的水平操作力，水平操作力也會(huì)影響人的平衡控制。為了保持身體平衡，操作者勢(shì)必要消耗更多體力，而彎腰前傾和肌肉拉伸的工作動(dòng)作使身體平衡更難掌握。
4.人手和握力。人手和握力是影響工作桿和手把尺寸的重要因素，為了保證人手在持續(xù)工作中保持舒適的感覺(jué)，能夠以最佳握力完成工作，要對(duì)工作桿的直徑以及手把的形狀尺寸進(jìn)行研究與分析。
5.人體的脊柱和腰椎。割灌作業(yè)時(shí)為保持人體不會(huì)因重負(fù)荷而后仰，人體會(huì)自然向前屈伸，使重心前移，給脊柱和腰椎較大負(fù)擔(dān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，脊柱損傷、下腰痛等成為困擾割灌機(jī)操作者的主要病癥之一，通過(guò)對(duì)割灌機(jī)造型和結(jié)構(gòu)進(jìn)行人機(jī)改良可以規(guī)范操作者的作業(yè)姿勢(shì)，減少對(duì)操作者健康的傷害。
6.人的生理疲勞與心理疲勞。操作背負(fù)式割灌機(jī)的作業(yè)疲勞分為生理疲勞和心理疲勞兩種，一種是由于肌肉負(fù)擔(dān)和負(fù)荷累積造成的勞動(dòng)機(jī)能的下降，伴有肌肉酸痛、注意力渙散、頭暈?zāi)垦５劝Y狀；另一種是心理上由于厭倦和惡劣環(huán)境造成的消極狀態(tài)和負(fù)面情緒。無(wú)論是生理疲勞還是心理疲勞都會(huì)大大降低操作者的工作效率，增加工作危險(xiǎn)率。
（二）機(jī)器因素
1.整機(jī)重量。背負(fù)式割灌機(jī)要將發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、燃料箱等重物背負(fù)在人體脊背上，整機(jī)重量則會(huì)影響人體平衡和脊柱形狀，控制并降低割灌機(jī)的整機(jī)重量能夠減少操作者的工作負(fù)荷。
2.工作桿與手把尺寸。工作桿的長(zhǎng)度影響了人的作業(yè)姿勢(shì)，即身體彎曲程度和前傾角度，對(duì)工作桿的長(zhǎng)度L和與站臺(tái)之間的夾角α進(jìn)行計(jì)算分析，可以使操作者保持相對(duì)輕松的作業(yè)姿勢(shì)。同理，手把握持點(diǎn)距身體的距離和站臺(tái)高度也很重要；手把的直徑、長(zhǎng)度、形狀等因素能夠影響人體掌部組織壓力和靜肌負(fù)荷[5]。
3.背負(fù)架。背負(fù)架承載了割灌機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)、油箱、離合器等關(guān)鍵部位，既與機(jī)器的操作性能相關(guān)，又影響機(jī)器的整體美觀性。其位置安排要不干擾機(jī)器正常工作，盡量重量平均，重心稍微下置，使人背部平均受到機(jī)身壓力并保持良好的平衡性。
4.背墊與背帶。傳統(tǒng)背負(fù)式割灌機(jī)的背墊造型多為平板型，不能滿(mǎn)足人在前傾工作時(shí)背部線(xiàn)條的變化，使得機(jī)身重量基本集中在脊柱一點(diǎn)，對(duì)局部骨骼關(guān)節(jié)擠壓嚴(yán)重。長(zhǎng)時(shí)間的肌肉拉伸使乳酸濃度增加，腰部酸痛難以緩解。背帶多采用3-4cm寬度的帆布材料，長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，背帶受力不均，操作者的肩頸處會(huì)受到較強(qiáng)的勒壓感，導(dǎo)致疲勞。
5.振動(dòng)因素。振動(dòng)干擾是造成割灌操作者疲勞的主要因素之一，當(dāng)振幅大到一定程度或持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，人會(huì)因?yàn)椴皇孢m感產(chǎn)生厭煩和抵觸心理，進(jìn)而注意力難以集中，工作效率下降。振動(dòng)頻率過(guò)高也會(huì)降低操作者的機(jī)體反饋和敏感性，使人在緊急情況下應(yīng)激遲緩，造成不必要的災(zāi)難。引起割灌機(jī)振動(dòng)的主要原因有發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)以及離合器、減速器、傳動(dòng)軸和刀片引起的振動(dòng)，其中發(fā)動(dòng)機(jī)是最主要的振源。已知研究分析表明，割灌機(jī)的背墊振動(dòng)以及手把振動(dòng)均主要由發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)引起。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作，并達(dá)到某一臨界轉(zhuǎn)速值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生劇烈顫動(dòng)，振動(dòng)通過(guò)傳動(dòng)組織將其傳送給背墊、背帶、工作桿、手把等組成部分。若要減小機(jī)器振動(dòng)，除了從根本原因減小發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)以外，還可以通過(guò)在傳遞環(huán)節(jié)增設(shè)柔性連接和改變受振部件材質(zhì)來(lái)吸收部分振動(dòng)，來(lái)減輕機(jī)器高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的不舒適感。
6.造型因素。割灌勞動(dòng)是一項(xiàng)較為艱苦的持續(xù)性工作，操作者在工作時(shí)的心理狀態(tài)與精神面貌對(duì)割灌作業(yè)效率與安全都會(huì)產(chǎn)生較大影響。傳統(tǒng)割灌機(jī)的造型設(shè)計(jì)多是以機(jī)械結(jié)構(gòu)需求為主，設(shè)計(jì)語(yǔ)言較為單一和生硬，操作者與冰冷機(jī)械設(shè)備之間容易產(chǎn)生距離感；色彩選擇多為深紅色與黑色，明度較低，產(chǎn)生的視知覺(jué)較“重”，可導(dǎo)致操作者的心理疲勞。
三、割灌機(jī)的改良設(shè)計(jì)
（一）手把
1.手把最小處長(zhǎng)度L。背負(fù)式割灌機(jī)的重量多在8Kg-10Kg之間，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的割灌作業(yè)通常需要較大的肌力，割灌機(jī)的操作者以35~55歲的男性為主[6]。根據(jù)本用戶(hù)人群特點(diǎn)進(jìn)行人體數(shù)據(jù)調(diào)查得知，人的手掌寬度一般為71~97mm（95％男性和5％女性數(shù)據(jù)）[10]。在割灌作業(yè)中，操作者的手掌汗液和手把振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致輕微的打滑現(xiàn)象發(fā)生，需預(yù)留足夠的功能尺寸，功能尺寸修正量的取值范圍為13~20mm。同時(shí)，可根據(jù)操作者的具體工作狀態(tài)取適當(dāng)?shù)男睦硇拚?，以減輕人的心理疲勞。
公式（1）為手把最小功能尺寸和手把最佳功能尺寸。
2.手把寬度W。根據(jù)已知實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示[5]，割灌機(jī)手把的寬度W與操作者的身高G線(xiàn)性相關(guān)，操作者身高值與手把的寬度相關(guān)。其變化趨勢(shì)（如圖5）所示，由回歸分析得到計(jì)算公式（2）。
W＝0.875576G－990.23 （2）
由（表1）所示的GB10000-88標(biāo)準(zhǔn)[7]人體測(cè)量數(shù)據(jù)得到相應(yīng)百分位的數(shù)值可知，我國(guó)成年男子的身高值為1678~1775mm（50％和95％男性數(shù)據(jù)），帶入公式（2）中，可得到計(jì)算結(jié)果。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)手把的造型設(shè)計(jì)采用不等寬的曲線(xiàn)時(shí)，寬度值可控制在560~570mm之間。通過(guò)分析人手部的解剖學(xué)與生物力學(xué)得知，最優(yōu)握法時(shí)的指距值是4.5~9.5cm。手把與工作桿之間的間隔設(shè)計(jì)為6cm，可保證操作者手部在手把與工作桿之間有較自如的活動(dòng)空間，便于勞作。（如圖2、3）所示。
3.手把握持點(diǎn)距地面高度。由人機(jī)工程學(xué)的相關(guān)研究可知，人的脊背所受壓迫力在處于自然站姿時(shí)最低。當(dāng)操作者使用同一產(chǎn)品處于自然立姿時(shí)，假設(shè)手持重量相同，均為G，當(dāng)手臂前伸角度不同時(shí)，所產(chǎn)生的負(fù)荷力矩也不相同，（如圖4、5）所示，計(jì)算結(jié)果為負(fù)荷力矩M1=X1×G＞負(fù)荷力矩M2=X2×G。
當(dāng)手持物重力點(diǎn)距人體腰椎扭轉(zhuǎn)軸的距離增大時(shí)，負(fù)荷力矩也相應(yīng)增大。在操作者握持割灌機(jī)手把時(shí)，人手臂前伸角度與自然垂直時(shí)角度無(wú)明顯變化，可忽略不計(jì)。因此，可將人手的功能高度視為手把的握持點(diǎn)距地面高度，由GB10000-88標(biāo)準(zhǔn)人體測(cè)量數(shù)據(jù)可得到相應(yīng)百分位的數(shù)值；將人穿鞋的尺寸修正量25~38mm計(jì)入，可得公式（3），計(jì)算結(jié)果為手把握持點(diǎn)距地面高度110cm。
（3）
（二）工作桿
工作桿起到連接動(dòng)力部件和切割刀具的作用，操作者通過(guò)手掌與手指的周向抓握實(shí)現(xiàn)范圍內(nèi)的移動(dòng)，控制刀具的方向，工作桿直徑的尺寸取決于人手的尺寸。操作者手部靈活性和割灌速度都收到工作桿直徑尺寸的影響，操作桿設(shè)計(jì)不當(dāng)將導(dǎo)致手掌與指端疲勞。由人體測(cè)量數(shù)據(jù)可知，人的手掌寬度一般為71~97mm（95％男性和5％女性數(shù)據(jù)）[11]，將工作桿直徑尺寸值確定為30~40mm[5]，即可實(shí)現(xiàn)工作桿輔助操作者完成著力抓握的功能，（如圖6、7）所示。
（三）背帶與背墊設(shè)計(jì)
1.背帶寬度尺寸。由壓強(qiáng)計(jì)算公式P=F/S可知，壓強(qiáng)P與受力面積S呈反比。因此加寬肩帶，加大肩帶和人體肩頸的接觸面積，可以減小割灌機(jī)整機(jī)重量給人體的壓力負(fù)荷。 人體肩部可承載背帶的最大區(qū)域?yàn)?span style="font-size: 14px; line-height: normal; font-family: 'Myriad Pro';">1/2（肩寬–頸寬），由人體測(cè)量數(shù)據(jù)[11]計(jì)算可知，背帶寬度尺寸應(yīng)控制在5.5cm~6.8cm之間。
2.背墊設(shè)計(jì)。人體的胸寬和臀寬尺寸決定割灌機(jī)的背墊寬度，人體上身長(zhǎng)度尺寸決定背墊長(zhǎng)度，若背墊的最大尺寸數(shù)值超越人體尺寸數(shù)據(jù)的制約，將給操作者的行動(dòng)作業(yè)帶來(lái)不便。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)可知，背負(fù)式割灌機(jī)的機(jī)身部分會(huì)對(duì)人體脊柱骨骼肌肉造成擠壓[5]。傳統(tǒng)的背墊采用平板式造型，不能適應(yīng)人體脊柱的走向與弧度，采用普通海綿材料，無(wú)法起到減輕工人脊柱負(fù)荷和減輕振動(dòng)的作用。
在對(duì)背墊的改良設(shè)計(jì)中，采用四周凸，中間凹的造型結(jié)構(gòu)，背墊周?chē)N合人體背部，中間部分與人體脊背和腰椎留有縫隙，降低負(fù)荷對(duì)脊椎的壓迫。選用具有較強(qiáng)減震性、透氣性、干燥性和拉伸性的Ortholite新型高密度泡棉材料，減輕工作給工人身體造成的傷害。（如圖8、9）所示。
（四）整機(jī)造型與色彩
割灌機(jī)的操作用戶(hù)多為園林工人和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)者，操作環(huán)境多為園林景觀、街道綠化帶或農(nóng)田等自然環(huán)境，用戶(hù)通常需要在此類(lèi)環(huán)境中較長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)性進(jìn)行割灌作業(yè)，是一項(xiàng)較為艱苦的體力勞動(dòng)。在街道綠化帶操作的用戶(hù)還需要注意躲避過(guò)往車(chē)輛的安全性問(wèn)題。因此，在割灌機(jī)的改良設(shè)計(jì)中采用“蜜蜂”的仿生造型，既能夠提升割灌機(jī)整機(jī)造型的美觀性；又能夠與用戶(hù)產(chǎn)生情感共鳴，認(rèn)同“勤勞的小蜜蜂”的造型語(yǔ)義修辭。整機(jī)造型、色彩（如圖9、10）所示。
在色彩上，使用了從蜜蜂這一仿生對(duì)象中提取的黃色與黑色，黃色的明度較高，能夠從視覺(jué)上降低割灌機(jī)的整機(jī)重量，減輕操作者的心理疲勞。另外，黃色是高可見(jiàn)的色彩，是安全設(shè)備與危險(xiǎn)信號(hào)中常見(jiàn)的警戒色，能夠有效提醒過(guò)往的車(chē)輛與正在作業(yè)的用戶(hù)保持安全距離。
（五）整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)的背負(fù)式割灌機(jī)主要由背負(fù)動(dòng)力系統(tǒng)和軟軸傳動(dòng)部分組成。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如圖11、12、13）所示。
結(jié)論
背負(fù)式割灌機(jī)作為園林工人和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)者廣泛使用的勞動(dòng)設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)改良不僅能夠提高勞動(dòng)效率，更能夠減輕勞動(dòng)者的疲勞，降低割灌作業(yè)帶來(lái)的職業(yè)傷害，為今后便攜式林業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)提供設(shè)計(jì)參考。
1.基于人機(jī)工程學(xué)理論，對(duì)背負(fù)式割灌機(jī)設(shè)計(jì)中人的因素和機(jī)器因素進(jìn)行了分析研究；
2.運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)方法，計(jì)算了背負(fù)式割灌機(jī)手把、工作桿和背帶的尺寸，并由此進(jìn)行了背負(fù)式割灌機(jī)整體造型的改良設(shè)計(jì)。
3.利用仿生學(xué)和產(chǎn)品語(yǔ)義學(xué)原理，采用“蜜蜂”的仿生造型對(duì)割灌機(jī)的外觀進(jìn)行設(shè)計(jì)改良，高明度的黃色夠從視覺(jué)上降低割灌機(jī)的整機(jī)重量，減輕操作者的心理疲勞，并可以起到安全警示作用。
基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（2572016CB05）
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