机械设计与人机工程学

摘要:论述了人机工程学对于机械产品设计的重要性,指出人机结合及人机功能分配的主要研究内容,对人体感觉功能与设计关系的协调提出了具体建议。
  关键词:人机系统;环境条件;人机工程 

  人机工程学是研究人的特性及工作条件与机器相匹配的科学。它把人和机器视为一个有机结合的系统,指出机器应该具有什么样的条件才能使人付出适宜的代价后可获得整个系统的最佳效益。人机工程学不仅涉及到工程技术理论,还涉及到人体解剖学、生理学、心理学以及劳动卫生学等。认真研究这门科学,可以创造出最佳设计和最适宜的条件,使人机实现高度协调统一,形成高效、经济、安全的有机系统。
  1 人机匹配与人机系统总体设计
 人机匹配是指人的特性与机器特性的适当配合。在人机系统中,人是系统的主体,机器是人创造出来的,机器当然应该适应人的特点。如操作空间应与人体外形测量尺寸相适应;操作机构应与人的形体和最佳用力范围相适应,指示仪表及信号应适合人的视觉、听觉和触觉的常规要求等。
 操纵机构是人将信息传给机器的工具。因为人输出信息的部位(口、手、足等)不同和操作要求不同,所以操作机构的种类也很多。在设计时要考虑机器的动作方向、阻力、速度和安全等因素。如果操纵机构的运动方向与被控制对象的运动方向及仪表显示方向保持一致,操作就会准确及时;也可简化培训过程,改善调节的速度和精度,并减少事故。操纵机构存在摩擦、弹性、粘性和惯性等阻力是必要的,这可以产生“操纵直接感觉”,使操作连贯,减少振动和过载造成的干扰,保证操作控制的准确性。
 控制动作分为行程调节和微量调节。行程调节可使控制器迅速接近所需位置。微量调节则使控制器准确地置于所需位置。设计时应使操纵机构与仪表显示的位移有合适的比率。
 在仪表指示设计中,视觉显示装置最多。人的正常视距为46cm~71cm,视角为39°~41°。仪表应设置在操作者正面视野内, 最佳视距为50cm~55cm;重要仪表不得超出40°视角的范围,常用仪表必须在30°视角内。仪表高度最好与眼睛相平,上下视线在10°~45°范围内。指针刻度间距摆角不得小于10°,指针的宽度为1.0mm~2.5mm,并应贴近刻度盘表面,以减少误差。当有多个仪表并列时,其正常位置变化所对应的指针方向应该相同,闪光信号不要太多,闪光频率以0.67Hz~1.67Hz为宜。
 由于作为人机系统主体的人有易出错误的特性,除通过训练提高其可靠性外,在操作机构和指示仪表设计中还需采取安全措施,以防偶然错失而造成严重后果。预防方法很多,常用的有顺序自锁、锁定、阻尼、槽卡、定向、定位等物理方法。
 综上所述,以装运设备为例, 当总体设计时就应考虑以下几点:①1.60m~1.90m身高的驾驶员操作位置有最佳选择,既有合适的操作空间,也有足够的自由空间;②转向机构、液压操纵杆、制动器和踏板等操作机构的排列布置,对于驾驶员应是最方便、最舒适的区域;③应有与机器性能相适应的操作特性和制动力最佳值范围,为改善操作进程,可配备导向辅助装置;④操作者的脚、头、手臂各部位有足够的运动空间,坐姿应符合人体解剖学和生理学特点;⑤减少机器的振动性及对操作者的噪声危害,要降低和控制振动源和噪声源的强度,必要时可采取个人防振和防噪措施;⑥在操作者所期望的最佳视野,要使视线不被大体积货载遮挡,必要时可偏置操作者及助手的座位。
 应特别指出,良好的视野状况意味着操作工作的安全可靠性,也关系到操作者的舒适程度。
  图1所示为H20型叉车根据人机工程学确定的最佳操作位置。

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  2 人机结合和人机功能分配
 人与机器的结合形式,依复杂程度不同可分为“劳动者—工具”、“操作者—机器”、“监控者—自动机图1H20型叉车的操作位置器”和“监督者-智能机器”等几种。机器的自动化和智能化使其操纵复杂程度提高,对操作者提出了严格要求,操作者的人体功能限制也对机器设计提出了特殊要求。人机结合的原则改变了传统的只考虑机械性能的设计思想,提出了同时考虑人与机器两方面因素、以获取最佳技术经济效果的设计思想。
 人体的功能动作具有对称性及协调性。操作动作的设计应使操作简便、连贯、协调和省力。在人机系统中,岗位设计要同人机界面设计结合起来。岗位设计主要应考虑工作空间、工作姿势、座椅型式、工作台面、照明及工具安放位置等合理性;人机界面设计主要应考虑控制装置集中方便、仪器显示明显、人机信息交换迅速及时等。通过人机结合的合理设计,可以有效地提高人机系统效率。
 通过对人体特性和机器特性的权衡分析,将人机系统的不同功能恰当地分配给人或机器,称为功能分配。功能分配是提高人机系统效率的关键,例如设计时应考虑人的姿势不同,所能付出的力量也不同;拉力大于提力,提力大于握力,膝部屈曲160°时蹬力最大(人腿输出力值分布见图2)。此外还应考虑人体无条件反应时间为0.1s~0.15s等。
 纵观人类机械设计史可知,造成产品与人体能力之间不甚协调的基本原因有两个,一是在作产品设计时,对人机协调性不够重视,没有认真对待,而是强调人体如何去适应产品。由于人的能力是有限的,对产品的适应性也是有限的,所以就不可能达到期望的人机协调性。其二是人类对自身生理特点的认识在逐步深化,认识肤浅时则不能提出作为产品设计的约束条件。随着科学技术的发展,使人们从正反两方面的经验教训中认识到人机系统协调关系的重要性,并使研究工作得以强化。
 综上所述,以装运设备为例,当做人机功能分配时就应考虑以下几点:①要求付出的体力必须保持在人体生理上可以承受的限度内,必要时可采用技术性的辅助手段;②身体的运动应符合自然的运动规律,付出的体力应与人体的活动状况相适应;③不得因姿势不当而给人体肌肉、关节、韧带以及心血管系统造成不必要的负担;④显示仪表的选择设计和布置应与人的视觉、听觉和触觉等察觉能力相适应。

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 此外还应注意操作手柄要设计得很灵活,以使操作灵活、简便。控制按钮的操作力应适当,当手或手指的静重力作用于按钮上时,按钮不应动作,但也不能需施很大劲才能使按钮动作。只有认真考虑人的因素,才能提高操作的准确性和可靠性,才能充分发挥人及机器的功能。
  3 人机系统与环境因素
 人机系统是在特定环境中进行工作的。环境对人机系统的工作效能有很大影响;人机系统对环境也有具体要求。特别是作为系统主体的人,对工作环境的要求更为苛刻。为了保持系统的高效率、可靠性和持久性,单从不伤害人体的角度来创制环境是不够的,还必须考虑操作者工作的舒适性。
 人机系统的工作环境是多种多样的。加工机床一般安设在厂房中,它的空间及邻近条件基本是不变的;矿山采掘专用设备在野外工作,经受粉尘污染和风雨袭击比较严重,装运设备用于倒运物料,它与道路状况和装卸条件关系密切等等。但不管是何种工作环境,人们最关心的是温度、光照、振动及噪声等几个方面。
 温度环境包括温度、湿度、风速等因素,表示方式主要是有效温度(ET)、操作温度(OT)、四小时汗率指数(P.SR)和湿黑干球温度(WGBT)等。人体主观感受的舒适温度与人体主观条件(运动量、穿衣多少、耐热能力等)有关。客观标准的舒适温度是生理学和医学上认为于人体最适宜的温度:工作时为19℃~21℃。休息时为25℃~29℃。标准温度为21±3℃。在“工作温度”下,操作者可以安全、健康、有效地工作,故又称为“允许温度”。生产率与温度和湿度变化的关系见图3所示。当温度为20℃、湿度为50%时,生产率为100%(A点);当湿度不变,温度升高至25℃时, 生产率下降至80%(B点);当温度升高至40℃、湿度为80%时,生产率下降至65%(C点)。
 工作环境的光线照度与人的感官疲劳和精神疲劳密切相关。人有舒适度感的基本照度要求是100Lx, 一般工作场合为200Lx,精细加工车间为500Lx。照明光线应均匀,无眩光,光色合适。对于装运设备特别要注意,司机室应有遮阳装置,避免太阳的直接眩光,并要避免镜面、台面强反射眩光。当几面开窗有多个阴阳时,应采用控光玻璃来减弱相反方向的入射光,手和身体在台面上的阴影不要造成干扰,以免引起不舒适感觉,产生过早视觉疲劳、工作效率降低和活动能力减弱等状况。
 人体是一个弹性系统, 有自己的振动特性(以4Hz~8Hz、10Hz~12Hz、20Hz~25Hz为第1、2、3共振峰),人的各个器官也有自己的共振频率。例如眼睛的共振频率为20Hz~25Hz,头为25Hz~30Hz,手为30Hz~40Hz,内脏为5Hz~8Hz,神经为245Hz~250Hz。振动会使人不舒适,降低人的视觉和操作效率,增多失误,尤其发生共振时,可能造成人体疾患。研制产品时,要通过测试检查,并在设备结构和元件上采用隔振、吸振和缓冲减震等装置,避免达到生理临界范围的机械振动和将冲击传至人体。

机械设计与人机工程学

 噪声是工业中多见的污染因素。工业噪声主要是由企业内的各种设备产生的。噪声会使听力下降,注意力不易集中,反应迟钝,容易疲乏,不仅使工作速度受到影响,而且会降低工作质量。如果噪声级超过85dB,将会危害人的神经系统、心血管系统、消化系统和内分泌系统,产生神经衰弱和高血压等病症。所以,设计产品时必须考虑降噪和防噪问题。工程中经常采取如下几项措施:①采用能够吸收噪声的材料和结构,尽量吸收掉一些噪声能,降低噪声;②利用隔声板、隔声罩、隔声管道和消声器等坚实的材料或装置隔离噪声传播的通路,控制噪声;③对于振动较严重的噪声源,可采用弹簧、橡胶和气垫等元件减少振动力的传递或者在振动表面覆盖以阻尼材料,降低噪声辐射率。
 在设备的减噪和防噪设计中采取何种措施为好,要在仔细检测的基础上,根据噪声源和传播途径有针对性地选择,而且必须兼顾技术可行性和经济性,以获得理想效益。

 

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