叢林，鐘毅

1 人機工程學(xué)定義

人機工程學(xué)（Man-MachineEngineering）是研究人、機械及其工作環(huán)境之間相互作用的學(xué)科。目前在國內(nèi)尚屬于一門發(fā)展中的新興學(xué)科，該學(xué)科的顯著特點是在研究人、機、環(huán)境三要素自身特性的基礎(chǔ)上，不單純著眼于單一要素的優(yōu)化與否，而是將使用“機”的人、人所設(shè)計的“機”以及人機共處的“環(huán)境”作為一個“人-機-環(huán)境”系統(tǒng)來研究，目標就是科學(xué)地利用三要素之間的相互作用、相互依存的有機聯(lián)系來尋求系統(tǒng)優(yōu)化[1]。

2 為什么要應(yīng)用人機工程學(xué)

我們先來看一下世界各國的專家或組織對人機工程學(xué)下的定義。美國人機工程學(xué)專家C.C.伍德（CharlesC.Wood）對人機工程學(xué)下的定義為：設(shè)備設(shè)計必須適合人的各方面因素，以便在操作上付出最小的代價而求得最高的效率。

國際人類工效學(xué)學(xué)會（IEA）為人機工程學(xué)下了最權(quán)威、最全面的定義，即人機工程學(xué)是研究人在某種工作環(huán)境中的解剖學(xué)、生理學(xué)和心理學(xué)等方面的各種因素；研究人和機器及環(huán)境的相互作用；研究在工作、生活中及休假時怎樣統(tǒng)一考慮效率、健康、安全及舒適等問題的學(xué)科[2]。

我國對人機工程學(xué)給出了具體的定義：人機工程學(xué)是運用人體測量學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)和生物力學(xué)以及工程學(xué)等學(xué)科的研究方法和手段，綜合進行人體結(jié)構(gòu)、功能、心理以及力學(xué)等問題研究的學(xué)科[3]。

通過上述對該學(xué)科的定義和命名來看，研究并應(yīng)用人機工程學(xué)能夠協(xié)調(diào)人-機-環(huán)境，創(chuàng)造出最適合人操作的機械設(shè)備和作業(yè)環(huán)境，最終以最小的代價獲得最高的生產(chǎn)效率。

3 氣動工具人機工程學(xué)設(shè)計的必要性

在當今激烈的市場競爭中，能夠擁有高品質(zhì)與高生存力的產(chǎn)品是企業(yè)發(fā)展的一種優(yōu)勢，而采用人機工程學(xué)原理進行產(chǎn)品設(shè)計在一定程度上可以幫助企業(yè)擁有這種優(yōu)勢。

現(xiàn)實中，產(chǎn)品設(shè)計的不合理會導(dǎo)致各種職業(yè)病的發(fā)生，而職業(yè)病對企業(yè)造成的損失也不容小覷，首先是防治費用，如康復(fù)、保險和醫(yī)療費等。其次是由此導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率低下，也給企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟損失。

氣動工具是一種以壓縮空氣為能源的手持式動力工具，廣泛應(yīng)用在航空、航天、汽車、家電、造船等領(lǐng)域，由于為手持式，所以，其握持的舒適度、產(chǎn)生的振動、噪聲及自身重量等對于操作者來說都至關(guān)重要，如設(shè)計不當，長期使用會使操作者罹患職業(yè)病。采用人機工程學(xué)原理設(shè)計，不僅可以預(yù)防職業(yè)病的發(fā)生，而且還可提升產(chǎn)品品質(zhì)，為企業(yè)帶來長期經(jīng)濟效益。

4 氣動工具人機工程學(xué)的設(shè)計方法

對氣動工具進行人機工程學(xué)設(shè)計主要是從負荷、振動、噪聲等方面進行優(yōu)化，目標是避免或降低這些因素對操作者的影響。手持式工具的優(yōu)化設(shè)計至關(guān)重要，因為它們與操作者有著最直接的接觸。

4.1 手柄外觀設(shè)計

手持式工具因工作時產(chǎn)生的作用力在手和手柄之間傳遞，所以設(shè)計時，首先要著眼于降低力所產(chǎn)生的負荷。其次要保證手腕的平順，盡可能減小腕部所受的扭矩和彎矩。同時針對工位特點設(shè)計手柄形狀。另外，由于振動與噪聲對人體的傷害非常大，設(shè)計時要予以重點考慮。最后，在滿足強度要求的情況下盡可能減輕重量。

4.1.1 槍式手柄

槍式手柄具有縮短工具長度，減小腕部彎曲負荷，易于精確作業(yè)等優(yōu)點，因此在氣動工具產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用。不同品種與用途的工具其手柄的設(shè)計方法也不同，對于氣鉆、鉚槍等在工作中需要施加進給力的工具，手柄要設(shè)計成非平衡式（工具重心不在中間）且具有高、低兩個握位的形式（見圖1），70°左右的柄體角度可以保證手腕的穩(wěn)定[4]。兩種握位使操作者可以輪換使用不同的手指按壓扳機，從而減少扳機指這類職業(yè)病的發(fā)生。而對于氣扳機這類自重較重且無進給力或進給力較低的工具，則可以設(shè)計成平衡式（工具重心在中間），這樣可以降低重量對于手腕的損傷（見圖2）。

4.1.2 直式手柄

對于直柄工具來說，首先要考慮的是直徑，直徑的大小取決于工具的用途與操作者的性別。直徑增大可以增大扭矩，然而太大會減小握力，降低靈活性與作業(yè)速度，并使指端骨彎曲增加，長時間操作導(dǎo)致指端疲勞。

著力抓握時合適的直徑為30~40mm，精密抓握時直徑為8~16mm[1]。根據(jù)專業(yè)機構(gòu)研究，男性抓握的最佳直徑是38mm，而女性最佳直徑是34mm，這個尺寸可以讓手握住時的壓力最小，最舒適[4]。

圖1 前哨DP350氣鉆

圖2 前哨B0821氣扳機

除了直徑之外，還要考慮長度和形狀。手柄的長度主要取決于手掌的寬度，掌寬一般在71~97mm之間，因此手柄長度在100~125mm間為合適[1]。手柄的形狀最好設(shè)計成錐形，可以讓所有的手指都能均勻握住。手柄的表面應(yīng)該有一層高摩擦力的軟質(zhì)彈性層（橡膠套），上面的紋理能使手握上去后透氣[4]。

直柄工具還要考慮工具在手上產(chǎn)生的是反作用扭矩還是在手腕和手臂處產(chǎn)生杠桿力矩。直柄氣螺刀和直柄氣鉆這類工具，主要是反作用扭矩。氣螺刀屬于輕裝配工具，女工居多，所以一般設(shè)計成34mm直徑（見圖3），而鉆孔作業(yè)，男工居多，所以設(shè)計成38mm（見圖4）；角向氣螺刀主要是產(chǎn)生杠桿扭矩，對于安全的控制很重要，所以男工人居多，設(shè)計成38mm[4]。

4.2 開關(guān)設(shè)計

開關(guān)的設(shè)計與工具的形態(tài)和功能緊密相關(guān)，下面具體說明。

圖3 前哨LZ414氣螺刀（直徑為34mm）

圖4 前哨DS550氣鉆（直徑為38mm）

4.2.1 槍柄式開關(guān)

對于氣鉆、鉚槍等工具，開關(guān)按鈕要設(shè)計成貼合中指的形狀（見圖5），因為如果使用指尖按壓，長期作業(yè)會造成肌腱的損傷[4]。而對于只有扭轉(zhuǎn)力或低進給力的工具（如螺絲刀），按鈕則要設(shè)計成符合食指按壓的形狀（見圖6）。另外，所有按鈕都要設(shè)計成漸開式，便于控制轉(zhuǎn)速（頻率），完成精確作業(yè)。

4.2.2 壓板式開關(guān)

這種開關(guān)被壓下后機器啟動，整個壓板是手柄的一部分，具有很大的穩(wěn)定性（見圖7）。壓板式開關(guān)適合長時間操作的工具，可以在不影響工具操作的前提下在壓板上增加安全裝置。這類按鈕廣泛應(yīng)用于直柄的鉆孔、擰緊、打磨工具上。

圖5 中指按壓

圖6 食指按壓

圖7 前哨DA350A角向氣鉆

4.3 減震設(shè)計

大多數(shù)氣動工具都可視為剛體，當振動力作用于剛體上時就產(chǎn)生了振動。如氣動發(fā)動機高速旋轉(zhuǎn)的不平衡、活塞的往復(fù)運動、砂輪接觸工件、沖擊扳手擰緊螺栓時都會產(chǎn)生振動，過多的振動會造成損傷。

手部振動綜合征（HAV）就是一種由振動引起的疾病。與HAV相關(guān)的癥狀有血管損傷、神經(jīng)損傷、肌肉骨骼損傷。血管損傷指的是手指動脈增厚，導(dǎo)致血液流通面積減少（見圖8）。這種損傷會使患處的感覺漸漸消失，最終演變成振動性白手指[4]（見圖9）。

神經(jīng)損傷是手指神經(jīng)細胞因振動而受損，這與手指的靈敏度降低有關(guān)，時間長了會造成永久性的損害并嚴重影響人的日常生活。

肌肉骨骼損傷主要由高沖擊類工具（氣鏟、鉚槍）引起，手和手臂損傷，甚至關(guān)節(jié)斷裂。腕管綜合征（CTS）有一部分就與振動有關(guān)，而其他的原因則是因為手腕的過度彎曲[1]（見圖10），癥狀與神經(jīng)損傷相似。

圖8 手指動脈正常橫截面及受白手指影響時

圖9 振動性白手指

依據(jù)前述振動產(chǎn)生的原因及機械振動學(xué)原理，設(shè)計工具時可從兩方面對振動加以控制。

第一，是減小手與工具間的震動力傳播，措施是對手柄進行橡膠包覆處理（圖11）或是設(shè)置前端保護套（圖12）等，這些都能夠起到一定的減震作用。

第二，將工具中的振動源和手柄進行隔離設(shè)計，例如減振鉚槍在振動源與手柄之間增加空氣彈簧（見圖13），空氣彈簧可以有效防止沖擊機構(gòu)的振動傳遞到手柄上。

圖10 腕管綜合征（CTS）

圖11 手柄橡膠包覆

圖12 前端保護套

圖13 鉚槍沖擊機構(gòu)連接在空氣彈簧上

4.4 消音設(shè)計

4.4.1 噪聲的危害

（1）影響工作，降低勞動效率。如果噪聲超過85 dB，會使人煩躁不安，容易使人疲勞、怠倦，無心工作，工作效率大大降低。

（2）損傷聽覺。長期在90 dB以上的噪聲環(huán)境里工作，聽力會明顯下降，嚴重的會使耳膜出血甚至破裂致聾。

（3）引起疾病。低頻噪聲容易引起人體各部位的共振，造成頭暈、惡心、嘔吐、心律不齊、記憶力衰退等癥狀[5]。

4.4.2 噪聲源

氣動工具有三種主要的噪聲來源。

（1）工作噪聲。這是工具與工件接觸引起的噪聲[4]。

（2）空氣動力噪聲。有兩種類型，一種是發(fā)動機排氣噪聲，即氣動發(fā)動機工作時因氣體發(fā)生劇烈膨脹而產(chǎn)生的刺耳噪聲。這種噪聲的強度與排氣速度、排氣量和氣路形狀有關(guān)；另一種為渦流噪聲，當氣流通過閥門、轉(zhuǎn)角、出口處或氣流流過的截面面積突變時，便會在物體表面附近形成周期性分離的渦流，以聲波傳播[5]。

（3）機械噪聲。主要是由于機械運動（齒輪、滾動軸承和各種配合零件等）產(chǎn)生的撞擊、摩擦，以及在交變機械應(yīng)力作用下，因固體發(fā)生振動而引起的噪聲（見圖14）。

4.4.3 減輕噪聲的方法

（一）對于工作噪聲，目前只能采取區(qū)域隔離，并給操作者配備防護裝具等措施。

（二）對于空氣動力噪聲，要設(shè)計合適的消音器。對于消音器，要達到國家規(guī)定的85 dB以下，并且結(jié)構(gòu)緊湊，氣動阻力小，維修方便，長期使用性能不變。消聲器可以分為以下幾種。

圖14 工具表面振動產(chǎn)生噪聲

（1）阻性消聲器，利用阻性吸聲材料吸收傳播管道中的聲能來降低噪聲。阻性材料一般用表面多孔、內(nèi)部空隙率很高的輕質(zhì)疏松材料制成，如玻璃纖維、毛氈、聚氨酯泡沫等，或用銅顆粒燒結(jié)，或用多孔網(wǎng)狀材料卷制。阻性材料多用于槍式手柄，見圖15、圖16。

阻性消聲器的消聲量，可用下式近似計算

式中 △L阻性——噪聲降低量，dB

α——消聲器內(nèi)部飾面的吸聲系數(shù)

P——管道橫截面的周長（對于環(huán)形管道，為圓周長），m

F——管道橫截面面積，m2

l——消聲器長度，m

當計算消聲器噪聲降低量的平均值時，吸聲系數(shù)α可按頻率500Hz取值。

圖15 阻性消聲器原理

已知排氣或進氣的噪聲譜，可按照各倍頻帶的幾何平均頻率（63、125、250、500、1000、2000、4000、8000Hz）予以計算。從公式中分析得知，消聲器長度越大，橫截面積越小，內(nèi)部飾面材料的吸聲系數(shù)越高，消聲效果越好。

圖16 阻性消聲器

（2）抗性消聲器，根據(jù)濾波器原理設(shè)計的，因此又稱為聲學(xué)濾波器。當聲波通過截面積發(fā)生突變的管道時，對聲波的過濾作用猶如濾色鏡，它對中、高頻噪聲放行無阻，但對低頻噪聲卻加以阻擾，使之反射回去，以此來達到消聲的目的。在聲學(xué)上把這種作用原理稱之為抗性消聲原理。抗性消聲器有擴張室式和共振式，氣鉆主要采用前者[5]。

（a）擴張室式

圖17中，擴張室構(gòu)成的抗性消聲器構(gòu)造簡單，無需使用吸聲材料，消聲量△L可用下式計算。

式中△L——消聲量，dB

l——擴張室的長度，m

S——擴張比

圖17 擴張室式抗性消聲器

F1——連接管截面積

F2——擴張室截面積

k——波數(shù)

c——通道中的聲速，m/s

f——噪聲頻率，Hz

當擴張室的長度等于噪聲波長四分之一時，可以保證消聲器最大的消聲量，如果S>3，則一個擴張室的消聲量，可達10 dB以上。氣鉆常用的是單擴張室式，見圖18、圖19。

與阻性消聲器相比，擴張室抗性消聲器結(jié)構(gòu)簡單，消聲效果好，但是體積大，表現(xiàn)笨拙，實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)選用[5]。

圖18 單擴張室式抗性消聲器

圖19 抗性消聲器用于氣鉆排氣過程圖

（b）共振式

位于氣道中的共振器，通過共振作用將聲場中與共振器固有頻率相接近的頻率范圍內(nèi)足夠大的聲能去掉，對消除低頻噪聲效果較好。共振式消聲器在氣鉆等工具上的應(yīng)用情況見圖20，實際上是一個塑料波紋管，安裝到工具柄體后部。發(fā)動機廢氣通過這個波紋管排入大氣，可取得較好的消聲效果。小型氣鉆、氣螺刀等可采用這種消聲器。

圖20 共振式消聲器原理

（三）機械噪聲，主要是由振動產(chǎn)生的噪聲，因此，設(shè)計時首先要保證零件的尺寸精度及表面粗糙度要求。其次，應(yīng)避免或減少氣動發(fā)動機、減速器等部件與殼體之間產(chǎn)生共振[5]。