某车载速射迫击炮手轮工效分析

易慎光，谈乐斌，潘孝斌，陈元泰，单文泽

(南京理工大学机械工程学院，南京 210094)

JACK 是一个广泛应用于提升产品人因工效学设计的人体建模仿真系统，由宾夕法尼亚大学的人体建模仿真中心在20 世纪80年代开发而成，被认为是目前最成功的工效学评估系统。它包含了上万人的基本人体测量数据、关节柔韧性、健康状况、劳累程度、和视力限制等医学及生理学参数，可以根据用户参数的设定生成不同类型、不同性别、不同大小的虚拟人体模型，主要用于多约束分析、人的因素分析、视场分析等［1-2］。

某车载速射迫击炮的高低机和方向机手轮为单人操作，在射击过程中，炮手需要通过不断的转动手轮，使炮口指向打击目标。在传统火炮方向机和高低机设计、装配和维护中，设计人员往往重点考虑的是产品功能和性能指标要求，而没有足够地考虑人机关系，忽略了人的生理、心理特点和工作能力极限，降低了炮手操作的舒适性和工作效率。因此，有必要将JACK 虚拟技术应用于某车载速射迫击炮的手轮设计中，避免炮手操作过程中腕部、肘部、肩部、腰部等部位过度疲劳，从而增加炮手操作的安全性和舒适性。

1 手轮工效分析流程

对于炮手转动手轮过程进行人机工效分析，首先需要建立人机工效分析的基础模型，某车载速射迫击炮操作台虚拟模型和炮手人体模型［3］。之后，进行炮手转动手轮过程的运动仿真，通过运动仿真，可以在静态姿势下对可达性和舒适性进行分析，此外，还需分析炮手在操作过程中肩部、腕部、腰部等部位的受力。如图1 所示为手轮人机工效分析流程图。

图1 手轮人机工效分析流程

2 手轮工效分析基础

2.1 建立虚拟炮手模型

针对某车载速射迫击炮的手轮尺寸及空间布局与人的生理关系，分析不同百分位的炮手和手轮尺寸及空间布局之间的人机工效情况［4］。根据GJB2873—1997 建立18 ～45岁、身高1 620 mm 以上的男性人体模型及18 ～40 岁、身高1 580 mm 以上的女性人体模型，其身高如表1 所示。

表1 人体身高mm

对手轮进行人机工效分析时，以第5 百分位的人体尺寸作为设计下限，以第95 百分位的人体尺寸作为设计上限。研究第5 至第95 百分位的人体，即可满足绝大部分人体的设计要求。本文选取P5、P50、P95的人体作为研究对象。

2.2 手轮人机工效分析模型

某车载速射迫击炮的高低机手轮及方向机手轮的直径分别为190 mm 和100 mm，且高低机手轮采用手轮平面与水平面垂直的方式放置，方向机手轮采用手轮平面与水平面平行的方式放置。在三维软件Pro/E 中建立高低机和方向机的三维优化模型(即在不影响使用JACK 软件进行人机工效分析的前提下，对手轮模型进行优化)，将三维模型转化为JACK 支持的wrl 格式，然后导入JACK 中进行某车载速射迫击炮的手轮人机工效分析。

3 手轮工效分析内容

3.1 可达域分析

针对炮手转动手轮过程进行可达性分析，分别选取炮手左右手掌心作为轨迹点，创建炮手掌心位置最大可达域的包络线［5］，如图2 所示。

本文分别选取高低机手轮轴线高度为33.55 cm、43.55 cm、53.55 cm、63.55 cm、73.55 cm 作为研究对象。分别对于第5、第50、第95 百分位的人体进行可达域分析时，可以发现，对于P5的人体，当高低机手轮轴线高度处于33.55 cm时，手轮转动过程不在其可达域范围内，而当高低机手轮轴线高度处于43.55 cm 时，炮手需要弯腰约40°才可以正常转动手轮，当高低机手轮轴线高度为53.55 cm、63.55 cm 及73.55 cm 时，炮手可以以正常坐立姿势转动手轮。对于P50及P95人体，当高低机手轮轴线高度处于33.55 cm 时，炮手需要弯腰操作，而当当高低机手轮轴线高度处于43.55 cm、53.55 cm、63.55 cm 及73.55 cm 时，炮手可以保持正常坐立姿势转动手轮。

图2 右手可达区域

3.2 工作姿势分析

炮手操作时的姿势可能对炮手造成损害或伤害，不同的操作姿势会对炮手背部、手部和腿部负荷造成影响，从而影响其操作的舒适度。

仿真结果表明，当高低机手轮轴线高度为33.55 cm 时，当手轮转动135 ～225°时，炮手的OWAS 评级为3 级(1 级说明姿势正常，2 级说明姿势有一定的不良影响，3 级说明姿势有不良影响，4 级说明姿势非常有害)，如图3 所示，说明该姿势对炮手有不良的影响，需要进行纠正。当手轮高度大于43.55 cm 时，炮手的OWAS 评级为2 级，说明该姿势对炮手可能会产生不良的影响。

图3 炮手工作姿势评价

4 炮手受力分析

4.1 下背部受力分析

Lower Back Analysis(下背部分析)利用先进复杂的生理学下背部模型，计算L4/L5 脊椎处的压力，并将这个压力和NIOSH(搬运受力分析)的推荐压力及极限压力进行比较［6-7］。3400N 是NIOSH 标准给出的背部压力的推荐力，当下背部压力超过这个值就意味着该动作会增大少部分人员受伤的风险。

将炮手转动某车载速射迫击炮高低机手轮的过程进行分解，分别研究手轮在转动0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°时炮手的下背部受力状况。在转动手轮时，炮手的右手承受69 N 的手轮力［8］。可以从图4、图5、图6 中看出，当炮手逆时针旋转手轮时，第50 百分位及第95 百分位人体的下背部受力呈现曲线变化，且当手轮转动90°时，炮手的下背部承受的力最大;而当手轮转动到270°时，炮手的下背部承受的力最小。当把高低机手轮的轴线高度(手轮的轴线高度为手轮轴线至脚踏底板的垂直高度)由33.55 cm 分别调至43.55 cm、53.55 cm、63.55 cm、73.55 cm 时，炮手的下背部受力变化依然呈现上述变化。

图4 第5 百分位人体下背部受力

图5 第50 百分位人体下背部受力

图6 第95 百分位人体下背部受力

可以看出，炮手下背部所承受的压力最大不超过2 500 N，小于NIOSH 标准给出的背部压力的推荐值(3 400 N)。这说明当炮手右手承载69 N 的手轮力，并保持坐立姿势操作手轮时，炮手的下背部受伤的风险较小。

4.2 肩部受力分析

本文选取P5、P50和P95的人体作为研究对象，研究手轮转动过程对于炮手的右肩部承载能力产生的影响。肩部承载能力百分比越高，说明能够在该姿势强度下完成工作的人员的百分数越高。从图7、图8、图9 可以看出，随着手轮轴线高度的变化，炮手右肩部的承载能力也出现明显变化。对于第5 百分位的人体，当手轮轴线高度处于43.55 ～53.55 cm 时，炮手的右肩部承载能力较好; 对于第50 百分位的人体，当手轮轴线高度处于33.55 ～63.55 cm 时，炮手的右肩部承载能力较好;对于第95 百分位的人体，当手轮轴线高度处于43.55 ～53.55 cm 时，炮手的右肩部承载能力较好。

图7 第5 百分位人体右肩部承载能力百分比

图8 第50 百分位人体右肩部承载能力百分比

图9 第95 百分位人体右肩部承载能力百分比

4.3 正反转对炮手受力的影响

炮手在操作某车载速射迫击炮的高低机和方向机手轮时，需要正转和反转手轮，使得炮口指向目标位置。本文选取第50 百分位的人体作为研究对象，研究当手轮高度为43.55 cm 及手轮力为69 N 时，炮手的下背部及肩部受力变化。从图10 可以看出，炮手的下背部受力呈现对称分布，且当手轮转动到0°及180°时，炮手所受手轮力方向相反，但下背部受力基本相同，这说明此时手轮力的方向对于炮手下背部的受力影响不大;而当手轮转动到90°及270°时，这时炮手所受手轮力方向相反，其下背部受力变化也较大，说明此时手轮力的方向对于炮手下背部受力的影响也较大。从图11 可以看出，炮手的肩部受力也呈现对称分布，且手轮力的方向变化对于炮手的肩部受力影响较大。

图10 正反转对下背部受力的影响

图11 正反转对肩部受力的影响

5 结论

本文应用JACK 软件对某车载速射迫击炮的手轮进行人机功效分析，经过评估得出以下结论:

1)当炮手承受69 N 的手轮力时，其下背部受力均在NIOSH 标准给出的背部压力的推荐值以内。

2)对于P5、P50和P95的人体，手轮轴线高度为43.55 ～53.55 cm 时，手轮转动过程均在其可达域范围内，且炮手的右肩部承载能力最好。

3)该人机工效评估方法，也可用于其他各类武器的优化设计和工效评估。

［1］钮建伟，张乐. Jack 人因工程基础及应用实例［M］. 北京:电子工业出版社，2012.

［2］丁玉兰，郭刚，赵江红.人机工程学［M］.北京:北京理工大学出版，2000:113.

［3］徐平，章勇，徐伯处，等.JACK 虚拟技术在列车卧铺爬梯设计中的应用研究［J］. 机械设计，2013，30(12):104-107.

［4］Atsuo Murata，Makoto Moriwaka. Ergonomics of steering wheel mounted switch-how number and arrangement of steering wheel mounted switches interactively affects performance［J］. International Journal of Industrial Ergonomics，2005(35):1011-1020.

［5］王华亭，田宇，程广伟，等.基于JACK 的某自行高炮乘员舱人机工效评估［J］.火炮发射与控制学报，2013(2):63-66.

［6］王睿，庄达民.基于舒适性分析的舱室手操纵装置优化布局［J］.兵工学报，2008，29(9):1149-1152.

［7］李瑞，庄达民，王睿，等.飞机坐舱操纵装置空间布局优化设计［J］.系统仿真学报，2004，16(6):1305-1307.

［8］谈乐斌，潘孝斌，顾辉.火炮人-机-环境系统工程学［M］.北京:兵器工业出版社，2011.