基于JACK的某加农榴弹炮手轮人机工效分析

易慎光，谈乐斌，潘孝斌

（南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094）

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，忽视了人的生理、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［1］。某加农榴弹炮的方向机和高低机手轮为单人操作，在射击过程中炮手通过不断转动手轮，使火炮指向打击目标。对于不同百分位的人体，其左手和右手需要承受不同的手轮力。如果手轮轴线高度不变，会使得某些百分位的炮手肩部、手臂及手腕部容易出现疲劳和受损，炮手会感觉费力，影响其工作效率。所以，对于不同身高的炮手给出相应合适的手轮高度，使人机关系更加合理，炮手操作时肘部、腕部及肩部等部位避免过度疲劳，从而提高工作效率。笔者利用JACK软件对某加农榴弹炮的方向机和高低机手轮进行了工效评估。

1 人机问题分析和建模

1.1 人机工程问题分析

火炮射击时，炮手需要同时转动高低机和方向机手轮，使炮口指向目标位置。在整个操作过程中，炮手容易出现姿势疲劳，分析原因，主要有以下2个因素：

1）操作姿势较差。由于高低机和方向机手轮的位置和高低不合适，使得操作者的臂膀容易产生疲劳［2］。

2）操作频繁，动作激烈。该炮的射速为4～5发／min，在作战过程中炮手需要及时调整炮口指向，在操作过程中身体容易产生疲劳和受损。

1.2 手轮转动过程建模

模型建立过程：

1）建造虚拟环境：根据加农榴弹炮的结构尺寸，用三维软件Pro／E 绘制其主体，转换格式后导入JACK 环境中。本模型使用的高低机和方向机手轮直径均为28mm，两手轮轴线处于同一高度且平行于水平面。

2）建立虚拟人体：本文使用数据为GB 10000－1988创建的我国男性人体模型，分别使用P5、P50、P95人体模型，其身高分别为158.3、167.8和177.5cm［3］。

3）炮手任务：将炮手转动高低机和方向机手轮的动作进行分解，使用Animation模块，制定三维动画仿真，在JACK 中仿真操作的全过程，研究其可达域。

4）工效学评价：主要分析炮手的可达性、工作姿势分析（OWAS）、快速上肢分析以及受力分析。建立的仿真模型如图1所示。

2 手轮人机工效分析

2.1 可达域分析

针对转动动作分析左右手运动范围，选取左右手掌心为轨迹点，可以得到人体模型在站立时双手掌心最大可触及范围。图2为可达域组成，其中标识A 的运动区域表示右手掌心可达区域；标识B的运动区域表示左手掌心可达区域［4］。经测量可得到P1、P5、P50、P95、P99的人体双手掌心距地面最高和最低距离，如表1所示。

表1 炮手掌心可达域

分别选取高低机和方向机手轮高度为80、90、100、110、120、130cm 作为研究对象。对P5、P50、P95的人体经过可达性分析可以得出，手轮轴线高度为80cm 时，在手轮整个转动周期中，当手轮转动135°至225°范围内，P5、P50、P95的人体需要弯腰操作；手轮轴线高度为90cm 时，当手轮转动135°至225°范围内，P50、P95的人体需要弯腰操作；而当手轮高度为100、110、120、130cm 时，手轮整个转动过程均在人体掌心可达域范围内，而且炮手只需要站立转动手轮，不需要弯腰。

2.2 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。运用JACK 软件中工作姿势分析工具（OWAS）可以快速检查工作姿势，评价基于背部、手臂和腿负载要求的工作姿势的不适度。

仿真结果发现，当手轮轴线高度大于100cm时，炮手处于直立状态操作，其OWAS评级为1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［5］），说明直立时操作手轮的姿势是合适的工作姿势，不会对炮手的操作造成不良影响。而当手轮轴线高度小于100cm 时，炮手有时需要弯腰才能操作手轮，这时其OWAS评级为2级或3级（如图3所示），说明该姿势有不良影响，弯腰对炮手的操作有影响，需要进行纠正。

炮手操作时，某加农榴弹的方向机和高低机手轮的安装方式一般有两种：两手轮轴线处于同一高度且相互垂直，如图4所示；两手轮轴线处于同一高度，但两轴线之间的夹角为30°，如图5所示。对于炮手分别采用两种位置操作进行工作姿势分析，得出当手轮分别处于图4和图5所示的位置摆放时，炮手操作的姿势是正常的，不会对炮手产生不良的影响。所以在设计中，这两种手轮安装位置都可以采用。

2.3 快速上肢分析

快速上肢动作分析能够分析炮手在上肢动作过程中的危险程度。工作中，炮手的左手受到49N的载荷，右手受到69 N 的载荷［6］。炮手在转动手轮过程中，炮手处于站立状态，手和腕部处于悬空状态，没有支撑点，颈部不受力。将所有因素加权后给出姿势的最后评分为5～6分（1～2分为1级操作，3～4分为2级操作，5～6分为3级操作，7～8分为4级操作）。结果说明，这种姿势的操作属于3级操作，即说明隔一段时间就要改变该姿势。当炮手左右手所受载荷不变，但处于坐立状态时，且给手臂支撑时，这种姿势的操作降为2 级操作，说明经过较长时间后需要改变姿势，这样就可以降低上肢受伤的危险性，炮手在一个工作周期内可以持续更长时间。

3 受力分析

3.1 手轮高度对炮手的影响

将炮手转动过程分解为7步，分别研究炮手在转动0°、45°、90°、135°、225°、270°、315°时炮手的受力情况。仿真结果发现，人体模型的肩部承载能力变化最大，而其他部位，如肘部、躯干、臀部、膝盖、脚踝等部位的承载能力则无较大变化。所以，选取肩部受力变化作为研究对象，得到人体肩部的承载能力百分比和手轮安装高度的关系如图6～8所示。

图6～8中7条折线分别表示炮手转动手轮的7个位置，随着手轮轴线高度的变化，人体的肩部承载能力出现明显变化。承载能力百分比越高，说明手轮在此高度时肩部的承载能力越好。从图中可以看出，对于第5 百分位的人体，当手轮高度处于110～120cm 时，人体肩部的承载能力最好；对于第50百分位的人体，当手轮高度处于120～130cm时，人体肩部的承载能力最好；对于第95百分位的人体，当手轮高度处于130～140cm 时，人体肩部的承载能力最好。

3.2 转动频率对炮手的影响

将第95百分位的人体作为研究对象，某加农榴弹炮高低机和方向机手轮的高度和位置调到炮手操作舒适的位置，改变炮手操作的频率得到炮手右肩和左肩部位最大可承受的平均强度，如图9所示。

从图中可以看出，当炮手转动频率增加时，炮手左肩和右肩最大可承受的平均强度均降低，且呈线性变化。但当频率每增加1r／min时，炮手肩部最大可承受平均强度降低约1.2%。由此可见，当炮手转动手轮频率较低时（转动频率小于6r／min），转动频率对炮手肩部可承受最大平均强度影响不大。

4 结论

笔者应用JACK 软件的人机工效评估功能，对某加农榴弹炮的高低机和方向机手轮进行了分析，得出以下结论：

1）JACK 软件是一款优秀的工效评估软件，应用该软件优化设计方案和布局，是一种较为有效的方法，对从事火炮科研的工程设计人员，有一定的参考和实用价值。

2）对于P5、P50、P95人体手轮最佳的高度分别为110～120cm、120～130cm、130～140cm。

3）当转动频率小于6r／min时，对炮手操作影响不大。

（References）

［1］谈乐斌，张秋生.以人为本的设计理念［J］.人类工效学，2004，10（1）：63－65.TAN Lebin，ZHANG Qiusheng.The people－oriented design concept［J］.Chinese Journal of Ergonomics，2004，10（1）：63－65.（in Chinese）

［2］顾辉，谈乐斌，潘孝斌.基于JACK 的某车载炮装填过程仿真研究［J］.人类工效学，2011，17（4）：48－51.GU Hui，TAN Lebin，PAN Xiaobin.The simulation of truck－mounted artillery filling based on JACK software［J］.Chinese Journal of Ergonomics，2011，17（4）：48－51.（in Chinese）

［3］马智，薛红军，苏润娥.基于JACK 的人体建模与人机工效分析［J］.航空计算技术，2008，38（1）：98－100.MA Zhi，XUE Hongjun，SU Run’e.Hunman－modeling and analysis of ergonomics based on JACK［J］.Aeronutical Computing Technique，2008，38（1）：98－100.（in Chinese）

［4］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.XU Ping，ZHANG Yong，XU Bochu，et al.Application research of JACK virtual technology in the design of ladder of sleeper train［J］.Journal of Machine Design，2013，30（12）：104－107.（in Chinese）

［5］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.NIU Jianwei，ZHANG Le.JACK for the basis of human factors engineering and application examples［M］.Beijing：The Publishing House of Electronics Industry，2012.（in Chinese）

［6］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.TAN Lebin，PAN Xiaobin，GU Hui.Human－machineenvi－ronment systems engineering of artillery［M］.Beijing：The Publishing House of Ordrance Industry，2011.（in Chinese）