基于CATIA 的某型加油車維修可達性與作業空間分析

張源濤，馬振利

（后勤工程學院，重慶401311）

隨著現代裝備科技含量的不斷提高，裝備造價和維修成本也不斷攀升。如何在裝備的生產研制階段，就充分考慮到維修性以節省壽命周期費用，和如何對現有裝備進行維修性分析，是一個亟待解決的課題。虛擬技術的發展，為裝備的維修性分析提供了一種新方法，即只需要建立該裝備的虛擬樣機，就可以進行可靠性、維修性等分析。維修部件的可達性和維修作業空間布局的合理性，是裝備維修性最基本的指標之一。可達性，是指被維修的部件可以被觸及的特性，即“摸得著”。本文以某型加油車為例，提供了一種利用CATIA軟件的人機模塊對裝備可達性、維修作業空間進行分析的新方法，實現了裝備維修可達性、維修作業空間分析的虛擬化、便捷化。

1 維修部件可達性、維修作業空間分析的目的

裝備維修性要求裝備具有良好的可達性。可達性好，維修就會迅速、簡便，而且不容易出差錯，維護費用也會減少，它是維修性定性要求中最重要的一條。維修作業空間是維修過程中維修人員所處的空間，作業空間內各部件的空間距離以及空間位置設計的合理與否關系到裝備維修能否舒適、方便、安全地進行，直接影響到裝備的維修效率。因此有必要對裝備的可達性、維修作業空間進行分析，從而改進設計，使維修操作更符合人的行動特點,減少維修人員的適應過程,使裝備符合維修人員的經驗、行為特征和操作想象,就能夠減少操作出錯，保證維修安全，提高維修效率。

2 CATIA及維修可達性、維修作業空間分析過程

CATIA是一款成熟的CAD/CAM軟件，不僅擁有強大的三維造型、虛擬制造、裝配分析等功能，還把人體測量學、人類工效學、人機工程學中的各種知識和理論，直接嵌入到該軟件的人因工程設計和分析模塊，使得在實際的維修性分析過程中，只需把人體模型直接放入所考慮的裝備之中，可省去做人體模型和大量的數據測試的繁復工作。CATIA還可以快速、便捷地調整虛擬人的作業姿態，以滿足不同作業姿態下的空間尺寸測定，這是其他CAD/CAM軟件無法比擬的。

要進行可達性、維修作業空間分析，首先根據產品實體或者設計方案，運用虛擬設計的方法設計出產品的立體模型；然后，加入虛擬人,在CATIA中可以清晰地判定人與裝備的空間關系；最后，根據人機工程學的原理，并利用CATIA的各種功能，進行維修性分析。

3 某型加油車的可達性與維修作業空間分析

首先，建立該加油車操作艙與虛擬維修人員的三維模型，如圖1所示：

圖1 加油車操作艙與虛擬維修人員模型

以該加油車過濾分離器的換件維修為例，進行可達性、維修作業空間分析。考慮到該部件的工作頻率較高，當該部件出現過濾網破裂故障時，要求維修作業人員能夠快速做出反應，停止裝備運轉，及時拆換過濾分離器，快速排除故障，故對過濾分離器的可達性、維修作業空間要求較高。

3.1 可達性分析

要進行可達性分析，首先要找出可達性分析的關鍵部位，選擇適當的可達性分析位置，并采用適當的姿勢。選擇適當的位置與姿勢，對于裝備的可達性有至關重要的作用。不同的維修位置與姿勢，可達性的結論是不同的。對于換件維修來說，維修部件可達性的好壞，主要取決于固定該部件或該部件與其他部件連接處，等關鍵部位的可達性的好壞。由于過濾分離器與過濾分離器進、出管路和固定支架相連接，要想實現換件維修，必須把過濾分離器從管路和支架上拆卸分離開來。所以，過濾分離器進、出管路和支架與過濾分離器的連接處，是維修作業的關鍵部位，也是可達性分析的關鍵部位。在此，只對過濾分離器進、出管路和過濾分離器的連接處，做可達性分析；支架與過濾分離器的連接處，就不贅述了。

確定了關鍵部位以后，對虛擬人體位置做適當的調整。通過對人體位置的多次調整，就可以確定如圖2所示的位置，是過濾分離器換件維修可達性分析的首選位置。首先以蹲姿進入操作艙，盡可能的將人體模型移向連接處（如圖3所示，膝蓋已與部件接觸，達到前移極限）。

圖2 維修人員最佳維修位置

圖3 膝蓋觸及部件

維修人員上肢伸展在三維空間里的位置，往往決定維修部件可達性的好壞，CATIA能夠給出上肢所能達到的所有空間位置域。打開CATIA上肢可觸及功能，得到的結果如圖4所示（為顯示清楚，隱藏部分部件）。

圖4 蹲姿進入操作艙時上肢觸及范圍

圖5 立姿彎腰進入操作艙時上肢觸及范圍

從圖4中可以看出，當維修人員蹲姿進行分析時，不能夠接觸到過濾分離器與過濾分離器進、出管路的連接處，調整維修人員的姿勢，由蹲姿改為站立彎腰姿勢，上肢可觸及范圍如圖5所示。由圖5可知，在位置不改變而姿勢改為立姿彎腰后，過濾分離器進、出管路與過濾分離器的連接處基本可以觸及。

以上分析可以得出，在加油車過濾分離器進行換件維修的情況下，維修人員在圖2位置，并且以站立彎腰姿勢進入操作艙，可以觸及過濾分離器與進、出過濾分離器的管路接口處。以其他位置、姿勢要想觸及該部位較為困難。總之，該部件維修可達，但需要特定的位置與姿勢，總體評價維修可達性一般。

3.2 維修作業空間分析

維修人員在進行維修作業時，人與機器設備、維修工具等所需空間的總和，叫維修作業空間。一個優良的作業空間，可以使維修人員安全可靠、舒適方便、迅速便捷地完成維修任務。大多數維修空間，都是受限作業空間，很難滿足維修人員的特殊需求。比如，最大維修人員的間隙需求和最小人員的伸及需求，這些特殊需求往往與常規作業者的差別較大。

對某個特定的維修作業空間，就某個單項而言，可能不是最優的，但是應該力求在整體上達到最優，應處理好安全、經濟、高效三者之間的關系，最后的設計方案，只能是考慮各方面因素的折衷方案，本文只從人機工程的角度，進行該加油車的作業空間分析。

可以明顯看出，由于操作艙內部高度的限制，維修人員進入操作艙，只可以以蹲姿或者立姿彎腰屈膝姿勢進入，維修人員的行動路徑和動作方式，受到很大的影響，直接影響維修效率。

人體在站立時，維修作業面的高度，應該在肘高位置附近為最佳位置。男性平均肘高為1 020 mm，因此，從地面到500 mm高度之間，只適用腳作業；若采用手作業，則需彎腰，消耗體力。在500～700 mm之間，手和腳作業都不方便，所以不宜在此高度進行維修作業。在700～1 600 mm高度之間，尤其是900～1400 mm高度之間為最佳操作區。過濾分離器進行維修時，由CATIA測量工具測得作業面的高度約為633～898 mm（如圖6所示）。因此，在633～700 mm之間，手腳作業都很不方便，要彎腰、屈膝，需要消耗體力，從而影響效率。而作業高度在700～900 mm之間時，可以較為正常操作。

圖6 CATIA測量工具得出維修作業面大致高度

維修作業時，由于肘部的移動，小臂的運動與其相聯系，實際水平作業區域比圖5所示的范圍要小，對于手臂較短的維修人員來說，觸及維修部位可能比較困難，或者可以觸及但是負荷較大，長期在這種條件下作業，容易使人產生疲勞。如果身體上側（尤其是肩部）可以越過圖8a中白色箭頭區域，那么觸及維修部位就會更加容易，維修也就更加方便。下面我們來分析這種辦法的可行性。

該虛擬維修人員按照正常男性軍人比例制作，肩寬（三角肌上兩側緣之間水平方向的最大水平方向的距離）約為430.05 mm，由CATIA的距離范圍分析功能對話框中設置最小距離為430 mm，最大距離設置為800 mm，如圖7所示。

進行運算分析結果，如圖8所示，圖8a中所示的制約人體進一步靠前的兩部件之間的最小距離為339.92 mm；圖8b中的白色箭頭線的為小于規定的最小距離的區域，即小于肩寬的區域，表明如果人體要想更加靠近維修部位以更好及方便地維修，必然與紅色區域發生干涉，即人體不能穿過該區域，也就是不能夠靠前超過該區域。所以以上假設不可行。

圖7 CATIA距離和范圍分析對話框

圖8 CATIA距離和范圍分析結果

4 結束語

本文以某型加油車維修性基本要求之一的可達性和維修作業空間為出發點，以過濾分離器的換件維修為例，提出了一種利用CATIA軟件人因工程設計與分析模塊進行可達性、作業空間分析的方法，并介紹了分析過程。實踐證明，該方法簡便、易行、成本低，是裝備維修性研究的一個重要手段。

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