石油修井機操控室人機分析

屈文濤，徐曉航， 徐劍波，李志棟

（1. 西安石油大學 機械工程學院，陜西 西安 710065；

2. 陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710065）

石油修井機操控室人機分析

屈文濤1，徐曉航1， 徐劍波1，李志棟2

（1. 西安石油大學 機械工程學院，陜西 西安 710065；

2. 陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710065）

本文針對因人機工程模塊中缺乏中國大陸成年人數字模型而導致CATIA軟件在車輛人性化設計適用性差的現象，以GB10000-1988和石油修井機操控室結構設計參數需求為依據，建立了中國大陸成年男子P95、P50和P5人體數字模型和石油修井機數字化樣機，完成了視野域、可操作域和坐姿舒適性人機工程分析，為提升國產汽車操作方便性、可靠性與安全性提供了理論依據。

石油修井機；操控室；CATIA；人體模型；人機分析

CLC NO.:U469.6Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)02-68-03

前言

為提高油田修井作業操控室操作方便性、可靠性與安全性，在整車設計中需考慮人機工程因素。CATIA軟件可以通過三維模型直觀的體現出設計是否合理，同時也可以發現設計所存在的問題。人機分析在設計過程中的應用，可以減少制造樣車和實際人體反復檢驗等所耗費的時間和經濟成本[1]。

1、分析依據

中國汽車行業廣泛采用CATIA三維軟件，因人機工程模塊中缺乏中國大陸成年人數字模型，為了節省開發時間，會采用中國臺灣地區人體模型作為

分析依據。隨著人機工程學在國內的發展以及汽車行業的規范化，設計者逐漸意識到，由于各地區生活環境與地域差異的關系，人體模型的側重點不同，在設計前只有建立符合使用對象的人體模型，才能對產品做出更客觀的人機分析[2]。

石油修井機操控室屬于復合類產品，并不特定屬于產品尺寸設計任務三種基本類型的某一類，因而只能盡可能滿足大范圍人群，通常設計中均以滿足度達到90%作為設計目標。本文以GB 10000-1988我國成年人人體尺寸的基礎數據和延長油田修井作業人員著裝進行測量統計結果為依據，選取了P95、P50和P5成年男性人體尺寸，依據人機工程學理論便可得出修正后的延長油田修井作業人員著裝人體尺寸數據。

2、建立人體數字模型

CATIA中建立人群文件所需的變量參數較多，而GB 10000-1988中47項人體尺寸基礎數據中只有34項符合比對。如果所需參數都進行測量其所需的人力財力都是非常龐大的。由于大陸與臺灣成年人人體尺寸數據相差不大，因而在建立人群文件時我們只錄入對于設計比較重要的測量數據，其他采用臺灣人群數據，并進行修正調整[3]。其后利用修正值與標準差建立三種百分位數的人體模型，以P5人體尺寸為例列出部分國標中人體尺寸與CATIA變量參數比對表（如表1），并進行編程。

當定義完人體模型相關數據后，導入CATIA的人體模型庫，然后再確定要建立的人體模型父系產品、人體模型名、性別、百分數，就能生成中國油田修井作業人員的虛擬人體模型。

表1 部分CATIA人體變量與國標人體尺寸對比[4]

3、結果分析

3.1 坐姿舒適性分析

在對人體模型進行坐姿分析前，首先要對人體模型的姿態進行編輯，使模型姿勢符合工作時的姿勢。在對現場作業姿勢有了充分了解，可以對其進行虛擬的定位。如表2，列出了舒適姿勢下的人體關節角度范圍，以此人機工程理論為基礎，在CATIA虛擬環境下，對各個部位建立首選角度，劃分區域并設立分值，進行姿態分析，并最終確立操作人員坐姿姿態下在所設計操控室內工作所選擇的角度。

表2 虛擬模型姿態數據(°)[5]

圖1中舉例了小腿的首選角度α3，由于大腿和小腿夾角在舒適性角度在95～135°，所以小腿的首選角度為45～85°，之后劃分4個區域進行分析，圖中所示，作業人員小腿角度為84°，即α3的選擇角度為96°，處于首先角度內，因而姿態最優。

在汽車人機工程學設計理論中，軀干軸線與垂線α1處于10～20°之間屬于工作人員最優姿勢。如表中分析結果，α1的選擇角度6°并不處于此范圍內，因此應該對座椅的腰靠與座墊的夾角進行重新的設計，應當將其由原先設定的96°增加至105°左右，至少是110°。

3.2 視野分析

修井作業過程中，操作人員的視野集中于操作面板、大鉤與井口三個位置，分別如圖2、圖3、圖4所示。

圖2模擬的是操作人員低頭25°、彎腰10°的視野，這種坐姿姿態屬于舒適操作姿態，且操作人員視野聚焦點處于操作臺面中心位置，可以良好的觀測儀表顯示情況；工作過程中，操作人員的注意力需跟隨大鉤的運行而移動，頻繁的頭部活動會加速操作人員的疲勞，仰頭范圍應盡量控制在30°以內。圖3為仰頭30°視野仿真，可直觀看出，操作人員可在仰頭30°的情況下觀測到井架最頂端的天車；圖4為低頭15°、彎腰10°、左扭頭15°視野仿真，操作人員的視野聚焦點被井架支架橫梁與操作桿所阻擋，并不能很好的觀察到井口工作狀況。井架支架橫梁的位置是不能移動的，如圖5所示，可以將其位置移至貼近滾筒，同時將面板最上方的操作桿移至左手操作位置，如此便可解決觀察井口工況視野受限問題。

3.3 操作域分析

通過運用CATIA中可觸及范圍分析工具，可以評價操作界面各操作設施安排和尺寸大小的合理性。從圖5中可以看出操作裝置都在可操作包絡范圍內，若操作人員在操作中通過靈活的利用身體的不同姿勢，可操作范圍會擴大，因而操作空間設計符合人機工程學原理。

[1] 董 鵬,張 堃等.某型車駕駛室人機工程分析[J].汽車實用技術,2010,01:12～14.

[2] 趙紅芬.基于CATIA的中國人體模型的研究[J].汽車實用技術,2013,01:41～44.

[3] 束奇,王丙剛等.基于CATIA的修井機作業人體分析與優化[J].石油機械.2011,39(5):79～82.

[4] 鄭午.人因工程設計[M].北京:化學工業出版社.2006.

[5] 毛恩榮,張 紅,宋正河等.車輛人機工程學[M].北京理工大學出版社.2007.

Ergonomic analysis of the petroleum workover rig control room

Qu Wentao1，Xu Xiaohang1，Xu Jianbo1，Li Zhidong2

（1.School of Mechanical Engineering, Xi’an Shiyou University, Shaanxi Xi’an 710065；
2.Academe Of Automobile Engineering, ShaanXi Automobile Group, Shaanxi Xi’an 710200）

The shortage of mainland adult digital models in ergonomic module leads to the weakness of adaptability in CATIA software in car’s humanized design. According to this phenomenon, this paper has established a digital sample with the adult male P95、P50and P5 digital models of Chinese mainland and oil workover rig and completed an ergonomic analysis of visional region and operational limit region and sitting comfort. It has provided theoretical

for the improvement of operation convenience, reliability and safety for domestic automotives by referring to the parameters of GB10000-1988 and structure design in oil workover rig’s operation room.

Petroleum workover rig；Control room；CATIA；Manikin; Ergonomic analysis

U469.6

A

1671-7988(2014)02-68-03

屈文濤，就讀于西安石油大學。