基于人機工程的鐵路內燃螺栓扳手外觀改良設計研究與分析

潘玉霞，王玫，張杉杉

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基于人機工程的鐵路內燃螺栓扳手外觀改良設計研究與分析

潘玉霞，王玫，張杉杉

（四川大學 制造科學與工程學院，四川 成都 610065）

以國內現有的鐵路內燃螺栓扳手為設計對象，分析國內相似產品外觀，結合內燃螺栓扳手結構進行外觀改良設計。首先在原產品的基礎上設計了具有美觀性和保護性的外殼，提高了其外觀一體性和使用生命周期；其次重點從人機工程的角度考慮了整機外形尺寸，操縱桿、換向桿的高度，數字顯示屏的觀察斜度和按鈕布局，以及符合工作環境的配色方案；最終設計出美觀、安全、高效的內燃螺栓扳手，給操作提供良好的用戶體驗，并增加內燃螺栓扳手的產品競爭力。

內燃螺栓扳手；人機工程；改良設計；用戶體驗

20世紀80年代以來，我國鐵路發展進入現代化階段，鐵路的發展離不開養路機械的支持[1]。鐵軌與軌枕的連接配件形式多種多樣，但不論是哪種形式的扣件，螺栓都起著至關重要的作用。在維修和養護鐵路時，需要操作工人頻繁地松、緊螺栓[2]。養路機械中螺栓扳手能代替工人從事繁重艱苦又單調枯燥的工作。

雖然目前內燃螺栓扳手在結構和功能方面已經趨于成熟并發展為產業，但是由于產品研發部門不重視產品外觀，造型與功能并沒有達到匹配和平衡。產品造型和企業形象息息相關，關系到企業的長遠發展。本文以重慶某公司的內燃螺栓扳手為研究對象，旨在針對產品造型中存在的不足，結合企業的實際需求，基于人機工程，對現有內燃螺栓扳手的外型進行設計。改良養路機械設計以功能為主而忽略外觀帶來的缺陷，創造出具有視覺美感和操作舒適感的產品，提升鐵路工人在使用內燃扳手時的用戶體驗，并提高其工作效率。

我國工程機械行業高速發展，形成了六大生產基地[3]。養路機械可作用于搗固、清篩、配碴、焊軌等方面[4]。鐵路螺栓扳手分為手持式和手推式，其中手推式扳手又根據同時工作的松緊螺母個數分為單頭和雙頭內燃螺栓扳手，如圖1所示。

圖1 國內現有螺栓扳手外觀

目前我國的養路機械產品技術已經躋身世界前列，但是產品外觀和用戶體驗卻遠遠落后于國外先進產品，這無疑已經成為影響競爭力的一大重要元素[5]。國外一些知名公司有其鮮明特點，德國產品擅長大量使用直線條突出企業的穩重嚴謹；日本產品擅長運用緊湊合理的結構設計和精悍的外觀設計，突出產品的實用性；美國產品具有創意、多彩的特點[6]。

從趨勢上看，產品是越來越簡約，并能夠突出品牌特點。然而目前暫無針對內燃螺栓扳手外觀設計的相關文獻。

1 產品結構分析

如圖2所示，內燃螺栓扳手整機主要由機架、抬把手、固定在機架上的汽油箱和齒輪變速箱組成。由汽油發動機輸出旋轉扭矩，通過離合器、傳動軸、錐齒輪換向機構實現旋轉扭矩的換向。換向后的扭矩通過套筒對螺栓上的螺帽實現松開和鎖緊作業[7]。

直接裸露的結構通常會導致嚴重問題：由于發動機功率較大，工作時強烈的震動會直接影響產品的使用安全和使用壽命。雖然減少外部多余的殼體是出于重量最輕化的考慮，然而從長遠看，因減負設計而忽略人因工程考量帶來的安全問題將會使企業得不償失。

圖2 內燃螺栓扳手的結構示意圖

2 人機工程考量

人機工程學是研究人在某種工作環境中的解剖學、生理學和心理學等方面的各種因素；研究人和機器及環境的相互作用；研究在工作中、家庭生活中和休假中怎樣統一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問題的學科[8]。內燃螺栓扳手通常運用于條件惡劣的戶外，在使用過程中振動劇烈，并伴有嘈雜的聲音。通過結合人機工程原理的改良設計，能夠減輕讓操作工人使用時感到不適的情況。本文將著重設計操縱桿、數顯屏和色彩等部分。

2.1 操縱桿的考慮

由于內燃螺栓扳手的操縱桿需要工人用手去操作，操作桿要求能夠定量調節和連續調節，其高度、結構、握持形狀都會影響操作工人的握持力和操作舒適性[9]，操縱桿上按鈕的位置和按壓力需要合理。設計不合理的操縱桿如果長久使用，將會造成人身體不適，更甚者導致傷殘和疾患。本文主要從操縱桿的高度進行重新設計。

2.2 數顯屏的考慮

數顯屏的布局設計中，首先根據人機工程學原理，將重要的信息放置于最佳觀察區域。之后根據單手操作按鈕的原則對按鈕布局進行重新設計。

2.3 色彩的考慮

本次項目設計的機械設備主要應用場合為鐵路軌道，操作者需要進行長期作業。色彩的選取首先應該滿足鐵路相關用色規定，其后要避免操作工人出現厭煩和疲勞情緒。

3 外觀改良設計

3.1 外殼設計分析

如圖3所示，通過分析現有內燃螺栓扳手的結構和外觀發現，產品一體化程度低，缺少整體感和設計感。所以初步設計中用折彎鈑金將暴露在外部的零部件罩起來，一方面起到保護作用，另一方面使產品具有整體感。圖4為初步方案，發動機和變速箱分別設計了外殼，并在相應部分做了散熱處理。視覺上有整體感，該方案已經達到預期效果。

由于發動機運行時遮罩會發燙，而操作工人需要頻繁地操作發動機手拉器，這便存在安全隱患。同時，為提高使用體驗，內燃螺栓扳手添加了實時反映扭矩的數顯屏。在初步外觀方案的基礎上進行進一步改良，將圖4中三個相對獨立的遮罩整合，提高整體感。取掉發動機的遮罩，最終設計效果為圖5所示。變速箱上方為一個整面，同時也是數字顯示屏所在的面。整個設備的一體性和美觀性得到了提高。

圖3 改良前內燃螺栓扳手外觀

圖4 初步設計方案

圖5 最終外觀設計方案

3.2 尺寸優化設計

3.2.1 內燃螺栓扳手操縱桿高度確定

內燃螺栓扳手操作如圖6所示，圖7所示為本小節需要計算的尺寸。根據人機工學，在操作操縱桿時，以上臂自然下垂狀態的肘部附近為中心，活動前臂時手的操作區域為最佳布置區域[10]。

式中：根據表1，150為男性手功能高的五十百分位數為723 mm；250為男性體肘高的五十位百分數，992 mm；為穿鞋修正量，30 mm。

可得753 mm≤1≤1022 mm。

經過綜合考慮，最終取1＝860 mm。

3.2.2 換向操縱桿的高度確定

在操作機械的過程中，換向操縱桿為不常用的手動操縱器，其高度設置范圍比較大，只要在軀干活動中手能達到的范圍之內即可。考慮到換向操縱桿不應干擾使用者的工作視線以及要在最大范圍內避免誤觸，可將其設置為需稍微彎身才能操作的高度，經多次實驗，最終確定2＝460 mm。

3.2.3 整機大小計算

在操作機械的過程中，應保證機械的寬度與人體的最大肩寬接近，即：

1≈3100

式中：1為整機的寬度；3100為人體最大肩寬的99百分位數486 mm。

最終取1＝465 mm。

整機長度主要是由變速箱和發動機等內部結構的尺寸決定的，再加上起保護作用的機架與機身的間隔，可基本確定2＝805 mm。

圖6 內燃螺栓扳手操作示意圖

H1為操縱桿高度；H2為換向桿高度；L1為整機寬度；L2為整機長度

表1 立姿人體尺寸（單位：mm）

表中：百分位數表示具有某一人體尺寸和小于該尺寸的人占統計對象總人數的百分比。

表2 人體水平尺寸表（單位：mm）

3.2.4 數顯屏斜度確定

在外殼的設計中，需要確定裝載數顯屏幕的面板的斜度。在松、緊螺栓的過程中，數顯屏幕將實時顯示扭矩值的大小，以便于工人師傅即時調整自己的工作狀態。給屏幕面板一個斜度，能夠方便查看。

操作工人能否看清數顯屏幕上的扭矩值并不取決于屏幕的尺寸本身，而是取決于它對應的視角[11]。如圖8所示。

L為視距；l為人眼和顯示數字之間的水平距離；H為人眼高的五十位百分數；h1為顯示數字到地面的距離；α為顯示器上的數碼和字符對應的視角

一般可以取＝10°～30°，在這種視角下一般認為是可以輕松識別的。由人機學，可知：

＝1/200～1/300

式中：1為理想視距，mm；為扭矩顯示數字的寬度，mm。

即數碼、字符的尺寸應在視距的1/200～1/300之間，在通常情況下取其中間值＝1/250，即：

1≈250（2）

在式（2）中，＝14.2 mm，則1＝3550mm，即只要視距小于3350 mm則可以看清顯示數字。

在人的最佳觀察視野范圍內，＝1511 mm，又已知1＝355 mm，則眼睛與顯示數字之間的垂直距離－1＝1156 mm。

2＝(－1)2＋2（3）

由實際操作測量≈320 mm，則≈1199.5 mm＜1。所以，工人在操作時可以輕松看清楚顯示數字。

數顯屏幕的平面應與觀察者的視線近于垂直，即屏幕的幾何中心與人視線垂直[12]。相對水平面傾斜arctan0.27°，為15.1°，為了加工的方便取整，即圖9中＝15°。

圖9 數顯屏斜度確定

3.3 數顯屏的改良設計

原始數顯屏幕以紫色為背景，數顯屏下方四個按鈕分別為：綠、藍綠、淡橙、檸檬黃較為鮮艷的色彩，該外觀不僅色彩不夠美觀，而且差異也不明顯。此外，按鈕間的距離不科學，在使用過程中會極大程度地增大操作者的誤操作率以及操作疲勞感。如圖10所示。

顯示裝置的布置應該緊湊，在布局過程中可以按照信息的重要程度將內容布置在不同的區域。對本項屏幕設計來說，最重要的信息莫過于扭矩數字顯示，因此可將其布置于最佳認讀區，剩下的信息可依次排布。

為了避免互相干擾和連帶誤觸碰，相鄰操縱按鈕之間應當保持足夠的距離。如表3、表4所示，本項目中的按鈕操作形式為單指依次操作，所以按鈕之間的最小間距應為12 mm，推薦間距為50 mm。根據屏幕實際大小與按鈕個數，最終在本次設計中將間距設置為22.8 mm。同時根據按鈕按鍵相關國家標準規定，將其長設為15 mm。如圖11所示。

圖10 原始數顯屏幕

圖11 數顯屏改良后的外觀和尺寸

表3 按鈕按鍵的3項人機學參量

表4 幾種操縱器布置時內側間距的要求

3.4 色彩設計

在機械設計中，常用到工程色。出于安全考慮，在具有一定危險的鐵路維修工作中，工程色能在一定程度上幫助工作順利進行。設計中不同顏色在機械外觀可以起到“分割”作用，能對機械結構的造型進行一定程度上的修飾。

色彩設計應與環境協調，給作業過程增加一些美感和舒適度。色彩與人的心理之間也應達到協調。由于色彩具有反射及吸收光和熱的特性，在炎熱環境中可以考慮使用冷色調，給人平靜清爽的感覺，在寒冷環境則反之。機械操作環境為露天操作，要注意避免強烈的顏色反射現象，否則工人容易頭暈目眩而發生危險。

由以上分析可以得知，適合于鐵路機具的色彩主要是比較鮮明的工程色，比如黃、橘、紅。由于這些顏色明度較高，反射光強度較大，可能在日光照射下相對刺眼，因此工人直視的平面應該選擇明度較小的顏色。色彩設計最終確定為“大面積工程色＋部灰色”結合的方案。如圖12所示，工程色分布在機架、殼體和操縱桿，包括黃（C5；M21；Y88；K0）、紅（C0；M96；Y95；K0）、橙（C0；M46；Y93；K0）三種選擇方案。灰色（C48；M38；Y36；K0）主要分布在數顯屏幕所在的面。

圖12 色彩方案

4 結論

綜上所述，本文主要運用了人機工程的原理對內燃螺栓扳手外觀、尺寸、數顯屏幕和色彩進行了改良設計。外殼的設計改善了內燃螺栓扳手零部件相互獨立、不統一的情況。提升了產品的美感并能保護產品內部重要零件，同時也提升了操作工人的使用體驗。

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Research and Analysis on the Improvement Design of Railway Internal Combustion Bolt Wrench Based onErgonomics.

PAN Yuxia，WANG Mei，ZHANG Shanshan

( School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China )

Taking the existing domestic railway internal combustion bolt wrench as the design object, after analyzing the appearance and the structure of similar domestic products, an improved design scheme is proposed. Firstly, compared to original product, an artistic and protective shell has been designed to improve its appearance and product life cycle. Secondly, the size of the whole machine, the height of the levers which are controlling sleeves and operating direction, the observation slope and button layout of the digital display screen, and the color of the machine that fits the working environment are considered from the viewport of ergonomics. Finally, an attractive, safe and efficient internal combustion bolt spanner is designed, which provides good user experience for operation and also increases the competitiveness.

internal combustion bolt wrench；ergonomics；improved design；user experience

TB472

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.07.013

1006－0316 (2018) 07－0052－07

2017－01－22

潘玉霞（1993－），女，四川成都人，碩士研究生，主要研究方向為計算機輔助工業設計。