手持射釘緊固工具的相關人機要素分析及手柄設計

周萬軍　胡光忠　楊余

摘要：射釘緊固技術是一種直接緊固的方法，廣泛應用于冶金、建筑、安裝工程等領域。隨著社會的進步和對職業健康的關注度越來越高，手持射釘緊固工具的設計朝向更科學、安全和人性化的方向發展。本文從分析射釘器de基本特眭與使用特性分析入手，結合人機工程學的研究成果，對工具的尺寸、形態、重量、使用沖擊振動以及其他等人機要素做了分析研究，對工具的人機設計提出了合理化建議，并針對現行的吊頂類射釘工具提出了改進設計方案。

關鍵詞：手持射釘緊固工具;人機要素;手柄設計

中圖分類號：TS914 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）08-0158-03

手持射釘緊固工具是手持工具的一種形態，它包含了射釘器、射釘彈、射釘和其他輔助配件（手柄、加長桿等）組成的工具系統，核心為射釘器。射釘器通過爆炸能轉化為射釘的動能，將射釘打入基體同時起到構件與基體的連接緊固作用。射釘器的結構工作原理與槍械類似，因此其生產、銷售及使用受到嚴格的管控。射釘緊固技術的特點為自帶能源，操作迅速、方便、安全，工人勞動強度低等，在建筑裝潢等施工中有廣泛的應用。通過對多款手持射釘緊固器的使用測試，發現其在使用感受上和電動工具有著很大的差異，通過查閱文獻發現，對于手持射釘緊固工具的人機工程學方向的研究較缺乏，因此手持射釘緊固工具的人機要素的合理性研究勢在必行。

1現有的射釘緊固工具的分類及相關特分析

1.1射釘緊固工具的分類

射釘緊固工具又稱射釘槍或射釘器，其分類有很多種。按作用原理分為直接作用射釘器和間接作用射釘器。直接作用射釘器是通過火藥燃燒產生高壓氣體直接作用于射釘，推動射釘運動，將被固件釘入基體;間接作用射釘器內設有活塞結構，當擊針擊發射釘彈，火藥燃燒產生高壓氣體作用于活塞，活塞再推動射釘運動，將被固件釘入基體。按使用范圍可分為通用和專用射釘器。按重量和威力大小可分為輕型和重型射釘器。按射釘飛行速度分為高速、中速、低速射釘器。高速射釘槍主要運用于冶金業，低速射釘槍多用于建筑裝修中。

1.2射釘緊固工具的常用參數分析

1.3手持射釘緊固工具的基本特性

1）從工具的尺寸和重量角度看，射釘緊固工具屬于較大型的手持工具，不適合單手操作。

2）從造型結構角度看，均采用了手柄彎曲設計，模擬手槍形態，使用時虎口會承受一定的壓力，能有效地分攤了掌部壓力起到減振作用，符合人們對工具的一般使用習慣。

3）射釘緊固工具在使用中會對人手的反作用力產生的沖擊振動，和電動工具的振動相比有較大的區別，沖擊振動對人體的影響不容小覷。

4）工具在使用時會產生噪聲，會對使用人造成影響。

2手持射釘緊固工具的使用分析

1）手持射釘緊固工具的使用環境較為惡劣。手持射釘緊固工具的使用環境主要是建筑裝潢安裝施工工地，它運用在管道安裝施工，吊頂安裝施工，門窗安裝，木工安裝等，可替代大部分傳統的鉆孔緊固安裝施工。施工環境中通常有泥工，電工、木工等多個施工項目同時存在，施工現場通常較凌亂，且伴隨著噪聲、粉塵等污染存在。因此手持射釘緊固工具的在惡劣環境中使用的可靠性、穩定性、安全性和耐用性就尤為重要。

2）手持射釘緊固工具使用人群主要是青壯年如安裝技術男性工人。手持射釘緊固工具不同于鉗子、扳手等通用性較強的工具，它主要用于建筑裝潢安裝中的緊固施工，從事這類工作的技術工人以青壯年男性居多，同時也是手持射釘緊固工具的主要使用者。他們一般身強力壯，有較強的安裝專業技能，工具使用嫻熟。他們對工具的基本要求是操作簡單，可靠性高，穩定性高、安全性高、使用舒適。

3）手持射釘緊固工具的使用特性是單次使用時間長、頻率高。手持式射釘緊固工具的使用在管道安裝和吊頂安裝等安裝中，屬于專用工具，其使用時間長、頻率高，會貫穿整個施工過程。因此工具的使用穩定性高、安全性高和使用舒適則是此類工具的基本要求。

從使用環境、使用人群和使用特性三個方面分析得出，對手持射釘緊固工具的要求是可靠性高、穩定性高、耐用性高、安全性高及使用舒適。需要從產品設計的整個流程來滿足要求，包括結構設計、材料與工藝、人機工程設計等多個方面。

3手持射釘緊固工具的相關人機要素分析

手持式工具的使用方式分為強力握把和精確握把兩種。手持射釘緊固工具屬于強力握把使用方式，需要整只手都握住把柄進行操作，并且操作過程中需要使用前臂中較強壯的肌肉，且手指和手掌均需要用力來達到工作目的。因此，對于手持射釘緊固工具的設計，研究人體結構尤其是手部結構是其人機特性的重要內容。主要包括對使用者手掌的尺寸、結構，力量與工具的形態、重量及使用時的沖擊振動等與其他因素的關系需要作對應的分析。

3.1手的結構尺寸要素與手柄形態尺寸

對于強力握把手持工具而言，手柄或手握部分的設計是較關鍵的設計點。手的尺寸和手柄的形態和尺寸息息相關，這直接影響使用者的握持舒適度和使用效果。根據查閱人機工程學相關資料和手部尺寸分析，手柄的直徑尺寸應在20mm—50mm之間，以30mm—40mm為最佳握把尺寸圈。手柄的截面形狀對把手握持有影響，圓形的截面不符合手抓握時的自然狀態，不穩定的抓握使手柄很容易從手上滑落;接近橢圓的截面是最理想的形態，適合工具工作的特性，同時手握時有摩擦力，最適合手的抓握。

射釘器的握把分為兩種類型：手槍型和直柄型，傳統射釘器主要采用手槍型手柄，手柄和射釘器是一體式設計;吊頂射釘器是以附件形式存在的兩種手柄類型。手槍型手柄握把的截面形狀應設計成為雞蛋形或橢圓形，首尾尺寸變化小，以保證手掌部分接觸面積較大，手心部分不受力。直柄型受鋼管載體影響，手柄截面設計成圓形較為合理，握把部分用厚度為4mm左右的橡膠較為適宜。

3.2手的力量要素與工具的使用力量

手操作力的大小與人體姿勢、著力部位、用力方向和用力方式都有關系。人的施力方式有靜態施力和動態施力兩種。靜態施力指施力靠肌肉收縮產生，會使供血受阻，產生疲勞，在設計手持工具時要盡量避免手部的靜態施力。一般人的右手握力大約為380N，左手握力大約為350N。持續時間越久，握力會明顯下降。如保持1分鐘以上，右手平均握力大約為280N，左手大約為250N。在手持工具的操作中，手的作用是握持工具，手臂的作用是支撐，在承受同樣的力量時，若要手臂保持水平或上舉狀態比手的握持更困難。因此手握持的力量大于支撐的力量。

手持射釘緊固工具屬于使用時間長且使用頻率高的工具，其普遍使用重量在2kg以上，使用工具時，大約需要70N—100N的力壓縮彈簧才能激發，因此射釘不適合單手握持使用，必須設計成雙手柄握持或者一只手支撐另一只手控制，工具的重心應位于兩手柄之間或接近支撐手柄。吊頂射釘器配合手槍式手柄使用時，與普通射釘器無異;在配合加長桿和加長手柄使用時，工具的長度會有約1m—3.5m的多種形態，工具重量和重心隨著實際長度的變化而變化，使用時雙手只能握持工具的一端，握持的體感重量將遠超過工具本身的重量。在握把設計時，手柄握把的長度應為800mm左右，增加雙手握持的距離，來減輕工具對手的壓迫感。在施工中通常工具為豎直狀態，手柄與手之間靠摩擦力來支撐工具，在握持力一定的情況下，改變手柄的截面形狀可以增加摩擦力，因此將加長桿手柄握把設計成起伏的波浪形是比較合理的，波峰與波谷的落差約1.5mm—2mm，波長約20mm為宜。

3.3手的形態關節要素與工具使用中的振動與沖擊

手持工具使用中的沖擊振動，必然會帶給人一些影響。手承受的沖擊振動往往會引起和帶動手臂的振動。手臂振動通常會引起人的不適或工作效率降低，甚至疾病。手指在承受振動時會出現發麻、刺痛，長時間手指會變白，演變成白指病。所以，如何降低手持工具的振動，保護操作者的身體健康成為了手持工具設計制造必須解決的問題。

通過對現在手持射釘緊固工具的實際使用體驗，發現射釘器的沖擊振動與電動工具的振動是不同的，電動工具使用時的振動具有高頻率、持續性長的特點，使用中會給手造成持續的振動影響，感受較為明顯;手持射釘緊固工具的沖擊振動是觸發式的，沖擊振動是單向的、瞬時的，單次承受沖擊振動的感受不明顯，若連續短時間完成十次左右的緊固作業，手部則會有酸麻、刺痛感。對于加長的直柄握，沖擊振動的方向與手握持力的方向垂直，靠手與握把的摩擦力抵抗沖擊振動，手的酸麻和刺痛感較弱隨著長度的增加，沖擊振動的感受并不明顯。手槍式手柄給使用者的沖擊振動感受尤為突出，手部的虎口位置的刺痛感特別明顯。因此在射釘器的設計中減小沖擊振動非常重要。

對于手持射釘緊固工具的設計和制造，需要從握把入手，加長直柄握把同時需要握把材料具有良好的減振效果，使手部握持舒適。對于手槍式手柄握把需要重新做形態設計，手柄握把部分的形態與尺寸首尾一致，保證握持時手柄不緊貼掌心，握把需要更加柔軟的彈性減振材料，以達到減振效果，避免造成手部的振動創傷。

3.4噪聲等其他因素的影響

噪音會使人注意力分散，導致大腦反應遲鈍，容易疲勞，工作效率下降，差錯率上升等不良后果。同時，噪音對人的身體也有較大的傷害。據研究，如果人長期處于噪音環境中工作或生活，不僅會導致聽力受損，對人的神經、心血管、內分泌、消化等系統以及視覺、智力等都有不同程度的影響。手持射釘緊固工具的使用噪聲主要是由火藥在槍膛爆炸引起，在消除噪聲影響方面需要從結構入手來減小或消除噪聲。

對于手持工具的人機要素，除了上述主要考慮因素外，還有些特殊原因也需要進行考慮。這些原因包括工具使用的場景（室外、室內），使用者的姿勢（站姿、坐姿等），主要著力方向（水平、垂直或其他方向），使用者的用手習慣（如右手或左手），是否能雙手持握，以及兼顧使用者的性別，年齡等多個要素進行考慮，設計時應充分考慮這些因素。

4基于人機要素的手持射釘緊固工具手柄設計

手持射釘緊固工具的設計是對現有產品的人機設計做進一步優化。設計主要是從射釘器外觀方面和附件（手柄與加長柄）入手進行。

4.1射釘器與手柄設計

如圖1所示，為T5000吊頂緊固器，手柄為槍式手柄，和射釘器通過螺紋連接，使用時一只手握持手柄，另一只手握持射釘器，對準位置，通過手柄施加一定的力量，另一只手則需要換位至手柄后端，施加更大的力來激發射釘器。其主要問題在于，握持槍式手柄的手在施力方向和射釘槍中心不在同一條直線上，握持手柄的手的虎口會受到較強壓力，一般情況下單手激發所需的力量較大，不容易實現，雙手擊發較容易實現，在激發后，握持手柄的手的虎口和另一只手的手掌將會承受瞬時的沖擊振動，單次的沖擊振動沒有明顯的感受，多次使用后虎口和手掌會有明顯的不適。

改進方案是將槍式手柄改成了吊環式手柄（如圖2），手柄材料為電木酚醛塑料，手持部分用橡膠材料，以起到減小沖擊振動的作用。改進后的手柄在射釘器激發時手的施力方向和射釘器軸線基本重合，施力過程中除了手掌部位受力以外，虎口部分不會因存在壓力而引起不適。激發時雙手分別握住把手和射釘器的中部，雙手均處于握持工具的狀態，讓激發更穩定。

4.2加長直手柄設計

加長手柄是吊頂緊固射釘工具的常用附件，由不銹鋼鋼管通過螺紋連接構成，一般分為兩種規格，直徑為25mm和32mm兩種規格長度與數量分別為600mm×5根與1000mm×3根的兩種規格，每種規格的加長桿中的一根作為直手柄，設計有手握的橡膠材質的握把，通過使用實驗發現，原直柄握把在使用過程中存在著較嚴重的不適，主要問題位手柄凸起部分和手掌小面積的接觸使接觸點受力較集中，手掌與手柄的接觸面積減小所導致，改進后的直柄尺寸變化較緩慢，呈波浪形，在滿足了防滑需求做到與手之間較高的貼合度，并加長了握把的面積。讓手柄握把面積增加，滿足不同使用者的使用需求，如圖3。

5結論

本文對手持射釘緊固工具產品以及同類產品進行了使用場合、人群、特性和相關人機要素分析，對現行的手持射釘緊固工具使用中存在的人機工程學問題提出了解決或優化方案，同時通過對新型吊頂射釘緊固工具（T5000系列）做了實際的使用測試，最后針對新型吊頂射釘緊固工具的產品外觀，人機要素等方面做了改進的設計，優化了產品的使用特性。