土方机械换挡杆舒适操纵力实验研究

杨爱萍，程光，呼慧敏，张欣

(1.北京联合大学，工业工程系，北京 100020;2.中国标准化研究院，人类工效实验室，北京 100083;3.国家市场监督管理总局人因与工效学重点实验室，北京 100820)

1 引言

土方机械主要用于挖掘、铲运、推运或平整土壤和砂石等，其种类有挖掘机、铲运机、推土机、装载机、平地机及压路机等，土方机械作业时需要司机手脚配合频繁执行换挡杆及踏板动作。换挡操作绩效受座椅与换挡杆的位置、换挡杆操纵力、换挡杆握柄尺寸及换挡行程等影响。在正常作业姿势下，手动推拉力过大会引起上肢关节及局部肌肉活动增加，导致肌肉疲劳，降低作业效率。

很多学者针对手动搬运作业开展了基于任务绩效、推拉车工效学、与职业相关的疾病风险、以及环境对作业绩效影响的多方面的推拉力相关研究。Snook 等人开展了关于手动推拉力实验研究，给出了基于任务频率、距离、高度、持续时间、物体大小和握柄、水平可达以及组合任务的最大可接受的推拉力改进数据表［1］。Schaefer 等人结合关于推拉力的国际ISO 和欧洲标准提出了一种基于目标人群特征(年龄、身高、体重)和任务需求(工作高度、频率、行程)的与推拉相关的损伤风险评估方法(确定推拉力限值)［2］。由于推拉增加了肩部和后背疾病风险，Kuijer 等人提出一种关于手部推拉力和肩及后背所受负荷的工效学评估方法，并应用与实践［3］。Theado 等人对肌电图辅助模型进行了改进，以明确推拉任务相比较提举任务的脊柱生物力学变化，用于推拉车和搬运任务的工效学测评和设计改进［4］。Jung 等人研究了手推车几何特性和接触面对推拉力的影响，即:手推车的轮子直径、扶手高度、负荷大小对推拉力大小的影响，以及地板材质、倾斜角度、维修状况等引起操作者用力程度变化的研究［5］。Laursen 等人研究了车轮接触面对推拉力的影响，即:在推拉两轮箱体过程中，不同表面(石板路、石子路、草坪)的推拉操作(倾斜、初始及持续阶段)对肩、腰椎生物力学负荷的影响，在所有情形中，腰椎压力和剪切力分别低于1 800 N和200 N，另外，容器重量也影响推拉力大小以及肩部负荷。在操作持续阶段，接触面类型影响肩部负荷量，但是不影响腰椎压力［6］。Garg 等人开展了最大推拉力的心理物理学基础研究，建立了回归方程(作为手柄高度、施力频率和推拉距离的函数)来估计推拉力的最大初始力和持续力(75%男女工人可接受)［7］。Hoozemans 等人开展了混凝土料斗移动作业的推拉力预测方法的有效性研究，工人对于料斗移动时的推力预测一般都高于2 倍的实际需要力，测力装置不方便使用而测力计更准确［8］。Voorbij 等人开展了五种手动力的年龄差异研究。随着年龄增长，以青年人(20 -30 岁)的力量为基准，给出了50 岁以上7 个年龄段的老人的(5 岁为一个步长)推、拉、扭和左右手握力下降的比率值［9］。Kumar 等人开展了操作高度对推拉力的影响研究，在矢状面三个高度(低35 cm、中100 cm、高150 cm)进行了等速肌力和等距肌力测试，在等距肌力测试时的中间高度的拉力最大，以中间高度男性拉力为标准，男女推力分别是标准力的41%-68%和27% -44%［10］。Al-Eisawi 等人开展了手推车最小推拉力影响因素分析研究，推拉力与负荷大小、轮子尺寸、接触面材质与摩擦系数等相关［11］。Tiwari 等人开展了印度农业工人立姿作业时的最大前后推拉力测试，得到男女向前推力与向后拉力均值分别为254 N/234 N，183 N/185 N［12］。Agrawal 等人开展了印度农业工人静态力测试研究，坐姿男女右手推拉力分别为145.8 N/112.5 N，第5 百分位值为96.3 N/61 N［13］。Herring 等人开展了换挡杆操作高度对于卡车司机的推拉力的影响，推拉位置(操作的远近距离和握柄高度)对货车司机的最大推拉施力绩效的影响。结果表明，较远位置以及在肘高附近时，推拉施力效果最好(即推拉力较大而肌肉活动量较小)［14］。Dewangan 等人开展了印度农业男性工人等长力测试研究，坐姿时工人的右手推拉力平均值118 N/149 N，第5 百分位值70.6 N/83.9 N［15］。

已有研究主要集中在被试最大推拉力实验、推拉力与关节及后背疾病风险因素评估、推车几何特性对推拉绩效的影响等。研究基本是针对前后推拉动作，文献13、14 和15 中有关于司机右手推拉力研究，其结果是通过测试得到最大推拉力，然后取力分布中的5 百分位值，此结果为满足测试样本的95%的人可接受的操作力，但不是换挡操作的舒适力，而且被测者非中国人。关于车辆手动推拉操作适宜力(即舒适操作力)研究很少涉及，本文基于装载机换挡操作，搭建相应的实验场景，对司机进行前后推拉、左右推拉舒适操作力进行了测试，兼顾作业姿势以及位置对推拉舒适操作力的影响，得到土方机械手动舒适推拉力推荐值范围。

2 对象与方法

2.1 被试

招募15 名成年男性参加换挡杆舒适操作力测试，被试者平均年龄30 ±5 岁，平均身高1 738±34 mm，平均体重72 ±10 kg。考虑到换挡操作绩效可能与人体上肢尺寸和操作姿势相关，这里也测量了被试者的臂长和坐姿肩高，被试者基本信息如表1 所示。实验要求被试者身体健康，需有2 年以上工程机械驾驶经验。

表1 被试者基本信息

被试 年龄 身高(mm)体重(kg)臂长(mm)坐姿肩高(mm)7 37 1704 76.5 746 960 8 27 1724 69.7 701 989 9 25 1719 57.2 712 981 10 28 1800 60.1 809 1080 11 38 1733 80.5 752 1008 12 28 1757 69.0 719 1016 13 32 1764 68.3 733 1026 14 24 1660 65.6 683 955 15 38 1770 73.0 751 1003

2.2 实验台搭建

装载机的手动换挡操作频繁，总结为右手的前后推拉及左右推拉动作。由于换挡操作绩效受座椅与换挡杆相对位置、换挡杆尺寸及操纵力大小影响，所以在搭建实验台时要考虑换挡杆位置和尺寸因素。首先，通过调研市场上换挡杆尺寸、换挡行程以及换挡杆与座椅的相对位置，以某型装载机换挡工况为参考，确定了实验用的换挡杆尺寸、握柄中心与地板距离为220 mm、换挡行程(前后及左右转动均为25°左右)，如图1 所示，座椅椅背倾角及座面高度如图2 所示，换挡杆与座椅的相对位置如图3 所示。借助Primus RS 测力装置，搭建换挡操作机构测试台架:具体包括换挡杆及握柄、换挡力调节机构;然后，以某型装载机座椅与换挡杆位置为参考，搭建了座椅和换挡机构组成的模拟装载机换挡操作的测试场景，其中，座椅上下、前后及左右位置可调，换挡机构能实现模拟换挡杆前后及左右推拉动作，Primus RS 系统提供换挡操纵力的输入与显示。

图1 操作杆行程及尺寸

图2 座椅高度及靠背倾角

图3 座椅与操作杆相对位置

2.3 实验流程

换挡杆舒适操纵力测试场景如图4 所示。首先，被试以正常驾驶姿态落座，右手握住操作杆握柄，然后，通过Primus RS 设定换挡杆阻尼力大小，被试以正常换挡速度进行3 -5 次推拉动作，记录被试关于换挡操作力的主观评分(5 级分值)，反复改变阻尼力大小，重复本次操作，直到测试完被试者的手动推拉操纵力的5 级分值。用同样方法依次完成所有被试者的前推、后拉、左右推拉的舒适力测试。

考虑到被试者关于手臂力量的感知量是有一定范围，为了测试结果更准确，这里将舒适级进一步细化为三级(舒适偏轻，适中，舒适偏重)，并在轻至重的5 个级别中列出每个级别的上下限值，具体的5 级评分标准为:太轻，轻，舒适(偏轻、适中，偏重)，重，太重。

图4 换挡杆舒适操作力测试场景(左图-左右推拉，右图-前后推拉)

3 结果

15 名男性司机的换挡操作前后推拉力测试结果如表2、3 和图5、6 所示，左右推拉力测试结果如表4、5 和图7、8 所示。剔除异常值后求平均值及标准差，并给出了中位数和众数值。

表2 前推力测试结果(单位N)

图5 换挡杆前推力主观评价结果

图6 后拉力测试主观评价结果

表3 后拉力测试结果(单位N)

表4 左推力测试结果(单位N)

图7 左推力测试主观评价结果

图8 右推力测试主观评价结果

表5 右推力测试结果(单位N)

4 讨论

4.1 手动换挡杆舒适操纵力推荐范围

由于样本量较少(15 名司机)，表2、3、4、5 的众数值仅作为参考。由图5、6、7、8 可以看到，推拉力在7 个主观级别上的均值和中位数基本一致，说明测试结果数据稳定，由于手动推拉力量太小，司机不容易感知到任务是否实现，推拉力量太大又易引起手臂肌肉疲劳，所以取测试结果的舒适值的上限和下限作为推拉力推荐值，前后推拉力推荐值5 -10 N，正常操作时前后推拉力不超过13 N 为可接受限值。左右推拉力5 -9 N，正常操作时左右推拉力不超过12 N 为可接受限值。由15 名司机的测试结果可知，手臂前后推拉与左右推拉舒适力范围基本一致，换挡杆适宜操纵力推荐值约为5 -10 N。

本文所测值与相关文献中的推拉力值相差较大，如文献15 中的坐姿右手前后推拉力70.6 N/83.9 N(第5 百分位值)，原因是文献中的推拉力是基于最大推拉力测试得到的，其值应限定为可接受的最大推拉力。而本文推荐值是直接测试被试者的舒适推拉力给出，理论上舒适力也应该是小于可接受力和最大力。相关推拉力文献显示，一般推拉操作力受单双手、左右手、性别等影响，其中推力和拉力值也有差异，本文研究结果显示，关于舒适前推力和后拉力基本一致，前后方向和左右方向力基本一致。

本文实验是参考某型驾驶室布局搭建的测试场景，在实验过程中，调查了被试关于座椅与换挡杆位置舒适性评价，15 名被试对于座椅和操作杆的位置基本可以接受，即本研究结果是在可接受的位置布局下得到的舒适推拉力值。

表6 人体测量参数与换挡舒适操纵力相关性

4.2 换挡舒适操纵力与人体测量相关性分析

对换挡杆舒适操纵力和身高、体重、臂长以及坐姿肩高分别进行相关性分析，结果表现为:向右推力与身高、体重及臂长表现出一定的相关性，其他三种力与人体参数相关性较小或无;体重与向前推力、向后拉力以及向右推力呈现一定相关性，总体表现为人体参数与手臂推拉力相关性不高，其中相关系数最大仅为0.434(体重与前推力)。坐姿肩高与前后和左右推拉力均不相关，具体结果如表6 所示。

5 结论

本文是对土方机械换挡舒适操作力测试研究，应用Primus RS 测力设备，搭建换挡操作测试台架及场景，完成了15 名具有驾驶经验的司机的前后及左右舒适推拉力测试，得到换挡前后及左右推拉操作的舒适力推荐范围，其值约为5 -10 N，正常作业时舒适操纵力不超过13 N 左右。其研究结果对于工程机械的驾驶室工效学设计及改善有一定的实际参考价值。

本研究样本量偏少，上肢舒适推拉力推荐范围有待于增加样本量进行修正，另外，本研究没有考虑手脚配合时的作业疲劳可能会对换挡操作绩效的影响，还有，关于操作位置是参考某型车驾驶室实际值给定，尽管在实验过程中问询了被试关于位置的主观感受(均为可接受)，但是已有的研究(文献2/5/10/14)表明操作位置对操作绩效有显著影响，因此，还需开展关于操作位置(握手高度、握柄与座椅相互位置)对于操作绩效的精确影响研究。