東北林業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院 李 博 李樹森

摘要：操作者在使用背負式割灌機勞動時，由于操作姿勢、機器的振動和噪聲等原因，極易導(dǎo)致作業(yè)疲勞和安全事故。運用人機工程學(xué)設(shè)計理論對背負式割灌機的技術(shù)原理、結(jié)構(gòu)和使用中的人機因素進行分析。計算得出背負式割灌機的手把尺寸、工作桿尺寸和背墊、背帶尺寸，并以此數(shù)據(jù)對背負式割灌機進行改良設(shè)計。使得背負式割灌機能夠提高勞動效率，能夠減輕勞動者的疲勞，降低割灌作業(yè)帶來的職業(yè)傷害，為便攜式林業(yè)機械的安全性設(shè)計提供設(shè)計參考。

關(guān)鍵詞：人機工程學(xué) 背負式割灌機 改良設(shè)計 割灌作業(yè) 職業(yè)傷害

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069(2017)10-0112-03

Abstract：Objective In the process of operators working with knapsack brush cutters， it easily leads to fatigues and safety accidents because of operating posture， vibration and noise of machine， and other reasons. Method Analyze the technical principle， the structure and the human factors used in knapsack brush cutter based on ergonomics theory. Result Calculate the handles size， rods size and straps size of knapsack brush cutter. In accordance with these data， carry out improved design program of handles， rods， straps， back cushions， machine’s molding and colors of knapsack brush cutter. Conclusion Improve the labor efficiency of the cutter， relieve the fatigue of operators and reduce the occupational injuries caused by the cutting operation and provide a reference for safety design of portable forestry machinery.

Keywords：ergonomics knapsack brush cutter improved design cutting operation occupational injury

引言

背負式割灌機是割除灌木、雜草的便攜式機械，園林工人和農(nóng)業(yè)工作者經(jīng)常使用割灌機來從事清除林間雜草、修剪園林灌木、收割莊稼等勞務(wù)[1-2]。操作者在使用背負式割灌機作業(yè)時，由于操作姿勢、機器的振動和噪聲等原因，極易產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象，影響工作效率和身心健康。在背負式割灌機的人機工程領(lǐng)域，Luke D. Knibbs、董金寶、李文彬等對割灌機的振動和噪聲及其對人體的影響做出了相關(guān)研究[3-5]。李博、李樹森等對割灌作業(yè)姿勢引起的職業(yè)性肌肉骨骼疾患做了相關(guān)研究[6-7]。對背負式割灌機的技術(shù)、造型、人機因素進行分析，基于人機工程學(xué)設(shè)計原理[8-9]，對背負式割灌機的整機、手把、背帶、背墊進行改良設(shè)計，可以減輕用戶的操作疲勞，降低職業(yè)傷害。

一、背負式割灌機的技術(shù)原理與結(jié)構(gòu)

（如圖1）所示，背負式割灌機利用肩帶和背負架，將機器動力部分固定并背負在操作者背上，發(fā)動機和離合器下置有兩根粗彈簧，使機器適應(yīng)振動環(huán)境，并可繞底座支撐軸線沿水平方向轉(zhuǎn)動，操作者可握持工作桿和安裝在工作桿上的手把形成省力杠桿并進行不同角度的作業(yè)。當發(fā)動機的轉(zhuǎn)速接近機器工作轉(zhuǎn)速時，自動離心式離合器的飛塊會在離心力的作用下克服離心碟和彈簧拉力的結(jié)合，從而帶動離合器和工作桿之間的軟軸旋轉(zhuǎn)，軟軸又通過聯(lián)軸節(jié)驅(qū)使工作桿內(nèi)的硬軸轉(zhuǎn)動，并通過一對螺旋錐齒輪的減速、換向，促使切割裝置開始逆時針方向旋轉(zhuǎn)，進而進行切割作業(yè)。

二、背負式割灌機的人機因素分析

（一）人的因素

1.人體尺寸。在背負式割灌機的設(shè)計中，人體的身高與臂長是其工作桿直徑和手把尺寸位置設(shè)計的決定性因素，根據(jù)相應(yīng)百分位的已知人體尺寸數(shù)據(jù)，可以計算出合理的工作桿直徑范圍，并確定手把距站臺與人體前后的最佳高度與距離。

2.人體的肌力。背負式割灌機工作時所需的人體肌力主要是背部肌力和上肢肌力，需要依靠人體背部的骨骼肌肉支撐整機重量，并通過上肢關(guān)節(jié)肌肉實現(xiàn)工作桿在一定范圍內(nèi)的擺動。通過對割灌機操作者進行表面肌電測試可知[6]，在使用割灌機進行不同割灌作業(yè)時腰背部伸肌豎脊肌的平均肌電活動都在20%MVE左右，最高達到30%MVE，而腹部的屈肌僅有12%MVE左右的肌電活動，這說明在割灌作業(yè)中豎脊肌為主要參與肌肉，豎脊肌過勞是操作者腰背損傷的主要原因。將此原因作為影響割灌機人機工程學(xué)改良的因素可以減輕用戶的操作疲勞，提升操作體驗。

3.人體的平衡機能。

在背負式割灌機工作中，機身重量、工作桿長度、整機振動、作業(yè)姿勢等均會影響人體平衡機能[6]。當割灌機開始工作，發(fā)動機的轉(zhuǎn)動會產(chǎn)生振動影響人體平衡；刀片進行切割作業(yè)時，需要操作者通過工作桿和手把的協(xié)調(diào)做橫向動作，產(chǎn)生足以完成切割作業(yè)的水平操作力，水平操作力也會影響人的平衡控制。為了保持身體平衡，操作者勢必要消耗更多體力，而彎腰前傾和肌肉拉伸的工作動作使身體平衡更難掌握。

4.人手和握力。人手和握力是影響工作桿和手把尺寸的重要因素，為了保證人手在持續(xù)工作中保持舒適的感覺，能夠以最佳握力完成工作，要對工作桿的直徑以及手把的形狀尺寸進行研究與分析。

5.人體的脊柱和腰椎。割灌作業(yè)時為保持人體不會因重負荷而后仰，人體會自然向前屈伸，使重心前移，給脊柱和腰椎較大負擔(dān)。據(jù)統(tǒng)計，脊柱損傷、下腰痛等成為困擾割灌機操作者的主要病癥之一，通過對割灌機造型和結(jié)構(gòu)進行人機改良可以規(guī)范操作者的作業(yè)姿勢，減少對操作者健康的傷害。

6.人的生理疲勞與心理疲勞。操作背負式割灌機的作業(yè)疲勞分為生理疲勞和心理疲勞兩種，一種是由于肌肉負擔(dān)和負荷累積造成的勞動機能的下降，伴有肌肉酸痛、注意力渙散、頭暈?zāi)垦５劝Y狀；另一種是心理上由于厭倦和惡劣環(huán)境造成的消極狀態(tài)和負面情緒。無論是生理疲勞還是心理疲勞都會大大降低操作者的工作效率，增加工作危險率。

（二）機器因素

1.整機重量。背負式割灌機要將發(fā)動機、離合器、燃料箱等重物背負在人體脊背上，整機重量則會影響人體平衡和脊柱形狀，控制并降低割灌機的整機重量能夠減少操作者的工作負荷。

2.工作桿與手把尺寸。工作桿的長度影響了人的作業(yè)姿勢，即身體彎曲程度和前傾角度，對工作桿的長度L和與站臺之間的夾角α進行計算分析，可以使操作者保持相對輕松的作業(yè)姿勢。同理，手把握持點距身體的距離和站臺高度也很重要；手把的直徑、長度、形狀等因素能夠影響人體掌部組織壓力和靜肌負荷[5]。

3.背負架。背負架承載了割灌機的發(fā)動機、油箱、離合器等關(guān)鍵部位，既與機器的操作性能相關(guān)，又影響機器的整體美觀性。其位置安排要不干擾機器正常工作，盡量重量平均，重心稍微下置，使人背部平均受到機身壓力并保持良好的平衡性。

4.背墊與背帶。傳統(tǒng)背負式割灌機的背墊造型多為平板型，不能滿足人在前傾工作時背部線條的變化，使得機身重量基本集中在脊柱一點，對局部骨骼關(guān)節(jié)擠壓嚴重。長時間的肌肉拉伸使乳酸濃度增加，腰部酸痛難以緩解。背帶多采用3-4cm寬度的帆布材料，長時間使用時，背帶受力不均，操作者的肩頸處會受到較強的勒壓感，導(dǎo)致疲勞。

5.振動因素。振動干擾是造成割灌操作者疲勞的主要因素之一，當振幅大到一定程度或持續(xù)較長時間時，人會因為不舒適感產(chǎn)生厭煩和抵觸心理，進而注意力難以集中，工作效率下降。振動頻率過高也會降低操作者的機體反饋和敏感性，使人在緊急情況下應(yīng)激遲緩，造成不必要的災(zāi)難。引起割灌機振動的主要原因有發(fā)動機振動以及離合器、減速器、傳動軸和刀片引起的振動，其中發(fā)動機是最主要的振源。已知研究分析表明，割灌機的背墊振動以及手把振動均主要由發(fā)動機振動引起。當發(fā)動機開始工作，并達到某一臨界轉(zhuǎn)速值時，發(fā)動機發(fā)生劇烈顫動，振動通過傳動組織將其傳送給背墊、背帶、工作桿、手把等組成部分。若要減小機器振動，除了從根本原因減小發(fā)動機振動以外，還可以通過在傳遞環(huán)節(jié)增設(shè)柔性連接和改變受振部件材質(zhì)來吸收部分振動，來減輕機器高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的不舒適感。

6.造型因素。割灌勞動是一項較為艱苦的持續(xù)性工作，操作者在工作時的心理狀態(tài)與精神面貌對割灌作業(yè)效率與安全都會產(chǎn)生較大影響。傳統(tǒng)割灌機的造型設(shè)計多是以機械結(jié)構(gòu)需求為主，設(shè)計語言較為單一和生硬，操作者與冰冷機械設(shè)備之間容易產(chǎn)生距離感；色彩選擇多為深紅色與黑色，明度較低，產(chǎn)生的視知覺較“重”，可導(dǎo)致操作者的心理疲勞。

三、割灌機的改良設(shè)計

（一）手把

1.手把最小處長度L。背負式割灌機的重量多在8Kg-10Kg之間，進行長時間的割灌作業(yè)通常需要較大的肌力，割灌機的操作者以35~55歲的男性為主[6]。根據(jù)本用戶人群特點進行人體數(shù)據(jù)調(diào)查得知，人的手掌寬度一般為71~97mm（95％男性和5％女性數(shù)據(jù)）[10]。在割灌作業(yè)中，操作者的手掌汗液和手把振動會導(dǎo)致輕微的打滑現(xiàn)象發(fā)生，需預(yù)留足夠的功能尺寸，功能尺寸修正量的取值范圍為13~20mm。同時，可根據(jù)操作者的具體工作狀態(tài)取適當?shù)男睦硇拚浚詼p輕人的心理疲勞。

公式（1）為手把最小功能尺寸和手把最佳功能尺寸。

2.手把寬度W。根據(jù)已知實驗結(jié)果顯示[5]，割灌機手把的寬度W與操作者的身高G線性相關(guān)，操作者身高值與手把的寬度相關(guān)。其變化趨勢（如圖5）所示，由回歸分析得到計算公式（2）。 

W＝0.875576G－990.23 （2）

由（表1）所示的GB10000-88標準[7]人體測量數(shù)據(jù)得到相應(yīng)百分位的數(shù)值可知，我國成年男子的身高值為1678~1775mm（50％和95％男性數(shù)據(jù)），帶入公式（2）中，可得到計算結(jié)果。根據(jù)計算結(jié)果可知，當手把的造型設(shè)計采用不等寬的曲線時，寬度值可控制在560~570mm之間。通過分析人手部的解剖學(xué)與生物力學(xué)得知，最優(yōu)握法時的指距值是4.5~9.5cm。手把與工作桿之間的間隔設(shè)計為6cm，可保證操作者手部在手把與工作桿之間有較自如的活動空間，便于勞作。（如圖2、3）所示。

3.手把握持點距地面高度。由人機工程學(xué)的相關(guān)研究可知，人的脊背所受壓迫力在處于自然站姿時最低。當操作者使用同一產(chǎn)品處于自然立姿時，假設(shè)手持重量相同，均為G，當手臂前伸角度不同時，所產(chǎn)生的負荷力矩也不相同，（如圖4、5）所示，計算結(jié)果為負荷力矩M1=X1×G＞負荷力矩M2=X2×G。

當手持物重力點距人體腰椎扭轉(zhuǎn)軸的距離增大時，負荷力矩也相應(yīng)增大。在操作者握持割灌機手把時，人手臂前伸角度與自然垂直時角度無明顯變化，可忽略不計。因此，可將人手的功能高度視為手把的握持點距地面高度，由GB10000-88標準人體測量數(shù)據(jù)可得到相應(yīng)百分位的數(shù)值；將人穿鞋的尺寸修正量25~38mm計入，可得公式（3），計算結(jié)果為手把握持點距地面高度110cm。 

（3）

（二）工作桿

工作桿起到連接動力部件和切割刀具的作用，操作者通過手掌與手指的周向抓握實現(xiàn)范圍內(nèi)的移動，控制刀具的方向，工作桿直徑的尺寸取決于人手的尺寸。操作者手部靈活性和割灌速度都收到工作桿直徑尺寸的影響，操作桿設(shè)計不當將導(dǎo)致手掌與指端疲勞。由人體測量數(shù)據(jù)可知，人的手掌寬度一般為71~97mm（95％男性和5％女性數(shù)據(jù)）[11]，將工作桿直徑尺寸值確定為30~40mm[5]，即可實現(xiàn)工作桿輔助操作者完成著力抓握的功能，（如圖6、7）所示。

（三）背帶與背墊設(shè)計

1.背帶寬度尺寸。由壓強計算公式P=F/S可知，壓強P與受力面積S呈反比。因此加寬肩帶，加大肩帶和人體肩頸的接觸面積，可以減小割灌機整機重量給人體的壓力負荷。 人體肩部可承載背帶的最大區(qū)域為1/2（肩寬–頸寬），由人體測量數(shù)據(jù)[11]計算可知，背帶寬度尺寸應(yīng)控制在5.5cm~6.8cm之間。

2.背墊設(shè)計。人體的胸寬和臀寬尺寸決定割灌機的背墊寬度，人體上身長度尺寸決定背墊長度，若背墊的最大尺寸數(shù)值超越人體尺寸數(shù)據(jù)的制約，將給操作者的行動作業(yè)帶來不便。根據(jù)相關(guān)實驗可知，背負式割灌機的機身部分會對人體脊柱骨骼肌肉造成擠壓[5]。傳統(tǒng)的背墊采用平板式造型，不能適應(yīng)人體脊柱的走向與弧度，采用普通海綿材料，無法起到減輕工人脊柱負荷和減輕振動的作用。

在對背墊的改良設(shè)計中，采用四周凸，中間凹的造型結(jié)構(gòu)，背墊周圍貼合人體背部，中間部分與人體脊背和腰椎留有縫隙，降低負荷對脊椎的壓迫。選用具有較強減震性、透氣性、干燥性和拉伸性的Ortholite新型高密度泡棉材料，減輕工作給工人身體造成的傷害。（如圖8、9）所示。

（四）整機造型與色彩

割灌機的操作用戶多為園林工人和農(nóng)業(yè)勞動者，操作環(huán)境多為園林景觀、街道綠化帶或農(nóng)田等自然環(huán)境，用戶通常需要在此類環(huán)境中較長時間的持續(xù)性進行割灌作業(yè)，是一項較為艱苦的體力勞動。在街道綠化帶操作的用戶還需要注意躲避過往車輛的安全性問題。因此，在割灌機的改良設(shè)計中采用“蜜蜂”的仿生造型，既能夠提升割灌機整機造型的美觀性；又能夠與用戶產(chǎn)生情感共鳴，認同“勤勞的小蜜蜂”的造型語義修辭。整機造型、色彩（如圖9、10）所示。

在色彩上，使用了從蜜蜂這一仿生對象中提取的黃色與黑色，黃色的明度較高，能夠從視覺上降低割灌機的整機重量，減輕操作者的心理疲勞。另外，黃色是高可見的色彩，是安全設(shè)備與危險信號中常見的警戒色，能夠有效提醒過往的車輛與正在作業(yè)的用戶保持安全距離。

（五）整機結(jié)構(gòu)設(shè)計

本次設(shè)計的背負式割灌機主要由背負動力系統(tǒng)和軟軸傳動部分組成。其結(jié)構(gòu)設(shè)計（如圖11、12、13）所示。

結(jié)論

背負式割灌機作為園林工人和農(nóng)業(yè)勞動者廣泛使用的勞動設(shè)備，對其進行設(shè)計改良不僅能夠提高勞動效率，更能夠減輕勞動者的疲勞，降低割灌作業(yè)帶來的職業(yè)傷害，為今后便攜式林業(yè)機械產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)提供設(shè)計參考。

1.基于人機工程學(xué)理論，對背負式割灌機設(shè)計中人的因素和機器因素進行了分析研究；

2.運用人機工程學(xué)方法，計算了背負式割灌機手把、工作桿和背帶的尺寸，并由此進行了背負式割灌機整體造型的改良設(shè)計。

3.利用仿生學(xué)和產(chǎn)品語義學(xué)原理，采用“蜜蜂”的仿生造型對割灌機的外觀進行設(shè)計改良，高明度的黃色夠從視覺上降低割灌機的整機重量，減輕操作者的心理疲勞，并可以起到安全警示作用。

基金項目：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目（2572016CB05）

參考文獻

[1] 王乃康， 茅也冰， 趙平 . 現(xiàn)代園林機械 [M] . 中國林業(yè)出版社 ， 2001 :65-71

[2] 梁桂清 . 我國割灌機的現(xiàn)狀和發(fā)展前景 [J] . 裝備制造技術(shù) ， 2000 (1) :24-26

[3] Knibbs L D. Occupational hazards to the health of professional gardeners[J]. Int J Environ Health Res， 2014， 24(6):580-589

[4] 董金寶 . 便攜式林業(yè)機械及其作業(yè)環(huán)境對人體平衡的影響 [D] . 北京林業(yè)大學(xué) ， 2008 :22-24

[5] 董金寶， 李文彬 . 便攜式割灌機U型手柄的人機工程學(xué)優(yōu)化研究 [J] . 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報 ， 2008 ， 30 (3) :144-146

[6] 李博， 李樹森， 楊洪澤，等 . 園林工人割灌作業(yè)姿勢的職業(yè)危害分析 [J] . 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報 ， 2014 ， 36 (2) :000145-148

[7] 李博， 李樹森， 楊洪澤 . 園林工人割灌作業(yè)職業(yè)性肌肉骨骼疾患的工效學(xué)研究 [J] . 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)， 2013(11):174-178

[8] 曾山， 關(guān)惠元 . 論人類工效學(xué)研究中的復(fù)雜性問題 [J] . 包裝工程 ， 2012 (8) :96-99+111

[9] 石鑫龍， 周振中 . 人機工程學(xué)在野戰(zhàn)給養(yǎng)器材設(shè)計中的應(yīng)用展望 [J] . 包裝工程 ， 2013 (20) :84-87

[10] 賴維鐵 . 人機工程學(xué) [M] . 華中工學(xué)院出版社 ， 1997 :101-103

[11] 童時中 . 人機工程設(shè)計與應(yīng)用手冊 [M] . 中國標準出版社 ， 2007 :56-57