东北林业大学 机电工程学院 李 博 李树森
摘要：操作者在使用背负式割灌机劳动时，由于操作姿势、机器的振动和噪声等原因，极易导致作业疲劳和安全事故。运用人机工程学设计理论对背负式割灌机的技术原理、结构和使用中的人机因素进行分析。计算得出背负式割灌机的手把尺寸、工作杆尺寸和背垫、背带尺寸，并以此数据对背负式割灌机进行改良设计。使得背负式割灌机能够提高劳动效率，能够减轻劳动者的疲劳，降低割灌作业带来的职业伤害，为便携式林业机械的安全性设计提供设计参考。
关键词：人机工程学 背负式割灌机 改良设计 割灌作业 职业伤害
中图分类号：TB472 文献标识码：A
文章编号：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
背负式割灌机是割除灌木、杂草的便携式机械，园林工人和农业工作者经常使用割灌机来从事清除林间杂草、修剪园林灌木、收割庄稼等劳务[1-2]。操作者在使用背负式割灌机作业时，由于操作姿势、机器的振动和噪声等原因，极易产生疲劳现象，影响工作效率和身心健康。在背负式割灌机的人机工程领域，Luke D. Knibbs、董金宝、李文彬等对割灌机的振动和噪声及其对人体的影响做出了相关研究[3-5]。李博、李树森等对割灌作业姿势引起的职业性肌肉骨骼疾患做了相关研究[6-7]。对背负式割灌机的技术、造型、人机因素进行分析，基于人机工程学设计原理[8-9]，对背负式割灌机的整机、手把、背带、背垫进行改良设计，可以减轻用户的操作疲劳，降低职业伤害。
一、背负式割灌机的技术原理与结构
（如图1）所示，背负式割灌机利用肩带和背负架，将机器动力部分固定并背负在操作者背上，发动机和离合器下置有两根粗弹簧，使机器适应振动环境，并可绕底座支撑轴线沿水平方向转动，操作者可握持工作杆和安装在工作杆上的手把形成省力杠杆并进行不同角度的作业。当发动机的转速接近机器工作转速时，自动离心式离合器的飞块会在离心力的作用下克服离心碟和弹簧拉力的结合，从而带动离合器和工作杆之间的软轴旋转，软轴又通过联轴节驱使工作杆内的硬轴转动，并通过一对螺旋锥齿轮的减速、换向，促使切割装置开始逆时针方向旋转，进而进行切割作业。
二、背负式割灌机的人机因素分析
（一）人的因素
1.人体尺寸。在背负式割灌机的设计中，人体的身高与臂长是其工作杆直径和手把尺寸位置设计的决定性因素，根据相应百分位的已知人体尺寸数据，可以计算出合理的工作杆直径范围，并确定手把距站台与人体前后的最佳高度与距离。
2.人体的肌力。背负式割灌机工作时所需的人体肌力主要是背部肌力和上肢肌力，需要依靠人体背部的骨骼肌肉支撑整机重量，并通过上肢关节肌肉实现工作杆在一定范围内的摆动。通过对割灌机操作者进行表面肌电测试可知[6]，在使用割灌机进行不同割灌作业时腰背部伸肌竖脊肌的平均肌电活动都在20%MVE左右，最高达到30%MVE，而腹部的屈肌仅有12%MVE左右的肌电活动，这说明在割灌作业中竖脊肌为主要参与肌肉，竖脊肌过劳是操作者腰背损伤的主要原因。将此原因作为影响割灌机人机工程学改良的因素可以减轻用户的操作疲劳，提升操作体验。
3.人体的平衡机能。
在背负式割灌机工作中，机身重量、工作杆长度、整机振动、作业姿势等均会影响人体平衡机能[6]。当割灌机开始工作，发动机的转动会产生振动影响人体平衡；刀片进行切割作业时，需要操作者通过工作杆和手把的协调做横向动作，产生足以完成切割作业的水平操作力，水平操作力也会影响人的平衡控制。为了保持身体平衡，操作者势必要消耗更多体力，而弯腰前倾和肌肉拉伸的工作动作使身体平衡更难掌握。
4.人手和握力。人手和握力是影响工作杆和手把尺寸的重要因素，为了保证人手在持续工作中保持舒适的感觉，能够以最佳握力完成工作，要对工作杆的直径以及手把的形状尺寸进行研究与分析。
5.人体的脊柱和腰椎。割灌作业时为保持人体不会因重负荷而后仰，人体会自然向前屈伸，使重心前移，给脊柱和腰椎较大负担。据统计，脊柱损伤、下腰痛等成为困扰割灌机操作者的主要病症之一，通过对割灌机造型和结构进行人机改良可以规范操作者的作业姿势，减少对操作者健康的伤害。
6.人的生理疲劳与心理疲劳。操作背负式割灌机的作业疲劳分为生理疲劳和心理疲劳两种，一种是由于肌肉负担和负荷累积造成的劳动机能的下降，伴有肌肉酸痛、注意力涣散、头晕目眩等症状；另一种是心理上由于厌倦和恶劣环境造成的消极状态和负面情绪。无论是生理疲劳还是心理疲劳都会大大降低操作者的工作效率，增加工作危险率。
（二）机器因素
1.整机重量。背负式割灌机要将发动机、离合器、燃料箱等重物背负在人体脊背上，整机重量则会影响人体平衡和脊柱形状，控制并降低割灌机的整机重量能够减少操作者的工作负荷。
2.工作杆与手把尺寸。工作杆的长度影响了人的作业姿势，即身体弯曲程度和前倾角度，对工作杆的长度L和与站台之间的夹角α进行计算分析，可以使操作者保持相对轻松的作业姿势。同理，手把握持点距身体的距离和站台高度也很重要；手把的直径、长度、形状等因素能够影响人体掌部组织压力和静肌负荷[5]。
3.背负架。背负架承载了割灌机的发动机、油箱、离合器等关键部位，既与机器的操作性能相关，又影响机器的整体美观性。其位置安排要不干扰机器正常工作，尽量重量平均，重心稍微下置，使人背部平均受到机身压力并保持良好的平衡性。
4.背垫与背带。传统背负式割灌机的背垫造型多为平板型，不能满足人在前倾工作时背部线条的变化，使得机身重量基本集中在脊柱一点，对局部骨骼关节挤压严重。长时间的肌肉拉伸使乳酸浓度增加，腰部酸痛难以缓解。背带多采用3-4cm宽度的帆布材料，长时间使用时，背带受力不均，操作者的肩颈处会受到较强的勒压感，导致疲劳。
5.振动因素。振动干扰是造成割灌操作者疲劳的主要因素之一，当振幅大到一定程度或持续较长时间时，人会因为不舒适感产生厌烦和抵触心理，进而注意力难以集中，工作效率下降。振动频率过高也会降低操作者的机体反馈和敏感性，使人在紧急情况下应激迟缓，造成不必要的灾难。引起割灌机振动的主要原因有发动机振动以及离合器、减速器、传动轴和刀片引起的振动，其中发动机是最主要的振源。已知研究分析表明，割灌机的背垫振动以及手把振动均主要由发动机振动引起。当发动机开始工作，并达到某一临界转速值时，发动机发生剧烈颤动，振动通过传动组织将其传送给背垫、背带、工作杆、手把等组成部分。若要减小机器振动，除了从根本原因减小发动机振动以外，还可以通过在传递环节增设柔性连接和改变受振部件材质来吸收部分振动，来减轻机器高速运转时产生的不舒适感。
6.造型因素。割灌劳动是一项较为艰苦的持续性工作，操作者在工作时的心理状态与精神面貌对割灌作业效率与安全都会产生较大影响。传统割灌机的造型设计多是以机械结构需求为主，设计语言较为单一和生硬，操作者与冰冷机械设备之间容易产生距离感；色彩选择多为深红色与黑色，明度较低，产生的视知觉较“重”，可导致操作者的心理疲劳。
三、割灌机的改良设计
（一）手把
1.手把最小处长度L。背负式割灌机的重量多在8Kg-10Kg之间，进行长时间的割灌作业通常需要较大的肌力，割灌机的操作者以35~55岁的男性为主[6]。根据本用户人群特点进行人体数据调查得知，人的手掌宽度一般为71~97mm（95％男性和5％女性数据）[10]。在割灌作业中，操作者的手掌汗液和手把振动会导致轻微的打滑现象发生，需预留足够的功能尺寸，功能尺寸修正量的取值范围为13~20mm。同时，可根据操作者的具体工作状态取适当的心理修正量，以减轻人的心理疲劳。
公式（1）为手把最小功能尺寸和手把最佳功能尺寸。
2.手把宽度W。根据已知实验结果显示[5]，割灌机手把的宽度W与操作者的身高G线性相关，操作者身高值与手把的宽度相关。其变化趋势（如图5）所示，由回归分析得到计算公式（2）。
W＝0.875576G－990.23 （2）
由（表1）所示的GB10000-88标准[7]人体测量数据得到相应百分位的数值可知，我国成年男子的身高值为1678~1775mm（50％和95％男性数据），带入公式（2）中，可得到计算结果。根据计算结果可知，当手把的造型设计采用不等宽的曲线时，宽度值可控制在560~570mm之间。通过分析人手部的解剖学与生物力学得知，最优握法时的指距值是4.5~9.5cm。手把与工作杆之间的间隔设计为6cm，可保证操作者手部在手把与工作杆之间有较自如的活动空间，便于劳作。（如图2、3）所示。
3.手把握持点距地面高度。由人机工程学的相关研究可知，人的脊背所受压迫力在处于自然站姿时最低。当操作者使用同一产品处于自然立姿时，假设手持重量相同，均为G，当手臂前伸角度不同时，所产生的负荷力矩也不相同，（如图4、5）所示，计算结果为负荷力矩M1=X1×G＞负荷力矩M2=X2×G。
当手持物重力点距人体腰椎扭转轴的距离增大时，负荷力矩也相应增大。在操作者握持割灌机手把时，人手臂前伸角度与自然垂直时角度无明显变化，可忽略不计。因此，可将人手的功能高度视为手把的握持点距地面高度，由GB10000-88标准人体测量数据可得到相应百分位的数值；将人穿鞋的尺寸修正量25~38mm计入，可得公式（3），计算结果为手把握持点距地面高度110cm。
（3）
（二）工作杆
工作杆起到连接动力部件和切割刀具的作用，操作者通过手掌与手指的周向抓握实现范围内的移动，控制刀具的方向，工作杆直径的尺寸取决于人手的尺寸。操作者手部灵活性和割灌速度都收到工作杆直径尺寸的影响，操作杆设计不当将导致手掌与指端疲劳。由人体测量数据可知，人的手掌宽度一般为71~97mm（95％男性和5％女性数据）[11]，将工作杆直径尺寸值确定为30~40mm[5]，即可实现工作杆辅助操作者完成着力抓握的功能，（如图6、7）所示。
（三）背带与背垫设计
1.背带宽度尺寸。由压强计算公式P=F/S可知，压强P与受力面积S呈反比。因此加宽肩带，加大肩带和人体肩颈的接触面积，可以减小割灌机整机重量给人体的压力负荷。 人体肩部可承载背带的最大区域为1/2（肩宽–颈宽），由人体测量数据[11]计算可知，背带宽度尺寸应控制在5.5cm~6.8cm之间。
2.背垫设计。人体的胸宽和臀宽尺寸决定割灌机的背垫宽度，人体上身长度尺寸决定背垫长度，若背垫的最大尺寸数值超越人体尺寸数据的制约，将给操作者的行动作业带来不便。根据相关实验可知，背负式割灌机的机身部分会对人体脊柱骨骼肌肉造成挤压[5]。传统的背垫采用平板式造型，不能适应人体脊柱的走向与弧度，采用普通海绵材料，无法起到减轻工人脊柱负荷和减轻振动的作用。
在对背垫的改良设计中，采用四周凸，中间凹的造型结构，背垫周围贴合人体背部，中间部分与人体脊背和腰椎留有缝隙，降低负荷对脊椎的压迫。选用具有较强减震性、透气性、干燥性和拉伸性的Ortholite新型高密度泡棉材料，减轻工作给工人身体造成的伤害。（如图8、9）所示。
（四）整机造型与色彩
割灌机的操作用户多为园林工人和农业劳动者，操作环境多为园林景观、街道绿化带或农田等自然环境，用户通常需要在此类环境中较长时间的持续性进行割灌作业，是一项较为艰苦的体力劳动。在街道绿化带操作的用户还需要注意躲避过往车辆的安全性问题。因此，在割灌机的改良设计中采用“蜜蜂”的仿生造型，既能够提升割灌机整机造型的美观性；又能够与用户产生情感共鸣，认同“勤劳的小蜜蜂”的造型语义修辞。整机造型、色彩（如图9、10）所示。
在色彩上，使用了从蜜蜂这一仿生对象中提取的黄色与黑色，黄色的明度较高，能够从视觉上降低割灌机的整机重量，减轻操作者的心理疲劳。另外，黄色是高可见的色彩，是安全设备与危险信号中常见的警戒色，能够有效提醒过往的车辆与正在作业的用户保持安全距离。
（五）整机结构设计
本次设计的背负式割灌机主要由背负动力系统和软轴传动部分组成。其结构设计（如图11、12、13）所示。
结论
背负式割灌机作为园林工人和农业劳动者广泛使用的劳动设备，对其进行设计改良不仅能够提高劳动效率，更能够减轻劳动者的疲劳，降低割灌作业带来的职业伤害，为今后便携式林业机械产品的设计研发提供设计参考。
1.基于人机工程学理论，对背负式割灌机设计中人的因素和机器因素进行了分析研究；
2.运用人机工程学方法，计算了背负式割灌机手把、工作杆和背带的尺寸，并由此进行了背负式割灌机整体造型的改良设计。
3.利用仿生学和产品语义学原理，采用“蜜蜂”的仿生造型对割灌机的外观进行设计改良，高明度的黄色够从视觉上降低割灌机的整机重量，减轻操作者的心理疲劳，并可以起到安全警示作用。
基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金项目（2572016CB05）
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