人机工程学在仪器仪表操纵机构设计中的应用

1、2007年第33卷第12期DcccnixJ 2007 # 工业安全夕环保lrxlu$tn«l Safety and Ennmnmcntal Phitcction人机工程学在仪器仪表操纵机构设计中的应用龚正国 王新民 朱永刚 曹刚(中南大学资源与安全工程学院 云沙41UU&3)ffi要基于人机工程学的基本理论结合人体结构尺寸和行为特性，着巫论述了仪器仪表探纵机构的合理布置探纵 签间距离的确定棵纵器的选择方法以及设计瓯则。最终使仪器仪汲的操纵机构最大眼度地与入体结构相匹聲为操作者 创造一个安全、储讹、舒适的探作环境，使人机系统发挥岀最大的效率。关權词人机工程学操纵机构仪器设计Ap

2、plication of Ergonomics in (he Design of the Control Mechanian of Instruments and ApparatusGONG Zheng -肿 WANC Xin - min ZHC Yong - gang CAO Ceng(School 耳RaaurcG and Safety Engiwering. Coural South Univmity Chantha 410083)Abstract Bawd cn the basic theory of ergonomics, this paper puto anphasis on th

3、e reasonable arrangement of the control mechanism, the9pace determination between controners, the dection methods andprinciples rf controllers of inMn»ra)ts and apparatus combinedilh the human stiucture and behavioral characteristics IHe control mcchani<vits ci the insfiumcntA and qipiratud

4、is finally guaranteed to match the human stiucture, create a safe, healthy and comfodablc openuing environment for the operatora and inake the man - machine system fully play its role.Kcywrds ergonomics cootrol mcckaniwn dcsi of device人机工程学又称为人的因素工程学(Human Factor Engineering),是人体科学.工程技术、环境科学、安全科学和社会

5、(芒1)(停)岀怕'1(和号(收 WnJW:2007-(M-19)2007年第33卷第12期DcccnixJ 2007 # (芒1)(停)岀怕'1(和号(收 WnJW:2007-(M-19)2007年第33卷第12期DcccnixJ 2007 # 基本不变(12 kPa左右)，进水址不变的情况下(进水保持开9 扣)液位降到一定程度F(本例为3.45 m),即可保持平衡。 在此平衡条件下，煤气不可能发生泄漏。但为什么发生事故 了呢？唯一的合理解释即是:在倒水过程中,因进水fit降低， 低于排水址，导致液位再次下降由于洗涤塔为锥形结构，下 部小，因此D2与6逐所接近，“2逐渐增大(

6、排水駅逐渐堆 大),在一定条件下，洗涤塔中的水突然被排空导致煤气大 扯泄漏°5煤气泄漏后事故危害范围估计在煤气储运、使用过程中由于工艺操作失误、设备缺陷 等诸多因索常常引起煤气泄岸。泄漏出的煤气含有大诫 CO,易发生中毒事故。本文利用国内外有关文献资料中介绍的冇关气体发生 泄漏引起火灾、爆炸方面的公式，对该事故世漏发生中番的 影响范围进行推算。5.1气体流动速度估计代体从裂口泄漏的速度与其流动状态有关。因为帥缶)凸则气体泄漏呈亚音速流动。式中.P为容器内介质圧力；Po为环境压力皿为气体绝热 指数。5.2气体膨胀因子计算5.3气体泄漏扯估算Qo=比莎“需(£j)出(7)式中C

7、d为代体泄漏系数,圆形取1.00M，为分子量,髙炉煤 气为30.56； R为气体常数汀为气体逆度，K。计算气体膨胀因子为0.749,泄漏赴Q为173“/氛1 min泄漏煤气St将达到1 038 kg(其中CO盾为236.7焙)。 5.4煤气泄漏影响分析煤气泄漏时，气体呈半球状向外扩散，半球分内外2层, 内层浓度分布均匀，具有5C%的泄漏fit外层呈离斯分布， 具有另外50%的泄漏儀。傲设已知已泄漏的煤气址kg), 阳内层泄漏的煤气fit为w/2(kg)o其体积为：Vg=(w/2)x(22.4/M)(8)由此，根据煤气浓度卩可算出整个半球有奉空代的体 积V。v= v/<p(9)按此体积可得

8、岀煤气泄漏死亡半径R./? = (3V/2)a(10)根据有关文虬CO体积分数为1.28%时.1-3 min即可 导致人死亡o计算可知在池M点半径14.8 m范围内均可 能导致人员死亡。该起事故煤气泄漏点距人员中祥处距离 在10 m范围内，未佩戴防毒面具发生死亡事故柱所难免。(芒1)(停)岀怕'1(和号(收 WnJW:2007-(M-19)2007年第33卷第12期DcccnixJ 2007 # (芒1)(停)岀怕'1(和号(收 WnJW:2007-(M-19) 49 科学交叉形成的一门重要学科。它以人的生理、心理待征为 依据，以提高人的工作、生活质址为目的运用系统工程、信 息

9、理论和工程技术的双点和方法,研究人.机器、环境之间的 相互关系，把人的因素作为系统设计的重耍条件和原则，以 达到确保人-机环境系统总体性能的最优化。在人-机系统中，人是最活跃、最煎要、同时也是最难控 制和最脆弱的环节。任何机器设备都必须有人参与人同机 器总是相互作用、相互配合和相互制约的，并且人始终起養 主导作用。据国外统卄资料表明，在生产中58% - 70%的事 故与“人的因索”有关。仪器仪表广泛应用于各个行业，操纵机构是其重耍组成 部分。因此,在设计仪器仪表操纵机构时，不仅要考虑功能、 材料、构造、工艺形态、表面处理等方面在设计上的要求，而 且还必须充分地考虑到“人的因素” 使所设计的仪器

10、仪表操 纵机构既能最容易地为人所操作又能最大限度地发挥出仪 器仪表操纵机构的性能，做到安全、髙效率。这就是在仪器 仪表操纵机构设计中人机工程学所要研究的问题。1人体结构与行为特性仪器仪农操纵机构的设计，除满足功能、结构的要求外, 还必須考虑到正常人体各部分的尺寸、肢体活动的范国和人 的视野范围導等否则会造成操纵困难工作效率低甚至影 响人的身体健康和造成專故。1.1人体结构尺寸根据我国成人人体尺寸国家标准（CB10000 - 88）提供的 人机工程学测血项目，列岀了不同地区的人体数据（见图1、 表1）®。操纵机构的高度设计作业空间的最大范同、正常 范围、最佳范围的确定以及各种控制器、控

11、制台、操作平台的 设计都应以人体尺寸数据为依据,力求操作者操作方便、安 全、舒适。肢体活动范围主要包括两类:一类是活动的角度如手 的活动角度、脚的活动角度、头部的活动角度等等;另一类是 肢体活动所能达到的距离范围，如果允许人的躯干运动则 肢体活动的可及范围更再大得多，不过为了保证较好的工作 效率，一般应当要求各种操纵机构处在人的躯干不活动时手 足所能及的范围之内。手的活动范围尺寸决定于两侧关节 之间的距离。1.3人的视野范围和视距范围人的横向视野大于纵向视野。最有效的观野区为以水 平线向上为30°,向下为4（几以鼻为中心左右各15°的范国 内，其中以在3。以内为最佳视觉区。

12、人限的最佳视线在站立« 1不阿地区的人体正常结构尺寸mm寸号 尺代人体部位较髙身材地区中输身材地区较矮身材地区（嗽氛辽）（长汇三角洲）伝，贵川）4身髙（站）双手展宽1 690/1 5801 670/1 5601 630/1 530B眼高（站）1 573/1 4741 547/1 4431 521/1 420C射-启距4203415/397414/386DVI-K 距546/571548/513552/509E尖距742/659740/691742/687F胸深200/20)20)/203205/220C308/291310/293307/289H前背长（包括手）434/4W430/3

13、9R435/39811 397/1 2951 379/1 278I 345/1 201J病宽307/307309/319311/320K手F垂指尖-腾底633/612616/590606/575L头頂离（坐）1 307/1 2361 284/1 2071 252/1 175M眼岛（坐1 203/1 1401 181/1 1101 144/1 078N414/390407/382402/3820450/435445/425443/422P肘鬲（坐）657/630646/612622/598注:表中所列数据列性他/女性认时往往低于水平线10%在坐势时则为15。根据对物体视觉 的清晰度，一般把视野分

14、成II视区、瞬时区和有效視区:直视 区是在1.5-3。范围内对物体的视觉最为清晰;瞬时区为 范围在有限的时间内，目视能够感觉到视野部分;有效视区 的祝角为30%在折対应的空间?&国内必须集中注意力方能 有足够的视觉清晰度。视野受视角及观察距离的限制，当眼珠和头部转动时， 视鼾扩大，头部不动时视角为120头部转动时视角可增大 到 220%祝距范围是指人的眼睛观象操纵机构的正常范国，一般 选取560 mm左右为最佳视距，最大视距为760 mm,最小祝 距为珈mm左右。另外眼睛在水平方向上的运动速度比 垂直方向上快且不易獗劳。1.4人体动作的规律自然性。一些动作必须在视野范围内完成，并且其中

15、每 次动作都应在方便于开始下一步动作的位置上结束，前、后 两个动作之间的衔接应该是流畅的。同时性。两只手的工作必须有可能同时开始和同时结 束,并完成同样的操作。如果一只手在工作則另一只手不 应该处于不动的位JS。对称性。要求两只手同时工作时,其动作应该是对號而 且是反向的。节奏性。空间动作不仅应该是有限和简单的同时应该 咼有节奏的,而且必須偏鼠亍使之具有与其工作的强制性节 奏全然不同的自由节奏。2仪器仪表操纵机构的设计一台仪器或一组仪表要能够正常地做一系列各种工作 内容，不但需要仪器仪表的各个工作机构设计合理,而且也 需要使控制其工作的操纵机构设计合理。2.1操纵器的选择操纵器首先应先使用手操

16、纵器然后才是足操纵器。手 操纵器和足操纵器的适型形式必须依据手和足的生理特点 来选择，应使操纵器的形态和它的功能有逻辑关系以便于 记忆。操纵器的式样应方便使用，利于着力。操纵器的使用 方法应尽fit简化并适合于操作。当操作器数fft很多，且形杰 不易区分时，可利用股觉的控制扶得动作的可能性，或用铭 牌、刻字、顒色标出它的功能、操作程序,以利于辨认和操作。 操纵器的大小主要是描它的尺寸它必须与人的手足尺度相 适应，为了提高襟作效率，操纵器在造史设计上还必须使它 的大小适合人的使用，以达到使用效率最优。操纵按钮的尺 寸，以适应手指的尺寸和弧度最为舒适。2.2操纵器间距离的确定操纵器与操纵器之间具有

17、的间隔值，当一定耍保持其间 隔为蹑小时,可取表2中的最小值但应尽可能取表中的最佳 值以减少操作失误（见表2、图2）o不同类虽攪纵器间的间隔值操纵使用方虫-间隔距离d/mm最小最大手动一只手指（顺手換着时）2.750.8按钮只手指（依次连续进时）6.425.4各个手捋6.412.7扳钮一只手指（顺手換曽时）19.250.8开关一只手指（依次连续进行时）12.725.4各个手指15.519.2賂板单曲（注克&到时）</i =203.2254.2101.6152.4单肉（依次连续进行时）</, = )52.4203.2d2 = 50.8101.6旋钮单手（隈手摸曹时）25.450

18、.8双手（左右为对次时）76.2127.0曲柄操单手（顺手換着时）50.8101.6纵杆双手（左右为对食时）76.2127.6图2撮纵淞的间“距2.3操纵机构的合理布置根据人机匹配的辰理为减少操作者的疲劳并提离工作 效率。应在最佳目视盟督区和可及区布登常用的操纵机构, 把应急操作机构分离成单独一组，并与一般操作机构隔开. 以免不自觉地误用应急操作机构;应急操纵机构要布盘到操 作者在任何情况下都容易接近的部位上而仪表则布JT在眼 睛的高度之上或略低一些;次要的操纵机构可以布置在手可 以达到及目视监督区的边界上;经常使用的操纵机构必须满 足操作者在各种情况下使用方便°操纵机构应明确地分成

19、几个不同的组，整齐地布2在几 个不同的平面上,机器制造中所用的操纵机构布置范围按距 地面高度可分为不舒适区、略舒适区和舒适区（图3）。操纵 区布局不同工作姿势箱点也不同,在舒适区内身体的姿 势最自然。对于同一个系统的各操纵机构应合理地采用同一的动 作顶则。指示器和其相应的操纵器必须给予相同的标记或 代号。指示器最好高一些，以免彼操作者的手遮住。左手操 作的操作机构要布置在指示器的偏下或偏左位迓，而右手操 作的操纵器则应布丘在折示器的偏下或偏右位置。图3操作舒适度区域示宣如果机器的各操纵机构和它们的指示器是分开布置在 两块控制板上的,则两块板中对应元件的相对布局应当是一 致的。当操作者既耍监督桓

20、制屏台上的仪表指示，同时耍照 料机器的工作时屏台上的仪表应按机器组件的排列关系来 布2L为了防止操作时，误动不该操纵的手柄和按钮,各操纵 机构必须遵循表3最小间距的要求布营。*3各援纵机构之间的推荐距藹名 祢 距扇7聞操纵轩仝F柄之间180用一只手能连续迅速地进行按作的边界处手炳之间150连续使用的旋钮邻缘之间15冇选择性或定期使用的旋钮®編之问50连续使用的操纵杆或转换开关之间25定期使用的操纵杆或转换开关之间50用双手同时转动的相邻开关的邻缘之间75相邻手轮的邻垛之间（可以网时操作）75机器外侧面的摇把之间300毎斜时只使用f开关时的相邻开关的邻缘之何（最小值）25 2.4操纵机

21、构的选择和设计原则 2.4.1操纵机构的选择原则.正确选择操纵机构的类型对于安全生产,提高工作效率 极为更要。一般来说选择的原则有以下几个方面:快速而 精细的操作主要采用手操纵机构;当操纵力较大时则采用手 臂及下肢控制;手控结构应安排在肘、甘高度之间的容易 接触到的距离处，并要易于看到;按钮、肘节开关或旋钮适 用于费力小、移动幅度不大及髙精度的阶梯式或连续式调 节;操纵杆、曲柄、手轮及標纵机构适用于费力、低精度和 幅度大的操作。2.4.2操纵机构设计的原则在设计与选择操纵机构时不仅要考虑其本身的功能、转 速、能耗、耐久性以及外观，还必须考虑与操作者有关的人的 因素方面的一些原则:操纵机构的样式

22、要便于操作，尽锻 滅少或避免不必要的操作动作;操纵机构的运动方向应尽 凤与预期的功能方向一致;操纵机构的大小、形状应符合 人体相应操作部位的解剖学待征，以便于操作者把握和移 51 2007年第33卷第12期Deceinbel 2007工业安全与叩保bdu9tria） Safety and EnviiuimcnUl PMection某常压余热水箱承压爆炸重大事故分析李文炜狄刚（杭州市质fit技术监督局 杭州310006）摘 £ 通过对一起販大转种设备“坯似爭故常压余热水箱承压爆炸造成3人当场死亡I人爾伤的戏大审故的 调妄过程的介绍对常压水箱划炸事故原因、经过的调査分析充分意识到有效落实

23、企业安全生产第3方责任的緊迫性加 强持种设备安全盜察员队伍勁业知识学习的紧迫性。关铁询常压余热水箱承压爆炸Analysis on the Serious Exosion Accidents of a Constant - prejssure After heat Water TankU Wen - wd DI Gang（Handwu Uunau of Quality and Technical Superwion Hanxhou 310006）Abstract By intndudng the mtire instigation procoa and analyzing its cau9c&#

24、187; ci the serious acddcfit rf a special equipment 一 the caqJo- sicn d m oocvUnt - prawun? after - heat u-aicT tank causing three 8e®th» and one piously injuird* realizing thil it is urpnt to effectively im- planenl the third party's responsibility of enterprise wodc safety «nd i

25、mpew: the knawialge level of wfety jvpetvisors for special 邓ipenen!. Keywords constant prasurc after - heal wafer tank prezre bearing explosion # # 1事故简介2005年12月29日12：44杭州某印染有Ri公司发生一 起重大待种设备“疑似”爭故常压余热水箱承压爆炸。 水箱承压爆炸后垮塌适成有机热载体锅炉后炉膛门打开，导 热油管路破裂导热油大址喷泻，炉瞠火焰引燃导热油发生 大火。因企业即将转让2台燃煤蒸汽儕炉，锅炉房内存有为 切割仔路而准备的满装乙块

26、气瓶、氧气瓶各1只，大火引起 乙块瓶.氧气瓶爆炸，是成锅炉房局部坍埸，可燃气体和导热 油迅速助燃，在数百平米的锅炉房内形成火海，造成锅炉房 内第一现场维修组工人3人当场死亡.1人重度烧伤，锅炉 房第二现场司炉工1人轻度烫伤。锅炉房内2台有机热载 体铝炉和2台蒸汽锅炉严重受损企业被迫停产1个月，造 动;操纵机构的移动范围要根据操作者的身体部位、活动 范围和人体尺寸来确定;操纵机构的用力应选在人的体力 适宜范国之内，并确保人身安全;操纵器应按其性质的不 同，选择不同的形状,以便于记忆;在操纵器较多按其形状 不便辨认的情况下，应釆用标牌、刻度、颜色等标岀其功能、 操作次序,以便于操作者辨认和操作;当操纵机构较多需 耍安排在面板上时，要考虑操纵效率。采用具有小后仰角的 垂直操纵面板要比水平操纵面板为好。樂纵器一般应设在 人眉和腰之间的离度范围之内。最常用的操纵器应设在以 肘为圆心半帑为356 mm的蒂:囤之内“3结语在仪器仪表设计中应用人机工程学原理进行操纵机构 的设计，有利于最大限芨地改善人机关系，使人与机器达到 最佳匹配对于提高劳动生产效率，改善劳动者的劳动条件. 减轻操作者的劳动强庚，为操作者提供方便、安全、舒适.髙 成直接、间接经济损失近千万元。班故发生以后由杭州市质量技术监倍部门牵头在第一 时间成立了由锅炉检验技术部门教授级离工、锅炉制造单位 设计专家