基于人机工程的铁路内燃螺栓扳手外观改良设计研究与分析

潘玉霞，王玫，张杉杉



基于人机工程的铁路内燃螺栓扳手外观改良设计研究与分析

潘玉霞，王玫，张杉杉

（四川大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065）

以国内现有的铁路内燃螺栓扳手为设计对象，分析国内相似产品外观，结合内燃螺栓扳手结构进行外观改良设计。首先在原产品的基础上设计了具有美观性和保护性的外壳，提高了其外观一体性和使用生命周期；其次重点从人机工程的角度考虑了整机外形尺寸，操纵杆、换向杆的高度，数字显示屏的观察斜度和按钮布局，以及符合工作环境的配色方案；最终设计出美观、安全、高效的内燃螺栓扳手，给操作提供良好的用户体验，并增加内燃螺栓扳手的产品竞争力。

内燃螺栓扳手；人机工程；改良设计；用户体验

20世纪80年代以来，我国铁路发展进入现代化阶段，铁路的发展离不开养路机械的支持[1]。铁轨与轨枕的连接配件形式多种多样，但不论是哪种形式的扣件，螺栓都起着至关重要的作用。在维修和养护铁路时，需要操作工人频繁地松、紧螺栓[2]。养路机械中螺栓扳手能代替工人从事繁重艰苦又单调枯燥的工作。

虽然目前内燃螺栓扳手在结构和功能方面已经趋于成熟并发展为产业，但是由于产品研发部门不重视产品外观，造型与功能并没有达到匹配和平衡。产品造型和企业形象息息相关，关系到企业的长远发展。本文以重庆某公司的内燃螺栓扳手为研究对象，旨在针对产品造型中存在的不足，结合企业的实际需求，基于人机工程，对现有内燃螺栓扳手的外型进行设计。改良养路机械设计以功能为主而忽略外观带来的缺陷，创造出具有视觉美感和操作舒适感的产品，提升铁路工人在使用内燃扳手时的用户体验，并提高其工作效率。

我国工程机械行业高速发展，形成了六大生产基地[3]。养路机械可作用于捣固、清筛、配碴、焊轨等方面[4]。铁路螺栓扳手分为手持式和手推式，其中手推式扳手又根据同时工作的松紧螺母个数分为单头和双头内燃螺栓扳手，如图1所示。

图1 国内现有螺栓扳手外观

目前我国的养路机械产品技术已经跻身世界前列，但是产品外观和用户体验却远远落后于国外先进产品，这无疑已经成为影响竞争力的一大重要元素[5]。国外一些知名公司有其鲜明特点，德国产品擅长大量使用直线条突出企业的稳重严谨；日本产品擅长运用紧凑合理的结构设计和精悍的外观设计，突出产品的实用性；美国产品具有创意、多彩的特点[6]。

从趋势上看，产品是越来越简约，并能够突出品牌特点。然而目前暂无针对内燃螺栓扳手外观设计的相关文献。

1 产品结构分析

如图2所示，内燃螺栓扳手整机主要由机架、抬把手、固定在机架上的汽油箱和齿轮变速箱组成。由汽油发动机输出旋转扭矩，通过离合器、传动轴、锥齿轮换向机构实现旋转扭矩的换向。换向后的扭矩通过套筒对螺栓上的螺帽实现松开和锁紧作业[7]。

直接裸露的结构通常会导致严重问题：由于发动机功率较大，工作时强烈的震动会直接影响产品的使用安全和使用寿命。虽然减少外部多余的壳体是出于重量最轻化的考虑，然而从长远看，因减负设计而忽略人因工程考量带来的安全问题将会使企业得不偿失。

图2 内燃螺栓扳手的结构示意图

2 人机工程考量

人机工程学是研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素；研究人和机器及环境的相互作用；研究在工作中、家庭生活中和休假中怎样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题的学科[8]。内燃螺栓扳手通常运用于条件恶劣的户外，在使用过程中振动剧烈，并伴有嘈杂的声音。通过结合人机工程原理的改良设计，能够减轻让操作工人使用时感到不适的情况。本文将着重设计操纵杆、数显屏和色彩等部分。

2.1 操纵杆的考虑

由于内燃螺栓扳手的操纵杆需要工人用手去操作，操作杆要求能够定量调节和连续调节，其高度、结构、握持形状都会影响操作工人的握持力和操作舒适性[9]，操纵杆上按钮的位置和按压力需要合理。设计不合理的操纵杆如果长久使用，将会造成人身体不适，更甚者导致伤残和疾患。本文主要从操纵杆的高度进行重新设计。

2.2 数显屏的考虑

数显屏的布局设计中，首先根据人机工程学原理，将重要的信息放置于最佳观察区域。之后根据单手操作按钮的原则对按钮布局进行重新设计。

2.3 色彩的考虑

本次项目设计的机械设备主要应用场合为铁路轨道，操作者需要进行长期作业。色彩的选取首先应该满足铁路相关用色规定，其后要避免操作工人出现厌烦和疲劳情绪。

3 外观改良设计

3.1 外壳设计分析

如图3所示，通过分析现有内燃螺栓扳手的结构和外观发现，产品一体化程度低，缺少整体感和设计感。所以初步设计中用折弯钣金将暴露在外部的零部件罩起来，一方面起到保护作用，另一方面使产品具有整体感。图4为初步方案，发动机和变速箱分别设计了外壳，并在相应部分做了散热处理。视觉上有整体感，该方案已经达到预期效果。

由于发动机运行时遮罩会发烫，而操作工人需要频繁地操作发动机手拉器，这便存在安全隐患。同时，为提高使用体验，内燃螺栓扳手添加了实时反映扭矩的数显屏。在初步外观方案的基础上进行进一步改良，将图4中三个相对独立的遮罩整合，提高整体感。取掉发动机的遮罩，最终设计效果为图5所示。变速箱上方为一个整面，同时也是数字显示屏所在的面。整个设备的一体性和美观性得到了提高。

图3 改良前内燃螺栓扳手外观

图4 初步设计方案

图5 最终外观设计方案

3.2 尺寸优化设计

3.2.1 内燃螺栓扳手操纵杆高度确定

内燃螺栓扳手操作如图6所示，图7所示为本小节需要计算的尺寸。根据人机工学，在操作操纵杆时，以上臂自然下垂状态的肘部附近为中心，活动前臂时手的操作区域为最佳布置区域[10]。

式中：根据表1，150为男性手功能高的五十百分位数为723 mm；250为男性体肘高的五十位百分数，992 mm；为穿鞋修正量，30 mm。

可得753 mm≤1≤1022 mm。

经过综合考虑，最终取1＝860 mm。

3.2.2 换向操纵杆的高度确定

在操作机械的过程中，换向操纵杆为不常用的手动操纵器，其高度设置范围比较大，只要在躯干活动中手能达到的范围之内即可。考虑到换向操纵杆不应干扰使用者的工作视线以及要在最大范围内避免误触，可将其设置为需稍微弯身才能操作的高度，经多次实验，最终确定2＝460 mm。

3.2.3 整机大小计算

在操作机械的过程中，应保证机械的宽度与人体的最大肩宽接近，即：

1≈3100

式中：1为整机的宽度；3100为人体最大肩宽的99百分位数486 mm。

最终取1＝465 mm。

整机长度主要是由变速箱和发动机等内部结构的尺寸决定的，再加上起保护作用的机架与机身的间隔，可基本确定2＝805 mm。

图6 内燃螺栓扳手操作示意图

H1为操纵杆高度；H2为换向杆高度；L1为整机宽度；L2为整机长度

表1 立姿人体尺寸（单位：mm）

表中：百分位数表示具有某一人体尺寸和小于该尺寸的人占统计对象总人数的百分比。

表2 人体水平尺寸表（单位：mm）

3.2.4 数显屏斜度确定

在外壳的设计中，需要确定装载数显屏幕的面板的斜度。在松、紧螺栓的过程中，数显屏幕将实时显示扭矩值的大小，以便于工人师傅即时调整自己的工作状态。给屏幕面板一个斜度，能够方便查看。

操作工人能否看清数显屏幕上的扭矩值并不取决于屏幕的尺寸本身，而是取决于它对应的视角[11]。如图8所示。

L为视距；l为人眼和显示数字之间的水平距离；H为人眼高的五十位百分数；h1为显示数字到地面的距离；α为显示器上的数码和字符对应的视角

一般可以取＝10°～30°，在这种视角下一般认为是可以轻松识别的。由人机学，可知：

＝1/200～1/300

式中：1为理想视距，mm；为扭矩显示数字的宽度，mm。

即数码、字符的尺寸应在视距的1/200～1/300之间，在通常情况下取其中间值＝1/250，即：

1≈250（2）

在式（2）中，＝14.2 mm，则1＝3550mm，即只要视距小于3350 mm则可以看清显示数字。

在人的最佳观察视野范围内，＝1511 mm，又已知1＝355 mm，则眼睛与显示数字之间的垂直距离－1＝1156 mm。

2＝(－1)2＋2（3）

由实际操作测量≈320 mm，则≈1199.5 mm＜1。所以，工人在操作时可以轻松看清楚显示数字。

数显屏幕的平面应与观察者的视线近于垂直，即屏幕的几何中心与人视线垂直[12]。相对水平面倾斜arctan0.27°，为15.1°，为了加工的方便取整，即图9中＝15°。

图9 数显屏斜度确定

3.3 数显屏的改良设计

原始数显屏幕以紫色为背景，数显屏下方四个按钮分别为：绿、蓝绿、淡橙、柠檬黄较为鲜艳的色彩，该外观不仅色彩不够美观，而且差异也不明显。此外，按钮间的距离不科学，在使用过程中会极大程度地增大操作者的误操作率以及操作疲劳感。如图10所示。

显示装置的布置应该紧凑，在布局过程中可以按照信息的重要程度将内容布置在不同的区域。对本项屏幕设计来说，最重要的信息莫过于扭矩数字显示，因此可将其布置于最佳认读区，剩下的信息可依次排布。

为了避免互相干扰和连带误触碰，相邻操纵按钮之间应当保持足够的距离。如表3、表4所示，本项目中的按钮操作形式为单指依次操作，所以按钮之间的最小间距应为12 mm，推荐间距为50 mm。根据屏幕实际大小与按钮个数，最终在本次设计中将间距设置为22.8 mm。同时根据按钮按键相关国家标准规定，将其长设为15 mm。如图11所示。

图10 原始数显屏幕

图11 数显屏改良后的外观和尺寸

表3 按钮按键的3项人机学参量

表4 几种操纵器布置时内侧间距的要求

3.4 色彩设计

在机械设计中，常用到工程色。出于安全考虑，在具有一定危险的铁路维修工作中，工程色能在一定程度上帮助工作顺利进行。设计中不同颜色在机械外观可以起到“分割”作用，能对机械结构的造型进行一定程度上的修饰。

色彩设计应与环境协调，给作业过程增加一些美感和舒适度。色彩与人的心理之间也应达到协调。由于色彩具有反射及吸收光和热的特性，在炎热环境中可以考虑使用冷色调，给人平静清爽的感觉，在寒冷环境则反之。机械操作环境为露天操作，要注意避免强烈的颜色反射现象，否则工人容易头晕目眩而发生危险。

由以上分析可以得知，适合于铁路机具的色彩主要是比较鲜明的工程色，比如黄、橘、红。由于这些颜色明度较高，反射光强度较大，可能在日光照射下相对刺眼，因此工人直视的平面应该选择明度较小的颜色。色彩设计最终确定为“大面积工程色＋部灰色”结合的方案。如图12所示，工程色分布在机架、壳体和操纵杆，包括黄（C5；M21；Y88；K0）、红（C0；M96；Y95；K0）、橙（C0；M46；Y93；K0）三种选择方案。灰色（C48；M38；Y36；K0）主要分布在数显屏幕所在的面。

图12 色彩方案

4 结论

综上所述，本文主要运用了人机工程的原理对内燃螺栓扳手外观、尺寸、数显屏幕和色彩进行了改良设计。外壳的设计改善了内燃螺栓扳手零部件相互独立、不统一的情况。提升了产品的美感并能保护产品内部重要零件，同时也提升了操作工人的使用体验。

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Research and Analysis on the Improvement Design of Railway Internal Combustion Bolt Wrench Based onErgonomics.

PAN Yuxia，WANG Mei，ZHANG Shanshan

( School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China )

Taking the existing domestic railway internal combustion bolt wrench as the design object, after analyzing the appearance and the structure of similar domestic products, an improved design scheme is proposed. Firstly, compared to original product, an artistic and protective shell has been designed to improve its appearance and product life cycle. Secondly, the size of the whole machine, the height of the levers which are controlling sleeves and operating direction, the observation slope and button layout of the digital display screen, and the color of the machine that fits the working environment are considered from the viewport of ergonomics. Finally, an attractive, safe and efficient internal combustion bolt spanner is designed, which provides good user experience for operation and also increases the competitiveness.

internal combustion bolt wrench；ergonomics；improved design；user experience

TB472

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.07.013

1006－0316 (2018) 07－0052－07

2017－01－22

潘玉霞（1993－），女，四川成都人，硕士研究生，主要研究方向为计算机辅助工业设计。