趙啟明，張?jiān)莆?，魯　媛，張本源，裴進(jìn)靈，張抓虎，杜　嬋

(1.山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，山西 太原　030031；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京　100083)

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微耕機(jī)作業(yè)事故與機(jī)具設(shè)計(jì)缺陷的關(guān)聯(lián)性分析

趙啟明1，張?jiān)莆?，魯媛2，張本源1，裴進(jìn)靈1，張抓虎1，杜嬋1

(1.山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，山西 太原030031；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京100083)

摘要：針對(duì)我國(guó)微耕機(jī)作業(yè)事故頻繁發(fā)生、造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失的嚴(yán)峻形勢(shì)，基于設(shè)計(jì)心理學(xué)、人因工程學(xué)、交互設(shè)計(jì)理論，分析了與微耕機(jī)作業(yè)事故相關(guān)的人、機(jī)具和環(huán)境因素，指出機(jī)具設(shè)計(jì)缺陷是微耕機(jī)作業(yè)事故的最重要因素。操作者的群體特征不易改變，作業(yè)環(huán)境無(wú)從選擇，只能通過(guò)機(jī)具的安全設(shè)計(jì)來(lái)適應(yīng)人的特點(diǎn)，彌補(bǔ)環(huán)境的不足，即機(jī)具的安全設(shè)計(jì)是減少事故、提高質(zhì)量的根本手段。同時(shí)，進(jìn)一步討論了微耕機(jī)防護(hù)裝置、操作裝置、形態(tài)、色彩和標(biāo)識(shí)安全設(shè)計(jì)以及材料選用。應(yīng)用工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)科理論研究微耕機(jī)作業(yè)事故，分析事故與機(jī)具設(shè)計(jì)缺陷的關(guān)聯(lián)性，是從根本上消除事故隱患及解決農(nóng)機(jī)安全問(wèn)題的新思路。

關(guān)鍵詞：微耕機(jī)；作業(yè)事故；設(shè)計(jì)缺陷；安全設(shè)計(jì)；工業(yè)設(shè)計(jì)

0引言

微耕機(jī)是配套發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率不大于6.5kW，直接用驅(qū)動(dòng)輪軸驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)工作部件，以旋耕為主要功能，用于水、旱田耕整作業(yè)的步行操縱式耕作機(jī)械[1]。隨著微耕機(jī)保有量快速增長(zhǎng)，作業(yè)事故時(shí)有發(fā)生，在一些地區(qū)呈多發(fā)態(tài)勢(shì)，造成嚴(yán)重人身傷害，引起社會(huì)各界廣泛關(guān)注[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，甘肅省近年年均增加微耕機(jī)4～5萬(wàn)臺(tái)，2013年保有量達(dá)20.33萬(wàn)臺(tái)；但2012、2013兩年發(fā)生微耕機(jī)傷人事故32起，占農(nóng)機(jī)事故總數(shù)50%以上[3]。針對(duì)嚴(yán)峻的安全形勢(shì)，農(nóng)業(yè)部印發(fā)通知，要求各地農(nóng)機(jī)部門(mén)做好微耕機(jī)安全生產(chǎn)工作，預(yù)防和減少事故發(fā)生，保障農(nóng)民生命財(cái)產(chǎn)安全[2]。

微耕機(jī)作業(yè)事故主要有兩方面原因：一是微耕機(jī)防護(hù)設(shè)施不全，存在設(shè)計(jì)缺陷；二是操作失誤[4]，80%以上的微耕機(jī)事故是由于操作失誤而造成[1]。為此，農(nóng)機(jī)部門(mén)組織用戶(hù)操作培訓(xùn)，強(qiáng)化安全監(jiān)理，但效果并不理想。問(wèn)題的根源在于，人的操作失誤其實(shí)與機(jī)具的設(shè)計(jì)缺陷有關(guān)。人的大腦是一個(gè)設(shè)計(jì)精妙、用于理解外部世界的器官，只需要提供一絲線(xiàn)索，便會(huì)立即開(kāi)始工作，對(duì)外部世界進(jìn)行解釋和理解。設(shè)計(jì)優(yōu)良的物品容易被人理解，因?yàn)樗鼈兘o用戶(hù)提供了操作方法上的線(xiàn)索；設(shè)計(jì)拙劣的物品使用起來(lái)則很難，往往讓用戶(hù)很沮喪，因?yàn)樗鼈儾痪邆淙魏尾僮魃系木€(xiàn)索，或是給用戶(hù)提供了一些錯(cuò)誤的線(xiàn)索，使用戶(hù)陷入困境，破壞了正常的解釋和理解過(guò)程[5]。因此，微耕機(jī)作業(yè)事故與機(jī)具的設(shè)計(jì)缺陷密切相關(guān)，從機(jī)具設(shè)計(jì)的源頭杜絕安全隱患才是解決微耕機(jī)安全生產(chǎn)問(wèn)題的根本手段。

本文基于設(shè)計(jì)心理學(xué)、人因工程學(xué)及交互設(shè)計(jì)理論研究，分析微耕機(jī)作業(yè)事故中的人、機(jī)具及環(huán)境因素，探討事故與機(jī)具設(shè)計(jì)缺陷之間的關(guān)聯(lián)性，旨在指導(dǎo)微耕機(jī)的安全設(shè)計(jì)。

1微耕機(jī)作業(yè)事故中的人因素

微耕機(jī)作業(yè)事故中的人因素包括人的生理因素、心理因素和群體特征3方面。

1.1人的生理因素

人的生理?xiàng)l件是有限度的。機(jī)具設(shè)計(jì)時(shí)如果沒(méi)有認(rèn)真考慮人的生理因素，會(huì)出現(xiàn)操作不便甚至錯(cuò)誤操作而造成事故的可能。相關(guān)的生理因素主要是人體尺寸、知覺(jué)、行為和疲勞。

1.1.1人體尺寸

人體尺寸決定了機(jī)具的設(shè)計(jì)尺度、人的觀察方式和操作感覺(jué)。例如，微耕機(jī)操縱手把的高度、開(kāi)度、粗細(xì)和選材應(yīng)確保握持牢靠，不易脫手而造成失誤。

1.1.2知覺(jué)

知覺(jué)是人腦對(duì)直接作用于感覺(jué)器官的客觀事物整體屬性的反映[6]，是對(duì)感覺(jué)信息的綜合與解釋[7]。若信息傳達(dá)有誤或接收理解有偏差，便有出錯(cuò)的可能。例如，作業(yè)過(guò)程中有漏油現(xiàn)象，若人聞不到刺鼻的汽油味，接收不到機(jī)具漏油的信息，就可能發(fā)生事故。人的知覺(jué)與事故的關(guān)系如表1[8]所示。

表1　人的知覺(jué)與事故的關(guān)系

1.1.3行為

人對(duì)機(jī)具的操作通過(guò)人的行為完成。人的不安全行為是最主要的事故原因[6]。人的不安全行為是指能引發(fā)事故的人的行為差錯(cuò)[9]。人的不安全行為分有意和無(wú)意兩種，前者是有目的、明知故犯的不安全行為；后者是非故意或無(wú)意識(shí)的不安全行為，也稱(chēng)失誤行為[6,10]。

導(dǎo)致微耕機(jī)作業(yè)事故的人的不安全行為主要有：

1)使用沒(méi)有防護(hù)裝置或安裝不當(dāng)?shù)臋C(jī)具；

2)忽視或有意違反操作規(guī)程；

3)處于不安全的位置或操作姿勢(shì)；

4)操作失誤；

5)在沒(méi)有排除故障的情況下操作；

6)在不安全的速度下操作；

7)注意力不集中，意識(shí)不到事故前的異常情況；

8)同一臺(tái)機(jī)器全家使用，也借給鄰里使用。

人的不安全行為是非常危險(xiǎn)的安全隱患，其實(shí)與人的生理局限性有關(guān)，原因如下：

1)人的感知力有局限性，無(wú)法接收全部的外界信息，甚至不能感知事故的預(yù)兆；

2)人的反應(yīng)力有局限性，無(wú)法同時(shí)或很快地分析判斷所接收的全部信息；

3)人的記憶力有局限性，無(wú)法記住所有有關(guān)作業(yè)的事情；

4)人的注意力有局限性，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間集中注意力；

5)人抵抗不良情緒和不良條件的能力有局限性。

1.1.4疲勞

疲勞是強(qiáng)度過(guò)高或持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致工作能力減弱、工作效率降低、錯(cuò)誤率增加的現(xiàn)象[6,11]。單調(diào)的工作因缺乏足夠的刺激，也會(huì)引起疲勞感[6]。人在疲勞時(shí)，操作容易產(chǎn)生失誤而觸發(fā)事故，原因如下：

1)疲勞導(dǎo)致生理不適，如無(wú)力感、困倦、感覺(jué)失調(diào)(視覺(jué)模糊、聽(tīng)不清、觸覺(jué)不敏感)[6]；

2)疲勞導(dǎo)致注意失調(diào)、反應(yīng)遲緩、操作動(dòng)作不協(xié)調(diào)；

3)疲勞導(dǎo)致厭煩、自我控制力降低、操作動(dòng)作不準(zhǔn)確。

與微耕機(jī)作業(yè)相關(guān)的產(chǎn)生疲勞的原因有：

1)機(jī)具設(shè)計(jì)不符合操作者生理和心理特點(diǎn)，如操作復(fù)雜、費(fèi)勁；

2)作業(yè)環(huán)境不良造成操作者生理和心理不適，例如噪聲、振動(dòng)、照明、高溫、濕熱；

3)作業(yè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、長(zhǎng)時(shí)間姿勢(shì)保持不變或姿勢(shì)不良，導(dǎo)致操作者體力下降；

4)作業(yè)單調(diào)重復(fù)，操作者產(chǎn)生疲勞和厭煩感。

微耕機(jī)設(shè)計(jì)要盡可能減少生理局限性對(duì)操作的消極影響，預(yù)防事故發(fā)生。例如，與視覺(jué)相關(guān)的操作置于視覺(jué)范圍內(nèi)；與聽(tīng)覺(jué)相關(guān)的操作考慮聽(tīng)覺(jué)的特性，使聲音的大小、高低、音調(diào)引發(fā)聽(tīng)覺(jué)的注意；與觸覺(jué)相關(guān)的操作考慮人的感應(yīng)特性；操作力度不要太大及必要的操作反饋等。

1.2人的心理因素

人的心理因素與事故有密切關(guān)系。不良的心理活動(dòng)往往產(chǎn)生不安全行為。造成微耕機(jī)作業(yè)事故的心理原因[9]如表2所示。

表2　造成微耕機(jī)作業(yè)事故的心理原因

續(xù)表2

操作者的不良心理無(wú)可避免，必須通過(guò)機(jī)具設(shè)計(jì)引導(dǎo)操作者趨向或保持積極的心理狀態(tài)。針對(duì)人的心理因素的微耕機(jī)安全設(shè)計(jì)思路如下：

1)機(jī)具設(shè)計(jì)與操作者的認(rèn)知相匹配。人是通過(guò)部件的形狀、顏色、質(zhì)感來(lái)理解機(jī)具的。機(jī)具的形態(tài)特征應(yīng)表現(xiàn)操作的指示性，利用操作者的生活經(jīng)驗(yàn)，引導(dǎo)正確的行為。例如，長(zhǎng)形折面的操作裝置要“向下按”完成操作，圓形的操作裝置是“左右旋轉(zhuǎn)”完成操作；旋鈕側(cè)面凹凸紋槽的多少和粗細(xì)，傳達(dá)是精細(xì)的微調(diào)還是大旋量的粗調(diào)。視覺(jué)形態(tài)建立起能為人所感知的操作方法。

2)機(jī)具設(shè)計(jì)帶給操作者安全感。機(jī)具作業(yè)時(shí)帶給操作者的安全感，通過(guò)機(jī)具的外在表現(xiàn)和操作體驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。合理的機(jī)具尺寸、人機(jī)交互關(guān)系以及黑、灰、深藍(lán)等沉穩(wěn)的顏色給人可靠感，而不舒適的操作系統(tǒng)使人緊張，紅、黃等明亮的顏色容易使人不安。

3)機(jī)具設(shè)計(jì)必要的心理刺激和危險(xiǎn)提示。當(dāng)出現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)，知覺(jué)感受的刺激、顏色等可以造成心理不適，進(jìn)而給操作者以危險(xiǎn)提示。例如，機(jī)具運(yùn)轉(zhuǎn)不正常時(shí)發(fā)出刺耳的“嗚嗚”聲，操作者會(huì)因?yàn)槁曇綦y聽(tīng)而檢查機(jī)具。

1.3用戶(hù)的群體特征

為了降低微耕機(jī)作業(yè)時(shí)的危險(xiǎn)性，必須研究用戶(hù)的年齡性別、文化水平等群體特征，避免因人機(jī)不匹配而導(dǎo)致使用困難甚至危險(xiǎn)。

微耕機(jī)用戶(hù)的群體特征概括如下：

1)年齡性別。以25～45歲的青壯年為主，也有部分少年和老人；男性略多于女性[12]。年齡、性別不同，身高、體力、視力、反應(yīng)能力等有差異。例如，青年人反應(yīng)敏捷、記憶力好，各項(xiàng)生理指標(biāo)處于最佳狀態(tài)；中年人生理指標(biāo)一般；老年人生理指標(biāo)每況愈下，排斥功能多的產(chǎn)品。

2)文化水平。小學(xué)文化及以下為數(shù)不少，對(duì)于先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)了解少。

3)思想行為。思想單純，接收和處理信息直接，不做過(guò)多思考；安全意識(shí)不強(qiáng)，不重視操作培訓(xùn)，突發(fā)緊急情況時(shí)，慌亂中容易發(fā)生事故。

針對(duì)用戶(hù)群體特征的微耕機(jī)安全設(shè)計(jì)思路如下：

1)盡可能兼顧各年齡段用戶(hù)和男女通用，例如盡量降低操作力度和作業(yè)強(qiáng)度。

2)機(jī)具操作方式、標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明易懂，減少記憶負(fù)擔(dān)，降低理解難度，易用易學(xué)。

3)說(shuō)明書(shū)匹配。農(nóng)民知識(shí)水平不高，少用專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)和文字，多用圖，必要使用的文字避免冗長(zhǎng)，以免農(nóng)民看不懂、不想讀說(shuō)明書(shū)。

4)機(jī)具性能穩(wěn)定，不易傾翻，減小噪聲和振動(dòng)，避免性能不良導(dǎo)致不良的用戶(hù)體驗(yàn)和心理狀態(tài)。

微耕機(jī)是由人工操作和使用的，人的生理和心理局限性是固有的，機(jī)具設(shè)計(jì)必須考慮是否超出了人的能力，而不是“為了使用，人類(lèi)不得不去適應(yīng)它們”[13]。因?yàn)椤叭绻撤N錯(cuò)誤有可能發(fā)生，就一定會(huì)有人犯這樣的錯(cuò)誤。設(shè)計(jì)人員必須考慮到所有可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，在設(shè)計(jì)時(shí)盡量降低差錯(cuò)發(fā)生的可能性或是減輕差錯(cuò)所造成的不良后果”[5]。

2微耕機(jī)作業(yè)事故中的機(jī)具因素

產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷是產(chǎn)品設(shè)計(jì)存在不合理的危險(xiǎn)性。微耕機(jī)的防護(hù)裝置、操作裝置、形態(tài)、色彩、標(biāo)識(shí)和材料等如果存在缺陷，將成為事故隱患。

2.1防護(hù)裝置

防護(hù)裝置用來(lái)屏護(hù)隔離人與危險(xiǎn)部分。防護(hù)裝置缺少或設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能引發(fā)事故。例如，微耕機(jī)的旋耕刀(見(jiàn)圖1[14])便可能是具有殺傷力的傷人器具，必須安裝防護(hù)罩。信號(hào)裝置也是防護(hù)裝置的一部分，警告危險(xiǎn)，引起人們注意并采取措施。信號(hào)裝置分顏色信號(hào)、音響信號(hào)和指示儀表3類(lèi)。如果操作者辨別不清顏色信號(hào)、聽(tīng)不清聲音信號(hào)或看不清儀表信息，則不能及時(shí)識(shí)別危險(xiǎn)，可能發(fā)生事故。

圖1　微耕機(jī)的旋耕刀是危險(xiǎn)部件

2.2操作裝置

與人的因素密切相關(guān)的是機(jī)具的操作裝置。如果操作界面布局混亂、操作方式不合理、操作區(qū)分難、有響應(yīng)問(wèn)題，將導(dǎo)致操作不便甚至錯(cuò)誤操作，尤其是人遇緊急情況下容易慌亂，失誤率更高。例如，圖2[15]中微耕機(jī)的操作裝置分散在手把附近和機(jī)身前后，操作不便，也容易誤碰。實(shí)施操作動(dòng)作后，機(jī)具沒(méi)有響應(yīng)或響應(yīng)遲緩，也會(huì)給操作者帶來(lái)疑慮，在不確定操作是否已經(jīng)生效的情況下，操作者會(huì)重復(fù)操作或直接進(jìn)行下一步操作，可能引發(fā)事故。

圖2　某品牌微耕機(jī)的操作布局混亂

2.3形態(tài)

形態(tài)是產(chǎn)品的外在表現(xiàn)，不僅表現(xiàn)尺度、形狀、比例等輪廓狀態(tài)，還包含感情和信息的傳達(dá)。例如，水平形態(tài)比直立形態(tài)感覺(jué)更穩(wěn)重；曲線(xiàn)和圓潤(rùn)的形態(tài)比直角和尖銳的形態(tài)更有安全感；精細(xì)的工藝給人安全感；手把以延伸狀態(tài)表現(xiàn)，指示操作者手放的位置、如何操作。機(jī)具的形態(tài)應(yīng)給人安全感和容易理解，以免操作者產(chǎn)生疑惑和障礙或無(wú)視存在的危險(xiǎn)，進(jìn)而發(fā)生事故。

2.4色彩

色彩有意向的功能和信息傳遞的作用，影響人的生理和心理變化，進(jìn)而影響人的行為動(dòng)作。例如，紅色、橙色容易讓人興奮，也提高人的警惕性；綠色、藍(lán)色代表平靜、自然，使人心情平和，精神放松；黑色則給人神秘和壓迫感。合理運(yùn)用色彩可以幫助操作者提高安全意識(shí)，識(shí)別危險(xiǎn)隱患，避免作業(yè)事故。

2.5標(biāo)識(shí)

標(biāo)識(shí)是文字或圖形的視覺(jué)展示，用來(lái)傳遞信息或吸引注意力，標(biāo)識(shí)應(yīng)該形式直觀，容易理解。我國(guó)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)存在以下問(wèn)題[16]：

1)危險(xiǎn)程度標(biāo)識(shí)詞混用，無(wú)法準(zhǔn)確表達(dá)危險(xiǎn)的嚴(yán)重程度；

2)文字?jǐn)⑹霾磺?，?nèi)容不完整，無(wú)法準(zhǔn)確指示危險(xiǎn)部位和告誡操作者如何避免危險(xiǎn)；

3)顏色不符合規(guī)定要求；

4)部分危險(xiǎn)部位未設(shè)置安全標(biāo)識(shí)，給操作者帶來(lái)安全隱患。

2.6材料

材料是產(chǎn)品的物質(zhì)基礎(chǔ)。不同的材料用于產(chǎn)品的不同部件，發(fā)揮不同的功能作用。例如，微耕機(jī)旋耕刀采用高強(qiáng)度鋼材，保證作業(yè)功能；防護(hù)罩采用高強(qiáng)度鋼板，安全防護(hù)需要；手把裝設(shè)塑料或橡膠把套，耐熱絕緣，不易脫手，手的體驗(yàn)感覺(jué)也溫和。相同材料的質(zhì)量也存在差別。為降低成本而使用質(zhì)量差的材料，導(dǎo)致機(jī)器故障頻發(fā)，此類(lèi)事故也為數(shù)不少。

微耕機(jī)所具有的功能實(shí)現(xiàn)操作者的工作目的，其形態(tài)、色彩、材料等賦予操作者特定的感官感受，操作過(guò)程的進(jìn)行和反復(fù)給予操作者互動(dòng)體驗(yàn)。機(jī)具的各方面與操作者關(guān)系密切，針對(duì)機(jī)具進(jìn)行安全設(shè)計(jì)可以抑制人在操作中可能產(chǎn)生的不良生理和心理狀況，減少人的失誤，消除安全隱患，降低事故發(fā)生的可能性。

3微耕機(jī)作業(yè)事故中的環(huán)境因素

人是在環(huán)境中操作機(jī)具的，不良的環(huán)境條件容易導(dǎo)致人的失誤。微耕機(jī)作業(yè)時(shí)有揚(yáng)塵、噪聲且振動(dòng)較大，操作者容易疲勞和煩躁，感知信息能力和反應(yīng)能力降低，進(jìn)而力不從心和錯(cuò)誤判斷，作業(yè)環(huán)境下也容易摔倒或絆倒，發(fā)生危險(xiǎn)。

環(huán)境因素不能控制，但通過(guò)設(shè)計(jì)可以彌補(bǔ)環(huán)境的不足，適應(yīng)環(huán)境的變化。針對(duì)環(huán)境因素的微耕機(jī)安全設(shè)計(jì)思路如下：

1)分析環(huán)境因素對(duì)人和機(jī)具的影響。例如，作業(yè)時(shí)與小地塊通行、地頭轉(zhuǎn)彎相關(guān)的操控及布局如何設(shè)計(jì)；使用環(huán)境不同時(shí)，是否導(dǎo)致無(wú)法預(yù)料的傷害；作業(yè)時(shí)間是白天還是需兼顧晚上等。光是一切人機(jī)作業(yè)的前提，環(huán)境光應(yīng)提供最佳的視覺(jué)感受，光的亮度、顏色、分布、對(duì)比度、眩光等都影響操作。

2)將揚(yáng)塵、噪聲和振動(dòng)等控制在操作者安全范圍和舒適范圍內(nèi)，為此涉及到功能優(yōu)化和機(jī)殼設(shè)計(jì)。

3)微耕機(jī)多用于初春、秋末兩季，作業(yè)環(huán)境色為土黃、綠色等。機(jī)具的色彩設(shè)計(jì)考慮環(huán)境和機(jī)具的顏色分布、亮度對(duì)比和對(duì)人的影響等。

綜上，與微耕機(jī)作業(yè)事故相關(guān)的人的因素主要表現(xiàn)為人的失誤；機(jī)具的因素主要是機(jī)具設(shè)計(jì)缺陷，包括防護(hù)設(shè)置沒(méi)有或不合理、操作裝置設(shè)計(jì)不當(dāng)、形態(tài)和色彩需要改進(jìn)、標(biāo)識(shí)沒(méi)有或不清晰，以及材料不合格導(dǎo)致機(jī)器故障、作業(yè)可靠性降低；不良的環(huán)境因素也是事故隱患。人、機(jī)具、環(huán)境三方面因素彼此交織、互相影響。例如，機(jī)具運(yùn)行失常或設(shè)計(jì)不當(dāng)，影響人的識(shí)別與操作，造成混亂和差錯(cuò)；客觀環(huán)境差造成人的不適、疲勞和煩躁，進(jìn)而行為失誤，影響機(jī)具的功能發(fā)揮[6]。

微耕機(jī)操作者的群體特征無(wú)法改變，作業(yè)環(huán)境無(wú)從選擇，只能通過(guò)機(jī)具的安全設(shè)計(jì)來(lái)適應(yīng)人的生理及心理局限性，彌補(bǔ)環(huán)境的不良條件。

4基于設(shè)計(jì)缺陷分析的微耕機(jī)安全設(shè)計(jì)

結(jié)合對(duì)人因素和環(huán)境因素的研究，基于對(duì)機(jī)具設(shè)計(jì)缺陷的分析，對(duì)微耕機(jī)的防護(hù)裝置、操作裝置、形態(tài)、色彩及標(biāo)識(shí)等進(jìn)行安全設(shè)計(jì)。

4.1防護(hù)裝置設(shè)計(jì)

防護(hù)裝置在微耕機(jī)安全設(shè)計(jì)中具有重要意義。微耕機(jī)的耕作部件直接作用于土地，其功能決定了其危險(xiǎn)性，不能改變其機(jī)械結(jié)構(gòu)，只能裝設(shè)防護(hù)罩來(lái)消除事故隱患。

防護(hù)裝置有3個(gè)作用：①防止機(jī)具對(duì)操作者造成傷害；②防止操作者誤操作而造成傷害；③防止對(duì)他人、環(huán)境造成傷害和破壞。許多微耕機(jī)已安裝運(yùn)動(dòng)部件防護(hù)罩，但傷害事故仍有發(fā)生，說(shuō)明其設(shè)計(jì)并不理想。

防護(hù)裝置有不同的防護(hù)方式：

1)機(jī)具保護(hù)型。將機(jī)具的危險(xiǎn)部分保護(hù)起來(lái)，是隔離危險(xiǎn)的方法。微耕機(jī)上外露、可能傷人的運(yùn)動(dòng)部件包括耕作部件、傳動(dòng)軸、傳動(dòng)帶等，而耕作部件最具危險(xiǎn)性，作業(yè)過(guò)程中還有更換的需要，這些運(yùn)動(dòng)部件均應(yīng)裝設(shè)防護(hù)罩。在不影響機(jī)具實(shí)現(xiàn)功能的前提下，盡量增大防護(hù)罩的防護(hù)覆蓋面積，保證操作者安全，還可設(shè)計(jì)為可調(diào)式防護(hù)罩，如圖3所示[17]。

圖3　某品牌微耕機(jī)的防護(hù)罩設(shè)計(jì)和顏色搭配

2)連鎖保護(hù)型。對(duì)危險(xiǎn)部件的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行制動(dòng)控制。例如，防護(hù)罩與微耕機(jī)的動(dòng)力實(shí)現(xiàn)連鎖保護(hù)，若防護(hù)罩打開(kāi)、安裝不當(dāng)或沒(méi)有防護(hù)罩時(shí)微耕機(jī)無(wú)法起動(dòng)或自動(dòng)切斷動(dòng)力，并設(shè)置狀態(tài)提示燈提示操作者。

3)危險(xiǎn)提示型。當(dāng)危險(xiǎn)出現(xiàn)時(shí)，傳達(dá)信息提醒操作者注意。例如，當(dāng)微耕機(jī)倒退運(yùn)行時(shí)，發(fā)出清晰的報(bào)警音響或同時(shí)伴有燈光閃爍信號(hào)。

4.2操作裝置設(shè)計(jì)

與操作者最密切相關(guān)的是微耕機(jī)的操作裝置。在操作情境中人機(jī)交互頻繁的操作裝置是手拉起動(dòng)器、操作手把、油門(mén)手柄、變速手柄、主離合器手柄及轉(zhuǎn)向離合器手柄。其功能和操作任務(wù)如表3所示，存在的設(shè)計(jì)缺陷和相應(yīng)的解決方案如表4所示。

表3　微耕機(jī)主要操作裝置的功能和操作任務(wù)

表4　微耕機(jī)主要操作裝置的設(shè)計(jì)缺陷及解決方案

續(xù)表4

4.3形態(tài)安全設(shè)計(jì)

微耕機(jī)一般由一個(gè)操作者手扶作業(yè)，其安全設(shè)計(jì)需要考慮：①機(jī)體功能尺寸男女適用；②產(chǎn)品形態(tài)既要實(shí)際上的輕巧安全，也要視覺(jué)上的輕巧安全感[18]。例如，旋耕刀防護(hù)罩采用動(dòng)感曲面造型；用鮮艷的顏色調(diào)和動(dòng)力部分位置過(guò)高造成的視覺(jué)不穩(wěn)的感覺(jué)；V狀扶手的開(kāi)放結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了空靈感，用黑色渲染纖細(xì)的手把，既輕巧靈活，又有安全穩(wěn)定感，如圖4[19]所示。

圖4　某品牌微耕機(jī)的形態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了視覺(jué)上的輕巧安全感

4.4色彩安全設(shè)計(jì)

色彩在機(jī)具安全設(shè)計(jì)中與形態(tài)同等重要，其安全設(shè)計(jì)需要考慮：

1)微耕機(jī)屬于小型機(jī)械，一般選用一種主色，搭配輔色。顏色過(guò)多容易視覺(jué)疲勞，尤其是純度較高、明度較強(qiáng)時(shí)對(duì)操作者的刺激更大。一般情況下，暖色調(diào)比冷色調(diào)容易使人疲勞。

2)微耕機(jī)主色結(jié)合季節(jié)、地域、人群偏好進(jìn)行選擇。例如，炎熱時(shí)節(jié)和地區(qū)使用，宜用冷色調(diào)，降低視覺(jué)溫度；初春、秋末兩季在寒冷地區(qū)使用，宜偏暖色調(diào)；露天使用，宜用冷色，室內(nèi)使用，宜用暖色；夏季水田使用，宜用暖色調(diào)，旱田使用，宜用冷色調(diào)[20]。

3)適當(dāng)?shù)拇钆渖袕?qiáng)化機(jī)具操作安全的作用。例如，對(duì)容易發(fā)生危險(xiǎn)和需要警示的部位，使用鮮艷的黃色、紅色或橙色，并與主色形成對(duì)比。

4.5標(biāo)識(shí)安全設(shè)計(jì)

盡管裝設(shè)防護(hù)裝置、優(yōu)化操作裝置及適當(dāng)?shù)男螒B(tài)和色彩設(shè)計(jì)，可以基本滿(mǎn)足安全要求，但仍可能存在遺留風(fēng)險(xiǎn)[21]。因此，在適當(dāng)位置標(biāo)注標(biāo)識(shí)是非常必要的安全設(shè)計(jì)內(nèi)容，警告操作者和其他人員存在的有關(guān)遺留風(fēng)險(xiǎn)，指導(dǎo)和警示操作者的安全行為。微耕機(jī)機(jī)體小巧，有些部件又屬于危險(xiǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)，不容易被操作者察覺(jué)，更需要標(biāo)識(shí)提示和引導(dǎo)操作。

農(nóng)機(jī)產(chǎn)品多采用兩帶式安全標(biāo)識(shí)，由符號(hào)和文字、圖形和文字或兩個(gè)圖形組成安全標(biāo)識(shí)，有注意、警告、危險(xiǎn)3種等級(jí)的危險(xiǎn)程度標(biāo)識(shí)詞。安全標(biāo)識(shí)的作用是[21]：①提醒人們存在危險(xiǎn)或有潛在危險(xiǎn);②指示危險(xiǎn);③描述危險(xiǎn)的性質(zhì);④解釋危險(xiǎn)可能造成潛在傷害的后果;⑤指示人們?nèi)绾伪苊馕ｋU(xiǎn)。

微耕機(jī)的標(biāo)識(shí)必須符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[21]中使用的安全標(biāo)識(shí)和危險(xiǎn)圖形的指導(dǎo)原則，并遵守以下設(shè)計(jì)原則：

1)機(jī)具操作部位和危險(xiǎn)部位均應(yīng)設(shè)置說(shuō)明標(biāo)識(shí)或警示標(biāo)識(shí)。例如，檢查發(fā)動(dòng)機(jī)、更換或清理刀具等情境需要有安全提示，在部件容易被注意到的位置以標(biāo)識(shí)提示。

2)標(biāo)識(shí)的大小、圖形、顏色、字體、位置必須醒目、容易理解和識(shí)別，起到標(biāo)識(shí)應(yīng)有的作用，減小風(fēng)險(xiǎn)。

4.6材料安全設(shè)計(jì)

材料的正確選用在機(jī)具安全設(shè)計(jì)中不容忽視。使用不同的材料直接影響機(jī)具的產(chǎn)品價(jià)值和使用壽命，也會(huì)因使用材料不當(dāng)形成安全隱患，給操作者帶來(lái)傷害。由于材料變化引起的隱患和事故主要有材料失效、疲勞、沖擊和磨損[22]。微耕機(jī)安全設(shè)計(jì)中材料的規(guī)劃和選用應(yīng)該高度重視，最大限度發(fā)揮材料的功能和優(yōu)勢(shì)[23]。材料的安全設(shè)計(jì)思路如下:

1)材料規(guī)劃在設(shè)計(jì)開(kāi)始就要出現(xiàn)在設(shè)計(jì)師的視野。從微耕機(jī)功能需求出發(fā)，結(jié)合材料的固有特性、工藝特性和美學(xué)特性選用合適的材料;

2)判明哪些零部件的壽命應(yīng)是無(wú)限的，哪些是有限的，保證選用的材料在使用壽命期間不失效;

3)從語(yǔ)義學(xué)角度考慮材料帶給操作者的使用感受，尤其是與操作者視覺(jué)、觸覺(jué)的情感傳遞，如與人肌膚接觸的部件材料應(yīng)該相對(duì)溫和、柔軟。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)決定了產(chǎn)品的先天和內(nèi)在質(zhì)量，設(shè)計(jì)缺陷的預(yù)防和控制能夠提升產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量[24]。對(duì)微耕機(jī)的設(shè)計(jì)缺陷分析，指明了微耕機(jī)的安全設(shè)計(jì)方向。

5結(jié)論

結(jié)合設(shè)計(jì)心理學(xué)、人因工程學(xué)和交互設(shè)計(jì)等學(xué)科理論，對(duì)微耕機(jī)作業(yè)事故中的人、機(jī)具和環(huán)境因素進(jìn)行分析，指出機(jī)具設(shè)計(jì)缺陷是微耕機(jī)作業(yè)事故的最重要因素。與事故相關(guān)的人因素主要表現(xiàn)為人的失誤，機(jī)具因素主要是機(jī)具設(shè)計(jì)缺陷，不良的環(huán)境因素也是事故隱患。人、機(jī)具、環(huán)境三方面因素彼此交織、互相影響。操作者的群體特征不易改變，作業(yè)環(huán)境無(wú)法選擇，因此要解決人、機(jī)具和環(huán)境存在的安全隱患，盡可能防范事故發(fā)生，必須實(shí)現(xiàn)機(jī)具的安全設(shè)計(jì)，適應(yīng)人的生理、心理局限性，彌補(bǔ)環(huán)境的不良條件。同時(shí)，進(jìn)一步討論了微耕機(jī)防護(hù)裝置、操作裝置、形態(tài)、色彩和標(biāo)識(shí)的安全設(shè)計(jì)以及材料選用原則。

應(yīng)用工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)科理論研究微耕機(jī)作業(yè)事故，分析事故與機(jī)具設(shè)計(jì)缺陷的關(guān)聯(lián)性，對(duì)于從根本上消除事故隱患非常重要，也將是研究農(nóng)機(jī)事故、解決農(nóng)機(jī)安全問(wèn)題的新思路。

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Study on the Correlation between Mini Tiller Accidents and Design Defects

Zhao Qiming1, Zhang Yunwen2, Lu Yuan2, Zhang Benyuan1, Pei Jinling1, Zhang Zhuahu1, Du Chan1

(1.Shanxi Academy of Agricultural Mechanization, Taiyuan 030031, China; 2.College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

Abstract：In recent years, mini tiller accidents occurred occasionally and caused heavy casualties and severe economic losses in China. In view of design psychology, ergonomics and interaction design theory, we analyzed human factor, machine factor and environment factor associated with mini tiller accidents, and pointed out that the machine design defect was the most important reason in connection with the accidents. In order to ensure mini tiller’s operation safety, we must optimize the machine design to meet the operator’s requirement and adopt the environment. That is, the safety design of the machine is the most effective method to reduce the number of accidents. We further discussed the relevance of the safety device, operating device, component shape, colour, signs and part material to accidents, and concluded the security design principles. It is a very good start that applying industrial design theory to study mini tiller accidents, and could help solve farm machinery safety issues fundamentally.

Key words：mini tiller; agricultural machinery accident; design defect; safety design; industrial design

文章編號(hào)：1003-188X(2016)07-0255-08

中圖分類(lèi)號(hào)：S222.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：趙啟明(1965-)，男，山西稷山人，高級(jí)工程師，(E-mail)zqmnjy@163.com。通訊作者：張?jiān)莆?1967-)，女，山西代縣人，副教授，碩士，(E-mail)cloudwyb@163.com。

基金項(xiàng)目：山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013011025-4)

收稿日期：2015-06-15