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修井機(jī)司鉆工操縱舒適性評價

2020-07-22 06:27屈文濤徐劍波方文君
機(jī)械設(shè)計與制造 2020年7期
關(guān)鍵詞:舒適性肌群活動度

屈文濤,張 鳳,徐劍波,2,方文君

(1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,陜西 西安 710065;2.西北工業(yè)大學(xué)陜西省工業(yè)設(shè)計工程實(shí)驗室,陜西 西安 710072;3.中國石化勝利油田有限公司樁西采油廠,山東 東營 257237)

1 引言

肌肉是人體運(yùn)動的源動力,肌肉疲勞是不舒適感產(chǎn)生的根本原因,直接影響作業(yè)人員的工作狀態(tài)和身體健康,對作業(yè)的可靠性、安全性和高效性都有一定程度的影響。研究表明,長時間、超負(fù)荷作業(yè),人體的腰背部肌肉疲勞長期慢性累積,極易引發(fā)骨肌疾病和不安全事故[1-3]。近年來,隨著生物力學(xué)和計算機(jī)仿真技術(shù)的迅速發(fā)展和普及,國內(nèi)外很多學(xué)者開始研究與人體舒適性密切相關(guān)的肌肉負(fù)荷。文獻(xiàn)[4]基于肌電信號定量分析了駕駛員的疲勞程度,研究了下肢不舒適度與肌肉力之間的關(guān)系;文獻(xiàn)[5]基于生物力學(xué)仿真軟件AMS,研究了不同鞍座位置對人體肌肉疲勞程度的影響;文獻(xiàn)[6]提出了一種基于駕駛員上肢主要肌肉的肌肉力的轉(zhuǎn)向操縱舒適性評價方法;文獻(xiàn)[7]提出了一種基于肌肉表面肌電信號的上肢姿勢不舒適性評價方法。隨著石油行業(yè)現(xiàn)場作業(yè)HSE 管理體系的完善,人機(jī)工程學(xué)得到了廣泛的應(yīng)用,已有學(xué)者從主觀感受、關(guān)節(jié)角度以及外界環(huán)境出發(fā),對修井機(jī)進(jìn)行了人機(jī)工效評價和人機(jī)界面的優(yōu)化設(shè)計[8-9],缺乏對操縱作業(yè)舒適性的研究,不利于我們從深層次了解人體舒適與疲勞乃至損傷的原因。

鑒于此,根據(jù)人機(jī)工程學(xué)知識和修井機(jī)司鉆作業(yè)特點(diǎn),以XJ70 修井機(jī)為例,在生物力學(xué)分析軟件AMS 中建立了典型百分位的中國成年男子人體坐姿數(shù)字模型,導(dǎo)入剎把及座椅模型,對剎把操縱作業(yè)進(jìn)行逆向動力學(xué)仿真分析;以相關(guān)肌群的肌肉活動度為評價指標(biāo),研究座椅參數(shù)對剎把操縱作業(yè)過程中各肌群影響規(guī)律及其映射關(guān)系,并建立了基于肌肉負(fù)荷的操縱舒適性評價模型,可定量評價不同姿勢下的操縱舒適性,為選擇合理的坐姿姿勢及座椅可調(diào)范圍的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

2 肌肉負(fù)荷仿真模型

2.1 人體骨骼肌肉模型

在建立的人體骨骼肌肉模型的基礎(chǔ)上,輸入運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù),通過逆向動力學(xué)仿真可以得到人體的肌肉負(fù)荷。而典型的骨骼肌肉模型普遍存在肌肉冗余問題(即可用肌肉的數(shù)量多于需要驅(qū)動的關(guān)節(jié)數(shù)量),為了解決該問題,根據(jù)最優(yōu)化原則構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)[10]:

式中:fi—第i塊肌肉的肌肉力,單位—第i塊肌肉的最大肌肉力,單位N;n—肌肉數(shù)目。根據(jù)Hill 三元素肌肉模型,結(jié)合多項式標(biāo)準(zhǔn),將次數(shù)p的值取為3[11]。

2.2 仿真模型構(gòu)建及參數(shù)設(shè)置

隨著油田修井作業(yè)自動化程度的提高,坐姿因其安全、舒適、便捷、不易引起疲勞、適合精細(xì)作業(yè)等優(yōu)點(diǎn),已成為修井機(jī)司鉆作業(yè)的主要作業(yè)姿勢。而調(diào)研發(fā)現(xiàn),司鉆作業(yè)存在的主要問題是:作業(yè)環(huán)境惡劣與勞動強(qiáng)度大,導(dǎo)致修井機(jī)司鉆工大多為男性,沒有明顯的年齡區(qū)域;而基于坐姿的司鉆作業(yè)由于作業(yè)時間長、空間狹小、環(huán)境簡陋等問題,極易引發(fā)作業(yè)疲勞;其中,剎把操縱作業(yè)具有負(fù)荷大、頻率高、長時間重復(fù)性等特點(diǎn)。因此,建立了修井機(jī)剎把操縱作業(yè)的人機(jī)交互仿真模型。

依據(jù)國標(biāo)GB10000-1988 中提供的(18~60)歲成年男子的主要人體尺寸,在生物力學(xué)仿真軟件AMS 中分別建立P5、P50、P95 百分位的成年男子的坐姿數(shù)字模型,如圖1 所示。具體數(shù)據(jù)如表1 所示。

圖1 典型百分位的成年男子坐姿模型Fig.1 The Typical Percentile Adult Males Sitting Model

表1 主要人體尺寸Tab.1 The Main Body Size

以XJ70 修井機(jī)為例,導(dǎo)入了剎把模型及座椅模型。參考案例中修井機(jī)司鉆工的運(yùn)動學(xué)參數(shù)定義如下:直立靠背(0°傾角),軀干和大腿夾角105°,大腿和小腿的角度是135°小腿與右腳的角度是110°;動力學(xué)相關(guān)尺寸參數(shù)通過對司鉆工關(guān)節(jié)施加合理的約束、設(shè)置合理的邊界條件得到,具體數(shù)據(jù),如表2 所示。最終得到可使司鉆工右手握住剎把、坐姿隨坐高和靠背傾角參數(shù)而變化的修井機(jī)司鉆工剎把操縱作業(yè)的初始狀態(tài)模型,如圖2 所示。全局坐標(biāo)系原點(diǎn)位于乘坐參考點(diǎn)處。

表2 約束及邊界條件Tab.2 Constraints and Boundary Conditions

圖2 剎把操縱作業(yè)初始狀態(tài)模型/mmFig.2 The Initial State Model of Brake Handle Operation/mm

3 逆向動力學(xué)仿真分析

3.1 仿真實(shí)驗方案

主要研究典型百分位人體剎把操縱作業(yè)過程中的肌肉負(fù)荷以及坐高和靠背傾角2 個座椅參數(shù)對人體肌肉負(fù)荷的影響。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)知識和修井機(jī)司鉆作業(yè)特點(diǎn),仿真實(shí)驗的主要參數(shù)設(shè)置如下:剎把操縱至極限位置的時間為0.8s,坐高的變化范圍為(350~550)mm,靠背傾角的變化范圍為(-25~5)°,步長均取10。

3.2 肌肉劃群處理

由生物力學(xué)可知,人體骨骼肌肉系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)人體各項功能的基礎(chǔ)[12],但是對每一塊肌肉都研究不太現(xiàn)實(shí),因此依據(jù)人體部位劃分原則對司鉆工進(jìn)行肌肉劃群,進(jìn)而研究肌肉負(fù)荷。肌肉劃群,如圖3 所示。左/右肢(Left/Right limbs)肌群包括肩部、上臂、前臂以及手部的肌群,軀干(Trunk)肌群包括頸部、胸背部、腰腹部以及骨盆處的肌群,左/右腿(Left/Right Legs)肌群包括大腿、小腿以及足部肌群。對于每一個肌群,計算相關(guān)肌群的平均肌肉活動度作為該肌群肌肉活動度的負(fù)荷指標(biāo)。

圖3 修井機(jī)司鉆工全身肌肉劃群示意圖Fig.3 The Whole Body Muscle Group Diagram of Workover Rig Driller

3.3 評價指標(biāo)

人體多個肌肉的協(xié)同作用使人們較省力的完成動作。研究表明,隨著肌肉負(fù)荷的增加,不舒適感越發(fā)明顯,增加了發(fā)生肌肉疲勞損傷風(fēng)險和不安全事故的可能性,進(jìn)而影響操縱者的身體健康和安全作業(yè)[13]。因此,選擇肌肉活動度為評價指標(biāo),其結(jié)果是一個歸一化參數(shù),優(yōu)勢是不用考慮不同肌肉之間發(fā)力能力的差異性及肌肉間的協(xié)同作用、反映了肌肉的自主收縮程度、可直觀判斷肌肉疲勞程度,較低的肌肉活動度可視作減少不舒適感。肌肉活動度的表達(dá)式為:

式中:Ai—第i塊肌肉的肌肉活動度;Fi—第i塊肌肉的當(dāng)前肌肉力;Fimax—第i塊肌肉的最大肌肉力,其值大小取決于肌肉的生理橫截面積和最大肌應(yīng)力的乘積。

式(2)為肌肉在剎把操縱過程中某一時刻的肌肉活動度,因此要判斷在一個完整的剎把操縱作業(yè)過程中的肌肉負(fù)荷,需要考慮時間因素,引入肌肉舒適度函數(shù)為:

式中:Di—第i塊肌肉在剎把操縱作業(yè)過程中的舒適性;t—剎把操縱時間。

3.4 舒適性評價模型

依照所劃分肌群的肌肉舒適度作為操縱舒適性的評價標(biāo)準(zhǔn),在確定各部位肌群肌肉舒適度與座椅參數(shù)映射關(guān)系的基礎(chǔ)上,計算每個部位肌群肌肉舒適度對整體舒適度的貢獻(xiàn)率,通過加權(quán)疊加即可得到操縱舒適性評價模型,具體的流程,如圖4 所示。

圖4 操縱舒適性評價模型流程圖Fig.4 The Flow Diagram of Handling Comfort Evaluation Model

4 司鉆工肌肉負(fù)荷分布

4.1 參考案例

以下給出了修井機(jī)司鉆工剎把操縱作業(yè)初始狀態(tài)下的逆向動力學(xué)仿真結(jié)果,如圖5 所示。各部位肌群的肌肉活動度隨時間的變化曲線,由圖可知,典型百分位司鉆工各肌群的肌肉活動度變化規(guī)律一致:隨著作業(yè)時間的增加,軀干和右肢肌肉活動度呈顯著上升趨勢;左肢和左腿的肌肉活動度值相接近且均隨時間而增加;右腿肌肉活動度隨時間的增加逐漸降低;其中,軀干肌肉活動度的值最大,右肢肌肉活動度的值次之;該變化規(guī)律基本與實(shí)際工況符合,因為坐姿作業(yè)過程中,軀干是主要的支撐部位,而右肢是主要的發(fā)力部位。因此,選擇第50 百分位的人體模型,進(jìn)行深入的研究。

圖5 典型百分位下司鉆工各部位肌群的肌肉活動度Fig.5 Muscle Activity of the Driller Various Parts Under Typical Percentile

4.2 坐高的影響

如前所述,在XJ70 修井機(jī)初始布置環(huán)境下,座椅高度的變化范圍為(350~550)mm,步長取10,可分別獲得10 組數(shù)據(jù)。通過仿真分析可得剎把操縱作業(yè)過程中坐高參數(shù)單一變化對人體肌肉群的肌肉活動度影響,結(jié)果,如圖6 所示。

圖6 坐高對司鉆工各部位肌群的肌肉活動度影響Fig.6 Influence of Seat Height on Muscle Activity of Various Parts of Drillers

由分析結(jié)果可知,肌肉活動度較大的軀干肌群和右肢肌群對坐高參數(shù)的變化較為敏感,隨著坐高參數(shù)的增加,肌肉活動度有明顯的下降趨勢,在450mm 左右時最為顯著,剎把操縱作業(yè)過程中其肌肉活動度值分別為0.255 和0.094;而左肢、右腿以及左腿肌群的肌肉活動度隨坐高參數(shù)的變化,幾乎沒有變化,其肌肉活動度值分別為0.03、0.061 和0.061??梢?,調(diào)整坐高參數(shù)對降低司鉆工肌群的肌肉負(fù)荷、延緩或降低肌肉疲勞、增加作業(yè)舒適性等具有重要的意義。

4.3 靠背傾角的影響

在上述研究的基礎(chǔ)上,確定坐高參數(shù)為450mm,設(shè)置座椅靠背傾角參數(shù)的變化范圍為(-25~5)°,步長取10,可分別獲得10組數(shù)據(jù)。仿真分析可得剎把操縱作業(yè)過程中,單一變量靠背傾角對人體肌肉負(fù)荷的影響,如圖7 所示。

圖7 靠背傾角對司鉆工各部位肌群的肌肉活動度影響Fig.7 Influence of Backrest Angle on Muscle Activity of Various Parts of Drillers

由圖7 可知,各肌群對座椅靠背傾角參數(shù)變化的響應(yīng)更為顯著且差異鮮明。剎把操縱作業(yè)過程中,隨著靠背傾角參數(shù)的變化,軀干肌肉活動度呈先減小后增加的趨勢,此過程中其肌肉活動度值最大,為0.300;右肢肌肉活動度隨著靠背傾角參數(shù)的變化先顯著增加、后趨于穩(wěn)定,作業(yè)過程中其肌肉活動度值次之、為0.113;左肢和左腿肌肉活動度對靠背傾角參數(shù)變化的響應(yīng)基本一致,均呈顯著下降的趨勢,且作業(yè)過程中的肌肉活動度值均非常小,為0.005;而右腿肌群幾乎沒有變化,其肌肉活動度值也很小,僅有0.008。

4.4 坐高和靠背傾角的綜合分析

綜上,坐高越高,肌肉活動度越低,那么肌肉負(fù)荷越小,則操縱越舒適;而過大的靠背傾角會使司鉆工承受較大的肌肉負(fù)荷,易引起肌肉疲勞,進(jìn)而影響操縱舒適性。只有同時調(diào)整坐高和靠背傾角至合適的位置、提供舒適的坐姿作業(yè),才能使修井機(jī)司鉆工高效、舒適的完成剎把操縱作業(yè)。以下為自變量靠背傾角x和坐高y參數(shù)分別?。?50~550)mm、(-25~5)°,步長均為8 時,在AMS 軟件中進(jìn)行100 次參數(shù)化仿真分析所得的司鉆工各部位肌群的肌肉活動度(因變量)隨座椅參數(shù)變化的聯(lián)合分布,如圖10 所示。其中,坐高的初始參數(shù)為450mm,對應(yīng)圖中的0.00mm;550mm 對應(yīng)0.10mm;350mm 對應(yīng)-0.10mm;靠背傾角的初始參數(shù)為0°,正負(fù)表示傾斜的方向,向后為負(fù),向前為正。

圖8 各部位肌群的肌肉活動度隨坐高、靠背傾角變化的聯(lián)合分布Fig.8 The Joint Distribution of Muscle Activity of Various Parts Muscle Group with the Changes of Seat Height and Backrest Angle

由圖可以看出,剎把操縱作業(yè)過程中,左肢、左腿、右腿等肌群的肌肉活動度對靠背傾角變化較為敏感,隨著靠背向后傾斜角度的增加,肌肉活動度有明顯的增加趨勢;而軀干、右肢肌群受坐高的影響更大,其肌肉活動度均隨坐高的增加而減小??梢姡瑔蝹€部位肌群的研究無法作為評價操縱舒適性的依據(jù)。因此,將各肌群進(jìn)行綜合分析,對其進(jìn)行相關(guān)性分析和加權(quán)疊加,從而得到座椅參數(shù)與操縱舒適性的映射關(guān)系和響應(yīng)曲面,如式(4)和圖9 所示。

D=0.001x2+0.532y2-0.005xy-0.001x-0.035y+0.025 (4)

以坐高和靠背傾角均為0 作為參考原點(diǎn),當(dāng)坐高在[0,0.1]范圍時,隨著靠背傾角由前向后角度的增大,司鉆工剎把操縱作業(yè)過程中的整體肌肉負(fù)荷顯著增加,最大值為0.038,不舒適感越強(qiáng)烈;當(dāng)坐高在[-0.1,0]范圍時,司鉆工肌肉負(fù)荷隨著靠背后傾角度的增加而減??;靠背前傾時,司鉆工肌肉負(fù)荷隨坐高的增加呈先減小后增加的趨勢,最小值約為0.022,出現(xiàn)在坐高0.06(即330mm)、靠背傾角5°附近;靠背后傾角度越大時,坐高越低越有利于降低司鉆工肌肉負(fù)荷,即操縱越舒適。

圖9 座椅參數(shù)-整體舒適性響應(yīng)曲面Fig.9 Seat Parameters-Overall Comfort Response Surface

5 結(jié)論

以XJ70 修井機(jī)為例,建立了修井機(jī)剎把操縱作業(yè)的生物力學(xué)仿真模型,分別研究了典型百分位司鉆工和座椅參數(shù)對各部位肌群肌肉負(fù)荷的影響,結(jié)果表明:

(1)以肌肉活動度為評價指標(biāo),肌肉活動度大,表明肌肉負(fù)荷越大,司鉆工產(chǎn)生不舒適感的幾率增加;P5、P50、P95 百分位司鉆工剎把操縱作業(yè)過程中各部位肌群的肌肉負(fù)荷變化趨勢一致,其中,軀干和右肢肌群的肌肉負(fù)荷較大;

(2)坐高參數(shù)的變化對肌肉負(fù)荷較大的軀干和右肢肌群的影響最為顯著,且坐高在450mm 附近時,肌肉負(fù)荷顯著降低;而各部位肌群對靠背傾角參數(shù)的響應(yīng)均比較顯著,且存在顯著的差異;

(3)初步得到了座椅參數(shù)對司鉆工肌肉負(fù)荷的影響規(guī)律,建立了基于此規(guī)律評價操縱舒適性的數(shù)學(xué)模型,從降低肌肉負(fù)荷的角度指導(dǎo)司鉆工對座椅參數(shù)進(jìn)行合理的調(diào)節(jié);對于P50 百分位的司鉆工,在剎把操縱作業(yè)過程中,建議前傾5°左右,并將坐高調(diào)至330mm 附近。

研究結(jié)果為座椅調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)定、作業(yè)姿勢優(yōu)化提供了理論依據(jù),對保護(hù)修井機(jī)司鉆工的身體健康、延緩疲勞、避免安全事故等具有重要的意義。

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