Методика гармонизации системы «оператор-машина-среда» на основе антропометрического анализа

ручные и ножные органы управления , визуально контролировать ход работ .

При всей новизне используемых технологий управления , контроля и автоматизации техники , операторы испытывают длительные нагрузки , вызванные нерациональной рабочей позой , неудобной компоновкой рабочего места , неудовлетворительной обзорностью .

В течении смены оператор производит более 1500....2155 манипуляций ручными и 100...180 ножными органами управлениями , в условиях положения сидя [3].

Большие усилия на органах управления, в особенности на ножных органах управления, плохая досягаемость и неправильная организация рабочего места оператора,    приводит к большим перенапряжением и расходованию энергии и как следствие потерю концентрации, усталость, нарушение технологического процесса, создание аварийных ситуаций, травмированию.

Рассматривая составляющие системы «оператор- машина-среда», можно отметить одну из причин нерациональной организации рабочего места-неприспособленность органов управления и параметров рабочего места к физиологическим особенностям человека, в частности к антропометрическим [1].

Для проведения антропометрического анализа была выбрана мобильная колесная машина – фронтальный погрузчик , как наиболее характерная по количеству операций и сложности их исполнения

В качестве анализируемого образца был выбран фронтального погрузчика ТО -1835-01-00, выпускаемый ОПК « Дормаш » г . Орел .

В ходе технологических операций, оператор фронтального погрузчика используется наряду с ручными органами, ножные органы управления – педали (тормоза, подачи топлива в двигатель), управление которыми с позиции визуального контроля затруднено[4].

Ножные органы управления предназначены для операций управления машиной типа « включение – выключение » и регулирование скорости движения , основных параметров влияющих на фактор риска столкновения и возникновения аварии .

Усилие , развиваемое ногой большее по сравнению с руками , поэтому зачастую и усилие нажатия педали несравнимо выше усилия на ручных органах управления . Это объясняется тем , что тип управления и усилие на педали определяется конструктивным решением и способом движения ноги .

Оператор работает сидя , в силу этого антропометрические размеры тела должны учитываться при размещении ножных органов управления .

Для комфортного положения оператора при нормальной посадке ноги должны располагаться в оптимальной для управления зоне ( рис . 1) [1].

С точки зрения физиологии человека , педали должны располагаться так , чтобы , угол в голеностопном суставе находился в пределах 90 – 100 градусов , а в коленном суставе - 110 – 120 градусов [2], рисунок 2.

На процесс выжима влияет положение точки О , ось установки педали О ₁, антропометрические размеры ноги оператора .

Рисунок 1 – Оптимальные размеры зоны для ног при нормальной посадке

Рисунок 2 – Нормальное положение ноги, соответствующее физиологическим требованиям

Управление ножными органами можно рассматривать как колебательное движение в бедренном суставе с некоторым углом , и в свою очередь педаль так же совершает колебательное движение [4].

Рассмотрим частный случай , когда при работе бедро оператора располагается под прямым углом к вертикали , рисунок 3.

l – расстояние от точки подвеса педали до спинки сиденья; l _б – длина бедра; l _г – длина голени; а – проекция педали; β - угол между бедром и голенью Рисунок 3 – Параметры установки подвесной педали

Тогда рассмотрим следующие геометрические равенства .

l = lб +1г • sin(e-90) + a,

где l – расстояние от точки подвеса педали до спинки сиденья ;

• l _б – длина бедра ;

• l _г – длина голени ;

• а – проекция педали ;

• β - угол между бедром и голенью .

Так как а – const, и определяется техническими параметрами машины , то можно вычислить а = V1ПЕД - b               (2)

Тогда расстояние установки от точки подвеса педали до спинки сиденья находим по формуле :

l = l б + 1 г " sin в + а          (3)

Принимая известные значения антропометрических параметров длин бедер и голени и находя значение а проекции педали , которое является неизменной величиной ( таблица 1), строим графики зависимости расстояния l до педали от антропометрических размеров ног операторов разного роста , при угле в коленном суставе от 110 – 120 градусов , рисунки 4 – 6.

Таблица 1 – Антропометрические размеры ног операторов фронтальных погрузчиков

Рост машиниста	Длина голени l г	Длина бедра l б	Расчетное расстояние l до педали
Низкий	450 мм	360 мм	832.3 мм
Средний	480 мм	460 мм	947.3 мм
Высокий	520 мм	520 мм	1047.3 мм

Рисунок 4 – Зависимость расстояния от спинки сиденья до места установки педали от антропометрических параметров ног для операторов различных ростов, при нормированном угле в коленном суставе 120 градусов

При максимально допустимом угле в коленном суставе 120 градусов расстояние установки сиденья от органов управления находится в пределах от 832 до 1047 мм .

При максимально допустимом угле в коленном суставе 115 градусов расстояние установки сиденья от органов управления находится в пределах от 749 до 1007 мм .

При максимально допустимом угле в коленном суставе 110 градусов расстояние установки сиденья от органов управления находится в пределах от 761 до 965 мм . Полученные графические зависимости места установки педали в зависимости от антропометрических показателей ног оператора погрузчика позволяют расположить педали в кабине оператора в оптимальных зонах .

Рисунок 5 – Зависимость расстояния от спинки сиденья до места установки педали от антропометрических параметров ног, для операторов различных ростов, при нормированном угле в коленном суставе 115 градусов

Измеренное расстояние в кабине фронтального погрузчика от точки SIP до оси установки педали изменяется от 665 - 845 мм , в зависимости от регулировки сиденья . Измеренный диапазон соответствует антропометрическим показателям операторов низкого роста , таблица 1.

Рисунок 6 – Зависимость расстояния от спинки сиденья до места установки педали от антропометрических параметров ног для операторов различных ростов, при нормированном угле в коленном суставе 110 градусов

Зная значения расстояний до установки педали и антропометрические размеры голени и бедра , определяем угол сгиба коленного сустава по формуле :

1 — к в = 90 + arcsin(---р

^^^^^в

a ₎

Зависимость антропометрических размеров операторов и расстояния до оси установки педали от угла в коленном суставе, показана на рисунке 7.

Коэффициент соответствия угла рабочего положения ноги оператора, рекомендуемого физиологическими параметрами, имеет следующий вид:

в в н ,

К у

где β – угол в колене оператора при работе ;

β_н – нормированный угол в колене ;

Рисунок 7 – Изменение угла β в коленном суставе от расстояния l до оси подвеса педали для операторов различных ростов: βВ- высокого роста, βС – среднего роста, βН – низкого роста

При 1> К _у >0 расстояние до педали не соответствует нормальному положению ноги . При К _у =1 расстояние до педали соответствует нормальному положению ноги . Распределение оценочного коэффициента для установки подвесной и напольной педали представлено на рисунке 8.

Рисунок 8 – Распределение оценочного коэффициента

Кроме подвесной педали на погрузчиках используются напольные педали ( регулировка подачи топлива ), оптимальный гол установки которой , исходя из физиологических требований , ( рисунок 9) можно определить по формуле :

h a = (90 + arccos—) - у          (6)

где α – угол в голеностопном суставе ;

• γ – угол установки напольной педали , имеет конструктивное значение ;

• β – угол в коленном суставе ;

• h – высота от пола кабины до подушки сиденья ;

• l _г – длина голени .

Рисунок 9 – Параметры для установки напольной педали

Полученные графические зависимости угла в коленном суставе и расстояния до точки подвеса педали показывают , что показатели при установке в основном удовлетворяют операторам низкого , и среднего роста .

Для операторов среднего роста угол составляет от 89 до 116 градусов , что входит в нормируемые пределы .

Операторы низкого и высокого роста работают в основном в положениях с углом , в коленном суставе выходящим за нормируемые пределы и , следовательно , работают в неудобной позе .

Параметры рабочего места должны иметь возможность регулироваться так , что бы адаптироваться к требованиям операторов разного роста ( низкого , среднего и высокого ), что обосновывается различиями в параметрах верхних и нижних конечностей .

Подставляя значения антропометрических показателей конкретного оператора и соответствующие нормированные значения углов можно определить положение установки педели , в таком месте , чтобы её рабочий ход не выходил из оптимальной зоны . Решая обратную задачу можно зная значения расстояний до установки педали и антропометрические размеры голени и бедра определить угол сгиба коленного сустава .

Полученный вид анализа в своей сути опирается на физические параметры оператора , антропометрические размеры конечностей и приспособленности рабочего места к размерам различных длин конечностей .

ОрелГАУ