人機工程學在農用防護防護中的應用

1提高正確的科學設計機械工程學是一門跨學科的學科，其研究的核心問題是不同崗位上人員、機器和環境之間的協調。研究方法和評估方法包括心理學、生物學、醫學、人類測量、美學、工程科學等領域的信息。研究方向通過解釋人機環境之間的相互關系規律，確保人機環境系統的整體性能最大化，研究的目標是通過應用不同學科的知識來指導工作方法和環境的設計和改造，提高工作效率、安全、健康和舒適。頭盔是武警部隊使用最廣泛的單兵防護用具,在處理突發事件、反恐任務中發揮著重要功效,有力的保障了武警官兵的生命安全。警用頭盔的設計應通過揭示人、武器、環境的相互關系的規律,以達到確保人—武器—環境系統總體性能的最優化。遵循“以人為本”的設計觀,警用頭盔的設計不僅要具有很好的安全性,能夠起到防暴、防彈的效果,更要具有較高的宜人性、舒適性,符合人機工程學的要求。武警部隊現裝備的頭盔主要分為兩大類,一類是防暴頭盔,用以抵御石塊、棍棒的打擊和化學腐蝕劑等的襲擊,主要有98-1型防暴頭盔和948型PC防暴頭盔,另一類是防彈頭盔,用以抵御槍彈、彈片對頭部的殺傷力,主要有WJM-00-01防彈面罩,GK80防彈頭盔,996復合式防彈頭盔,FK2000-4型防彈頭盔,QGG02軍用防彈頭盔和UD66型防彈頭盔。2人機工程學要求的高情感特性人機工程學的設計理念是以人為本,隨著高科技的應用和高技術產品的發展,人們逐漸認識到高情感(hightouch)產品的重要性,產品不僅要求高質量,高精度,高科技含量,更要求高情感特性。這包括:符合人的生理需要和心理需要,具有很高的宜人性、舒適性、安全性。符合人機工程學的要求;使用方便,操作性好,不易疲勞,產品設計安全,為用戶著想,考慮到每個細微的環節,盡可能達到操作者的要求,貼近人的感覺,甚至只要輕輕地觸摸到它,它就會自然地為人們工作。但由于警用頭盔使用環境的特殊性,要求其在具有一定舒適性、宜人性的同時,又要求有很高的安全性,因此在設計制造警用頭盔時,主要考慮如何在提高安全性的前提下,使其具有一定的舒適性和宜人性。2.1柔性內徑懸掛系統警用頭盔雖在外形、尺寸和附件上有所不同,但其基本結構是一致的。頭盔呈近似的半球形狀,一般由盔殼、柔性內襯、系帶三部分組成,有的防暴頭盔還包括透明面罩和頸部防護披風。盔殼由堅固耐沖擊的材料制成,用以抵抗投射物的打擊和貫穿。盔殼材料的強度越高,厚度越大,抗穿透能力越強,但其質量也越大。盔體的外形和尺寸有很嚴的要求,它必須與人的頭型相符。在設計警用頭盔時需注意頭盔的質量不能太大,一般來說,人的頭部負重1.5kg,在1~2h內不會有何不適,但如果超過這個質量,就會產生頭部不適,頸部疼痛、目眩等反應,從而降低士兵戰斗力。因此,從人的頭部所能承受的生理負荷來看,在達到一定防護等級的基礎上,應當盡力減小頭盔質量。柔性內襯由帆布或尼龍布編織而成,懸于盔體內,并襯以泡沫塑料或泡沫橡膠之類,用來分散和吸收投射物的沖擊動能。由于頭部通風散熱和承受沖擊后頭盔變形的需要,要求柔性內襯和盔體之間要有1~2.5cm的間隔。隨著科技的發展,柔性內襯將會朝著柔性懸掛系統的方向發展,其舒適性和便利性將得到較大的提高。系帶用來把頭盔系緊在頭部,其要求是固定可靠、系解方便。系帶與內襯相聯,繞于下頜。系緊和松開系帶的方法很多,可用金屬扣、尼龍搭扣或長鎖裝置。透明面罩要求能有效抵抗對面部的攻擊,呈半圓拱形狀,一般由聚碳酸酯或聚碳酸酯和聚對苯二甲酸乙二醇酯混合制成,有一定的厚度和較好的透明性,鑲嵌在頭盔的前邊緣上。個別透明面罩與面部之間的空隙較大,可戴防毒面具,面罩與頭盔之間用化學性能穩定的熱塑橡皮封接,防止投擲來的液體流入面部。有的透明面罩在內側浸漬有防霧液體,防止呼吸時結成露珠。頸部防護披風抵御對頸部的攻擊,一般由防沖擊材料或皮革制成,有的也用泡沫塑料襯墊,用按扣固定在頭盔的后邊緣上。2.2復合頭皮的研制與發展最初頭盔的材料大多以優質合金鋼為主,但由于鋼盔的重量大,導熱系數高,導電性強,反彈而引起二次殺傷等固有缺陷使得它的應用受到限制,代替它發展的是防護性能好、重量輕、導電率低的新型復合性防護材料。現今由于新型高強非金屬材料的開發,使得提高頭盔的防彈性能和減輕質量有了可能,頭盔開始廣泛采用非金屬材料制作,復合頭盔的研制得到很大的發展。復合頭盔是由防彈纖維和樹脂熱固模壓制而成。據稱,其中以20%的樹脂和80%的凱夫拉纖維織物的復合頭盔防彈性較好。復合頭盔有兩個發展方向:一是防彈性能與鋼盔相似,甚至還可稍低,重點在于減輕質量,例如英國的布里斯托爾9級防彈頭盔、以色列的AD防彈頭盔以及警用防暴頭盔。二是不要求減輕質量,甚至可比鋼盔稍重,重點在于提高防彈性能,例如美國的PASGT防彈頭盔、英國的布里斯托爾23級防彈頭盔以及警用防彈頭盔,我國的QGF02型防彈頭盔也屬于此類。2.3提高現場監獄的防護性能警用頭盔所要求的防護等級一般不超過我國防彈標準(GA141-1996)中的1級防護,1級防護即要求在近距離內防54式手槍鉛芯彈的擊穿,在一般情況下,這相當于對頭盔防護性能的最高要求———防槍彈的警用頭盔通常才要求達到這一等級。但過高的防護等級對頭盔無太大意義。一方面,頭部是人體最重要的部位,但同時也是最脆弱最容易受到傷害的部位,防護等級太高時,即使頭盔不被擊穿,巨大的沖擊動能所造成的變形和能量傳遞也足以使腦部損傷,甚至致人死亡;另一方面,提高頭盔的防護等級,勢必增加頭盔的質量,而頭盔質量的增加受到很大限制。警用頭盔安全性的主要方面是盔體對頭部的防護,盔體的材料因而顯得非常重要。因此,我們需做的是改進材料,以保證頭盔所必需的安全性,即達到1級防護。2.4舒適性與其他參數的分析舒適性是指頭盔佩戴對戰士引起不適、疲勞及對工效的影響程度。頭盔的舒適性與許多因素有關:(1)頭盔重量與舒適性。頭盔重量越大,舒適性越差,而重量的主要部分是盔殼,改進盔殼的材料、結構和工藝可減輕重量,提高舒適性。在盔重一定的情況下,對頭頂壓力分布越均勻,舒適性越好。所以懸掛件與頭頂接觸部分的面積、部位、平展貼合程度等都應該根據使用人群的平均頭型參數進行設計。(2)頭盔重心位置與舒適性。頭盔的重心位置是一個很重要的參數,從生物力學角度看頭部與頸肌之間形成力平衡體系,人頭位于頸肌背側肌群力作用點和寰枕關節支點之間。戴盔后,相應肌肉作用力加大,假若盔重心偏離頭部重心,則改變了肌肉作用力的分布,從而增大肌肉疲勞甚至造成傷害,舒適性降低。一般認為,如果盔重心不能與頭重心重合則稍偏低偏后為好。這樣使盔的穩定性增強,從而舒適性提高。因此,調整頭盔質量分布使其重心位置合理是很重要的。(3)從運動的角度分析舒適性。戰士完成技戰術動作時,頭部做包含直線運動和角運動的復合運動。如果盔在頭上晃動很厲害,即運動跟隨穩定性不好,影響舒適性。如果運動停止后而盔不能復位,產生殘余位移,需要手動復位,則舒適性也不好。影響運動跟隨穩定性的重要環節是懸掛件的結構特性,特別是剛度和阻尼、系固力等力學參數。這需要設計測試方法,定量描述晃動情況,改進懸掛特性。而警用頭盔重量較大,只有進行科學的舒適性設計,才能最大限度的提高工效,提高完成技戰術動作的準確性,降低佩戴疲勞以及其它的不良反應。3頭皮懸掛系統的改進措施警用頭盔在使用過程中常出現以下問題:(1)頭盔的形狀與人頭部尺寸不能很好地吻合,出現過松或過緊情況;(2)面罩與盔殼連接處易斷裂,造成面罩脫落,面罩失去原有功能,有的面罩甚至丟失;(3)系帶斷裂,頭盔無法牢固的系戴,影響戰士戰斗力;(4)個別頭盔由于保管不善,盔殼出現裂紋,嚴重者已無法使用。根據分析和使用中發現的問題,從人機工程學的角度對頭盔提出改進措施和意見:根據使用人群的平均頭型參數合理設計頭盔懸掛件與頭頂接觸部分的面積、部位、平展貼合程度,提高頭盔形狀與人頭部尺寸的吻合度。采用懸掛系統代替柔性內襯與系帶,懸掛系統既解決了減震、緩沖等問題,同時也確定了較理想的重心位置,使得佩戴舒適、方便可靠。系帶與懸掛系統一體,通過調節調節帶,使不同頭部尺寸的使用者能夠更舒適、更牢靠地佩戴頭盔,不會因為頭盔晃動等原因影響到使用者的機動性和戰斗力,更不會出現頭盔尺寸不合適的情況。摒棄原有面罩與盔殼的硬固式連接方案,采用可拆卸的完全分離式方案。該結構設計精巧,在不借助工具的情況下,需要時可將面罩(含支架)套在頭盔上并鎖緊固定,不需要時解開鎖緊機構便可方便的取下;面罩固定鎖緊裝置在頭盔上,未鎖緊時翻轉靈活,鎖緊時牢固可靠;支架采用進口工程塑料,強度大、撓曲程度高,耐自然氣候能力強,使用壽命長。合理選擇頭盔材料,制定相關規章,加強教育,在保證安全性的前提下盡可能的提高頭盔的使用年限。4與其他裝備的配合隨著材料和工藝的發展,未來頭盔質量將會越來越輕,佩戴舒適性也會有所提高。由于作戰人員在戰場上的生存能力和作戰效力不僅取決于裝備和其手中武器的質量,還取決于其對周圍情況的掌控程度,因此未來頭盔還會與無線電通訊、計算機控制顯示器、衛星定位系