摘要
拖拉机在作业过程中，受传动系统运转、自身结构特点以及农田不平度等影响，会不可避免地产生强烈振动，通过方向盘传递到驾驶员手臂系统的振动被称为手传振动，驾驶员长时间接触手传振动，容易引发末梢循环、末神经以及骨关节肌肉运动系统的障碍，甚至发展为国家法定职业病手臂振动病，此外，拖拉机驾驶员在驾驶过程中频繁扭转方向盘也会造成手臂肌肉疲劳的积累。手传振动的接触与肌肉疲劳的积累不仅会降低驾驶员的工作效率与舒适性，还可能威胁到驾驶员的驾驶安全。基于此，本研究以拖拉机驾驶员手臂系统为研究对象，以振动传递率与肌肉激活程度为指标，对驾驶员手臂振动传递特性及生物力学特性进行研究。相关研究成果不仅为拖拉机方向盘的结构与参数优化提供参考依据，同时还为驾驶员的职业健康监护、手臂振动病的早期诊断与防治提供重要参考。 主要的研究内容与结果如下： （1）拖拉机方向盘手传振动评价。本研究基于ISO5349评价体系对拖拉机方向盘的手传振动进行评价，结果表明，拖拉机方向盘日振动暴露量为4.257m/s2，超过了国标规定的日振动暴露量限值3.5m/s2，具有较高引发手臂振动病的风险。 （2）驾驶员手臂振动传递特性分析。通过采集拖拉机方向盘及手臂各测点的振动加速度信号，计算驾驶员手臂振动传递率，分析驾驶员手臂振动传递特性。分析发现，方向盘轴向振动是引发手臂振动病的主要因素，应加强对拖拉机发动机与方向盘转向轴垂直方向的约束。其次，手腕关节与肘关节分别对径向和切向的振动有一定的吸收作用，因此应加强驾驶员手腕的径向防护，而对肘关节则应加强其切向的防护。此外，分析不同百分位驾驶员手臂各测点的振动传递率发现，体型较小的驾驶员手掌对方向盘振动的放大效应更强；而体型较大的驾驶员腕部对低频振动具有更强的放大效应。因此，在工程实际中，小体型驾驶员应注重手掌的振动防护，而大体型驾驶员则应注重手腕部分的振动防护。 （3）驾驶员手臂有限元分析模型的构建及稳态动力学分析。本研究主要通过逆向工程技术构建驾驶员手臂有限元分析模型，首先采用三维扫描技术获取驾驶员手臂软组织模型，通过生物力学建模软件AnyBody建立驾驶员手臂骨骼模型；之后，将软组织与骨骼模型载入GeomagicStudio软件，进行点云处理、多边形处理以及曲面拟合，并将逆向工程处理的模型导入Creo软件进行实体化与装配，建立驾驶员手臂三维实体模型；然后，将实体模型载入Hypermesh软件，划分网格，定义材料属性，构建驾驶员手臂有限元分析模型；最后，将有限元分析模型载入Abaqus软件，进行模态分析与稳态动力学分析，研究人体手臂的固有特性与振动响应传递特性。结果表明，手臂前10阶模态固有频率范围为1Hz-5Hz左右，与文献研究具有较好的一致性。此外，人体手臂对低频振动更加敏感，手掌与小臂的振动响应较大，且对0Hz-5Hz、180Hz-185Hz频率范围的振动比较敏感，在作业时，应尽量避免0Hz-5Hz与180Hz-185Hz的振动直接接触手部，同时应对手掌和小臂采取重点防护措施。 （4）拖拉机转向过程驾驶员手臂生物力学特性分析。本研究主要采用生物力学建模软件AnyBody，对拖拉机方向盘扭转过程进行逆向动力学分析，计算驾驶员手臂肌肉激活程度。首先根据驾驶员实际测量尺寸建立其生物力学模型，并以模型为基础，对驾驶员扭转方向盘过程进行模拟，计算手臂主要活动肌群的肌肉激活程度，之后将其与手臂相同部位表面肌电测试计算结果进行对比，验证驾驶员生物力学模型的可靠性。对比分析发现，表面肌电测试的肌肉激活程度与其仿真分析结果的相对误差范围为8.41%-12.34%，根据文献研究，表面肌电测试与仿真分析结果之间的相对误差可接受范围为15%以下，故本研究的生物力学模型具有较高的可靠性。分析驾驶员手臂肌肉激活程度发现，在驾驶员逆时针扭转方向盘过程中，其右臂肌肉激活程度明显大于左臂，在扭转过程中，腕关节活动所涉及肌肉的激活程度要远大于肘、肩关节活动所涉及肌肉，故在优化时应当重点考虑减小腕关节活动所涉及肌肉的激活程度。此外，手臂肌肉激活程度基本随着驾驶员体型的增大而逐渐减小，小体型驾驶员在操纵方向盘过程中更容易产生疲劳。 （5）基于生物力学特性分析的拖拉机方向盘位置参数优化。本研究主要采用第50百分位驾驶员生物力学模型，分析方向盘盘面倾角、方向盘中点到驾驶员胯点的前后距离以及上下高度三个位置参数对驾驶员手臂肌肉激活程度的影响，并以综合肌肉激活程度为评价指标，对拖拉机方向盘的位置参数进行优化，确定方向盘最佳位置参数组合。结果表明，方向盘盘面倾角对综合肌肉激活程度影响最为显著，其次为上下高度，前后距离对综合肌肉激活程度影响最小。考虑因素间的交互作用，设计回归正交试验发现，当盘面倾角为31°、前后距离为431mm、上下高度为375mm时，驾驶员手臂综合肌肉激活程度最小，其结果为1.2887。
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