周万军　胡光忠　杨余

摘要：射钉紧固技术是一种直接紧固的方法，广泛应用于冶金、建筑、安装工程等领域。随着社会的进步和对职业健康的关注度越来越高，手持射钉紧固工具的设计朝向更科学、安全和人性化的方向发展。本文从分析射钉器de基本特眭与使用特性分析入手，结合人机工程学的研究成果，对工具的尺寸、形态、重量、使用冲击振动以及其他等人机要素做了分析研究，对工具的人机设计提出了合理化建议，并针对现行的吊顶类射钉工具提出了改进设计方案。

关键词：手持射钉紧固工具;人机要素;手柄设计

中图分类号：TS914 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2019）08-0158-03

手持射钉紧固工具是手持工具的一种形态，它包含了射钉器、射钉弹、射钉和其他辅助配件（手柄、加长杆等）组成的工具系统，核心为射钉器。射钉器通过爆炸能转化为射钉的动能，将射钉打入基体同时起到构件与基体的连接紧固作用。射钉器的结构工作原理与枪械类似，因此其生产、销售及使用受到严格的管控。射钉紧固技术的特点为自带能源，操作迅速、方便、安全，工人劳动强度低等，在建筑装潢等施工中有广泛的应用。通过对多款手持射钉紧固器的使用测试，发现其在使用感受上和电动工具有着很大的差异，通过查阅文献发现，对于手持射钉紧固工具的人机工程学方向的研究较缺乏，因此手持射钉紧固工具的人机要素的合理性研究势在必行。

1现有的射钉紧固工具的分类及相关特分析

1.1射钉紧固工具的分类

射钉紧固工具又称射钉枪或射钉器，其分类有很多种。按作用原理分为直接作用射钉器和间接作用射钉器。直接作用射钉器是通过火药燃烧产生高压气体直接作用于射钉，推动射钉运动，将被固件钉入基体;间接作用射钉器内设有活塞结构，当击针击发射钉弹，火药燃烧产生高压气体作用于活塞，活塞再推动射钉运动，将被固件钉入基体。按使用范围可分为通用和专用射钉器。按重量和威力大小可分为轻型和重型射钉器。按射钉飞行速度分为高速、中速、低速射钉器。高速射钉枪主要运用于冶金业，低速射钉枪多用于建筑装修中。

1.2射钉紧固工具的常用参数分析

1.3手持射钉紧固工具的基本特性

1）从工具的尺寸和重量角度看，射钉紧固工具属于较大型的手持工具，不适合单手操作。

2）从造型结构角度看，均采用了手柄弯曲设计，模拟手枪形态，使用时虎口会承受一定的压力，能有效地分摊了掌部压力起到减振作用，符合人们对工具的一般使用习惯。

3）射钉紧固工具在使用中会对人手的反作用力产生的冲击振动，和电动工具的振动相比有较大的区别，冲击振动对人体的影响不容小觑。

4）工具在使用时会产生噪声，会对使用人造成影响。

2手持射钉紧固工具的使用分析

1）手持射钉紧固工具的使用环境较为恶劣。手持射钉紧固工具的使用环境主要是建筑装潢安装施工工地，它运用在管道安装施工，吊顶安装施工，门窗安装，木工安装等，可替代大部分传统的钻孔紧固安装施工。施工环境中通常有泥工，电工、木工等多个施工项目同时存在，施工现场通常较凌乱，且伴随着噪声、粉尘等污染存在。因此手持射钉紧固工具的在恶劣环境中使用的可靠性、稳定性、安全性和耐用性就尤为重要。

2）手持射钉紧固工具使用人群主要是青壮年如安装技术男性工人。手持射钉紧固工具不同于钳子、扳手等通用性较强的工具，它主要用于建筑装潢安装中的紧固施工，从事这类工作的技术工人以青壮年男性居多，同时也是手持射钉紧固工具的主要使用者。他们一般身强力壮，有较强的安装专业技能，工具使用娴熟。他们对工具的基本要求是操作简单，可靠性高，稳定性高、安全性高、使用舒适。

3）手持射钉紧固工具的使用特性是单次使用时间长、频率高。手持式射钉紧固工具的使用在管道安装和吊顶安装等安装中，属于专用工具，其使用时间长、频率高，会贯穿整个施工过程。因此工具的使用稳定性高、安全性高和使用舒适则是此类工具的基本要求。

从使用环境、使用人群和使用特性三个方面分析得出，对手持射钉紧固工具的要求是可靠性高、稳定性高、耐用性高、安全性高及使用舒适。需要从产品设计的整个流程来满足要求，包括结构设计、材料与工艺、人机工程设计等多个方面。

3手持射钉紧固工具的相关人机要素分析

手持式工具的使用方式分为强力握把和精确握把两种。手持射钉紧固工具属于强力握把使用方式，需要整只手都握住把柄进行操作，并且操作过程中需要使用前臂中较强壮的肌肉，且手指和手掌均需要用力来达到工作目的。因此，对于手持射钉紧固工具的设计，研究人体结构尤其是手部结构是其人机特性的重要内容。主要包括对使用者手掌的尺寸、结构，力量与工具的形态、重量及使用时的冲击振动等与其他因素的关系需要作对应的分析。

3.1手的结构尺寸要素与手柄形态尺寸

对于强力握把手持工具而言，手柄或手握部分的设计是较关键的设计点。手的尺寸和手柄的形态和尺寸息息相关，这直接影响使用者的握持舒适度和使用效果。根据查阅人机工程学相关资料和手部尺寸分析，手柄的直径尺寸应在20mm—50mm之间，以30mm—40mm为最佳握把尺寸圈。手柄的截面形状对把手握持有影响，圆形的截面不符合手抓握时的自然状态，不稳定的抓握使手柄很容易从手上滑落;接近椭圆的截面是最理想的形态，适合工具工作的特性，同时手握时有摩擦力，最适合手的抓握。

射钉器的握把分为两种类型：手枪型和直柄型，传统射钉器主要采用手枪型手柄，手柄和射钉器是一体式设计;吊顶射钉器是以附件形式存在的两种手柄类型。手槍型手柄握把的截面形状应设计成为鸡蛋形或椭圆形，首尾尺寸变化小，以保证手掌部分接触面积较大，手心部分不受力。直柄型受钢管载体影响，手柄截面设计成圆形较为合理，握把部分用厚度为4mm左右的橡胶较为适宜。

3.2手的力量要素与工具的使用力量

手操作力的大小与人体姿势、着力部位、用力方向和用力方式都有关系。人的施力方式有静态施力和动态施力两种。静态施力指施力靠肌肉收缩产生，会使供血受阻，产生疲劳，在设计手持工具时要尽量避免手部的静态施力。一般人的右手握力大约为380N，左手握力大约为350N。持续时间越久，握力会明显下降。如保持1分钟以上，右手平均握力大约为280N，左手大约为250N。在手持工具的操作中，手的作用是握持工具，手臂的作用是支撑，在承受同样的力量时，若要手臂保持水平或上举状态比手的握持更困难。因此手握持的力量大于支撑的力量。

手持射钉紧固工具属于使用时间长且使用频率高的工具，其普遍使用重量在2kg以上，使用工具时，大约需要70N—100N的力压缩弹簧才能激发，因此射钉不适合单手握持使用，必须设计成双手柄握持或者一只手支撑另一只手控制，工具的重心应位于两手柄之间或接近支撑手柄。吊顶射钉器配合手枪式手柄使用时，与普通射钉器无异;在配合加长杆和加长手柄使用时，工具的长度会有约1m—3.5m的多种形态，工具重量和重心随着实际长度的变化而变化，使用时双手只能握持工具的一端，握持的体感重量将远超过工具本身的重量。在握把设计时，手柄握把的长度应为800mm左右，增加双手握持的距离，来减轻工具对手的压迫感。在施工中通常工具为竖直状态，手柄与手之间靠摩擦力来支撑工具，在握持力一定的情况下，改变手柄的截面形状可以增加摩擦力，因此将加长杆手柄握把设计成起伏的波浪形是比较合理的，波峰与波谷的落差约1.5mm—2mm，波长约20mm为宜。

3.3手的形态关节要素与工具使用中的振动与冲击

手持工具使用中的冲击振动，必然会带给人一些影响。手承受的冲击振动往往会引起和带动手臂的振动。手臂振动通常会引起人的不适或工作效率降低，甚至疾病。手指在承受振动时会出现发麻、刺痛，长时间手指会变白，演变成白指病。所以，如何降低手持工具的振动，保护操作者的身体健康成为了手持工具设计制造必須解决的问题。

通过对现在手持射钉紧固工具的实际使用体验，发现射钉器的冲击振动与电动工具的振动是不同的，电动工具使用时的振动具有高频率、持续性长的特点，使用中会给手造成持续的振动影响，感受较为明显;手持射钉紧固工具的冲击振动是触发式的，冲击振动是单向的、瞬时的，单次承受冲击振动的感受不明显，若连续短时间完成十次左右的紧固作业，手部则会有酸麻、刺痛感。对于加长的直柄握，冲击振动的方向与手握持力的方向垂直，靠手与握把的摩擦力抵抗冲击振动，手的酸麻和刺痛感较弱随着长度的增加，冲击振动的感受并不明显。手枪式手柄给使用者的冲击振动感受尤为突出，手部的虎口位置的刺痛感特别明显。因此在射钉器的设计中减小冲击振动非常重要。

对于手持射钉紧固工具的设计和制造，需要从握把入手，加长直柄握把同时需要握把材料具有良好的减振效果，使手部握持舒适。对于手枪式手柄握把需要重新做形态设计，手柄握把部分的形态与尺寸首尾一致，保证握持时手柄不紧贴掌心，握把需要更加柔软的弹性减振材料，以达到减振效果，避免造成手部的振动创伤。

3.4噪声等其他因素的影响

噪音会使人注意力分散，导致大脑反应迟钝，容易疲劳，工作效率下降，差错率上升等不良后果。同时，噪音对人的身体也有较大的伤害。据研究，如果人长期处于噪音环境中工作或生活，不仅会导致听力受损，对人的神经、心血管、内分泌、消化等系统以及视觉、智力等都有不同程度的影响。手持射钉紧固工具的使用噪声主要是由火药在枪膛爆炸引起，在消除噪声影响方面需要从结构入手来减小或消除噪声。

对于手持工具的人机要素，除了上述主要考虑因素外，还有些特殊原因也需要进行考虑。这些原因包括工具使用的场景（室外、室内），使用者的姿势（站姿、坐姿等），主要着力方向（水平、垂直或其他方向），使用者的用手习惯（如右手或左手），是否能双手持握，以及兼顾使用者的性别，年龄等多个要素进行考虑，设计时应充分考虑这些因素。

4基于人机要素的手持射钉紧固工具手柄设计

手持射钉紧固工具的设计是对现有产品的人机设计做进一步优化。设计主要是从射钉器外观方面和附件（手柄与加长柄）入手进行。

4.1射钉器与手柄设计

如图1所示，为T5000吊顶紧固器，手柄为枪式手柄，和射钉器通过螺纹连接，使用时一只手握持手柄，另一只手握持射钉器，对准位置，通过手柄施加一定的力量，另一只手则需要换位至手柄后端，施加更大的力来激发射钉器。其主要问题在于，握持枪式手柄的手在施力方向和射钉枪中心不在同一条直线上，握持手柄的手的虎口会受到较强压力，一般情况下单手激发所需的力量较大，不容易实现，双手击发较容易实现，在激发后，握持手柄的手的虎口和另一只手的手掌将会承受瞬时的冲击振动，单次的冲击振动没有明显的感受，多次使用后虎口和手掌会有明显的不适。

改进方案是将枪式手柄改成了吊环式手柄（如图2），手柄材料为电木酚醛塑料，手持部分用橡胶材料，以起到减小冲击振动的作用。改进后的手柄在射钉器激发时手的施力方向和射钉器轴线基本重合，施力过程中除了手掌部位受力以外，虎口部分不会因存在压力而引起不适。激发时双手分别握住把手和射钉器的中部，双手均处于握持工具的状态，让激发更稳定。

4.2加长直手柄设计

加长手柄是吊顶紧固射钉工具的常用附件，由不锈钢钢管通过螺纹连接构成，一般分为两种规格，直径为25mm和32mm两种规格长度与数量分别为600mm×5根与1000mm×3根的两种规格，每种规格的加长杆中的一根作为直手柄，设计有手握的橡胶材质的握把，通过使用实验发现，原直柄握把在使用过程中存在着较严重的不适，主要问题位手柄凸起部分和手掌小面积的接触使接触点受力较集中，手掌与手柄的接触面积减小所导致，改进后的直柄尺寸变化较缓慢，呈波浪形，在满足了防滑需求做到与手之间较高的贴合度，并加长了握把的面积。让手柄握把面积增加，满足不同使用者的使用需求，如图3。

5结论

本文对手持射钉紧固工具产品以及同类产品进行了使用场合、人群、特性和相关人机要素分析，对现行的手持射钉紧固工具使用中存在的人机工程学问题提出了解决或优化方案，同时通过对新型吊顶射钉紧固工具（T5000系列）做了实际的使用测试，最后针对新型吊顶射钉紧固工具的产品外观，人机要素等方面做了改进的设计，优化了产品的使用特性。