略谈超纤皮替代真皮在汽车座椅中的应用

第一篇：略谈超纤皮替代真皮在汽车座椅中的应用

略谈超纤皮替代真皮在汽车座椅中的应用

摘 要：我国汽车的普及率已经得到了大大的提高。其中的原因不仅在于经济得到了快速的发展，还在于随着科技的进步，汽车已经朝着经济平民化的方向发展。人们的支付能力提高是促进汽车普及率提高的最主要原因。随着人们对生活质量要求的提高，汽车座椅的材料也受到了人们的密切关注。汽车座椅是汽车内部结构中的重要组成部分，在体积方面也大约占据了汽车整体体积的五分之一。汽车档次越高，大多就会将真皮作为汽车座椅的材料。这种将真皮作为汽车座椅材料的方法违背了我国科学发展观的相关理念，不利于可持续发展目标的实现。因此，超纤皮座椅材料应运而生。

关键词：超纤皮；真皮；汽车座椅

汽车座椅采用真皮制作能够凸显汽车的高端档次。但是，如果一味地采用真皮作为高档汽车的座椅材料，就会对生态环境造成不良的影响。因为真皮来自于大自然中的动物，将真皮作为汽车座椅材料就会增加对动物的捕杀量，这是一种不健康的汽车生产方式，不利于生态的平衡发展。所以，要研发出一种能够取代真皮的新型材料，将这种材料作为汽车的座椅材料，既能够满足人们对汽车座椅舒适度的要求，又能够促进人与自然的和谐发展。近几十年来，众多的研究者潜心致力于对超纤皮的研究。并且研究证明，超纤皮拥有真皮的多项性能，它不仅拥有较好的透气功能，而且在外观方面也能够满足人们的要求。超纤皮能够成为一种理想的汽车座椅材料。汽车座椅材料使用状况

1.1 高档汽车使用真皮作为座椅材料

不管是在中国还是在国外，高档汽车都是采用真皮作为汽车的座椅材料。因为这能够满足人们对汽车舒适度的要求，而且使用真皮还能够有效地增加汽车的档次。从总体上来说，这种将真皮作为汽车座椅材料的方式不符合我国绿色环保的生活要求。因为过度地使用真皮就会对大自然的动物带来巨大的威胁，不利于生态环境的长远健康发展。真皮固然具有许多优点，但是与人类社会的长远发展相比，这种方式无疑是一种为了短期利益而忽视长远利益的不科学行为。所以，一定要对汽车座椅材料的选择进行一定的改革，要让汽车座椅材料既能够满足人们的需求，又能够促进人类社会的可持续发展。

1.2 超纤皮得到了一定的应用

超纤皮具有许多优势，超纤皮不仅是在外观还是在性能方面都不亚于真皮。我国的高档车在座椅材料的选择方面往往都选择真皮，这与人们追求汽车高档品质的思想观念有着非常密切的联系。但是在国外，人们往往都持有一种绿色环保的观念，人们重视的是汽车座椅的舒适度、抗衰老性能等，而不是座椅材质是否高档。目前，超纤皮在汽车座椅中的应用已经成为一种潮流与趋势，世界各国都加入了使用超纤皮而不是一味选择真皮座椅材料的阵营。这极其有利于生态环保生活方式的进一步推广。[1]

超纤皮简介与优点

2.1 简介

超纤皮是一种合成性皮革。这是在科学技术的巨大发展之下被成功研发出来的一种新型材料，具有许多真皮所具有的优点。目前，在真皮供不应求的背景之下，使用超纤皮已经成为了一种潮流与趋势。在先进科学技术的优势之下，超纤皮外观的改造方面也能够做到将此变为和真皮并无明显差异的外观形式。超纤皮在许多领域都得到了应用，不仅是在汽车座椅中，还是在鞋包、服饰中，都能够看到超纤皮的影子。在各个领域使用超纤皮满足了人们对高档皮革的需求。而且，经过实践分析，使用超纤皮会成为一种发展潮流与趋势，这也是绿色环保生活方式的要求所在。

2.2 优点

超纤皮之所以会得到巨大的应用，是因为它具有许许多多的优点，能够弥补其他汽车座椅材料的缺陷。首先，超纤皮的抗老化功能强大。真皮是取之于动物，随着汽车的普及，对动物的捕杀量也会逐渐增加，而且捕杀难度也会渐渐加大，这种获取真皮的方式不利于生态平衡的健康发展。其次，超纤皮的外观与真皮并无明显差异。这得益于现代先进的科学技术，由于其外观能够满足人们的要求，所以在汽车座椅中使用超纤皮也得到了人们的认同。最后，使用超纤皮能够降低成本。而且使用超纤皮作为汽车的座椅材料能够保证汽车座椅的质量以及使用寿命，为汽车驾驶者以及乘车者提供比较舒适的车内环境。真皮固然能够增加汽车的档次，但是是不符合环保型社会的发展要求。对超纤皮的使用符合现代社会的发展潮流。应该将超纤皮作为汽车座椅的主要材料。[2]

超纤皮替代真皮在汽车座椅中的应用

3.1 国家推广使用超纤皮

目前，有很多汽车公司都已经将超纤皮作为汽车的座椅材料，减少了对真皮的使用。在国外，这种将真皮作为汽车座椅材料的汽车生产方式得到了人们的支持，因为相比于使用真皮，人们更加愿意选择利用无生命的物质构成的汽车座椅，往往不那么关注汽车座椅是否是由真皮构成的。国家可以在推广与普及超纤皮的工作方面发挥巨大的作用，出台一系列的政策，对于在汽车座椅中使用超纤皮的企业进行一定的奖励。并且地方政府也要参与到这项工作当中，为此贡献出一份力量。

3.2 汽车制造商要推广使用超纤皮

在众多的汽车企业中，对超纤皮的使用应该得到一定的宣传与推广，并且要将对超纤皮的使用付诸实践。首先在企业之中，应该将使用新型环保材料的思想观念进行推广，在整个企业之中形成一种健康的思潮，这种思潮能够促进超纤皮汽车座椅材料的进一步推广与普及。然后在汽车制造的过程之中，要将超纤皮作为汽车座椅的主要材料。这样既能够保证汽车的舒适度，而且还能够倡导绿色环保的生活方式。对广大国人产生良好的影响。[3]

3.3 广大国人应该支持汽车座椅制作中对超纤皮的使用

汽车座椅材料的选择还会在一定程度上受到人民需求的影响，若是人民不支持在汽车座椅中使用超纤皮，那么超纤皮的推广与普及也会遭遇重重困难。所以，为了进一步推广对超纤皮的使用，广大国人也应该支持广大汽车制造商对超纤皮的使用，为进一步促进绿色环保生活方式的发展贡献一份力量。广大的汽车制造商也可以进行必要的问卷调查，了解广大人民的真实需要，为汽车制造商在汽车生产之中提供明确的方向。结束语

在汽车座椅材料的使用中，选择超纤皮符合各个国家的具体国情，也符合国家绿色环保生活方式的发展要求。为了国家以及社会的长远发展，使用超纤皮的思想观念应该融入到广大人民的精神中去，以此来促进超纤皮的进一步普及。利用超纤皮作为汽车的座椅材料不仅是中国应该做出的抉择，世界各国都应该在绿色环保生活方式的倡导之下减少对真皮的利用，要纵观国家发展的长远利益，选择绿色环保的生活方式。选择超纤皮作为汽车的座椅材料应该成为一种流行趋势，世界各国都应该为此贡献出一份力量。

参考文献

[1]李龄.超纤皮替代真皮在汽车座椅上的应用研究[J].汽车工艺与材料，2014，7：59-61.[2]黄维，史荣波，李龄.超纤皮替代牛皮在汽车座椅上的应用分析[J].聚氨酯工业，2014，6：9-12.[3]王斌.高分子材料在汽车座椅上的应用[J].工程塑料应用，2013，1：114-118.

第二篇：人机工程学在汽车座椅设计中的应用

人机工程学在汽车座椅设计中的应用

摘要：运用人机工程学原理，针对汽车驾驶座持，从驾驶员生理特性与作业环境两个方面分析了影响驾驶舒适性及安全性的原因，在此基础上从坐姿舒适性，振动舒适性，操作舒适性，安全性等四个方面论述了人机工程学在汽车座椅设计中的应用，完成了对汽车驾驶座椅从分析到设计的系列开发过程。

关键词：汽车驾驶座椅 人机工程学 设计

一、引言

随着时代的发展，当今社会已由工业社会向信息社会即后工业社会过渡，人类赖以生存的生活空间和生活方式，处处都是经过设计并不断完善的设计世界。现代设计，作为一种广泛的文化活动，已成为人们生活中的一部分。人们开始追求高品质的舒适生活,于是按照人体工程学设计的产品也就越来越受到大众的欢迎。人体工程学的产品也就成了现代社会人们追求的目标。先以汽车座椅为例,人体工程学的家具并不是人们头脑中所想象的仅有数据符合的座椅,它还包括除了人体生理数据之外的很多因素。它的设计原则除了常见的尺度设计原则,人体机能和环境设计原则,健康设计原则外还应该讲求黄金分割比的设计原则。并指出在这些原则的指导下好的人体工程学座椅是功能与美学相结合的产品,可以为人带来身心两方面的享受。

二、舒适驾乘首要在于座椅设计

通过对汽车座椅设计中的人机因素分析,即尺度、形态、功能、色彩四方面的具体分析,寻求汽车座椅设计与人机工程学的关系,从而论证目前汽车座椅设计中人机工程学应用的一些局限性,即学科内涵与目标的矛盾、共性原则与个性需求的矛盾、统计与个案的矛盾以及合理与合情的矛盾,通过对这些应用矛盾的透析,探求出汽车座椅设计中人机工程学应用的原则,从而最终为汽车座椅产品设计中人机工程学的应用探索出一条道路。

而人机工程学在汽车座椅设计中的作用主要体现在以下几方面：

1、为确定汽车空间范围提供依据。

2、为设计汽车座椅提供依据。

3、为确定感觉器官的适应能力提供依据。

三、汽车座椅人机工程学分析

1、人体坐姿生理特性分析（1）坐姿时脊柱的形态

人坐着时，身体主要由脊柱、盆骨、腿和脚支撑。脊柱位于人体的背部中央，是构成人体的中轴。人处于不同的坐姿时，脊柱形态不同，只有座椅的结构和尺寸设计使驾驶员的脊柱形态接近于正常自然形态，才会减少腰椎的负荷以及腰背部肌肉的负荷，防止驾驶疲劳发生。

（2）坐姿体压分布

当座椅上的人处于坐姿状态时，人的身体重量作用于座垫和靠背上的压力分布称作坐姿的体压分布。可见，坐姿体压分布包括座垫上的体压分布和靠背上的体压分布两部分。

（3）座垫上的体压分布

根据人体组织的解剖学特性可知，坐骨结节处是人体最能耐受压力的部位，适合于承重，而大腿下靠近表面处因有下肢主动脉分布，故不宜承受重压。据此座垫上的压力应按照臀部不同部位承受不同压力的原则来分布，即在坐骨处压力最大，自大腿部位时压力降至最低，这是座垫设计的压力分布不均匀原则。图1为坐姿时座垫上的体压分布。

（4）靠背上的体压分布

靠背上的体压分布也以不均匀分布，压力相对集中在肩胛骨和腰椎两个部位。从这两个部位向外，压力应逐步降低。

2、环境分析

把驾驶员——座椅组成的系统看作一个典型人机系统，该系统所处的环境对系统中的驾驶员的影响主要体现在以下两个方面，具体分析如下：

（1）振动

驾驶员坐在行使中的汽车上所承受的振动属于全身振动的范畴。有关研究表明，人体最敏感的频率范围为纵向振动4~8Hz，横向振动1~2Hz。当外界振动接近器官的共振频率时，即产生共振，振幅迅速增大，此时引起器官的生理反应最大。

振动对驾驶员操作的影响主要表现为视觉作业效率的下降和操作动作准确性变差。当振动频率低于2Hz时，由于眼肌的调节补偿作用，使视网膜上的映像相对稳定，因此对视觉的干扰作用不大，但当振动频率大于4Hz时，视觉作业效率将受到严重的影响，振动频率为10~30Hz时，对视觉的干扰最大，振动频率为50Hz、加速度为2m/s2时，视觉下降约50%。振动对操作动作准确性的影响，主要是由于振动降低了手（或脚）的稳定性，从而使操纵动作的准确性变差，而且振幅越大，影响越大。

（2）温湿度

研究表明，驾驶员在驾驶状态下的舒适温度为18℃～23℃，舒适湿度为40%～60%，代谢量为1.0～2.0met。座椅对人体热环境的主要影响因素有：座椅表面的温度和湿度。座椅表面的温湿度特性将影响人体背部、臀部、下体等部位的散热性能及皮肤的呼吸功能，当其温湿度特性与人体生理机能不适应时将引起人体局部不快感，从而加速人体疲劳的形成。

四、汽车座椅的人机工程设计

汽车驾驶座椅的人机工程学分析，安全舒适的汽车驾驶座椅的设计必须满足以下要求：意识坐姿舒适性（静态舒适性）；二是振动舒适性（动态舒适性）；三是操作舒适性；四是安全性（包括主动安全性及被动安全性两个方面）。

上述要求具体到驾驶座椅的设计中满足驾驶员坐姿舒适性的座椅尺寸结构设计、满足驾驶员振动舒适性的座椅抗振减振设计、满足操作舒适性的座椅空间位置设计以及满足驾驶员的安全性的汽车驾驶座椅主动安全性及被动安全性的设计。

1、座椅尺寸结构设计

驾驶座椅尺寸结构设计的研究把注意力集中在人体生理结构特点对驾驶舒适程度的影响上，寻求最佳的座椅结构形式、尺寸、轮廓形状及材料选择。

（1）座椅尺寸设计

座椅尺寸设计主要参数包括：椅面高度、宽度、深度、椅面倾角；靠背的高度、宽度和倾角。座椅尺寸设计涉及主要参数如图2所示。

椅面高度A：椅面高度定义为椅面前缘至驾驶员踵点的垂直距离。在设计时主要考虑到两点：椅面过高会使大腿肌肉受压，椅面过低就会增加背部肌肉负荷，驾驶座椅的椅面高度应低些。

椅面宽度B：在空间允许的条件下，以宽为好。但对于汽车驾驶座椅来讲，驾驶员坐姿单一，不涉及变换姿势，通常设计应满足最宽人体需要为准。

椅面深度C：指椅面前缘至靠背前面水平距离。其尺寸应满足：腰部得到靠背的支撑；椅面前缘与小腿之间留有适当距离，以保证大腿肌肉不受挤压，腿弯部分不受阻碍。

靠背高度D及宽度：靠背的高度和宽度与坐姿肩高和肩宽有关，对于汽车驾驶座椅靠背的高度应采取高靠背，最好加靠枕。

靠背倾角α：靠背倾角是指靠背与椅面水平方向的夹角。

椅面倾角β：指椅面与水平之间的夹角。主要考虑到为了防止人体臀部向前滑动而是椅面前缘向后倾。此角不易过大，否则会增加大腿下平面与座垫前缘的压力，从而减少双脚着地的负荷，阻碍血液循环，引起身心疲劳。

通过以上座椅尺寸参数的确定，以保证驾驶员人体脊柱曲线更接近于正常生理脊柱曲线。舒适坐姿的各关节的角度应该满足图3中所示的要求角度。

（2）座椅结构设计

为了保证座垫上合理的体压分布，座垫应坚实平坦。太软的椅子容易令使用者曲起身子，全身肌肉和骨骼受力不均，从而导致腰酸背痛现象的产生。研究表明：过于松软的椅面，使臀部与大腿的肌肉受压面积增大，不仅增加了躯干的不稳定性，而且不易改变坐姿，容易产生疲劳。

依据靠背上体压分布不均匀原则，在座椅靠背设计时应保证有靠背两点支撑，即就是人体背部和腰部的合理支撑。汽车座椅设计时应提供形状和位置适宜的两点支撑，第一支撑不位位于人体第5—6胸椎之间的高度上，作为肩靠；第二支撑设置在腰曲部位，作为腰靠。肩靠能减轻颈曲变形，腰靠能保证坐姿下的近似于正常的腰弧曲线。

（3）座椅材料选择

座椅材料的选择主要考虑到以下两个方面：振动舒适性以及座椅对人体热环境的主要影响。座椅材料是座椅的主要减振元件，要想使座椅获得较低的振动传递率，使座椅有较高的振动舒适性，必须采用合适的座垫和靠背减振材料。根据驾驶室的微气候环境，调整座椅表面的湿温度特性，可以适当调节人体代谢，达到减轻疲劳的目的。

2、座椅舒适性设计 通过查阅相关资料并对当前市民针对汽车座椅舒适性的市场调查考证，由生物动力学研究表明，长时间地承受高强度的全身振动对于人体健康的损害是相当严重的。主要是腰脊和相关的神经系统会受到影响。新陈代谢以及源于机体内部的一些其他因素会恶 化这个影响，通常认为环境因素，如身体姿势、低温及气流会引起肌肉疼痛。由本小组研究人员取证分析，得到以下结论：

（1）、座椅舒适度的指标

根据人机工程学原理,为保证良好的舒适度，针对静态舒适度，设计中应遵循以下原则：① 座椅尺寸应与人体测量尺寸相适宜；②座椅应可调节，能使乘坐者变换姿势，并最大范围 满足各类人体的乘坐要求；③座椅应能使乘坐者保持舒适坐姿，靠背结构和尺寸应给腰部 充分的支撑,使脊柱接近于正常弯曲状态。

（2）、座椅舒适度的影响因素 座椅的几何尺寸是影响座椅舒适度的因素，但研究发现这并非唯一最主要的影响因素。许多 文献都提及腰部支撑的重要作用。腰托的形状和位置，对于是否能使人保持良好坐姿，减少 人体疲劳具有重要作用。从人机工程学的角度来讲，腰部是体现座椅功能的关键部位。因此，座椅的腰托是影响舒适性的关键因素。腰托的安装位置在座椅靠背结构设计中十分重要。

（3）、座椅舒适度的研究方法 从汽车座椅设计及改善的角度出发，消除座椅不舒适性最理想的方法是能建立定量模型，预测座椅的不舒适性。国内外研究中,建立的模型主要有如下3种：利用模糊理论建立的模型、线性模型和神经网络模型。

目前，国内在座椅舒适度的研究上还存在一些缺陷：①没有针对中国人体特征尺寸的座椅舒 适性研究；②对于座椅静态舒适性评价还没有形成一套客观系统的体系；③在应用神经 网络建模方法评价舒适性中，对输入量的界定还不够清晰明确，有待进一步研究。

3、座椅空间位置设计

座椅空间位置设计就是为了达到操作舒适性的目标，而进行驾驶室座椅空间位置设计以确保驾驶员有良好的视野，同时对汽车转向盘、脚踏板等操作部件有恰当的操作要求距离，以达到操作舒适性的最终目的。

图4列出了驾驶作业空间设计的主要指标。

4、座椅安全性设计

座椅安全性设计的内容主要包括以下几个方面:座椅强度的设计、座椅结构型式的设计、靠 背的设计、坐垫的设计、头枕的设计。

（1）座椅强度的设计

座椅强度的设计是安全性设计的首要内容。汽车行驶中，座椅要承受复杂的载荷。汽车座椅 必须有足够的强度，以确保座椅上的人所受的伤害最小；座椅的寿命应足够长，不致过早变 形或损坏；受冲击载荷作用时，座椅不应发生断裂、严重变形等损坏现象。所以设计座椅时 必须对汽车座椅的强度进行计算，尽量以最少的材料、最小的质量满足强度要求。

（2）座椅结构型式的设计

座椅整体结构的安全性设计应考虑的是其对其他约束系统效能的影响及与其他约束系统之间 的连接方式等。

（3）靠背的设计

靠背的安全性设计应考虑靠背的强度、倾角、基本尺寸及其形状。靠背的强度设计不但应该 在“追尾”等后部碰撞时给乘员提供良好的保护，而且也要考虑侧碰时对乘员的保护。而靠 背倾角、基本尺寸及其形状对尾部碰撞的严重程度有很大影响。

（4）坐垫的设计

坐垫一般不会造成对乘员的直接冲击伤害，但坐垫的结构可以影响到乘员运动过程、约束力 加到乘员身体上的方式及外部载荷(加速度、力等)的绝对值大小。坐垫深度设计的原则是在 充分利用靠背的情况下，使臀部得到合理的支撑。坐垫深度不应该超过人的大腿长度。（5）头枕的设计

头枕是一种用以限制乘员头部相对于躯干向后移位的弹性装置，其作用是在发生碰撞时，减 轻乘员颈椎可能受到的损伤。尤其是在汽车受到追尾碰撞时，可抑制乘员头部后倾，防止或 减轻颈部损伤。现多采用模拟计算和试验验证相结合的研究方法，该方法重复性好、存储信 息量大、开发周期短且开发费用低。

五、汽车座椅人机工程学的应用

所谓人机工程学，亦即是应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究方法，对人体结构特征和机能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、重量、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时的相互关系和可及范围等人体结构特征参数；还提供人体各部分的出力范围、活动范围、动作速度、动作频率、重心变化以及动作时的习惯等人体机能特征参数，分析人的视觉、听觉、触觉以及肤觉等感觉器官的机能特性；分析人在各种劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳机理以及人对各种劳动负荷的适应能力；探讨人在工作中影响心理状态的因素以及心理因素对工作效率的影响等。

人机工程学的显著特点是，在认真研究人、机、环境三个要素本身特性的基础上，不单纯着眼于个别要素的优良与否，而是将使用“物”的人和所设计的“物”以及人与“物”所共处的环境作为一个系统来研究。在人机工程学中将这个系统称为“人——机——环境”系统。

六、结束语

从人机工程学的角度出发，进行汽车驾驶座椅的设计，是使驾驶座椅具有良好坐姿舒适性、振动舒适性、操作舒适性和安全性的必要手段。

目前，虽然已有企业在利用人机工程学的研究成果来设计驾驶员座椅了，但对设计出来的驾驶座椅还不够完善，因此建立一个从分析——设计的系列开发过程有着非常重要的意义。参考文献

[1]王惠军 《汽车造型设计》 国防工业出版社，2007年 [2]郭竹亭 《汽车车身设计》 吉林科学技术出版社，1992年 [3]黄天泽 《汽车车身结构与设计》 机械工业出版社，2003年

[4]李少波 《汽车车身计算机辅助设计与分析》[硕士论文] 贵州工业大学，1999年 [5]吴翔 《产品系统设计》 中国轻工业出版社，2000年

第三篇：人机工程学在汽车座椅设计中的应用

题目 人机工程学在汽车座椅设计中的应用

熊雯

湖北汽车工业学院 机械工程系,湖北 十堰,442002 摘要：驾驶员驾驶姿势直接影响着驾驶员的舒适和健康，关系着是否能够安全、高效准确地驾驶。同时它还决定着舒适程度，以及长期驾驶是否对驾驶员造成生理和心理上的有害的影响。本文结合人机工程学的知识，从人的心理，生理特点出发并结合汽车振动特性，视野范围以及空间分布来分析人与座椅的相互关系和相互作用，从而得出能符合人机工程学标准的，并将舒适性、安全性都考虑到位的汽车座椅的设计。关键词：人机工程学、座椅，舒适度、设计

Ergonomics application in automobile seat design

xiongwen hubei automotive industry institute department of Mechanical Engineering,Hubei shiyan,442002 Abstract: Driving position directly influences the driver's comfortable and healthy, relationship with whether can be safe, efficient accurately driving.At the same time it also determines the comfort levels, and long-term driving to drivers whether caused by physical and mental harmful effects.Combining with the ergonomics knowledge from man's psychology, physiology characteristics and combined with auto vibration characteristics, the vision scope and empty room distribution to analyze the relationship between man and seat and interaction, thus developed can accord with standard of ergonomics and will comfort, safety is considered the car seat in the Keywords: Ergonomics, seat, comfort, design

正文：

一个性能优良的汽车座椅主要取决于以下五个方面：①座椅与人体的人机界面能否为人提供舒适而稳定的坐姿。②驾驶员(或乘坐)——座椅——车辆系统能否有效的隔离或衰减来自路面不平度的激励而产生的震动以及驾驶员或乘坐员所承受的全身震动负荷低于规定限值。③驾驶员(或乘坐员)——座椅——驾驶室系统的几何位置

关系能否为驾驶员提供良好的视野。④能否为驾驶员提供一个相对于各种操纵机构的合适位置，使他能方便地进行操作。⑤能否提高驾驶员的人身安全性，当发生翻车或撞车事故时，将驾驶员约束在驾驶座椅上面，下面就从这四个方面来分析人机工程学在汽车座椅设计上的运用。

1.舒适坐姿的生理特征

坐姿是人体较自然的姿势，坐姿将以脚支撑全身的状况转变为以臀部支撑全身，有利于发挥脚的作用，特别是能够利用靠背来增大腿脚的蹬力这一特点，来控制操纵力较大的装置。但如果坐姿不正确，座椅设计不合理，也会给身体带来严重损害。1.1坐姿生理学 1.1.1脊柱结构

坐姿状态下，支撑身体的是脊柱、骨盆、腿和脚。脊柱是人体的主要支柱，由24节椎骨以及5块骶骨和4块尾骨连接组成，如图1-1所示，其中椎骨自上而下又分为颈椎（共7节）、胸椎（共12节）、腰椎（共5节）三部分，每两节椎骨之间由软骨组织和韧带相联系，使人体得以进行屈伸、侧曲和扭转动作等有限度的活动。颈椎支撑头部，胸椎与肋骨构成胸腔，腰椎、骶骨和椎间盘承担人体坐姿的主要负荷。

图1-1 脊柱的构造

从图中可以看出脊柱呈现颈、胸、腰、骶四个弯曲部位，其中颈曲和腰曲凸向前，胸曲和骶曲凸向后。1.1.2腰曲弧线

与坐姿舒适性直接相关的是腰曲。图1-2为各种不同姿势下所产生的腰曲弧线，人体正常腰曲弧线是松弛状态下侧卧的曲线，如图中曲线B所示；躯干挺直坐姿和前弯时的腰弧曲线会使腰椎严重变形，如图中曲线F和G所示；欲使坐姿能形成几乎正常的腰曲弧线，躯干与大腿之间必须有大于90度的角度，且在腰部有所支撑，如图中曲线C所示。可见保证腰弧曲线的正常形状是获得舒适性的关键。

图1-2 不同姿势下所产生的腰椎曲度

1.1.3腰椎后突和前突

正常的腰线曲线是微微前突。为使坐姿下的腰弧曲线变形最小，座椅应在腰椎部提

供所谓两点支撑。无腰靠或腰靠不明显将会使正常的腰椎成图1-3（a)中的后突形状。而腰靠过分凸出将会使腰椎呈图1-3（b）中的前突形状。腰椎后突和过分前突都是非正常状态，合理的腰靠应该是使腰弧曲线处于正常的生理曲线。

图1-3 腰椎后突和前突

1.2坐姿生物力学

1.2.1肌肉活动度

脊椎骨依靠其附近的肌肉和腱连接，椎骨的定位借助于肌腱的作用力。一旦脊椎偏离自然状态，肌腱组织就会受到相互压力(拉或压)的作用，使肌肉活动度（活动量）增加，招致疲劳酸痛。在挺直坐姿下，腰椎部位肌肉活动度高，因为腰椎前向拉直使肌肉组织紧张受力。提供靠背支承腰椎后，活动力则明显减小；当躯干前倾时，背上方和肩部肌肉活动度高。1.2.2体压分布

座垫上的体压分布。根据人体组织的解剖学特性可知，坐骨结节处是人体最能耐受压力的部位，合于承重，而大腿下靠近表面处因有下肢主动脉分布，故不宜承受重压。据此座垫上的压力应按照臀部不同部位承受不同压力的原则来分布，即在坐骨处压力最大，向四周逐渐减少，自大腿部位时压力 降至最低值，这是座垫设计的压力分布不均

匀原则。图1-4是较为理想的坐垫体压分布线。

图1-4 体压分布曲线

1.2.3骨盘受力分析

人体结构在骨盘下面有两块圆骨，称为坐骨结节。如图1-5所示。坐骨结节下面的底座呈近似水平时，可使两坐骨结节外侧的股骨处于正常的位置而不受过分的压迫，如1-5（a）。当坐面呈斗形时，会使股骨向上转动，这种状态会使肘部和肩部受力，从而引起不舒服。所以在座椅设计中，斗形坐面是应该避免的。

图1-5 座面对股骨的影响

1.2.4椎间盘受力分析 当坐姿腰弧曲线正常时，椎间盘上受的压力均匀而轻微，几乎无推力作用于韧带，韧带不拉伸，腰部无不舒适感，如图1-6（a）所示。但是，当人体处于前弯坐姿时，椎骨之间的间距发生改变，相邻两椎骨前端间隙缩小，后端间隙增大，如图1-6（b）。这会引起腰部的不舒适感，长期积累作用，可造成椎间盘病变。

图1-6 不同坐姿时椎间盘受力分析

1.3坐姿人体测量尺寸

坐姿人体测量尺寸是座椅静态尺寸设计的主要依据。与座椅设计相关的人体测量主要尺寸见图1-7，具体测量数值如表1-8所示。

图1-7 对座椅设计有用的人体尺寸

表1-8坐姿人体尺寸

综合来看，从坐姿生理学角度，应保证要弧线正常，腰背肌肉处于松弛状态，从上体通向大腿的血压不受压迫，保持血液正常循环。因此，最舒适的坐姿是臀部稍离靠背向前移，使上体略微向后倾斜，保持腿夹角在90度到115度之间，小腿向前伸，大腿与小腿，小腿与脚面之间也有合适的夹角。如图1-9所示：

图1-9 大腿、小腿和脚面的夹角

2.人体对乘坐振动的反应

座椅及悬架等部件隔离、吸收、缓和、衰减行驶中所产生的各种冲击和振动激励如果超出了人体承受振动的舒适性界限，就会使人产生不舒服感。车辆驾驶员所受的机械震动分为全局振动和全身震动两大类。局部振动是指作用于人体特殊部位（如头部和四肢）的震动，一般不会给驾驶员造成损害，但是对操纵的精确度有影响。全身震动是指通过人体支撑表面作为整体传给人体的震动。车辆驾驶员承受的乘坐振动属于全身震动，是对驾驶员可能造成严重伤害的主要震动形式。人体承受全身震动将产生机械的、生理、病理的和心理的效应。2.1乘坐振动的机械效应

乘坐振动通过驾驶员的臀部、腰部传给驾驶员，激起人体的全身震动。当振动激励频率接近人体的主要器官的固有频率时，将引起相应器官的共振而产生相对位移，从而使人感到不舒适。

在正常重力情况下，人体对4～8Hz频率的震动的能量传递最大，其生理效应也最大，称为第一共振峰。10 12Hz的震动频率时出现第二共振峰，其生理效应仅次于第一共振峰。在20 25Hz时出现第三共振峰，其生理效应较第二共振峰稍低。以后随着频率的增高，震动在人体内的传递逐步衰减，其生理效应也相应减弱。如图2-1所示。

图2-1 坐姿时人体对垂直振动的传递率

坐在驾驶座上的驾驶员承受垂直振动时，人体各主要器官的固有频率如图2-2所示。

图2-2 人体器官的固有频率 将人置于震动台上进行各种典型工况下的激振试验，测得人体的坐姿震动特性如图2-

3、2-

4、2-5所示。图2-3 人体坐姿承受垂直振动的传递特性

图2-4 人体坐姿承受左、右水平振动的传递特性

图2-5 人体坐姿承受前、后水平振动的传递特性

2.2乘坐振动的生理效应

全身振动引起的主诉症状及生理反应与振动频率有关。低于10Hz的震动，主要引起胸脯部不适；高于10Hz的振动，引起头部症状的增强。全身振动英气的生理效应如图2-6所示：

图2-6 全身振动的生理效应

全身振动最明显的生理反应时人体姿势的变化，低频高强度的振动使人难以保持

稳定的姿态。

2.3全身振动的病理效应

研究表明，驾驶员常患的两种职业病：胃病和脊椎损伤。图2-7为拖拉机驾驶员的胃病患病率。主要原因是因为急剧的乘坐振动对胃的消化功能产生了有害影响。

图2-7 拖拉机驾驶员的胃病患病率

图2-8为拖拉机驾驶员为脊椎病与年龄的关系。由此可以看出，驾驶员的脊椎畸形的发病率都很高，主要原因是因为驾驶员承受剧烈的乘坐振动和不方便的乘坐姿势。

图2-8 拖拉机驾驶员脊椎患病率与年龄的关系

实线——男人；虚线——女人

2.4乘坐振动的心理效应

对车辆驾驶员来说，乘坐振动的心理效应主要表现为操作能力的变化。让人在座椅上用振动台进行各种典型情况下的激振试验，测得振动对人的操作能力的影响如图2-9至2-11所示。

图2-9 人体坐姿承受垂直振动时的实力降低情况

（a）加振中；（b）加振终了时

2-10 人体坐姿承受水平振动时脚踩加速踏板压

力保持不变的能力

左边—振动频率的影响；右边—振动加速度的影响图2-11 坐姿人体承受垂直振动时的平衡能力降

低情况（a）加振时；（b）加振终了时

图2-12 人体坐姿承受横向水平振动时跟踪误差

图2-13 人体坐姿承受横向水平振动选择时的反应时间

图2-14 人体坐姿承受垂直振动的手眼协调平均动作时间

根据受振者的感觉，《人体承受全身振动的评价指南》即ISO2631—1982把振动划分为三个不同的认为界限：

（1）保持舒适性界限：在此振动界限内，没有不舒服的感觉，受振者能顺利的完成读、写、吃等动作。

（2）保持工作效率界限：在此振动界限内，操作人员能在规定的时间保持正常的工作效率。超过此界限，则因疲劳而降低工作效率。

（3）保持健康与安全界限：它是身体所能承受振动的上限。超过此界限将使受振者的健康受到损害。

一般对于小轿车和旅游车，选取保持舒

适性界限作为评价振动舒适性的标准；对于拖拉机、工程机械和各种越野车辆，宜选择保持工作效率界限作为评价振动舒适性的标准。

3.座椅空间位置的设计

座椅空间位置设计就是为了达到操作

舒适性的目标，而进行驾驶座椅空间位置设计以确保驾驶员有良好的视野，同时对汽车转向盘、脚踏板等操作部件有恰当的操作要求距离，以达到操作舒适性的最终目的。

好的驾驶设计必须要保证驾驶员在连续几个小时操作的情况下，身体能够得到很好的支持。并且座椅必须有额外的空间，允

许驾驶员坐在座椅上的任一边或改变在座椅上的角度，以便暂时使他的肌肉放松。

确定驾驶座椅在车辆上的安装位置之前，必须先确定坐着的驾驶员与座椅结构的相对位置。美国汽车工程师协会SAE已将车辆驾驶座椅设计的参考点标准化，这个参考点称为座椅标志点，即SIP，其位置如图3-1所示。图3-1 人体H点与座椅标志点之间的关系 图3-2为轿车驾驶座椅的作业空间布置和尺寸推荐数据。

图3-3为载货汽车的驾驶座椅的作业空间布置和尺寸推荐数据。

图3-2 轿车驾驶座椅的推荐设计

图3-3 载货汽车的驾驶座椅的操作位置尺寸

4.汽车座椅的尺寸结构设计

座椅尺寸设计的合适与否，直接影响到驾驶员能否有一个舒适而稳定的坐姿和合适的操纵位置。4.1汽车座椅的主要尺寸

座椅尺寸设计主要参数包

括:椅面高度、宽度、深度、椅面倾角;靠背的高度、宽度和倾角。如图4-1所示：

图4-1 座椅尺寸设计主要参数

椅面高度A：为椅面前缘至驾驶员踵点的垂直距离。在设计时主要考虑到两点:椅

面过高会使大腿肌肉受压，椅面过低就会增加背部肌肉负荷。驾驶座椅的椅面高度应低些。

椅面宽度B :在空间允许的条件下，以宽为好。但对于汽车驾驶座椅来讲，驾驶员坐姿单一，不涉及变换姿势，通常设计应以满足最宽人体需要为准。

椅面深度C :指椅面前缘至靠背前面水平距离。其尺寸应满足:腰部得到靠背的支承;椅面前缘与小腿之间留有适当距离，以

保证大腿肌肉不受挤压，腿弯部分不受阻碍。

靠背高度D及宽度:靠背的高度和宽度与坐姿肩高和肩宽有关，对于汽车驾驶座椅靠背的高度应采取高靠背，最好加靠枕。

靠背倾角α:靠背倾角是指靠背与椅面水平方向的夹角。椅面倾角β :指椅面与水平之间的夹角。主要考虑到为了防止人体臀部向前滑动而是椅面前缘向后倾。此角不易过大，否则会增加大腿下平面与座垫前缘的压力，从而减少双脚着地的负荷，阻碍血液循环，引起身心疲劳。

通过以上座椅尺寸参数的确定，以保证驾驶员人体脊柱曲线更接近于正常生理脊柱曲线。舒适坐姿的各关节的角度应该满足图4-2中所示的要求角度。

图4-2 舒适坐姿的关节角度

4.2汽车座椅的结构设计

现代汽车座椅的机械结构主要由头枕、靠背、座垫、滑道等总成组成。4.2.1汽车座椅枕垫的设计 头枕是一种用以限制乘员头部相对于躯干向后移位的弹性装置，其作用是在发生碰撞时，减轻乘员颈椎可能受到的损伤。尤其是在汽车受到追尾碰撞时，可抑制乘员头部后倾，防止或减轻颈部损伤。如图4-3所示：

图4-3 汽车座椅的枕垫

4.2.2汽车座椅的靠背的设计

靠背的安全性设计应考虑靠背的强度、倾角、基本尺寸及其形状。靠背的强度设计不但应该在“追尾”等后部碰撞时给乘员提供良好的保护，而且也要考虑侧碰时对乘员的保护。而靠背倾角、基本尺寸及其形状对尾部碰撞的严重程度有很大影响。

依据靠背上体压分布不均匀原则，在座椅靠背设计时应保证有靠背两点支承即就

是人体背部和腰部的合理支承。汽车座椅设计时应提供形状和位置适宜的两点支承，第一支承部位位于人体第5 一 6胸椎之间的高度上，作为肩靠;第二支承设置在腰曲部位，作为腰靠。肩靠能减轻颈曲变形，腰靠能保证乘坐姿势下的近似于正常的腰弧曲线。如图4-4所示： 图4-4 汽车座椅的靠背 4.2.3汽车座椅座垫的设计 坐垫一般不会造成对乘员的直接冲击伤害，但坐垫的结构可以影响到乘员运动过程、约束力加到乘员身体上的方式及外部载荷(加速度、力等)的绝对值大小。坐垫深度设计的原则是在充分利用靠背的情况下，使臀部得到合理的支撑。坐垫深度不应该超过人的大腿长度。

为了保证座垫上合理的体压分布，座垫应坚实平坦。太软的椅子容易令使用者曲起身子，全身肌肉和骨骼受力不均，从而导致腰酸背痛的现象的产生。研究表明间：过于松软的椅面，使臀部与大腿的肌肉受压面积增大，不仅增加了躯干的不稳定性，而且不易改变坐姿，容易产生疲劳。如图4-5所示：

图4-5 汽车座椅的坐垫

5.驾驶座椅设计的安全性

座椅安全性设计的内容主要包括主动安全性和被动安全性。5.1坐椅主动安全性

主动安全性是指汽车驾驶座椅防止事故的能力。汽车驾驶座椅的主动安全性设计主要从减轻驾驶员的疲劳人手进行分析设

计，以满足主动安全性要求。主动安全性主要考虑合理的座椅尺寸设计、座垫上合理的体压分布、靠背上理的体压分布等为驾驶员提供一个舒适的作业环境，减轻驾驶员的疲劳，从而保证驾驶座椅主动安全性的设计要求。

5.2坐椅被动安全性

被动安全性是指事故发生时，保护乘员的能力。驾驶座椅作为安全部件，是汽车被动安全性设计的主要考虑部件之一。考虑提高驾驶员的人身安全性，汽车驾驶座椅被动安全性设计目 标为： ①在事故中要保证驾驶员处在自身的生存空间之内，并防止其他车载体进人到这个空间;②要保持驾驶员在事故发生时，保持一定的姿态，以使其他的约束系统能充分发挥其保护效能；③在事故中，使得事故后果对驾驶员的伤害降低到最小限度。5.3安全措施

目前采取的主要安全措施：提高座椅骨架强度，达到汽车驾驶座椅强度的要求值；

设置座椅安全带，使在紧急制动或正面撞车时不致将驾驶员碰伤；达到一定的阻燃要求，坐垫和靠背材料应达到汽车内饰材料燃烧特性技术要求的规定。

现在越来越多的汽车座椅都开始利用人机工程学的知识及其研究成果进行设计了。只有从人机工程学的角度出发，进行汽车驾驶座椅的设计，才能使驾驶座椅具有良好坐姿舒适性、振动舒适性、操作舒适性及安全性。

参考文献：

【1】周一鸣，毛恩荣.《车辆人机工程学》，北京理工大学出版社，1999.【2】丁玉兰.《人机工程学》，北京理工大学出版社，2004.【3】许 英，杨宏刚.汽车驾驶座椅的人机工程学设计，机电产品开发与创新，第21卷第1期.【4】朕 勋.汽车座椅的舒适性评价，汽车科技1995（6）.【5】安田滋.车辆用座椅舒适度评价，国外铁道车辆，1995年第一期.【6】穆春虹，孔姗姗.车辆驾驶座椅的人机工程学设计，科技论坛，第15卷第2期.【7】冯飞燕，侯俊杰.基于人机工程学的抗疲劳汽车座椅设计，机械管理开发，第25卷第3期，2010（6）.

第四篇：RMRS在稠油超稠油开发中的应用

旋转磁场测距导向系统在稠油/超稠油开发中的应用

摘要：在稠油/超稠油开发中，SAGD双水平井对采收率的贡献最大，但是仅SAGD依靠双水平井井型具有一定的限制，而双水平井加连通井的方案为浅层稠油/超稠油（特别是浅层稠油/超稠油）开发提供了新的技术途径。旋转磁场测距导向系统是在20世纪90年代发展起来的邻井距离探测新技术，可以直接探测钻头到目标井的距离和方位，可用于SAGD双水平井和连通井的井眼轨迹控制，而且旋转磁场测距导向系统在双水平井加连通井方案的施工中具有明显的技术优势。因此，旋转磁场测距导向系统在稠油/超稠油（特别是浅层稠油/超稠油）开发中具有广阔的应用前景。

关键词：旋转磁场测距导向系统；SAGD；双水平井；连通井；浅层

RMRS Application in Heavy Oil / Ultra-heavy Oil Reservoirs

Developments

SUN Dongkui, GAO Deli, DIAO Binbin(Key Laboratory for Petroleum Engineering of the Ministry of Education, China University of Petroleum，Beijing 102249, China)

Abstract: In heavy oil / ultra-heavy oil reservoirs developments, twin parallel horizontal SAGD wells play the most important role in enhancing oil recovery, but the twin parallel horizontal SAGD wells technology also has some disadvantages.However, the combination of the twin parallel horizontal SAGD wells technology and the connected well technology offered the new way for developing heavy oil / ultra-heavy oil reservoirs(especially shallow heavy oil / ultra-heavy oil reservoirs).RMRS, which is a new technology for detecting adjacent well distance and developed in 1990s, can be utilized to detect the distance and direction from drilling bit to target well and can be used in the well path control of twin parallel horizontal wells and connected wells.Moreover, RMRS enjoys obvious advantages in the project of combining twin parallel horizontal wells and connected wells.RMRS, therefore, has broad application prospects in heavy oil / ultra-heavy oil reservoirs(especially shallow heavy oil / ultra-heavy oil reservoirs)developments.Key Words: RMRS;SAGD;twin parallel horizontal wells;connected wells;shallow layer

稠油是世界经济发展的重要资源，其储量约有4000亿~6000亿立方米。我国也有着丰富的稠油资源，据不完全统计，在我国新增储量中稠油、低渗透、小断块等复杂油气藏所占比例在90%以上。随着我国对稠油开发力度的不断增加，SAGD（蒸汽辅助重力泄油）技术作为一项开发稠油/超稠油油藏的前沿技术，正在我国得到推广应用。目前，SAGD技术主要分为以下四种井组类型：①直井井组联采；②丛式井/斜直水平井联合开采；③U型井联采，直井火烧油层，水平井采油；④双水平井联采，上注下采。其中以双水平井联采方式对采收率的贡献最大。为了保证SAGD双水平井技术的成功，钻井时保持SAGD两水平井水平段平行、间距误差不得超过±1.0m和注入井位于生产井正上方是其中的关键环节之一。为了满足现场需求，国外研发了旋转磁场测距导向系统（RMRS）和磁导向工具（MGT），并得到了广泛应用的研究[12-13][2-11][2]

[1]。为了打破国外对该类技术的垄断，我国目前也正大力开展这类技术。RMRS的组成

RMRS主要由磁短节、探管和信号采集与数据分析软件组成，如图1所示。磁短节是由无磁钻铤以及若干永磁体等组成的一个短节，永磁体轴向相对磁短节轴向垂直放置，这个短节紧跟在钻头的后面，随着钻头旋转，可以在周围空间产生一个交变磁场，是RMRS的信号源。探管主要由三部分组成：传感器组件（三轴交变磁场传感器、三轴加速度传感器、三轴磁通门传感器和温度传感器）、电路及无磁外壳，其外径约为44.5mm、长度约为1.4m，放于已钻井中。探管不仅可以探测地磁场和重力场，以确定探管自身的摆放姿态，而且可以探测由磁短节产生的交变磁场，并将探测数据传输到地面计算机中。安装在计算机中的信号采集与数据分析软件可以对测量信息进行处理与分析，将钻头相对目标井的位置测量信息转化为工程师可读的数据。

图1 RMRS的主要组成部分 RMRS的技术规范与优势

目前，用于SAGD双水平井间距探测的工具有RMRS和MGT，它们的技术规范如表1所示。RMRS和MGT都可以直接探测钻头到目标井的距离和方位，不会产生传统测斜工具的累积误差。虽然，在国外有95%的SAGD双水平都采用了MGT来控制注入井与生产井的间距，而且MGT相比RMRS主要还具有以下技术优势：①应用电磁引导工具可以很方便

[6]地探测正钻井水平段任意一点到已钻井水平段的间距；②电磁引导工具探测数据量小，更容易与电磁传输技术相结合；③需要重复测量时，电磁引导工具更为方便；④如果SAGD双水平井需要重钻时，电磁引导工具可以在注过蒸汽的地层正常工作。但是，RMRS也有以下MGT无法取代的技术优势：①RMRS磁短节直接与钻头相接，而MGT探测磁信号的工具距钻头在10米以上，因此RMRS的测量结果更精确反映钻头相对已钻井的位置；②RMRS测量过程中无需停钻，节省了综合钻井时间；③RMRS不仅可以探测两口平行水平井的间距和方位，而且可以探测钻头到靶点的距离和方位（即RMRS不仅可以用于SAGD双水平井井眼轨迹控制，而且可以用于连通井的井眼轨迹控制）。

表1 RMRS和MGT的技术规范

工具外径 长度 适用井眼尺寸 极限工作温度 最大工作压力 5m~15m的测量精度 15m~25m的测量精度 25m以上的测量精度

最大测量距离

RMRS 1.75 in 4.9 m —— 140℃ 15000 PSI 2%~4% 5% 超出测量范围 m

MGT 2 in 2.5 m 3-7/8 in 以上

85℃ 15000 PSI 5% 5% 5% 80 m 由RMRS和MGT的技术规范和技术优势可知：在稠油/超稠油的开发中，如果仅用SAGD双水平井，那么邻井距离探测工具可选RMRS或MGT，但是如果用双水平井和连通井的组合井型来开采稠油/超稠油，显然使用RMRS是最佳的选择。当然也可以在双水平井中用MGT进行井眼轨迹控制，而在连通井中用RMRS进行轨迹控制，但是租用两套工具显然增加了钻井成本。在我国的稠油/超稠油开发中，仅依靠双水平井具有一定的限制，特别是在浅层稠油/超稠油开发中，由于水平井井眼曲率过大导致的采油泵下入困难以及沉没度不够等一些列问题，采用双水平井和连通井的组合井型可以很好的解决这些问题，也为稠油/超稠油的开发提供了新的技术途径。因此，RMRS在稠油/超稠油（特别是浅层稠油/超稠油）开发中具有广阔的应用前景。RMRS在SAGD双水平井中的工作原理[5]

图2 RMRS在SAGD双水平井中的工作示意图

图3 RMRS探测的三轴磁场强度

RMRS与MGT相比，磁源和磁信号探测器的位置进行了对调，RMRS在SAGD双水平井中的工作示意图，如图2所示。检测RMRS信号的探管放置在已钻井中，随着钻头和磁短节开始旋转钻进，探管实时记录下由旋转磁短节产生的三轴变化磁场强度，如图3所示。当旋转磁短节经过探管时，磁场强度轴向分量（Hz）的振幅经历一个最小值和两个最大值。两个轴向磁场强度分量振幅最大值间的距离等于正钻井到已钻井的间距。两个振幅最大值的相对大小也是正钻井钻向已钻井或钻离已钻井的指示器。当前一时刻轴向磁场强度分量振幅最大值大于后一时刻的振幅最大值，那么表明钻头钻离已钻井；反之，当前一时刻轴向磁场强度分量振幅最大值小于后一时刻的振幅最大值，那么表明钻头钻向已钻井。理想测距结果的获得需要测得包含两个完整振幅最大值的数据。例如：为了获得理想的测距结果，如果两井在设计时相距5米，那么磁短节周围7~8米区域的信号都需要获得。虽然用信号处理的技术对短信号进行处理也可以得到两井间距，但是这会降低测量精度。

探管探测的磁场强度径向分量（Hx和Hy）的幅值远小于磁场强度轴向分量（Hz），这是因为磁场强度径向分量穿过生产井中的套管或油管时会快速衰减，但是磁场强度径向分量可以用来确定注入井相对生产井的方位。4 RMRS在连通井中的工作原理[7-8]

图4 RMRS在连通井中的工作示意图

RMRS可以直接探测钻头到连通点的距离和方位，是引导一口水平井与一口洞穴井连通的前沿技术。目前，在我国煤层气连通井钻井中RMRS已得到了广泛用。RMRS在连通井中的工作原理：RMRS的最测距范围为80m，有效测距范围为50m，因此RMRS适用于水平井最后50m的导向钻进，垂直井的钻进和水平井前期钻进工作均保持不变。连通过程中首先在直井中下入探管，在钻头后直接连接一个磁短节。连通前首先将两口井所测的测斜数据输入到地面计算软件中，初始化坐标系。当钻头进入到探管的测量范围后，探管不断地探测由磁短节产生的三轴交变磁场，并将数据传输到地面计算机。计算机中的计算软件结合探管探测三轴交变磁场强度和两口井的测斜数据进行分析计算，可得到钻头与洞穴的距离及方位偏差。根据计算结果调整工具面，可以及时地将正钻井井眼方向纠正至洞穴中心的位置。当钻头距洞穴5米左右时，RMRS不能正常工作，需要根据防碰原理和邻井距离扫描计算，利用专用的轨迹计算软件进行法面距离扫描和最近距离扫描，判断水平井与洞穴中心的距离，并结合井眼轨迹三维视图上分析轨迹每接近洞穴一步的变化趋势，以达到连通的目的。现场应用分析

某油田超稠油资源十分丰富，利用直井和水平井热采开发采收率不理想。2008年，该油田进行了多口SAGD双水平井钻井试验，采收率得了显著提升。X-IP井组是其中的一组试验井，X-P井（生产井）应用传统的MWD进行井眼轨迹控制施工；X-I井（注入井）未进入水平段以前，也MWD进行井眼轨迹控制施工，进入水平段以后，采用RMRS进行井眼轨迹控制钻进。X-IP井组要求两井水平段间距为5m，轨迹距靶心垂向误差不超过±1.0m，平面上水平段轨迹距靶心误差不超过±2.0m。

X-IP井组井眼轨迹的三维视图，如图5所示。由图可知，X-I井和X-P井的井眼轨迹走向基本一致，两口井的水平段基本平行。以X-I井为参考井，X-P井为比较井，进行最近距离扫描，可得最近距离扫描图（如图6所示）和最近距离随参考井井深的变化关系图（如图7所示）。由图6和图7可知，X-I井水平段基本位于X-P井正上方，两口井水平段的最大间距为5.89m，误差0.89m；最小间距为4.65m，误差0.35m；平均间距为5.27m，误差0.27m。因此，X-IP井组井眼轨迹控制精度完全达到了设计精度要求。

随后，该油田设计了几组试验井，由于某组双水平井的曲率过大，导致采油泵下入困难以及沉没度不够等一些列问题。为了解决这些问题，该油田采用于SAGD双水平井加连通井的方案（即下方的生产井与邻近的一口直井连通），利用直井采油，从而简化了有杆泵举升工艺。利用RMRS该油田很好完成了SAGD双水平井加连通井方案的施工，如图8所示。

图5 X-IP井组井眼轨迹三维视图

图6最近距离扫描图

图7 最近距离随参考井井深的变化关系

图8 某井组垂直剖面图 结 论

（1）RMRS可以直接探测钻头到目标井的距离和方位，随着井深的增加不会产生累积误差，可用于SAGD双水平井和连通井的井眼轨迹控制中。

（2）在稠油/超稠油（特别是浅层稠油/超稠油）开发中，SAGD双水平井对采收率的贡献最大，但是仅依靠双水平井井型具有一定的限制，而双水平井加连通井的方案为浅层稠油/超稠油开发提供了新的技术途径，开拓了思路。

（3）在双水平井加连通井方案的施工中，可以只用RMRS一种工具完成双水平井水段和水平井与直井连通的井眼轨迹探测，这是MGT等工具没有的技术优势。因此，RMRS在稠油/超稠油（特别是浅层稠油/超稠油）开发中具有广阔的应用前景。

参考文献

[1] Prat C K.A Magnetostatic Well Tracking Technique for Drilling of Horizontal ParallelWells[C].SPE 28319, 1994.[2] 杨明合, 夏宏南, 屈胜元, 等.磁导向技术在SAGD双水平井轨迹精细控制中的应用[J].钻采工艺, 2010, 33(3): 12-14.YANG Minghe, XI Hongnan, QU Shengli, et al.MGT system applied to accuracy well tracks controlling in SAGD horizontal twin wells[J].Drilling & Production Technology, 2010, 33(3): 12-14.[3] KUCKES, A.F., HAY, R.T., MCMAHON J.et al.New electromagnetic surveying/ranging method for drilling parallel horizontal twin wells [R].SPE 27466, 1996: 323-333.[4] MALLARY C R, WILLIAMSON H S, PITZER R, et al.Collision avoidance using a single wire magnetic ranging technique at Milne point, Alaska [R].SPE 39389, 1998: 813-818.[5] TRACY L ,GRILLS P.Magnetic ranging technologies for drilling steam assisted gravity drainage well pairs and unique well geometries—a comparison of technologies [R].SPE 79005, 2002: 1-8.[6] B.Vandal, T.Grills, G.Wilson.A Comprehensive Comparison Between the Magnetic Guidence Tool and the Rotating Magnet Ranging Service, in Canadian International Pretroleum Conference.2004, Pretroleum Society of Canada: Calgary, Alberta.[7] 胡汉月, 陈庆寿.RMRS在水平井钻进中靶作业中的应用[J].地质与勘探, 2008, 44(6): 89-92.Hu Hanyue, Chen Qingshou.RMRS application on target-hitting of horizontal drilling[J].Geology and Prospecting, 2008, 44(6): 89-92.[8] 易 铭.水平连通井技术在内蒙古乌兰察布气化采煤工程中的应用[J].中国煤炭地质, 2009, 21: 40-43.Yi Ming.Application of horizontal connected well technology in coal gasifying extraction in Ulanqab, inner mongolia[J].Coal Geology of China, 2009, 21: 40-43.[9] 乔 磊, 申瑞臣, 黄洪春等.煤层气多分支水平井钻井工艺研究[J].石油学报, 2007, 28(3), 112-115.Qiao Lei, Shen Ruichen, Huang Hongchun, et al.Drilling technology of multi-branch horizontal well[J].Acta Petrolei Sinica, 2007, 28(3): 112-115.[10] 龚志敏, 段乃中.岚M1-1煤层气多分支水平井充气钻井技术[J].石油钻采工艺, 2006, 28(1): 15-18.Gong Zhimin, Duan Naizhong.Technology of drilling mixed with gas for Lan M1-1 coalbed gas multi-branch horizontal well[J].Oil Drilling & Production Technology, 2006, 28(1): 15-18.[11] 乔 磊, 申瑞臣, 黄洪春, 等.武M1-1煤层气多分支水平井钻井工艺初探[J].煤田地质与勘探, 2007, 35(1): 34-36.Qiao Lei, Shen Ruichen, Huang Hongchun, et al.A preliminary study on drilling technique of Wu M1-1CBM multi-branched horizontal well[J].Coal Geology & Exploration, 2007, 35(1): 34-36.[12] 王德桂, 高德利.管柱形磁源空间磁场矢量引导系统研究[J].石油学报, 2008, 29(4): 608-611.WANG De-gui, GAO De-li.Study of magnetic vector guide system in tubular magnet source space [J].Acta Petrolei Sinica, 2008, 29(4): 608-611.[13] 闫永维, 高德利, 吴志永.煤层气连通井引导技术研究[J].石油钻采工艺, 2010, 32(2): 23-25.YAN Yong-wei, GAO De-li, WU Zhi-yong.Study on guidance technology for coal-bed methane connected wells [J].Oil Drilling & Production Technology, 2010, 32(2): 23-25.

第五篇：B超在奶牛繁育中的应用

B超在奶牛繁育中的应用

B超是超声波影像诊断技术之一，是利用超声波的物理学特性和动物体组织结构的声学特点而建立的一种物理学检查方法，能够准确地探测机体不同组织器官。这项技术在家畜繁殖学中的应用始于20世纪80年代，其最大优点在于它的非损伤性。即可在未损伤动物繁殖性能的情况下重复检查动物生殖道。这使其在奶牛繁殖领域中成为一种出色的临床诊断和研究手段，并已经为许多利用其他方式无法解决的有关牛生殖周期及其失调的问题提供了答案。还可将超声波用于妊娠诊断、观测卵巢及子宫变化、胎儿及胎膜发育、胎儿性别及胚胎早期死亡等。展示了超声波技术在动物繁殖领域中的良好应用前景。B超诊断技术的基本原理及技术要求

1.1 基本原理

超声波影像诊断主要采用B型实时超声扫描仪，即辉度调制型诊断仪。它通过脉冲电流引起超声探头同时发射多束超声波，在一个断面上进行探测，并利用声波的反射，经探头转换为脉冲电流信号，在显示屏上形成明暗亮度不同的光点来显示被探查部位的一个切面断层图像。由于机体各种组织的声阻值不同，从而表现出声波反射的强度差异。当探测到无反射（液体）和强活、反射（致密组织）时，分别显示黑色和白色。

1.2 技术要求

B超扫描法在奶牛中的应用包括体外探查法、阴道探查法和直肠探查法。三者都未见感染现象。对直肠探查而言，扫描仪应处于可感距离内，并处于操作者未伸人直肠的手臂一侧。在探查过程中用手将短小的直肠探头带人直肠内隔着直肠壁将探头晶片面紧贴在子宫或卵巢上方进行探查。应搞好预防工作，在插入探头前应排空直肠内的所有粪便，并用润滑剂润滑探头。在阴道探查法中，应将探头缓慢送人阴道，使探头达阴道穹隆下部，然后上下、左右适当调整探头角度，以便清晰观察卵巢及子宫。

在探查过程中，外周光是必不可少的。在光亮环境中进行探查时，应用布罩住显示屏以产生有效的灰影效果。B超诊断技术在奶牛繁殖中的应用

2.1 检测奶牛的正常卵巢发育

2.1.1 卵泡 对确定和测量奶牛卵泡而言，直肠超声扫描为一种有效方法。奶牛有腔卵泡为无反射结构，可根据其血管的伸展特征而加以区别。卵泡超声影像显示牛卵泡是以一种明晰的、非常规则的模式发育的。每个卵泡波由同时出现的一系列5mm或更大的卵泡组成，几天内会出现优势卵泡。在青年母牛的每个发情周期中存在2～3个卵泡波。

优势卵泡具有生长期和静止期，约持续5～6天。第一波的优势卵泡保持4～5天优势，至发情周期的11～12天时丧失优势并退化，约持续5～7天。同时第二波发生，选择出其优势卵泡并发育至排卵。然而在三波周期中，第二波被第三波所替，并有第三个优势卵泡的排卵发生。据认为，优势卵泡保持形态优势（两卵巢中最大卵泡）比保持功能优势（抑制其他卵泡生长）的时间更长。

据报道，优势卵泡对超排有负面影响。因此，在超排前应考虑卵泡状态。用FSH处理青年母牛后，超排反应和胚胎回收率降低也许是由于在超排处理前大量7～10mm或大于10mm卵泡存在的缘故。这抑制了在超排处理期2～3mm卵泡的发生。利用超声波研究证明，在青年母牛和成年母牛妊娠的头60～70天内卵泡发育状态同未妊娠时一样。在妊娠青年牛中，连续的周期性非排卵性卵泡的出现同连续的孕酮分泌相对应。

2.1.2 排卵 对8头青年母牛的卵巢进行发情前后的超声波扫描，如在前一次检查中存在成熟卵泡而第二次检查时消失，则为排卵发生。随后在同一点处有黄体发育。有报道称，为探测排卵可每隔2小时或4小时检查一次。

2.1.3 黄体 在排卵后第3天便可利用超声波确定黄体的存在。发育黄体的超声影像为不规则灰黑结构，其反射点都在卵巢内。而中期黄体是规则的颗粒状黑色结构，并可见分界线。在退化黄体中分界线不明显。有腔黄体主要分布于无反射区，并被灰色黄体结构所包围。这些腔体的形态随黄体而变化，是一种正常的状态。

利用超声波与解剖方式检查中期黄体的灵敏度都可达85%，而用超声测得的黄体大小同RIA测得的牛乳中孕酮浓度间相关系数为0.68（非退化期）。故可用对黄体的超声扫描代替测定血浆PA浓度来确定黄体状态。但黄体退化期除外。

2.2早期妊娠诊断

应用直肠超声扫描可对奶牛早期胚胎进行仔细观察，并根据其不同时期的图像特征作出准确妊娠诊断，而且对母体与胎体均不会造成损伤。一般而言，应用5.0MHz或7.5MHz探头效果较好。

对奶牛胚胎及胎儿的超声探测表明配种后12～14天子宫腔内出现不连续无反射小区，即为聚有液体的胚泡;以后胚泡逐渐增大，至20天时，胚泡结构中出现短直线状的胚体;22天时，可探测到胚体心跳;22～30天时，胚体呈C形。

2.3 确定胎儿性别

根据胎儿性别的形态学差异，可利用超声波确定胎儿性别。具体说，可根据胎儿的生殖结节或阴囊与乳房进行性别判定。

在胎儿分化过程中，生殖结节在雄性中由后腿间起始部位移向脐带，在雌性则移向尾部。鉴别时应仔细探查脐、后腿及尾区，确认头、搏动的心脏、脐带等标记部位。最佳鉴别时间为妊娠后50～60天。鉴别可在生产条件下进行，然而需要相当丰富的经验。

2.4 胚胎学超声影像

超声波可被用来估计胎龄，监测胎儿生长及诊断妊娠失调等。胎儿各部分如眼球、胃、肋骨等都可被探测到。为确定各器官发育情况应调整探头位置以获得最大扫描断层。还可根据胎龄计算出各组织生长相关系数。总之，可根据胎儿各器官大小判定胎龄及其生长发育程度，并据此准确预报产期以利于生产管理。

2.5 产后子宫的超声影像

产后子宫超声影像显示：在子宫复旧完成时，子宫大小及内膜厚度均减小至固定大小。在产后28～40天时，子宫复旧完成。完成子宫复旧的时间有所差异，这主要是由于样本大小，胎次及管理水平等因素造成。而分娩时难产也会造成子宫复旧的延迟。可见超声影像是监测子宫复旧的有效途径。

2.6 异常生殖器官的诊断

2.6.1 卵巢囊肿 卵巢囊肿是导致不育的重要原因，可将其分为卵泡囊肿和黄体囊肿。很有必要区分二者以确定处理方法。超声波影像是一种很好的区分手段，超声影像显示卵泡囊肿是一种均一的无反射结构，直径大于25mm，膜厚小于3mm。而黄体囊肿的无反射结构直径大于25mm，在黄体腔或沿内膜处有灰色斑点，膜厚大于3mm，同时也应注意区分黄体囊肿与有腔黄体，因后者是非病理性的。可根据大小，腔体形状，膜厚和内部区域反射特性而区别二者。通常有腔黄体小于3mm，膜厚约为5～10mm，外形为卵形，腔体形状为圆形或卵形，充满液体的腔体呈均一化，几乎无反射。而黄体囊肿则经常可见反射。

2.6.2 治疗后的卵巢囊肿 超声波可被用来快速有效地检查卵巢囊肿的治疗效果。在用

GnRH处理过的牛囊肿卵泡中，超声影像发生变化，囊泡均一性无反射结构模糊化，囊泡壁黄体化，囊泡变小，在囊肿卵巢或对侧卵巢出现1～4个黄体，并偶有超排发生。

用孕酮阴道海棉栓或GnRH处理卵巢囊肿，并不会立即生效，但会导致发情和排卵。黄体也会随之出现。用PG处理黄体囊肿会在2～4天内显著减小囊泡大小，并在1周内出现新黄体。

2.6.3 子宫异常 能用超声波确诊的子宫异常包括子宫内膜炎、子宫化脓、胚胎流失及胎儿干尸化等。对子宫内膜炎的超声影像而言，其腔体扩展，腔体内不同程度的含有分散的小碎块状半反射结构。其反射程度取决于子宫内液体组成。当子宫内容物很稠，充满白细胞及纤维碎片时，其反射特性类似于子宫壁。对于胚胎流失，子宫壁变厚，胎儿骨骼在无反射的胎水中呈伸展状，可产生反射。胎儿干尸化中，胎儿呈团块状，完全缺乏胎水。

2.7 卵泡穿刺

利用超声波引导经阴道穿刺卵泡而取卵并经体外培养，是获取卵子的一种有效方法。优秀供体牛的繁殖潜力会因此而极大地提高。已经证明，用此方法在青年母牛中每周取卵1～2次，并不影响随后的超排效果、胚胎回收率及发情。即此方法可在发情周期和妊娠牛的不同时期安全地重复使用。此外，超声波引导卵泡穿刺还可用来收集卵泡液以进行激素研究。

2.8 超声波引导羊膜和尿膜穿刺

胎膜穿刺可被用来获取胎水以进行妊娠研究。胎膜穿刺的特殊目的包括：各时期胎儿生化成份变化的相关性研究，通过细胞学分析确定胎儿性别，获取胚胎细胞等。

穿刺过程中，通过直肠将妊娠子宫紧靠导液针。导液针安装于超声探头上并经阴道插入胎膜。但由于粗暴操作和细菌感染会导致胎儿死亡，这极大地限制了该技术的应用。然而，这种技术仍有其诱人的应用前景，因为可通过改善导液针而克服其缺陷。

2.9 公牛生殖系统的检查

可运用超声波探查公牛生殖系统。正常睾丸具中等反射能力，结构均一。附睾头和尾较易确认，但附睾体和输精管较难确认。用超声波所测得的睾丸大小同睾丸周长、重量、体积有关，而同阴囊周长无关。用5.0MHz探头对丸进行3分钟扫描并不会对其造成损伤。

卡尺与超声波都可被用来测量睾丸长度与宽度。然而，卡尺使用更方便，所测长度更准

确，故仅在测量睾丸长度时最好使用卡尺。

直肠超声探查法可用来检查副性腺，以确定各副性腺解剖关系及器官大小。据研究，发生精囊炎时腺体变大，失去正常小叶状结构，在具强反射能力的分泌腺实质中，出现明亮的纤维组织。超声影像在公牛中的应用还很多，但目前研究较少。问题与不足

B超在奶牛繁殖领域用途广泛，然而由于若干因素的影响使其在国内的发展受到限制。这首先表现为在牛繁殖中经常应用直肠探查法和阴道探查法。但在探查过程中这两者均需直肠把握，过程较繁琐。而体外探测虽克服了这一缺陷，但存在图像不清、分辨率较低的问题。因此，推广此技术的关键还在于设法提高体外探测的准确性，使之达95%以上。其次，探查中多根据探测者的经验确定结果，主观性较大。所以为提高探测效率还必须配有标准图样，以便对照。但国内尚未开展此项工作。再次，设备昂贵，一般单位难以承受。这限制了B超的推广和应用。结语

利用超声影像可在生产条件下以一种非损伤性方式监测奶牛的生殖系统，提高繁殖效率。此外，超声影像技术在育种工作中也具有重要利用价值。它的应用已使发达国家的养牛业取得较大的经济效益。然而在国内尚缺乏此方面的系统报道。今后有关科研及生产单位应投入力量加强此方面的研究，以使我国养牛业能取得更大的经济效益，促进国民经济快速发展。