基于人機工程學(xué)的挖掘機駕駛室舒適性優(yōu)化研究

賴李李

（臺州學(xué)院 機械工程學(xué)院，浙江 臺州 318000）

1 引言

挖掘機是一種多用途土石方施工機械，主要進行土石方挖掘、裝載,土地平整、修坡等作業(yè)，所以在公路、鐵路等道路施工，橋梁建設(shè)等方面得到了廣泛應(yīng)用。挖掘機工作環(huán)境惡劣，工作時間長，工況惡劣，強度高，對操作手抗疲勞能力有極高要求。而挖掘機駕駛室舒適性能將直接影響駕駛舒適性，舒適作業(yè)能極大地降低操作手的疲勞感，因此設(shè)計符合舒適性要求的駕駛室對提高挖掘機作業(yè)安全性能及保證作業(yè)高效率有重要意義。

本文主要針對挖掘機操作者挖土作業(yè)時手握操作手柄坐于座椅上，左手操作動作手柄（左回轉(zhuǎn)、右回轉(zhuǎn)、伸斗桿、收斗桿）,右手操作動作手柄（升動臂、降動臂、收鏟斗、放鏟斗）。左右腳分別控制行走踏板這些動作及相關(guān)部件進行人機工程學(xué)研究與分析。其中，左手柄向下為右回轉(zhuǎn)，向上為左回轉(zhuǎn)，向左為伸斗桿，向右為收斗桿。右手柄向下為降動臂，向上為升動臂，向左為收鏟斗，向右為放鏟斗。

2 挖掘機駕駛室舒適性設(shè)計及評價

2.1 挖掘機駕駛室的空間設(shè)計

工程機械的空間設(shè)計主要包括規(guī)定外形尺寸、室內(nèi)空間（長、寬、高）和駕駛員頭部空間及腳部空間。駕駛室的橫向造型和前部造型要與工程機械工作裝置的橫向尺寸、工作裝置的最高位置和最低位置，即工作特點相適應(yīng)。對于挖掘機，要求駕駛室前視野和左右視野都開闊，以便操作者能方便地觀察到工作裝置的作業(yè)狀態(tài)［2］。所以駕駛室的前部造型，一般多做成由三個平面梯形組成的塔形空間或弧形空間。車門的大小便于人員出入為準，一般設(shè)計的寬度在0.5～1.1米之間。

挖掘機駕駛室基本尺寸的確定，需了解它的使用范圍和人體各部位的尺寸范圍。駕駛室內(nèi)部空間尺寸、風(fēng)窗上端位置等的確定，可使用GB/T 8420-2000給出的高大身材司機坐姿的身材尺寸數(shù)據(jù)。此外，所設(shè)計的駕駛室內(nèi)部空間不小于GB/T 8420-2000對司機室司機最小活動空間的規(guī)定。穿工作服的坐姿司機最小活動空間如圖1和表1所示。駕駛室的內(nèi)部高度最好能使人體第95百分位的男性駕駛員立起來時不碰到頭，至少應(yīng)使司機挺直坐在高度調(diào)節(jié)到最高位置時，距底板500mm左右，頭頂離頂棚內(nèi)表面還有50～100mm間距。加上坐姿狀態(tài)下操作者高度，初步確定挖掘機駕駛室高度為180mm，頂棚的前部開設(shè)天窗，供觀察鏟斗在最高位置時的情況。所以，初步設(shè)計的駕駛室外形尺寸如下圖2所示。

圖1 司機室最小活動空間Fig.1 The minimum activity space of driver room

表1 司機室最小活動空間要求Table.1 The minimum activity space requirements of driver room

圖2 挖掘機駕駛室外形尺寸Fig.2 Cab dimensions of excavator

2.2 挖掘機座椅的設(shè)計及舒適性評價

挖掘機在作業(yè)過程中多采取坐姿，這時座椅的設(shè)計則相當重要，考慮的因素也是多方面的。需要考慮在坐姿下能獲得良好的視野，手能夠方便自如地操作手柄，腳能夠方便舒適地控制踏板，轉(zhuǎn)向裝置等。通常將座椅的高度與前后方向的位置設(shè)計成可調(diào)式，這樣就可以滿足不同身高尺寸的要求。這就需要兩個設(shè)計限值來確定座椅高低與前后調(diào)節(jié)的范圍?？梢岳玫?5、5百分位尺寸數(shù)據(jù)確定座椅高低與前后調(diào)節(jié)的范圍［3］，如下表 2 所示。

表2 我國成年人體部分尺寸/mmTable.2 China’s adult body size/mm

座椅的主要幾何參數(shù)有:座高、座面深、座面寬、座靠背、扶手等。

（1）座高。座高為座面至地面的垂直距離。小腿高于座面為的是能使下肢著力于整個腳掌，并有利于兩腳前后移動，一般情況下，座高45cm比較適合我國的人體尺寸［4］。

（2）座面深。座面深即座面的前后距離。座面深應(yīng)保證臀部得到全部支承。其深度一般相當于臀部至大腿全長的3/4，我國多為43cm左右。座面要光滑平整，前緣不應(yīng)有棱角，座面可略向后傾斜7°左右。

（3）座寬。座寬即座面的左右距離。座寬要滿足臀部的橫寬所需要的尺寸，使人能自如地調(diào)節(jié)就坐的姿態(tài)。一般座寬50cm左右即可符合要求。

（4）座靠背。座背分為肩靠、腰靠，以及頭枕。肩靠高度應(yīng)達到肩胛下角位置，腰靠的高度應(yīng)適合脊柱彎曲和腰曲彎度，兩靠背連在一起，一般多在50cm左右。頭枕支承頭部向后仰，減輕頸部肌肉受力，其離座面高度70cm左右［5］。所以座靠背整體高度為85cm左右［4］。座面與靠背夾角是保證得到舒適姿勢的必要條件，座面與靠背的夾角多為 115°左右，調(diào)節(jié)靠背一般在 95°～135°［5］。

（6）扶手。短而低的扶手提供可靠的側(cè)向支承，同時可減輕兩臂的疲勞。根據(jù)人體尺寸，扶手上表面至坐面的垂直距離為200～250mm。

（5）座墊和靠墊設(shè)計。人體重量的75%左右由約25cm2的坐骨周圍的部位來支承，久坐容易產(chǎn)生壓力疲勞。因此，座墊和靠墊應(yīng)充填柔軟適度的填料。蒙皮材料不僅要求耐磨、耐臟和耐潮濕，而且還要透氣性好［6］。

根據(jù)GB/T100001988數(shù)據(jù)，最終確定如下表3所示的挖掘機基本尺寸參數(shù)。其外形尺寸簡圖如下圖3所示。

表3 挖掘機座椅基本參數(shù)推薦值Table.3 The recommended values for basic parameters of excavator seat

圖3 座椅外形尺寸簡圖Fig.3 Seat size diagram

2.3 挖掘機操作手柄的布置及舒適性評價

操縱手柄應(yīng)優(yōu)先布置在人的手或腳活動最靈敏、辨別力最好、反應(yīng)最快、用力最強的空間范圍和合適的方位上。當這些空間范圍不夠時，則按操縱手柄的重要性和使用頻率依次布置在較好或次要的位置上。操作者的手和腳的活動范圍的可達區(qū)域，可查閱 GB/T 13547-92［4］和 GB/T 14776-93［7］。

在坐姿下，水平方向上方便地移動手臂所形成的軌跡（覆蓋的范圍）如下圖4所示。根據(jù)圖中所示，人正常坐姿時手部活動的舒適范圍為分別以左右肩為中心，半徑在390mm范圍內(nèi)的半圓區(qū)域內(nèi)［8］。所以挖掘機操作手柄中心應(yīng)在手部活動的舒適范圍內(nèi)。同時，考慮到手柄操作為高頻率動作，往右扳動手柄時前臂若頻繁往上翻將會使前臂肌肉酸麻，所以應(yīng)盡量避免。同時，操縱器需在人眼的視野范圍內(nèi)，只有同時在手的活動區(qū)域與眼的視野范圍內(nèi)（圖5），才能方便地操縱。因此，挖掘機操縱手柄的控制宜布置在如圖5所示的陰影范圍內(nèi)。

圖4 坐姿下水平作業(yè)范圍Fig.4 Scope of horizontal operations under seated position

圖5 手眼的協(xié)調(diào)區(qū)Fig.5 Coordination areas of hands and eyes

2.4 挖掘機行走踏板的布置及舒適性評價

挖掘機行走踏板的布置除了需在手眼協(xié)調(diào)區(qū)之內(nèi)，還要考慮到它們相對于座椅的安裝位置。當操作者處于舒適狀態(tài)下操作，其坐姿的關(guān)節(jié)角度如下圖6所示。操作者進行腳部操作時，大腿與小腿的角度范圍為 90°～110°，以 110°為最優(yōu)，腳部與踏板的角度范圍為 85°～95°，以 90°為最優(yōu)［9］。

圖6 舒適坐姿的關(guān)節(jié)角度Fig.6 The joint angle in comfortable sitting posture

考慮到挖掘機操作手需要長時間的進行腳部操作，容易造成腳部疲勞，故需考慮施力的方便性和舒適性，座高一定的情況下，通過座椅的前后移動，可以滿足不同身高人就坐時的大、小間的夾角保持在100°。根據(jù)GB/T14773-1993，當踏板與座位面的距離在200mm時，腳部能夠最好地進行施力（見圖7）。

圖7 腳操縱器的施力與踏板、座位之間的距離關(guān)系Fig.7 The relation between the foot control force and the distance of pedals and seat

另外，根據(jù)文獻［9］指出腳踏板中心位置距離地面高度不宜超過20cm。下圖8為操縱腳踏板時大腿、小腿和腳面之間的夾角。因此，挖掘機行走踏板的布置，應(yīng)離座位面200mm，腳踏中心線距離地面高度可設(shè)計為15cm。

圖8 操縱腳踏板時大腿、小腿和腳面之間的夾角Fig.8 The angle between the thigh，leg and foot when operating the pedals

3 結(jié)語

對挖掘機駕駛室的舒適性研究，是目前工程機械人機工程設(shè)計中值得深入探討的問題，在今后的研究中，應(yīng)重視以下幾個方面。（1）中國人體群特性研究。目前，人體模型的建立基于國際標準的，針對中國人體特征尺寸的座椅舒適性研究還比較欠缺，由于人種的差異，建立適用于中國人體形特點的人體模型，能夠更好地設(shè)計出舒適的挖掘機駕駛室。（2）隨著數(shù)字化應(yīng)用的不斷深入，將數(shù)字化建模技術(shù)引入挖掘機座椅設(shè)計，可設(shè)計出更符合人機工程學(xué)要求的座椅。

［1］周一鳴，毛恩榮.車輛人機工程學(xué)［M］.北京理工大學(xué)出版社，1999:50.

［2］王繼新，李國忠.工程機械駕駛室設(shè)計與安全技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009:82.

［3］胡萍.人機工程學(xué)在工程機械設(shè)計中的綜合應(yīng)用［J］.機械制造.2009,47（533）.56-58.

［4］GB/T 13547-92，工作空間人體尺寸［S］.北京:中國標準出版社，1992.

［5］GB/T14774-93，工作座椅一般人類工效學(xué)要求［S］.北京:中國標準出版社，1994.

［6］王曉青.人性化的汽車座椅［J］.汽車與配件.2005，（33）.42-45.

［7］JB/Z308，工作崗位一般人機工程要求［S］.北京:中國標準出版社，1994.

［8］JB 3683-84，工程機械操縱的舒適區(qū)域與可及范圍［S］.北京:中國標準出版社，1985.

［9］GB/T 14776-93，人類工效學(xué).工作崗位尺寸設(shè)計原則及其數(shù)值［S］.北京:中國標準出版社，1994.