基于人机工程学的挖掘机驾驶室舒适性优化研究

赖李李

（台州学院 机械工程学院，浙江 台州 318000）

1 引言

挖掘机是一种多用途土石方施工机械，主要进行土石方挖掘、装载,土地平整、修坡等作业，所以在公路、铁路等道路施工，桥梁建设等方面得到了广泛应用。挖掘机工作环境恶劣，工作时间长，工况恶劣，强度高，对操作手抗疲劳能力有极高要求。而挖掘机驾驶室舒适性能将直接影响驾驶舒适性，舒适作业能极大地降低操作手的疲劳感，因此设计符合舒适性要求的驾驶室对提高挖掘机作业安全性能及保证作业高效率有重要意义。

本文主要针对挖掘机操作者挖土作业时手握操作手柄坐于座椅上，左手操作动作手柄（左回转、右回转、伸斗杆、收斗杆）,右手操作动作手柄（升动臂、降动臂、收铲斗、放铲斗）。左右脚分别控制行走踏板这些动作及相关部件进行人机工程学研究与分析。其中，左手柄向下为右回转，向上为左回转，向左为伸斗杆，向右为收斗杆。右手柄向下为降动臂，向上为升动臂，向左为收铲斗，向右为放铲斗。

2 挖掘机驾驶室舒适性设计及评价

2.1 挖掘机驾驶室的空间设计

工程机械的空间设计主要包括规定外形尺寸、室内空间（长、宽、高）和驾驶员头部空间及脚部空间。驾驶室的横向造型和前部造型要与工程机械工作装置的横向尺寸、工作装置的最高位置和最低位置，即工作特点相适应。对于挖掘机，要求驾驶室前视野和左右视野都开阔，以便操作者能方便地观察到工作装置的作业状态［2］。所以驾驶室的前部造型，一般多做成由三个平面梯形组成的塔形空间或弧形空间。车门的大小便于人员出入为准，一般设计的宽度在0.5～1.1米之间。

挖掘机驾驶室基本尺寸的确定，需了解它的使用范围和人体各部位的尺寸范围。驾驶室内部空间尺寸、风窗上端位置等的确定，可使用GB/T 8420-2000给出的高大身材司机坐姿的身材尺寸数据。此外，所设计的驾驶室内部空间不小于GB/T 8420-2000对司机室司机最小活动空间的规定。穿工作服的坐姿司机最小活动空间如图1和表1所示。驾驶室的内部高度最好能使人体第95百分位的男性驾驶员立起来时不碰到头，至少应使司机挺直坐在高度调节到最高位置时，距底板500mm左右，头顶离顶棚内表面还有50～100mm间距。加上坐姿状态下操作者高度，初步确定挖掘机驾驶室高度为180mm，顶棚的前部开设天窗，供观察铲斗在最高位置时的情况。所以，初步设计的驾驶室外形尺寸如下图2所示。

图1 司机室最小活动空间Fig.1 The minimum activity space of driver room

表1 司机室最小活动空间要求Table.1 The minimum activity space requirements of driver room

图2 挖掘机驾驶室外形尺寸Fig.2 Cab dimensions of excavator

2.2 挖掘机座椅的设计及舒适性评价

挖掘机在作业过程中多采取坐姿，这时座椅的设计则相当重要，考虑的因素也是多方面的。需要考虑在坐姿下能获得良好的视野，手能够方便自如地操作手柄，脚能够方便舒适地控制踏板，转向装置等。通常将座椅的高度与前后方向的位置设计成可调式，这样就可以满足不同身高尺寸的要求。这就需要两个设计限值来确定座椅高低与前后调节的范围。可以利用第95、5百分位尺寸数据确定座椅高低与前后调节的范围［3］，如下表 2 所示。

表2 我国成年人体部分尺寸/mmTable.2 China’s adult body size/mm

座椅的主要几何参数有:座高、座面深、座面宽、座靠背、扶手等。

（1）座高。座高为座面至地面的垂直距离。小腿高于座面为的是能使下肢着力于整个脚掌，并有利于两脚前后移动，一般情况下，座高45cm比较适合我国的人体尺寸［4］。

（2）座面深。座面深即座面的前后距离。座面深应保证臀部得到全部支承。其深度一般相当于臀部至大腿全长的3/4，我国多为43cm左右。座面要光滑平整，前缘不应有棱角，座面可略向后倾斜7°左右。

（3）座宽。座宽即座面的左右距离。座宽要满足臀部的横宽所需要的尺寸，使人能自如地调节就坐的姿态。一般座宽50cm左右即可符合要求。

（4）座靠背。座背分为肩靠、腰靠，以及头枕。肩靠高度应达到肩胛下角位置，腰靠的高度应适合脊柱弯曲和腰曲弯度，两靠背连在一起，一般多在50cm左右。头枕支承头部向后仰，减轻颈部肌肉受力，其离座面高度70cm左右［5］。所以座靠背整体高度为85cm左右［4］。座面与靠背夹角是保证得到舒适姿势的必要条件，座面与靠背的夹角多为 115°左右，调节靠背一般在 95°～135°［5］。

（6）扶手。短而低的扶手提供可靠的侧向支承，同时可减轻两臂的疲劳。根据人体尺寸，扶手上表面至坐面的垂直距离为200～250mm。

（5）座垫和靠垫设计。人体重量的75%左右由约25cm2的坐骨周围的部位来支承，久坐容易产生压力疲劳。因此，座垫和靠垫应充填柔软适度的填料。蒙皮材料不仅要求耐磨、耐脏和耐潮湿，而且还要透气性好［6］。

根据GB/T100001988数据，最终确定如下表3所示的挖掘机基本尺寸参数。其外形尺寸简图如下图3所示。

表3 挖掘机座椅基本参数推荐值Table.3 The recommended values for basic parameters of excavator seat

图3 座椅外形尺寸简图Fig.3 Seat size diagram

2.3 挖掘机操作手柄的布置及舒适性评价

操纵手柄应优先布置在人的手或脚活动最灵敏、辨别力最好、反应最快、用力最强的空间范围和合适的方位上。当这些空间范围不够时，则按操纵手柄的重要性和使用频率依次布置在较好或次要的位置上。操作者的手和脚的活动范围的可达区域，可查阅 GB/T 13547-92［4］和 GB/T 14776-93［7］。

在坐姿下，水平方向上方便地移动手臂所形成的轨迹（覆盖的范围）如下图4所示。根据图中所示，人正常坐姿时手部活动的舒适范围为分别以左右肩为中心，半径在390mm范围内的半圆区域内［8］。所以挖掘机操作手柄中心应在手部活动的舒适范围内。同时，考虑到手柄操作为高频率动作，往右扳动手柄时前臂若频繁往上翻将会使前臂肌肉酸麻，所以应尽量避免。同时，操纵器需在人眼的视野范围内，只有同时在手的活动区域与眼的视野范围内（图5），才能方便地操纵。因此，挖掘机操纵手柄的控制宜布置在如图5所示的阴影范围内。

图4 坐姿下水平作业范围Fig.4 Scope of horizontal operations under seated position

图5 手眼的协调区Fig.5 Coordination areas of hands and eyes

2.4 挖掘机行走踏板的布置及舒适性评价

挖掘机行走踏板的布置除了需在手眼协调区之内，还要考虑到它们相对于座椅的安装位置。当操作者处于舒适状态下操作，其坐姿的关节角度如下图6所示。操作者进行脚部操作时，大腿与小腿的角度范围为 90°～110°，以 110°为最优，脚部与踏板的角度范围为 85°～95°，以 90°为最优［9］。

图6 舒适坐姿的关节角度Fig.6 The joint angle in comfortable sitting posture

考虑到挖掘机操作手需要长时间的进行脚部操作，容易造成脚部疲劳，故需考虑施力的方便性和舒适性，座高一定的情况下，通过座椅的前后移动，可以满足不同身高人就坐时的大、小间的夹角保持在100°。根据GB/T14773-1993，当踏板与座位面的距离在200mm时，脚部能够最好地进行施力（见图7）。

图7 脚操纵器的施力与踏板、座位之间的距离关系Fig.7 The relation between the foot control force and the distance of pedals and seat

另外，根据文献［9］指出脚踏板中心位置距离地面高度不宜超过20cm。下图8为操纵脚踏板时大腿、小腿和脚面之间的夹角。因此，挖掘机行走踏板的布置，应离座位面200mm，脚踏中心线距离地面高度可设计为15cm。

图8 操纵脚踏板时大腿、小腿和脚面之间的夹角Fig.8 The angle between the thigh，leg and foot when operating the pedals

3 结语

对挖掘机驾驶室的舒适性研究，是目前工程机械人机工程设计中值得深入探讨的问题，在今后的研究中，应重视以下几个方面。（1）中国人体群特性研究。目前，人体模型的建立基于国际标准的，针对中国人体特征尺寸的座椅舒适性研究还比较欠缺，由于人种的差异，建立适用于中国人体形特点的人体模型，能够更好地设计出舒适的挖掘机驾驶室。（2）随着数字化应用的不断深入，将数字化建模技术引入挖掘机座椅设计，可设计出更符合人机工程学要求的座椅。

［1］周一鸣，毛恩荣.车辆人机工程学［M］.北京理工大学出版社，1999:50.

［2］王继新，李国忠.工程机械驾驶室设计与安全技术［M］.北京:化学工业出版社,2009:82.

［3］胡萍.人机工程学在工程机械设计中的综合应用［J］.机械制造.2009,47（533）.56-58.

［4］GB/T 13547-92，工作空间人体尺寸［S］.北京:中国标准出版社，1992.

［5］GB/T14774-93，工作座椅一般人类工效学要求［S］.北京:中国标准出版社，1994.

［6］王晓青.人性化的汽车座椅［J］.汽车与配件.2005，（33）.42-45.

［7］JB/Z308，工作岗位一般人机工程要求［S］.北京:中国标准出版社，1994.

［8］JB 3683-84，工程机械操纵的舒适区域与可及范围［S］.北京:中国标准出版社，1985.

［9］GB/T 14776-93，人类工效学.工作岗位尺寸设计原则及其数值［S］.北京:中国标准出版社，1994.