75 m3大型挖掘机驾驶室的人机工程学研究

李冉儿,任家骏,李 畅

(太原理工大学 机械工程学院,太原 030024)



75 m3大型挖掘机驾驶室的人机工程学研究

李冉儿,任家骏,李 畅

(太原理工大学 机械工程学院,太原 030024)

针对国内大型挖掘机驾驶室的乘坐舒适性进行研究。结合二维人体样板法、适意线法以及H点求解原理,提出了样本尺寸选取的新方法;根据中国男性人体的尺寸,利用挖掘机驾驶室H点的求解方法,得出了挖掘机驾驶室的H点域;利用CATIA人机工程模块对所求H点进行舒适性仿真评价,结果显示,所求得的H点具有较高的乘坐舒适性。将研究结果对现有座椅进行了针对性的调整,并进行了体压分布测试,结果达到了预期目标,验证了H点设计理论的正确性。

大型挖掘机;驾驶室;H点计算;人机工程学

驾驶室作为机器中与操作人员密切相关的一部分,特别是针对大型挖掘机,驾驶室的功能性与工作效率有着紧密的联系。国外对工程机械的研究目前主要集中在人体数字仿真的阶段,国内的人体数字仿真技术发展较晚,相比国外还处于起步阶段。因此，工程机械的人机工程研究在国内具有现实意义[1]。人体数字模型的仿真技术可以在很大程度上缩短设计时间,并且在准确度和可优化性上有着传统设计无法比拟的优势。因此，必须重视人体数字仿真技术在工程机械行业的应用。由于驾驶室座椅的设计通常不仅硬度较高,且对于驾驶员工作时的姿势没有很好的预测；而驾驶员在工作中必须长时间使用单一坐姿,给驾驶员工作带来很强的疲劳感。本文在H点理论的基础上,提出针对挖掘机驾驶室座椅的H点求解方法,旨在通过研究得出驾驶员的理想工作坐姿。

1 挖掘机驾驶室的人机工程学设计

对于大型挖掘机的驾驶室来说,驾驶员的主要活动区域在操作台周围。在“驾驶员-挖掘机-环境”系统中,驾驶人员是整个研究过程中的核心对象[2]，因此，驾驶员的坐姿的舒适性是驾驶室人机工程学设计的关键。

1.1 驾驶室H点概述

H点通常来说是汽车总布置时的基准点,一般情况下,在进行汽车总体布置和设计时,利用H点的设计工具按照程序建立H点[3]。H点在人机工程学领域占据着重要的地位,通常情况下座椅的水平行程和垂直升程是按照H点中的“最前H点”和“最后H点”确定的。它与驾驶员的乘坐舒适性、安全性以及操作的便捷性都有很大的关系。H点的确定将会直接影响到仪表盘、操纵旋钮以及通讯装置的设计和布置,因此,H点的确定在挖掘机驾驶室的设计中处于首要位置[4]。

1.2 驾驶室H点的确定方法

传统的驾驶室设计通常是利用二维人体样板的设计方法[5]。这种方法的优点是简单易行,但是缺点非常明显,它利用的二维人体模板无法代替整个95百分位的成年男性人体,由此确定的H点适应度只能在特定的人群范围内可行,并不具备代表性。

美国机车工程师学会曾经推出过著名的SAE1517标准,也称为SAE推荐的适意线法。这种方法在汽车领域的人机工程研究中发挥过非常重要的作用,但是对于我国来说,这种方法存在不足之处。由于SAE推荐的适意线是用美国的人体尺寸数据所得,因此在目标人群的选取与所研究的驾驶员群体明显不相符。

由于挖掘机驾驶室属于B类车的范畴,因此其H点的相对定位参考点水平方向的距离XH和适意点的高度ZH属于线性关系。如图1所示,该组SAE的适意线可作为挖掘机驾驶室H点布置时的参考。

图1 挖掘机驾驶室适意H点位置线Fig.1 Excavator Cab’s appropriate H point line

综上所述,挖掘机驾驶室的H点计算应该在经典的求解方法外将SAE的适意H点作为参考范围进行综合考虑,以达到最佳的H点域范围。

1.3 人体样本数据的选择

挖掘机主要考虑男性群体。根据我国成年男性身高和坐高的均值与标准差,可以得到90百分位的身高HS和坐高Hh分布边界[6],如图2所示。图中可以看到，边界中有8个取样点,各取样点的人体尺寸见表1所示。通过分析可知,和乘坐位置有关的大腿长度、小腿长度以及踝关节到踵点的分布只存在一个主成分,可以根据它的变化设计H点。由于下肢长度的变化和上述的主成分相一致,因此可以选择下肢的最长和最短样本作为计算样本。通过对比,下肢的最长样本为P5,最短样本为P6。

图2 群体分布样本点Fig.2 Sample point of group disrtibution

样本点身高/mm坐高/mm大腿长/mm小腿长/mmP118338908043864276P215263908040553953P316800993035243436P416800823042814173P517887847946544537P615713968131513072P717887968141194015P815713847936863593

1.4 H点域求解

在大型工程机械中,驾驶员通常采用坐姿工作,人与机械最重要的连接就是座椅,其直接影响到驾驶员的舒适性与相关控制装置的布置[7]。

如图3所示，根据统计数据可得,驾驶员脚部接触控制踏板时踝关节最舒适角度为87°(α4)。如果分别对H30和α9设定一个值,就可得到H点。当确定α4为87°以及H30时,用γ表示的线段L与鞋底的夹角是常数。代入H点的求解公式:

式中:L为驾驶员脚跟到膝部的距离,mm;β为驾驶员脚后跟部与水平面的夹角,(°);L3为驾驶员大腿长,mm;α9为驾驶员大腿与水平面的夹角,(°);H30为驾驶员坐高,mm。

由上式可得:XH=XAHP+Lcosβ+L3cosα9.

图3 给定H30,α4的H点计算Fig.3 H point calculation with given H30,α4

确定了AHP的位置后,就能够确定驾驶员的下肢各关节点和关节角度。因此,给定H30的值,则可得到在H30高度上H点的水平变化。我们可以根据驾驶员的座椅高度和坐垫倾角(参照α9)确定最后的H点。取α9=17°,通过计算可以得到最终的H点域。其中，区域4为筛选后的最终结果,如图4所示。

图4 H点域计算结果Fig.4 H point domain calculation results

2 挖掘机驾驶室人机工程学舒适度评价

2.1 数字化人体模型的建立

对人机工程学的舒适度评价离不开数字化人体模型的建立,通常使用的人机工程学模拟软件有CATIA、RAMSIS、jack等。CATIA是常用的人机研究软件,其系统中包含很多国家的人体尺寸数据,可以利用与中国人体较为相似的韩国人体尺寸作相应的调整，符合中国人体尺寸的95百分位进行人体坐姿舒适度的评价,如图5所示。

图5 设定人体尺寸参数Fig.5 Body size parameters set

2.2 舒适度评价原理

在进行舒适度评价之前,首先结合人体舒适度的姿势定义，对人体模型的各个关节的自由度进行判别和打分。利用CATIA的姿势分析模块，根据各个关节的首选角度,对所得的关节自由度的角度和分值进行加权运算,从而得出各个关节部位的舒适度评价得分。

2.3 评估过程及结果

利用CATIA软件中的HPA模块(Human Posture Analysis),对求解出的H点以及图2所示的范围进行模型的参数化调整。

对于舒适度的评价可以从两个方面进行,一是对于人体模型的局部区域进行合理性评估;二是对整个人体模型的姿势进行合理性评估。

如图6所示是对操作换挡的手臂进行首选角度的定义,通过白色的扇形部分对角度的区域进行修改,对求解出的的驾驶员坐姿参数进行评价。

图6 姿势评估界面Fig.6 Postural assessment interface

如图7所示,CATIA软件通过数值和直方图两种形式将对人体模型的评价表达出来。从图中的评价结果可以看出,当人体以图中的坐姿进行工作时,各关节的舒适度得分达到86.1分,说明以此H点的坐姿在工作时各关节处于一个较为理想的状态。

图7 姿势评估得分及分析Fig.7 Scoring and analysis and evaluation of posture

2.4 实例分析

由于驾驶员长时间的坐姿操作会造成较强的疲劳感,在前文研究的基础上,有针对性地对现有座椅的坐垫角度、坐垫长度以及靠背角度和腰部支撑进行了调整。对调整后的座椅进行了体压分布测试,测试结果如图8所示。根据测试结果可知,人体臀部受力变化较为均匀,适合较长时间的坐姿操作。通过人体的体压分布测试进一步验证了H点设计理论的正确性。

3 结束语

在机械产品同质化严重的今天,必须积极地利用工业设计，提高自己产品的竞争力,破除以往机械产品只注重功能性不注重产品性的误区。本文通过提出新的数据取样方法,利用SAE适意线法以及H点求解公式得出了适合驾驶员的H点域。从最终的评价结果来看，本研究对挖掘机驾驶室操作台部分的人机工程学设计，得到了较高的评估得分,结合实际的体压测试结果,验证了H点设计理论的正确性。

图8 体压分布测试结果Fig.8 Results of body pressure distribution test

[1] 史向东.人机工程学在起重机司机室设计中的应用[J].机械设计与制造，2010(6):262-263.

[2] 安芳,吴晓莉.租赁式自行车人机系统分析与设计[J].机械设计与制造工程，2014,43(7):10-14.

[3] 周一鸣,毛恩荣.车辆人机工程学[M].北京:北京理工大学出版社，1999：266.

[4] 闫慧炯.基于人机工程学的消防车驾驶室设计与研究[D].太原:太原理工大学机械学院，2011.

[5] 曹贵华.轻型客车驾驶室人机工程设计方法研究[D].武汉:武汉理工大学汽车学院,2010.

[6] 姬丽静,王延琦,夏宝清,等.主次显示器视距设计对头部关节舒适度的影响[J].机械设计与制造工程，2015,44(5):20-22.

[7] 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(1):56-58.

(编辑：庞富祥)

Ergonomics Research in 75 m3Large Excavator Cab

LI Raner,REN Jiajun,LI Chang

(College of Mechanical Engineering,Taiyuan University of Technology,Shanxi Taiyuan 030024,China)

The development course of excavator cab was simply introduced by this article.In view of the large excavator cab ride comfort,through a combination of two dimensional human body model method and relaxation line method, and the study ofHpoint solving principle,the method of sample size selection was put forward.With the solution method of the excavator cabHpoint,combined with appropriate body size of Chinese males,the excavator cabHpoint domain was obtained.Then using CATIA software for the simulation evaluation of the comfortableness for the calculatedHpoint domain,the evaluation results show that the calculatedHpoint has high comfortableness.The research results were applied in the cab,the existing seat was made corresponding adjustment and the body pressure distribution was tested.The expected goals were reached,verifying the correctness of the theory ofHpoint design.

large excavator;cab;calculation ofHpoint;ergonomics

1007-9432(2016)05-0572-04

2016-03-10

国家863科技基金资助项目：75 m3大型露天矿用挖掘机研制(2012AA062001)

李冉儿(1989-)，女，太原人，硕士生，主要从事人机工程学研究，(E-mail)447903605@qq.com

任家骏,教授,主要从事机械优化设计及人机工程学研究,(E-mail)tyrenjj@163.com

TB 18

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.05.003