人机工程学在挖掘机设计中的应用

严茂林

摘 要：近年来，人机工程学发展速度不断加快，在不同类型工程施工机械设计中的地位也逐渐突显出来。将人机工程学理论应用在挖掘机设计中，能够有效地增强挖掘机合理性，进而为驾驶人员提供更加安全与舒适的工作环境。基于此，文章将人机工程学作为研究重点，并阐述其在挖掘机设计中的具体应用，希望有所帮助。

关键词：人机工程学；挖掘机；设计；应用；研究

中图分类号：TU621 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）04-0075-02

Abstract： In recent years， with the rapid development of ergonomics， the status of ergonomics in different types of construction machinery design is gradually highlighted. The application of ergonomics theory in excavator design can effectively enhance the rationality of excavator and provide a safer and more comfortable working environment for drivers. Based on this， the paper will ergonomics as the research focus， and describes its specific application in the design of excavators， hope to be helpful.

Keywords： ergonomics； excavator； design； application； research

引言

挖掘機属于土石方施工机械设备，用途多样，一般被应用在土石方挖掘、农田水利工程、市政、园林等方面。通常来讲，挖掘机的工作环境相对恶劣且作业时间较长，劳动强度极高，所以对于操作人员的抗疲劳能力提出了较高要求。将人机工程学应用在挖掘机产品设计中，能够实现挖掘机作业安全性能、效率与操作舒适性的全面提升。由此可见，深入研究并分析人机工程学在挖掘机产品设计中的应用具有一定的现实意义。

1 人机工程学概述

人机工程学属于边缘科学，主要是对人在生产亦或是操作过程中劳动与用力合理、适度性展开深入研究的问题。一般情况下，人机工程学的定义就是将研究对象选择为人-机-环境系统，通过对心理学、生理学以及相关性学科知识的合理运用，结合人与机器条件以及特点，对人与机器所承担的操作职能予以有效地分配，以保证与之相适应，并为人们营造舒适且安全的工作环境与条件，确保功效最优[1]。

2 人机工程学在挖掘机设计中的应用

2.1 挖掘机设计中人的视野方面

图1是挖掘机的侧视图，而图2是挖掘机的俯视图。

根据图1内容可以了解到，h1代表的是操作人员的水视线至前风窗最上部实际距离，h2是操作人员水平视线至前风窗最下部实际距离，h3则是驾驶室的座位水平面至前风窗最下部实际距离。而图中的X代表了操作人员眼睛和前风窗水平的距离，O和O'是操作人员眼睛位置。在操作人员头部与眼睛不转动的情况下，在其水平视线以下的35度能够清晰看到施工物体，这也是最佳的作业视野。而垂直面内部的水平视线，其以上25度，以下35度的整个视线范围之内都属于有效的视野范围[2]。

受作业需要的影响，应将挖掘机作业设计成能够前后调试的座椅。在操作人员眼睛位于点O的情况下，其水平视线以上的最大仰角是？琢，最大的俯角是？茁。在这种情况下，？琢是25度，？茁大于35度，能够与司机有效视野的范围相吻合。

根据图2内容可以了解到，在司机头部与眼部不转动的情况下，其水平面以内的左右各15度，整个30度之内都是挖掘机操作人员清晰看到施工物体的范围。而在操作人员水平面以内的左右各35度，70度之内被称之为最有效的视野范围。

2.2 挖掘机设计中工作环境方面

空调系统是将人机工程学理论应用在挖掘机驾驶室工作环境设计中的直接体现。空调系统设计的优劣，直接影响操作者对驾驶环境的体验。设计中需从以下几方面予以考虑：（1）环温40°C时，空调制冷能力需能抵消热辐射带来的热量，确保驾驶室平衡温度能达到25℃及以下的舒适温度范围，空调压缩机功率的选择是关键。（2）风口的布置将影响客户的清凉体验，一般遵循“上冷下热”原则，普遍设计吹脸风口、除霜风口、吹脚风口和吹背风口，风口要尽量避开座椅和监控器的阻挡。（3）控制模式尽可能设置多样化，比如吹脸模式、吹脚模式、吹背模式及全开模式等，选择不同的模式对应打开风口，使风量分配符合操作者的个性化需求。（4）设计制暖功能，确保冬天作业时，驾驶室仍保证在舒适温度。这样一来，如果高温或高湿对操作人员的作业产生影响，可以将空调打开，对驾驶室内部温度以及湿度进行适当地调整，以保证能够与操作人员接受的范围相适应。

如果挖掘机驾驶棚内部无法安装空调产品，要预设降温的措施，如电子风扇等，以保证操作人员工作安全，从根本上规避事故发生[3]。

2.3 挖掘机设计中工作噪声方面

在挖掘机操作的过程中，噪声会使人烦恼且严重危害人体的健康。在挖掘机设计方面，将人机工程学引入其中，对噪音的问题予以有效地防治。其中，机械噪音与空气动力噪音是挖掘机主要的噪音类型。所以，要想控制噪音，就应当从以下两个方面入手：一方面，机械噪音控制，主要是溢流阀不稳定引起，应当对管路系统固有的频率进行改变，避免液压泵出油管路过渡固定带来的共振，将控制阀位置加以变动，也可以增设蓄能器，进而实现防振降噪的目标。另一方面，空气动力噪音控制。在确保冷却系统散热能力的同时，采用高效率风扇，减小风扇直径，降低风扇转速，进而降低风扇噪声。与此同时，可以在挖掘机驾驶室门与发动机安装室提供密封条件与吸音材料，以保证有效隔离发动机，达到降低噪声的目标，不仅要满足噪声限值标准要求，还应尽最大可能降低噪声对于操作人员的负面影响。

2.4 挖掘机设计中工作振动方面

众所周知，人体本身属于弹性系统，同样具有固定振动频率。而且，人体不同器官的共振频率也不同。在挖掘机振动的频率和人体各部位共振频率相互接近的情况下，即可形成共振[4]。如果振幅急速增加，还会导致器官的生理出现更大的反应。

对于挖掘机操作人员而言，振动会对其操纵动作的准确程度产生影响，因为振动影响了手与脚的稳定程度，所以也直接制约了操纵动作的精準程度的提升。

为了有效地规避振动对挖掘机操作人员带来不适，将人机工程学引入到挖掘机的减震设计过程中。其中，当油流经油管的过程中，若油管直径小且长度较长，存在较多的弯头而且没有进行固定，尤其是油流动速度较快的情况下，很容易导致管子出现抖动。另外，柴油机与液压泵旋转的部位不平衡，亦或是柴油机悬置系统布置不合理，或者是减震器的硬度、刚度等设计不合理，都很容易引发振动以及噪声。基于此，要有效地分离长油管，并且增加设置支承管夹，对柴油机悬置系统重新设计，减震器基本参数不断优化。现阶段，挖掘机通常会选择使用减震器来减少振动的传递及影响。此外，在挖掘机操作人员的座椅中增加悬浮装置，进一步降低柴油机和整机机械振动对操作人员的影响。

2.5 挖掘机设计中操纵手柄方面

在设计挖掘机操纵手柄安装位置的过程中，应优先布置人、手、脚活动最为灵敏且反应最快的空间范围与方位。在坐姿下，水平方向上能够方便移动手臂所形成的轨迹可以通过图3表示出来。当人处于正常坐姿下，手部活动最为舒适的范围就是将左右肩作为中心，在半径390毫米范围之内的半圆区域。为此，应将挖掘机操纵手柄设置在手部活动舒适范围之内。由于手柄操纵属于频率较高的动作，在向右扳动手柄的时候，如果频繁地向上翻，前臂的肌肉会酸麻，所以必须有效地避免。

同时要校核SIP点到踏板的高度差，同时满足SIP点位置与操纵手柄之间、SIP点与踏板之间的空间距离要求，并进行必要的运动校核，避免手柄运动过程，手部与其他物体碰撞，从设计上规避误操作或人体伤害。

3 结束语

综上所述，在挖掘机车身设计中，人机工程学的应用并不广泛与普及。但是，挖掘机本身的使用领域广泛，挖掘机市场容量大，从业者众多且越来越年轻化。要想确保挖掘机安全、舒适作业，就必须保证操作人员操纵视野清晰，工作环境温度、湿度舒适，机器作业安静，振动小，机构操纵省力。在文中，结合挖掘机的工作环境特点，将人机工程学科学合理地引入到挖掘机驾驶室视野、工作环境、噪声与振动、操纵手柄布置设计中，以保证操作人员操纵的舒适性，使操作人员更加安全，对其工作环境加以不断改善。

参考文献：

[1]杜海滨，赵妍，胡海权.KAMA智能挖掘机设计中的人机因素[J].人类工效学，2016（5）：59-63.

[2]李冉儿，任家骏，李畅.75m3大型挖掘机驾驶室的人机工程学研究[J].太原理工大学学报，2016（5）：572-575.

[3]强薇.挖掘机驾驶室的人机界面研究设计[D].西安建筑科技大学，2015.

[4]李冉儿.基于人机工程学的75m3大型挖掘机驾驶室设计[D].太原理工大学，2016.