基于无框玻璃门的联合收获机驾驶室设计

关键词：联合收获机；驾驶室；舒适性；密封性；无框玻璃门

0 引言

目前，在联合收获机驾驶室结构设计改进上已有大量的研究。吴俊等[1]对具有典型骨架结构的联合收获机驾驶室骨架构成、杆件截面选择及板壳零件的造型进行分析设计，在Pro/E的钣金件模块中构造驾驶室的板壳模型，利用ANSYS分析驾驶室在制动和转弯两种典型工况下的静强度，在样车制造前对驾驶室进行有限元分析，以此评价驾驶室结构的合理性。杨锐等[2]以谷物联合收获机方向盘总成为研究对象，基于Pro/E软件建立其几何模型，采用有限元分析软件ANSYS对方向盘组合体模型进行模态分析，根据模态分析结果调整组合体模型的固有频率以避开人手的敏感频率范围，在将方向盘骨架材料更换为45#钢的基础上，通过增大转向柱和传动轴的直径对组合体进行结构优化以避免共振现象发生。任重义等[3]采用统计能量分析法SEA原理对农用收获机的驾驶室进行噪声预测分析，并对SEA的建模有效性进行试验验证，研究结果表明，在低频域驾驶室背板的振动是引起驾驶室噪声的主要因素，而在高频段驾驶室噪声水平则主要取决于外部噪声。王金武等[4]针对国产联合收获机某代表机型的驾驶室进行设计，建立驾驶室显示装置面板与控制装置面板和驾驶员标准坐姿模型，通过对驾驶员坐姿仿真、控制面板的可达性分析和驾驶员视野模拟，应用CATIA软件分析和评价联合收获机驾驶室的驾驶舒适性，为驾驶室设计提供重要因素。郭佳丽等[5]针对驾驶室淋雨密封性的改进，主要从装配过程工艺可靠性、原材料是否合格、影响密封性的零部件结构是否合理进行论证，识别主要问题点，分别制定快赢及永久性措施，为提高收获机淋雨密封性提供参考。YUKSLE等[6]通过使用有限元−边界元方法建立了商用车的振动声学模型，利用该模型预测了发动机激励下客舱内的声压级，并确定了各辐射板对舱内噪声水平的贡献。LANGFELDTF等[7]研究一种由双层壁和集成的薄膜型声学超材料组成噪声屏蔽组合，提出并验证了噪声屏蔽设计理念。CASEYSM等[8]对农用拖拉机人因因素位置及驾驶员的主观评分进行研究，提出了拖拉机驾驶室设计方案。MEHTACR等[9]研究发现，高密度聚氨酯基缓冲材料有利于抑制拖拉机在动态条件下传递的振动。

受自然环境条件与经济发展水平的限制，我国联合收获机的研发工作起步较晚。近年来，虽然我国联合收获机产业规模不断扩大，水稻、小麦和油菜收获机总量快速增长，但与欧美发达国家相比，我国水稻、小麦和油菜收获机发展水平还比较低，科研开发能力和制造工艺水平相对滞后。目前我国联合收获机产品的短板是可靠性不高，拖拉机、联合收获机等产品的平均故障间隔时间（MTBF）平均水平不到国际先进企业同类产品的2/3，驾驶室密封性与舒适性的问题尤为突出，难以满足广大农户的使用需求[10-12]。本研究为提高收获机驾驶室的舒适性及密封性，设计了一款中高端驾驶室。对于改善联合收获机驾驶员的作业环境、提升联合收获机市场竞争能力、增加农村地区对人才的吸引力、促进乡村振兴战略等具有重要的意义。

1 驾驶室骨架设计

随着用户追求的舒适性、功能性需要，驾驶室设计需满足外观时尚、内部空间宽敞、舒适、操控方便等多方面需求。目前国内大型收获机驾驶室流行采用异型管制造立柱，同时采用整体滚塑顶盖[13-16]。存在异型管的折弯角小、加工难度大、精度低及成型特别困难等问题，特别是在较小折弯角处容易产生变形及裂纹等缺陷，从而影响整个驾驶室的强度。为了加工制作合格的异型管，折弯角必须增大，导致异型管的横截面轮廓增大，这虽然有利于提高支撑强度，但也带来了不利因素，主要包括5个方面。①异型管成型困难导致制造成本提高，异型管在加工工程中，因应力释放、管材变形等原因造成异型管模具调试成本增加及零件合格率低。②异型管的尺寸一致性较差，加工难度大造成了产品的一致性也较差，并且由于管件强度大难以在驾驶室骨架后续加工过程中进行校正。③采用异型管的收获机驾驶室前立柱，其较大的横截面轮廓阻挡了驾驶员的视线，影响了视野范围。④当收获机驾驶室采用整体滚塑顶盖时，其顶部的负载降低，本身不需要太大的支撑力，而异型管前立柱却由于制造因素不得不采用粗大的轮廓形状，结构上属于强度功能浪费。⑤安全性差，异型管的前立柱自身强度过高，降低了冲击能量吸收能力；尤其是采用滚塑顶盖时，顶盖的强度低，前立柱的强度高，在车辆翻覆等极端条件下，由于前立柱缺乏缓冲能力，外部冲击力会迫使顶盖塌陷，破坏驾驶室的整体性，威胁驾驶员的人身安全[17]。

本研究提出了一种无异型管、玻璃门无框架的驾驶室，设计方案如图1所示。后立柱、右前立柱、左前立柱、底板和后侧壁等组成为驾驶室框架主体，后立柱采用普通矩形，右前立柱和左前立柱采用两块折弯钢板及附件拼焊而成。左侧门密封平面由后封板、角板、下封板、上封板和左前立柱的扣板等组成，连接板之间采用搭接的方式焊接，并采用硅酮胶密封。此设计方案避免了使用异型管的立柱，在保证驾驶室满足强度刚度要求、侧门密封面平面度的同时，立柱骨架达到能够吸收冲击能量效果，以使得立柱骨架与滚塑顶盖的强度匹配，提高驾驶室的安全性，在此基础上，完成了一种便于制作、成本低的收获机驾驶室骨架设计。收获机驾驶室总装外形如图2所示。

2 驾驶室密封性设计

联合收获机作业环境较差，如中原地区“三夏”作业季气候炎热、东北地区秋收作业时又面临严寒的侵袭、作业时扬尘大等，驾驶室具有良好的密封性不仅可以保证驾驶室不受外部环境中的灰尘影响，而且还可以减少噪声的传播，保证驾驶室内部环境的清洁，给驾乘人员提供一个安全、舒适、清洁的驾驶室环境。

2.1 驾驶室总体密封

驾驶室整体设计过程中，为减少内部空间与外部连接的通道，仅保留了制动踏板和主线束接插件安装等的连接通道，并采取了密封措施。制动踏板密封设计如图3和图4所示，下面的橡胶垫粘在制动踏板焊合上面，平时制动踏板不工作时，橡胶垫嵌入到制动踏板底板内；上面采用驾驶室地垫覆盖的方式，进一步保证制动踏板的密封。过线孔周边用胶圈密封，上面由内饰件遮盖，减少过线孔对密封环境的影响。

2.2 驾驶室玻璃门密封

驾驶室有供人员进出玻璃门，玻璃门与驾驶室的主框架铰接，关闭门体可将驾驶室密封[18-19]。现有的玻璃门大多采用整块玻璃，通常玻璃的周边固连框架，铰链连接在框架上，框架内侧固连密封胶条，存在以下3方面问题。一是带有框架的玻璃门质量增加，不利于整车轻量化。二是玻璃门铰链的负载增大，铰链结构也必须加大，导致整个门体的质量增大，开关操作费力，还需要配备气弹簧等机构作为辅助，框架和气弹簧等机构增加了成本。三是密封胶条在铰链处必须开设豁口，以避免干涉，但这样会导致密封条不完整，影响密封效果，收获机作业时的粉尘大，带有粉尘的空气容易从豁口处进入驾驶室，污染室内环境[20]。

本研究设计的收获机驾驶室无框密封装置具体方案如图5和图6所示，驾驶室上的主框架，通过铰链连接的左右玻璃门，铰链通过螺钉固定在主框架上。螺钉分别穿过铰链、衬垫、胶垫、玻璃门、胶垫和衬套，盖封在衬套上，并用螺母固定。衬套与胶垫之间错位配合。密封条固定在玻璃四周。当左右玻璃门关闭时，主框架、左右玻璃门及挡板将密封条围拢并挤压，将主框架和左右玻璃门之间密封。玻璃门采用平面玻璃、密封条采用双泡密封条与驾驶室侧门密封面贴合。玻璃门四周不连接框架，铰链直接连接在玻璃板本体上，整根环形的密封胶条卡装在玻璃板边沿，但铰链本体不与密封胶条干涉，避免在密封胶条上开设豁口，确保密封胶条的完整，以保证铰链处的密封性，同时降低了门体质量，节约了成本，还增加了视野和美观度。

2.3 驾驶室骨架焊合密封

为保证驾驶室骨架焊合及其连接部件的密封性，驾驶室骨架焊合首先电泳底漆，然后焊缝处涂抹焊缝密封胶，最后喷涂面漆的操作，保证驾驶室骨架焊合自身的密封性。

3 驾驶室密封性及舒适性验证

3.1 密封性验证

依据QC/T476—2007《客车防水密封性限值及试验方法》，驾驶室密封性采用淋雨试验的方式，驾驶室淋雨试验间如图7所示。选择ETN00055-TY型驾驶室，试验日期为2024年5月12日，将系统压力设定0.15MPa、流量设定3.2L/min，放置到淋雨试验间淋雨10min。试验数据处理：采用扣分法，初始分值为100分，每出现一处漏点则对应表格扣除相应的分数，初始分值减去总扣分等于得分，结果如表1所示。试验表明，收获机驾驶室淋雨试验满足设计要求。试验中漏水现象主要有3种。①渗水。水从缝隙中缓慢出现，并附在驾驶室内表面上蔓延开来的现象。②滴水。水从缝隙中成滴出现，在驾驶室内表面断续滴下的现象。③流水。水从缝隙中出现，并沿着或离开驾驶室内表面连续不断的向周围流淌现象；禁止出现流水现象。

3.2 舒适性验证

经计算，本设计的联合收获机驾驶室玻璃覆盖的区域视野可及率90%以上。依据GB19997—2005《谷物联合收获机噪声限值》和JB/T6268—2015《自走式收获机械噪声测定方法》，仪器采用小野测器株式会社的LA-1441A噪声仪，对驾驶室耳位噪声进行检测，检测结果如表2所示。试验样机是洛阳智能农业装备研究院有限公司生产的4LZ-13型自走式谷物联合收获机，发动机功率176kW，试验日期为2024年6月1日，试验地点在河南省偃师区高龙镇郜寨村，环境风速1.6～2.2m/s、气温30.1～32.0°C、环境背景噪声54.9dB（A）。试验表明，收获机驾驶室噪声测定值86.5dB，满足普通驾驶室噪声标准要求的95dB的噪声限值要求。

4 结束语

收获机驾驶室骨架设计结构采用通用板材和管材，常规的加工方式，成本低、精度高，避免了使用异型管的立柱，质量轻、视野好、安全性高，在此基础上，获得一种便于制作、成本低廉的收获机驾驶室骨架。

收获机驾驶室的无框玻璃门装置，确保密封胶条的完整，以保证铰链处的密封性，同时降低了门体质量，节约了成本，还增加了视野和美观度。