75 m3大型挖掘機駕駛室的人機工程學研究

李冉兒,任家駿,李 暢

(太原理工大學 機械工程學院,太原 030024)

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75 m3大型挖掘機駕駛室的人機工程學研究

李冉兒,任家駿,李 暢

(太原理工大學 機械工程學院,太原 030024)

針對國內大型挖掘機駕駛室的乘坐舒適性進行研究。結合二維人體樣板法、適意線法以及H點求解原理,提出了樣本尺寸選取的新方法;根據(jù)中國男性人體的尺寸,利用挖掘機駕駛室H點的求解方法,得出了挖掘機駕駛室的H點域;利用CATIA人機工程模塊對所求H點進行舒適性仿真評價,結果顯示,所求得的H點具有較高的乘坐舒適性。將研究結果對現(xiàn)有座椅進行了針對性的調整,并進行了體壓分布測試,結果達到了預期目標,驗證了H點設計理論的正確性。

大型挖掘機;駕駛室;H點計算;人機工程學

駕駛室作為機器中與操作人員密切相關的一部分,特別是針對大型挖掘機,駕駛室的功能性與工作效率有著緊密的聯(lián)系。國外對工程機械的研究目前主要集中在人體數(shù)字仿真的階段,國內的人體數(shù)字仿真技術發(fā)展較晚,相比國外還處于起步階段。因此，工程機械的人機工程研究在國內具有現(xiàn)實意義[1]。人體數(shù)字模型的仿真技術可以在很大程度上縮短設計時間,并且在準確度和可優(yōu)化性上有著傳統(tǒng)設計無法比擬的優(yōu)勢。因此，必須重視人體數(shù)字仿真技術在工程機械行業(yè)的應用。由于駕駛室座椅的設計通常不僅硬度較高,且對于駕駛員工作時的姿勢沒有很好的預測；而駕駛員在工作中必須長時間使用單一坐姿,給駕駛員工作帶來很強的疲勞感。本文在H點理論的基礎上,提出針對挖掘機駕駛室座椅的H點求解方法,旨在通過研究得出駕駛員的理想工作坐姿。

1 挖掘機駕駛室的人機工程學設計

對于大型挖掘機的駕駛室來說,駕駛員的主要活動區(qū)域在操作臺周圍。在“駕駛員-挖掘機-環(huán)境”系統(tǒng)中,駕駛人員是整個研究過程中的核心對象[2]，因此，駕駛員的坐姿的舒適性是駕駛室人機工程學設計的關鍵。

1.1 駕駛室H點概述

H點通常來說是汽車總布置時的基準點,一般情況下,在進行汽車總體布置和設計時,利用H點的設計工具按照程序建立H點[3]。H點在人機工程學領域占據(jù)著重要的地位,通常情況下座椅的水平行程和垂直升程是按照H點中的“最前H點”和“最后H點”確定的。它與駕駛員的乘坐舒適性、安全性以及操作的便捷性都有很大的關系。H點的確定將會直接影響到儀表盤、操縱旋鈕以及通訊裝置的設計和布置,因此,H點的確定在挖掘機駕駛室的設計中處于首要位置[4]。

1.2 駕駛室H點的確定方法

傳統(tǒng)的駕駛室設計通常是利用二維人體樣板的設計方法[5]。這種方法的優(yōu)點是簡單易行,但是缺點非常明顯,它利用的二維人體模板無法代替整個95百分位的成年男性人體,由此確定的H點適應度只能在特定的人群范圍內可行,并不具備代表性。

美國機車工程師學會曾經推出過著名的SAE1517標準,也稱為SAE推薦的適意線法。這種方法在汽車領域的人機工程研究中發(fā)揮過非常重要的作用,但是對于我國來說,這種方法存在不足之處。由于SAE推薦的適意線是用美國的人體尺寸數(shù)據(jù)所得,因此在目標人群的選取與所研究的駕駛員群體明顯不相符。

由于挖掘機駕駛室屬于B類車的范疇,因此其H點的相對定位參考點水平方向的距離XH和適意點的高度ZH屬于線性關系。如圖1所示,該組SAE的適意線可作為挖掘機駕駛室H點布置時的參考。

圖1 挖掘機駕駛室適意H點位置線Fig.1 Excavator Cab’s appropriate H point line

綜上所述,挖掘機駕駛室的H點計算應該在經典的求解方法外將SAE的適意H點作為參考范圍進行綜合考慮,以達到最佳的H點域范圍。

1.3 人體樣本數(shù)據(jù)的選擇

挖掘機主要考慮男性群體。根據(jù)我國成年男性身高和坐高的均值與標準差,可以得到90百分位的身高HS和坐高Hh分布邊界[6],如圖2所示。圖中可以看到，邊界中有8個取樣點,各取樣點的人體尺寸見表1所示。通過分析可知,和乘坐位置有關的大腿長度、小腿長度以及踝關節(jié)到踵點的分布只存在一個主成分,可以根據(jù)它的變化設計H點。由于下肢長度的變化和上述的主成分相一致,因此可以選擇下肢的最長和最短樣本作為計算樣本。通過對比,下肢的最長樣本為P5,最短樣本為P6。

圖2 群體分布樣本點Fig.2 Sample point of group disrtibution

樣本點身高/mm坐高/mm大腿長/mm小腿長/mmP118338908043864276P215263908040553953P316800993035243436P416800823042814173P517887847946544537P615713968131513072P717887968141194015P815713847936863593

1.4 H點域求解

在大型工程機械中,駕駛員通常采用坐姿工作,人與機械最重要的連接就是座椅,其直接影響到駕駛員的舒適性與相關控制裝置的布置[7]。

如圖3所示，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)可得,駕駛員腳部接觸控制踏板時踝關節(jié)最舒適角度為87°(α4)。如果分別對H30和α9設定一個值,就可得到H點。當確定α4為87°以及H30時,用γ表示的線段L與鞋底的夾角是常數(shù)。代入H點的求解公式:

式中:L為駕駛員腳跟到膝部的距離,mm;β為駕駛員腳后跟部與水平面的夾角,(°);L3為駕駛員大腿長,mm;α9為駕駛員大腿與水平面的夾角,(°);H30為駕駛員坐高,mm。

由上式可得:XH=XAHP+Lcosβ+L3cosα9.

圖3 給定H30,α4的H點計算Fig.3 H point calculation with given H30,α4

確定了AHP的位置后,就能夠確定駕駛員的下肢各關節(jié)點和關節(jié)角度。因此,給定H30的值,則可得到在H30高度上H點的水平變化。我們可以根據(jù)駕駛員的座椅高度和坐墊傾角(參照α9)確定最后的H點。取α9=17°,通過計算可以得到最終的H點域。其中，區(qū)域4為篩選后的最終結果,如圖4所示。

圖4 H點域計算結果Fig.4 H point domain calculation results

2 挖掘機駕駛室人機工程學舒適度評價

2.1 數(shù)字化人體模型的建立

對人機工程學的舒適度評價離不開數(shù)字化人體模型的建立,通常使用的人機工程學模擬軟件有CATIA、RAMSIS、jack等。CATIA是常用的人機研究軟件,其系統(tǒng)中包含很多國家的人體尺寸數(shù)據(jù),可以利用與中國人體較為相似的韓國人體尺寸作相應的調整，符合中國人體尺寸的95百分位進行人體坐姿舒適度的評價,如圖5所示。

圖5 設定人體尺寸參數(shù)Fig.5 Body size parameters set

2.2 舒適度評價原理

在進行舒適度評價之前,首先結合人體舒適度的姿勢定義，對人體模型的各個關節(jié)的自由度進行判別和打分。利用CATIA的姿勢分析模塊，根據(jù)各個關節(jié)的首選角度,對所得的關節(jié)自由度的角度和分值進行加權運算,從而得出各個關節(jié)部位的舒適度評價得分。

2.3 評估過程及結果

利用CATIA軟件中的HPA模塊(Human Posture Analysis),對求解出的H點以及圖2所示的范圍進行模型的參數(shù)化調整。

對于舒適度的評價可以從兩個方面進行,一是對于人體模型的局部區(qū)域進行合理性評估;二是對整個人體模型的姿勢進行合理性評估。

如圖6所示是對操作換擋的手臂進行首選角度的定義,通過白色的扇形部分對角度的區(qū)域進行修改,對求解出的的駕駛員坐姿參數(shù)進行評價。

圖6 姿勢評估界面Fig.6 Postural assessment interface

如圖7所示,CATIA軟件通過數(shù)值和直方圖兩種形式將對人體模型的評價表達出來。從圖中的評價結果可以看出,當人體以圖中的坐姿進行工作時,各關節(jié)的舒適度得分達到86.1分,說明以此H點的坐姿在工作時各關節(jié)處于一個較為理想的狀態(tài)。

圖7 姿勢評估得分及分析Fig.7 Scoring and analysis and evaluation of posture

2.4 實例分析

由于駕駛員長時間的坐姿操作會造成較強的疲勞感,在前文研究的基礎上,有針對性地對現(xiàn)有座椅的坐墊角度、坐墊長度以及靠背角度和腰部支撐進行了調整。對調整后的座椅進行了體壓分布測試,測試結果如圖8所示。根據(jù)測試結果可知,人體臀部受力變化較為均勻,適合較長時間的坐姿操作。通過人體的體壓分布測試進一步驗證了H點設計理論的正確性。

3 結束語

在機械產品同質化嚴重的今天,必須積極地利用工業(yè)設計，提高自己產品的競爭力,破除以往機械產品只注重功能性不注重產品性的誤區(qū)。本文通過提出新的數(shù)據(jù)取樣方法,利用SAE適意線法以及H點求解公式得出了適合駕駛員的H點域。從最終的評價結果來看，本研究對挖掘機駕駛室操作臺部分的人機工程學設計，得到了較高的評估得分,結合實際的體壓測試結果,驗證了H點設計理論的正確性。

圖8 體壓分布測試結果Fig.8 Results of body pressure distribution test

[1] 史向東.人機工程學在起重機司機室設計中的應用[J].機械設計與制造，2010(6):262-263.

[2] 安芳,吳曉莉.租賃式自行車人機系統(tǒng)分析與設計[J].機械設計與制造工程，2014,43(7):10-14.

[3] 周一鳴,毛恩榮.車輛人機工程學[M].北京:北京理工大學出版社，1999：266.

[4] 閆慧炯.基于人機工程學的消防車駕駛室設計與研究[D].太原:太原理工大學機械學院，2011.

[5] 曹貴華.輕型客車駕駛室人機工程設計方法研究[D].武漢:武漢理工大學汽車學院,2010.

[6] 姬麗靜,王延琦,夏寶清,等.主次顯示器視距設計對頭部關節(jié)舒適度的影響[J].機械設計與制造工程，2015,44(5):20-22.

[7] 胡萍.人機工程學在工程機械設計中的綜合應用[J].機械制造,2009,47(1):56-58.

(編輯：龐富祥)

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

國家863科技基金資助項目：75 m3大型露天礦用挖掘機研制(2012AA062001)

李冉兒(1989-)，女，太原人，碩士生，主要從事人機工程學研究，(E-mail)447903605@qq.com

任家駿,教授,主要從事機械優(yōu)化設計及人機工程學研究,(E-mail)tyrenjj@163.com

TB 18

A

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