人機工程學在挖掘機設計中的應用

嚴茂林

摘 要：近年來，人機工程學發展速度不斷加快，在不同類型工程施工機械設計中的地位也逐漸突顯出來。將人機工程學理論應用在挖掘機設計中，能夠有效地增強挖掘機合理性，進而為駕駛人員提供更加安全與舒適的工作環境。基于此，文章將人機工程學作為研究重點，并闡述其在挖掘機設計中的具體應用，希望有所幫助。

關鍵詞：人機工程學；挖掘機；設計；應用；研究

中圖分類號：TU621 文獻標志碼：A 文章編號：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

挖掘機屬于土石方施工機械設備，用途多樣，一般被應用在土石方挖掘、農田水利工程、市政、園林等方面。通常來講，挖掘機的工作環境相對惡劣且作業時間較長，勞動強度極高，所以對于操作人員的抗疲勞能力提出了較高要求。將人機工程學應用在挖掘機產品設計中，能夠實現挖掘機作業安全性能、效率與操作舒適性的全面提升。由此可見，深入研究并分析人機工程學在挖掘機產品設計中的應用具有一定的現實意義。

1 人機工程學概述

人機工程學屬于邊緣科學，主要是對人在生產亦或是操作過程中勞動與用力合理、適度性展開深入研究的問題。一般情況下，人機工程學的定義就是將研究對象選擇為人-機-環境系統，通過對心理學、生理學以及相關性學科知識的合理運用，結合人與機器條件以及特點，對人與機器所承擔的操作職能予以有效地分配，以保證與之相適應，并為人們營造舒適且安全的工作環境與條件，確保功效最優[1]。

2 人機工程學在挖掘機設計中的應用

2.1 挖掘機設計中人的視野方面

圖1是挖掘機的側視圖，而圖2是挖掘機的俯視圖。

根據圖1內容可以了解到，h1代表的是操作人員的水視線至前風窗最上部實際距離，h2是操作人員水平視線至前風窗最下部實際距離，h3則是駕駛室的座位水平面至前風窗最下部實際距離。而圖中的X代表了操作人員眼睛和前風窗水平的距離，O和O'是操作人員眼睛位置。在操作人員頭部與眼睛不轉動的情況下，在其水平視線以下的35度能夠清晰看到施工物體，這也是最佳的作業視野。而垂直面內部的水平視線，其以上25度，以下35度的整個視線范圍之內都屬于有效的視野范圍[2]。

受作業需要的影響，應將挖掘機作業設計成能夠前后調試的座椅。在操作人員眼睛位于點O的情況下，其水平視線以上的最大仰角是？琢，最大的俯角是？茁。在這種情況下，？琢是25度，？茁大于35度，能夠與司機有效視野的范圍相吻合。

根據圖2內容可以了解到，在司機頭部與眼部不轉動的情況下，其水平面以內的左右各15度，整個30度之內都是挖掘機操作人員清晰看到施工物體的范圍。而在操作人員水平面以內的左右各35度，70度之內被稱之為最有效的視野范圍。

2.2 挖掘機設計中工作環境方面

空調系統是將人機工程學理論應用在挖掘機駕駛室工作環境設計中的直接體現?？照{系統設計的優劣，直接影響操作者對駕駛環境的體驗。設計中需從以下幾方面予以考慮：（1）環溫40°C時，空調制冷能力需能抵消熱輻射帶來的熱量，確保駕駛室平衡溫度能達到25℃及以下的舒適溫度范圍，空調壓縮機功率的選擇是關鍵。（2）風口的布置將影響客戶的清涼體驗，一般遵循“上冷下熱”原則，普遍設計吹臉風口、除霜風口、吹腳風口和吹背風口，風口要盡量避開座椅和監控器的阻擋。（3）控制模式盡可能設置多樣化，比如吹臉模式、吹腳模式、吹背模式及全開模式等，選擇不同的模式對應打開風口，使風量分配符合操作者的個性化需求。（4）設計制暖功能，確保冬天作業時，駕駛室仍保證在舒適溫度。這樣一來，如果高溫或高濕對操作人員的作業產生影響，可以將空調打開，對駕駛室內部溫度以及濕度進行適當地調整，以保證能夠與操作人員接受的范圍相適應。

如果挖掘機駕駛棚內部無法安裝空調產品，要預設降溫的措施，如電子風扇等，以保證操作人員工作安全，從根本上規避事故發生[3]。

2.3 挖掘機設計中工作噪聲方面

在挖掘機操作的過程中，噪聲會使人煩惱且嚴重危害人體的健康。在挖掘機設計方面，將人機工程學引入其中，對噪音的問題予以有效地防治。其中，機械噪音與空氣動力噪音是挖掘機主要的噪音類型。所以，要想控制噪音，就應當從以下兩個方面入手：一方面，機械噪音控制，主要是溢流閥不穩定引起，應當對管路系統固有的頻率進行改變，避免液壓泵出油管路過渡固定帶來的共振，將控制閥位置加以變動，也可以增設蓄能器，進而實現防振降噪的目標。另一方面，空氣動力噪音控制。在確保冷卻系統散熱能力的同時，采用高效率風扇，減小風扇直徑，降低風扇轉速，進而降低風扇噪聲。與此同時，可以在挖掘機駕駛室門與發動機安裝室提供密封條件與吸音材料，以保證有效隔離發動機，達到降低噪聲的目標，不僅要滿足噪聲限值標準要求，還應盡最大可能降低噪聲對于操作人員的負面影響。

2.4 挖掘機設計中工作振動方面

眾所周知，人體本身屬于彈性系統，同樣具有固定振動頻率。而且，人體不同器官的共振頻率也不同。在挖掘機振動的頻率和人體各部位共振頻率相互接近的情況下，即可形成共振[4]。如果振幅急速增加，還會導致器官的生理出現更大的反應。

對于挖掘機操作人員而言，振動會對其操縱動作的準確程度產生影響，因為振動影響了手與腳的穩定程度，所以也直接制約了操縱動作的精準程度的提升。

為了有效地規避振動對挖掘機操作人員帶來不適，將人機工程學引入到挖掘機的減震設計過程中。其中，當油流經油管的過程中，若油管直徑小且長度較長，存在較多的彎頭而且沒有進行固定，尤其是油流動速度較快的情況下，很容易導致管子出現抖動。另外，柴油機與液壓泵旋轉的部位不平衡，亦或是柴油機懸置系統布置不合理，或者是減震器的硬度、剛度等設計不合理，都很容易引發振動以及噪聲。基于此，要有效地分離長油管，并且增加設置支承管夾，對柴油機懸置系統重新設計，減震器基本參數不斷優化。現階段，挖掘機通常會選擇使用減震器來減少振動的傳遞及影響。此外，在挖掘機操作人員的座椅中增加懸浮裝置，進一步降低柴油機和整機機械振動對操作人員的影響。

2.5 挖掘機設計中操縱手柄方面

在設計挖掘機操縱手柄安裝位置的過程中，應優先布置人、手、腳活動最為靈敏且反應最快的空間范圍與方位。在坐姿下，水平方向上能夠方便移動手臂所形成的軌跡可以通過圖3表示出來。當人處于正常坐姿下，手部活動最為舒適的范圍就是將左右肩作為中心，在半徑390毫米范圍之內的半圓區域。為此，應將挖掘機操縱手柄設置在手部活動舒適范圍之內。由于手柄操縱屬于頻率較高的動作，在向右扳動手柄的時候，如果頻繁地向上翻，前臂的肌肉會酸麻，所以必須有效地避免。

同時要校核SIP點到踏板的高度差，同時滿足SIP點位置與操縱手柄之間、SIP點與踏板之間的空間距離要求，并進行必要的運動校核，避免手柄運動過程，手部與其他物體碰撞，從設計上規避誤操作或人體傷害。

3 結束語

綜上所述，在挖掘機車身設計中，人機工程學的應用并不廣泛與普及。但是，挖掘機本身的使用領域廣泛，挖掘機市場容量大，從業者眾多且越來越年輕化。要想確保挖掘機安全、舒適作業，就必須保證操作人員操縱視野清晰，工作環境溫度、濕度舒適，機器作業安靜，振動小，機構操縱省力。在文中，結合挖掘機的工作環境特點，將人機工程學科學合理地引入到挖掘機駕駛室視野、工作環境、噪聲與振動、操縱手柄布置設計中，以保證操作人員操縱的舒適性，使操作人員更加安全，對其工作環境加以不斷改善。

參考文獻：

[1]杜海濱，趙妍，胡海權.KAMA智能挖掘機設計中的人機因素[J].人類工效學，2016（5）：59-63.

[2]李冉兒，任家駿，李暢.75m3大型挖掘機駕駛室的人機工程學研究[J].太原理工大學學報，2016（5）：572-575.

[3]強薇.挖掘機駕駛室的人機界面研究設計[D].西安建筑科技大學，2015.

[4]李冉兒.基于人機工程學的75m3大型挖掘機駕駛室設計[D].太原理工大學，2016.