基于人機工程學理論的汽車起重機操縱裝置改進與設計探析

（江蘇師范大學科文學院，221132，江蘇徐州）

汽車起重機作為工程機械中的高危產(chǎn)品，用戶在使用過程中更加關注的是汽車起重機使用的安全性和可靠性，無疑使用過程中高度緊張的工作環(huán)境對汽車起重機的人性化設計也提出了更高的要求[1-2]，特別是操作系統(tǒng)及安全裝置設計的合理性更為重要。下面筆者將以某公司生產(chǎn)的25 t 汽車起重機為例，對部分控制裝置設計情況進行分析，提出改進和設計思路，僅供同行參考。

1 汽車起重機先導油源控制系統(tǒng)改進與設計思路

1.1 控制原理及操作方式

汽車起重機安全性是設計者考慮的最為重要的因素。如圖1（a）所示，機械式汽車起重機操作裝置采用機械拉桿，由于汽車起重機的起重質(zhì)量越來越大，其液壓控制閥的彈簧彈力也越來越大，故操縱阻力也大大增加，所以，為了減少操縱難度，采用了加長桿以增加力臂，減小操縱力，故操縱起來不會輕易被誤碰。由圖1（a）可知，最左邊的紅色操縱桿用來控制回轉(zhuǎn)，如果起重工需要臨時下車查看汽車起重機的工作情況，身體的各個部位也不會誤碰到操縱桿，減少了安全隱患。但從圖1（b）可以看出，對于先導控制式汽車起重機而言，左手柄的左右方向控制汽車起重機的回轉(zhuǎn)，且先導控制系統(tǒng)的微動性較好，如果起重工臨時下車，無意中碰到左手柄，定然會給汽車起重機埋下較大的安全隱患。所以從人機工程學的安全因素考慮，設計者就在汽車起重機的面板開關上設置了一個先導油源翹板開關，此開關可以控制先導手柄的壓力接通與斷開：當操作者上機后，先打開此開關，汽車起重機的先導手柄便能正常操作；下車前先關掉先導油源開關，先導手柄無動作，當然也就不可能有誤動作產(chǎn)生。

圖1 汽車起重機操作裝置

1.2 與挖掘機先導油源開關的控制方式對比

挖掘機的兩個先導操縱手柄中，左手柄的左右方向也是控制回轉(zhuǎn)，故與汽車起重機存在同樣的安全隱患，但其切斷油源的方式與汽車起重機不同。挖掘機采用的解決措施如圖2 所示，先導油源由安全操縱桿來控制：當安全桿在豎直方向時，先導系統(tǒng)關閉，機手可以下車，同時也不會有安全隱患；當安全桿在水平方向時，先導系統(tǒng)有壓力，但此時的安全桿阻礙了機手的下車，從而提醒機手放下安全桿，以確保挖掘機的作業(yè)安全。

圖2 挖掘機先導安全桿

1.3 先導油源控制系統(tǒng)的改進與設計優(yōu)化

通過對汽車起重機的先導方式和工作原理分析，并結合與挖掘機的控制方式對比分析，可以看出從人性化的角度來講，挖掘機的設計更為合理一些，原因在于根據(jù)人的心理感知過程，起重工需要下車的時候都是有緊急情況或者特殊情況，而這個時候一般人是不會有充分的理智去先關掉先導油源開關再下車的。故對汽車起重機而言，采用設置按鈕開關的方式略顯不足；而挖掘機的安全桿作為一種機械裝置迫使機手在下車前必須放下安全桿，從而有效保證了挖掘機的安全。

雖然汽車起重機在設計時也考慮到了這一點并作了一定的改進，即在先導手柄的下方設置了一個點動的先導油源按鈕（如圖3（a）所示）。當需要操縱工作機構時，用手握住手柄，按下按鈕的同時操縱手柄，即可實現(xiàn)相應的動作；松開手柄后點動按鈕自動復位，即使此時誤碰到了先導手柄，也不會有危險發(fā)生，從而保障了汽車起重機的作業(yè)安全。但是根據(jù)人的作業(yè)習慣和人體生物力學的原理知識，起重工一般的操作習慣是握住手柄的頭部，這樣比較方便，也比較輕松，并且由于汽車起重機的伸臂、變幅等動作在作業(yè)時的操作時間較長，手部緊握點動按鈕會比較疲勞，故起重工一般還是習慣于上車后按下先導油源開關，實現(xiàn)長時的壓力連接。這樣也就像上面分析的那樣，仍存在著一定的安全隱患，因此可以采用點動和安全桿控制相結合的方式來實現(xiàn)先導壓力控制，效果應該會更好。

2 汽車起重機先導手柄各方向控制功能的改進設計思路

2.1 操縱手柄設計中的人機因素分析

汽車起重機的手柄操縱方向分為前后左右四個方向，在設計時，操縱方向與起重機的動作方向必須符合人們的心理邏輯。也就是說，手腦要保持一致，例如：手柄向左，起重機向左回轉(zhuǎn)；手柄向右，起重機向右回轉(zhuǎn)；向前推，卷揚下落；向后拉，卷揚起升[3]。反之則會讓起重工非常別扭，操作不順暢，甚至可能會出現(xiàn)誤動作，導致事故的發(fā)生。

2.2 先導手柄各方向控制功能設置現(xiàn)狀

以某公司生產(chǎn)的25 t 汽車起重機為例，其兩個先導手柄的各方向控制功能描述如圖1(b)所示。左手柄的左右控制左右回轉(zhuǎn)，前后控制副卷升降。右手柄的前后控制主卷升降，右手柄的左右控制兩種功能，即變幅的起落和伸臂的伸縮。伸縮、變幅切換需要用一個伸縮、變幅切換開關來實現(xiàn)（如圖3（b）所示），這樣就解決了汽車起重機控制功能多、而先導手柄控制方向不足的問題[4-5]；而且在先導手柄的上方還設置了小的按鈕，也可以實現(xiàn)伸縮、變幅的切換，從而使伸縮和變幅切換的方便性大大提高。

2.3 先導手柄的控制功能優(yōu)化

根據(jù)以上分析可知，左手柄的左右回轉(zhuǎn)和前后卷揚起落控制是符合常人的操作習慣的，但是右手柄的左右控制變幅和切換后左右控制伸臂就不顯得那么順手。從機械式起重機的控制方式可以看出，伸縮和變幅控制采用前后控制較為方便；但由于先導手柄必然存在著前后左右四個方向，而回轉(zhuǎn)只用了一個左右控制，另一個手柄的左右方向還必須有動作功能設置，所以伸臂和變幅也必須有一個動作采用左右控制。考慮到伸臂過程中會與主副卷揚進行復合動作，不宜將伸臂設置為前后控制，故可以將變幅改為前后控制。當然可以將功能設置在左手柄，也可以設置在右手柄，根據(jù)人們的操作習慣，更適宜于用右手操作，故可以將變幅控制與主卷揚控制設計在一個方向，用一個開關進行切換，這樣操作起來感覺會更加順暢，符合操作工的心理需求和操作習慣。還有一種思路是將主副卷揚的控制集成在一個手柄的前后方向上，采用一個開關進行切換即可，而且還解決了副卷誤動作的安全隱患問題；可是在有些情況下，主鉤和副鉤是需要協(xié)同作業(yè)的，雖然這種情況比較少，但有時也會出現(xiàn)，當需要時就相當于缺少了一項復合功能，所以還是不宜將主副卷揚集成在一個方向上。至于主副卷揚誤動作的情況，在一些產(chǎn)品上已經(jīng)進行了改進，一般是在起重機操縱室地板上的左腳位置增加一個腳踏開關，如圖1（b）所示，只有當此開關踩下時，副卷才有動作，從而防止了誤操作的發(fā)生。另外，針對變幅而言，雖然采用左右控制感覺有些不順暢，但也不是完全不可以，現(xiàn)在也普遍能夠接受；可是將向左定義為變幅起稍微有些不習慣，如果向左為變幅落，向右為變幅起，掌握起來感覺就會更加順暢。當然這也要從不同的角度去理解，如果是理解為向左意味著拉起，向右意味著放下，在某種程度上來說，也是可以接受的。不論是哪種定義和操作，一旦機手操作熟練之后都會養(yǎng)成習慣，操作也就不會感覺別扭了。

3 汽車起重機支腿控制方式及壓力調(diào)節(jié)功能改進設計思路

3.1 汽車起重機支腿現(xiàn)有控制方式及壓力調(diào)節(jié)方法

圖4 所示為某25 t 汽車起重機支腿多路閥液壓原理圖。其采用選擇閥與換向閥相結合的方式來進行水平支腿和垂直支腿的控制，即用四個選擇閥來選擇水平或垂直油缸，用一個換向閥統(tǒng)一進行支腿伸縮的控制，在一定程度上省去了幾路多路閥，節(jié)省了成本，提高了操作的可控性，但在控制的舒適度方面表現(xiàn)欠佳，且不能實現(xiàn)遠距離控制。另外，采用20 MPa 和5 MPa 兩個溢流閥分別控制垂直支腿及水平支腿的最高壓力，保證了各支腿工作的安全，但均是獨立控制，也沒有體現(xiàn)出遠程控制的優(yōu)越性[6]。

圖4 支腿多路閥液壓原理圖

3.2 支腿操縱控制方式優(yōu)化及壓力調(diào)節(jié)設計

圖5 所示為一種改進后的局部液壓系統(tǒng)原理設計，由于汽車起重機支腿的流量不大，故完全可以用電磁閥來代替手動閥來實現(xiàn)支腿伸縮的控制，其中A1B1、A2B2 分別連接垂直支腿油缸和水平支腿油缸，在機身的一側(cè)設置按鈕直接進行控制，簡單輕便，而且可以實現(xiàn)遠距離控制。

圖5 改進后支腿控制液壓系統(tǒng)原理圖

壓力控制也是如此，采用一個三位四通電磁換向閥的換向來選擇兩種不同的壓力，換向閥在中位時卸荷，達到了節(jié)能的目的。電磁閥的得電與失電完全和支腿的控制連接在一起，即水平支腿伸出時選擇低壓，垂直支腿伸出時選擇高壓，控制方便，操作簡單，減少了機手的操作難度，提高了舒適度和可靠性。另外，如果有三種或三種以上的壓力進行選擇，如全路面起重機上就增加了油氣懸掛系統(tǒng)，則只需增加溢流閥和換向閥進行邏輯組合即可，體現(xiàn)了良好的開放性和拓展性。

4 結語

隨著我國工程機械的日益崛起，汽車起重機操縱裝置的人機系統(tǒng)設計也越來越受到人們的關注。而競爭如此激烈的今天，如何更好地利用人機工程學來審視產(chǎn)品設計，以顧客需求為導向、以顧客滿意為原則來優(yōu)化汽車起重機各控制系統(tǒng)及工作裝置設計，定是今后的努力方向和追求目標。筆者也只是根據(jù)個人的經(jīng)驗和使用感受對汽車起重機部分操縱裝置的設計思路提出自己的一點思考，并且在汽車起重機的某些產(chǎn)品上已經(jīng)開始著手進行改進設計，相信不久將會變?yōu)楝F(xiàn)實。當然這并不代表著權威觀點，因為沒有最好，只有更好。起重機各操縱裝置的設計不僅僅局限于人機工程學的某一個層面的要求，還需要全盤考慮、整體設計，以達到最優(yōu)設計效果；但無論如何，都應該在科學的指導下，盡可能最大限度地來滿足客戶的需求，希望汽車起重機行業(yè)，甚至是整個工程機械行業(yè)都能越做越好。