平地機工作裝置操縱分析及設計

摘要：從平地機工作裝置操縱的作用及布置形式出發，對該裝置操縱機構結構形式、操縱力、操縱行程理論計算進行介紹，為后續土方機械相關操縱機構結構設計提供理論支持。

關鍵詞：工作裝置操縱;操縱機構;操縱力;操縱行程

1" "平地機工作裝置操縱概述

平地機工作裝置操縱位于駕駛室中，用于實現整機轉向、工作裝置動作并進行整機工作參數顯示，是人機交互終端系統。其結構的穩定性及合理性，在整機操作舒適性方面起著至關重要的作用。

工作裝置操縱主要包括：方向盤集成喇叭、操縱機構、顯示儀表和操縱臺立柱。方向盤集成喇叭用于控制整機轉向及行人危險預警。操縱機構用于實現平地機工作裝置動作，包括鏟刀升降、側出、回轉、調角;前輪傾斜、擺架傾斜、鉸接轉向及后松前推等附屬裝置升降。顯示儀表用于整機參數顯示，實現人機交互。操縱臺立柱用于操作者舒適位置調整及支撐作用。其結構如圖1所示。

從圖1可知，駕駛員可以通過調整操縱臺角度，改變操縱臺和座椅之間的空間，進入或離開操作區域。當駕駛員操縱平地機工作時，可以通過調整操縱臺角度，保證操縱臺在舒適的操縱位置。顯示器的位置應該位于駕駛員視線范圍內，便于駕駛員觀察整機參數。

除此之外，操縱搖臂的操縱力及操縱行程也影響著操作者的駕駛體驗，是整機舒適性的重要指標。近年來，行業內各大生產廠家對平地機工作裝置操縱進行了升級優化，申請了許多發明及實用新型專利，但相關結構分析文獻較少。基于此，本文對工作裝置操縱布置形式、操縱機構、操縱力及操縱行程理論計算進行分析、設計及計算。

2" "工作裝置操縱布置形式

通過對市場上主流平地機工作裝置操縱進行調研可知，操縱搖臂、操縱連桿、方向盤、喇叭等均集成與操縱臺主體上，儀表顯示有兩種形式：一種是獨立設置，一種是與操縱臺集成設置。

2.1" "顯示儀表與操縱臺分體式

顯示儀表與操縱臺分體式操縱工作裝置分為2種：

一種為顯示儀表固定于駕駛室前部。在駕駛室前玻璃上搭建橫梁，與駕駛室底板形成剛性連接結構，并在外部連接注塑殼體。操縱臺使用獨立剛性框架，外部連接注塑殼體，利用氣彈簧結構，實現空間姿態可調，如圖2所示。該種結構儀表顯示殼體立柱上多集成空調出風口，可實現駕駛室前玻璃除霧、除霜等功能，其中典型的應用的廠家有卡特、小松、徐工等。

另一種為儀表顯示不依靠駕駛室前玻璃，而是獨立設置。利用內部剛性框架，將儀表顯示固定于駕駛室底板上，操縱臺通過獨立框架及機構可實現空間姿態調整，如圖3所示。此種結構更加輕巧，不遮擋視野，其中典型應用的廠家有柳工等。

2.2" "顯示儀表與操縱臺整體式

即顯示儀表與操縱臺使用同一套剛性框架，整體連接，固定于駕駛室底板上。當調節操縱臺空間姿態時，儀表顯示同操縱臺一起翻轉，如圖4所示。此種結構集成度更高，工藝性好，造價低，其中主要應用的廠家有凱斯、三一、臨工等。

3" "操縱機構組成及原理

平地機工作裝置操縱的操縱機構為多組連桿機構，其組數由所需要實現的各類工作裝置功能確定，即控制相關液壓缸運動的多路閥閥片數量。每一組連桿的構成相同，均由多路閥閥芯連桿、操縱桿、操縱搖臂組成四連桿結構，如圖5所示。

其中操縱搖臂為鑄件，包括前連桿與后連桿，后連桿上裝有操縱手柄。操縱桿兩端安裝有關節軸承，多路閥閥芯連桿與操縱桿關節軸承通過螺栓固定，利用關節軸承實現空間位置微調。操縱桿與操縱搖臂前連桿連接方式與上述方式相同，通過螺栓固定。操縱搖臂與操縱臺伸出懸臂軸間裝有具有耐磨作用的滑動軸承。工作時，前后拉動操縱搖臂上的手柄，操縱搖臂前連桿帶動操縱桿及液壓多路閥芯，通過閥芯開合變化，實現液壓油路的變化，進而控制各相關液壓缸運動，實現相應工作裝置功能。

4" "操縱力及操縱行程理論計算

在正常作業姿勢下，操縱力過小，操作者不易感知是否實現任務。操縱力過大，則會導致上肢肌肉疲勞，作業效率降低。按照國家標準土方機械司機的操縱裝置要求，操縱力與操縱行程規定如下。

手柄操縱力應≤230N。對于頻繁操作的手柄，操縱力≤80N，最佳操縱力為25～50N[1]。

對于短桿操縱桿（150～250mm），前后轉角不大于30°的[2]，操縱行程不大于130mm。由于平地機工作裝置操縱手柄為短桿，且具有多組連桿機構，應考慮操縱手柄左右排布位置，從而避免在運動過程中產生干涉現象。

現對某型號平地機工作裝置操縱進行操縱力及操縱行程進行理論計算。根據市場需求及客戶反饋，設計需求值為操縱力F≤30N，操縱行程L≤50mm。受力分析如圖6所示，已知多路閥閥芯彈力為F_彈=135N，力臂g=23mm，操縱搖臂前連桿長度a=60mm，多路閥拉桿長度c=64mm，操縱搖臂后連桿距操縱手柄中心長度e=143mm，操縱拉桿與多路閥拉桿夾角α₁=16°，操縱拉桿與操縱搖臂拉桿夾角α₂=2°。

由圖6可得到下式：

F_彈·g= F₁·c （1）

F·L·e =F₂·a （2）

F₁/cosα₁= F₂/cosα₂ （3）

F_操縱力 =k·F·L （4）

其中k為經驗系數，考慮各關節處的摩擦力損失等，此處取k=1.5，可知F_操縱力=26N。

再根據機構空間分析（如圖7）可得，操縱行程L₁=48mm，L₂=43mm，滿足設計需求。

5" "結語

綜上所述，平地機工作裝置操縱有儀表顯示與操縱臺分體式和整體式兩種結構，并且各有優缺點。操縱機構為多組四連桿機構，其組數根據所需要實現工作裝置功能確定。操縱力和操縱行程為操縱舒適性的主要指標，通過對某平地機工作裝置操縱操縱力和行程進行理論計算，得出結論符合設計要求，為后續土方機械相關操縱設計提供理論支持。目前該操縱機構已成功在平地機上應用。

參考文獻

[1] GB/T 8595-2008/ISO 10968：2004 土方機械 司機的操縱裝置[S].

[2] 郁飛鵬.推土機機械連桿式操縱裝置設計研究[J].建筑機械化.2017（5）：27-30.