基于無框玻璃門的聯合收獲機駕駛室設計

關鍵詞：聯合收獲機；駕駛室；舒適性；密封性；無框玻璃門

0 引言

目前，在聯合收獲機駕駛室結構設計改進上已有大量的研究。吳俊等[1]對具有典型骨架結構的聯合收獲機駕駛室骨架構成、桿件截面選擇及板殼零件的造型進行分析設計，在Pro/E的鈑金件模塊中構造駕駛室的板殼模型，利用ANSYS分析駕駛室在制動和轉彎兩種典型工況下的靜強度，在樣車制造前對駕駛室進行有限元分析，以此評價駕駛室結構的合理性。楊銳等[2]以谷物聯合收獲機方向盤總成為研究對象，基于Pro/E軟件建立其幾何模型，采用有限元分析軟件ANSYS對方向盤組合體模型進行模態分析，根據模態分析結果調整組合體模型的固有頻率以避開人手的敏感頻率范圍，在將方向盤骨架材料更換為45#鋼的基礎上，通過增大轉向柱和傳動軸的直徑對組合體進行結構優化以避免共振現象發生。任重義等[3]采用統計能量分析法SEA原理對農用收獲機的駕駛室進行噪聲預測分析，并對SEA的建模有效性進行試驗驗證，研究結果表明，在低頻域駕駛室背板的振動是引起駕駛室噪聲的主要因素，而在高頻段駕駛室噪聲水平則主要取決于外部噪聲。王金武等[4]針對國產聯合收獲機某代表機型的駕駛室進行設計，建立駕駛室顯示裝置面板與控制裝置面板和駕駛員標準坐姿模型，通過對駕駛員坐姿仿真、控制面板的可達性分析和駕駛員視野模擬，應用CATIA軟件分析和評價聯合收獲機駕駛室的駕駛舒適性，為駕駛室設計提供重要因素。郭佳麗等[5]針對駕駛室淋雨密封性的改進，主要從裝配過程工藝可靠性、原材料是否合格、影響密封性的零部件結構是否合理進行論證，識別主要問題點，分別制定快贏及永久性措施，為提高收獲機淋雨密封性提供參考。YUKSLE等[6]通過使用有限元?邊界元方法建立了商用車的振動聲學模型，利用該模型預測了發動機激勵下客艙內的聲壓級，并確定了各輻射板對艙內噪聲水平的貢獻。LANGFELDTF等[7]研究一種由雙層壁和集成的薄膜型聲學超材料組成噪聲屏蔽組合，提出并驗證了噪聲屏蔽設計理念。CASEYSM等[8]對農用拖拉機人因因素位置及駕駛員的主觀評分進行研究，提出了拖拉機駕駛室設計方案。MEHTACR等[9]研究發現，高密度聚氨酯基緩沖材料有利于抑制拖拉機在動態條件下傳遞的振動。

受自然環境條件與經濟發展水平的限制，我國聯合收獲機的研發工作起步較晚。近年來，雖然我國聯合收獲機產業規模不斷擴大，水稻、小麥和油菜收獲機總量快速增長，但與歐美發達國家相比，我國水稻、小麥和油菜收獲機發展水平還比較低，科研開發能力和制造工藝水平相對滯后。目前我國聯合收獲機產品的短板是可靠性不高，拖拉機、聯合收獲機等產品的平均故障間隔時間（MTBF）平均水平不到國際先進企業同類產品的2/3，駕駛室密封性與舒適性的問題尤為突出，難以滿足廣大農戶的使用需求[10-12]。本研究為提高收獲機駕駛室的舒適性及密封性，設計了一款中高端駕駛室。對于改善聯合收獲機駕駛員的作業環境、提升聯合收獲機市場競爭能力、增加農村地區對人才的吸引力、促進鄉村振興戰略等具有重要的意義。

1 駕駛室骨架設計

隨著用戶追求的舒適性、功能性需要，駕駛室設計需滿足外觀時尚、內部空間寬敞、舒適、操控方便等多方面需求。目前國內大型收獲機駕駛室流行采用異型管制造立柱，同時采用整體滾塑頂蓋[13-16]。存在異型管的折彎角小、加工難度大、精度低及成型特別困難等問題，特別是在較小折彎角處容易產生變形及裂紋等缺陷，從而影響整個駕駛室的強度。為了加工制作合格的異型管，折彎角必須增大，導致異型管的橫截面輪廓增大，這雖然有利于提高支撐強度，但也帶來了不利因素，主要包括5個方面。①異型管成型困難導致制造成本提高，異型管在加工工程中，因應力釋放、管材變形等原因造成異型管模具調試成本增加及零件合格率低。②異型管的尺寸一致性較差，加工難度大造成了產品的一致性也較差，并且由于管件強度大難以在駕駛室骨架后續加工過程中進行校正。③采用異型管的收獲機駕駛室前立柱，其較大的橫截面輪廓阻擋了駕駛員的視線，影響了視野范圍。④當收獲機駕駛室采用整體滾塑頂蓋時，其頂部的負載降低，本身不需要太大的支撐力，而異型管前立柱卻由于制造因素不得不采用粗大的輪廓形狀，結構上屬于強度功能浪費。⑤安全性差，異型管的前立柱自身強度過高，降低了沖擊能量吸收能力；尤其是采用滾塑頂蓋時，頂蓋的強度低，前立柱的強度高，在車輛翻覆等極端條件下，由于前立柱缺乏緩沖能力，外部沖擊力會迫使頂蓋塌陷，破壞駕駛室的整體性，威脅駕駛員的人身安全[17]。

本研究提出了一種無異型管、玻璃門無框架的駕駛室，設計方案如圖1所示。后立柱、右前立柱、左前立柱、底板和后側壁等組成為駕駛室框架主體，后立柱采用普通矩形，右前立柱和左前立柱采用兩塊折彎鋼板及附件拼焊而成。左側門密封平面由后封板、角板、下封板、上封板和左前立柱的扣板等組成，連接板之間采用搭接的方式焊接，并采用硅酮膠密封。此設計方案避免了使用異型管的立柱，在保證駕駛室滿足強度剛度要求、側門密封面平面度的同時，立柱骨架達到能夠吸收沖擊能量效果，以使得立柱骨架與滾塑頂蓋的強度匹配，提高駕駛室的安全性，在此基礎上，完成了一種便于制作、成本低的收獲機駕駛室骨架設計。收獲機駕駛室總裝外形如圖2所示。

2 駕駛室密封性設計

聯合收獲機作業環境較差，如中原地區“三夏”作業季氣候炎熱、東北地區秋收作業時又面臨嚴寒的侵襲、作業時揚塵大等，駕駛室具有良好的密封性不僅可以保證駕駛室不受外部環境中的灰塵影響，而且還可以減少噪聲的傳播，保證駕駛室內部環境的清潔，給駕乘人員提供一個安全、舒適、清潔的駕駛室環境。

2.1 駕駛室總體密封

駕駛室整體設計過程中，為減少內部空間與外部連接的通道，僅保留了制動踏板和主線束接插件安裝等的連接通道，并采取了密封措施。制動踏板密封設計如圖3和圖4所示，下面的橡膠墊粘在制動踏板焊合上面，平時制動踏板不工作時，橡膠墊嵌入到制動踏板底板內；上面采用駕駛室地墊覆蓋的方式，進一步保證制動踏板的密封。過線孔周邊用膠圈密封，上面由內飾件遮蓋，減少過線孔對密封環境的影響。

2.2 駕駛室玻璃門密封

駕駛室有供人員進出玻璃門，玻璃門與駕駛室的主框架鉸接，關閉門體可將駕駛室密封[18-19]。現有的玻璃門大多采用整塊玻璃，通常玻璃的周邊固連框架，鉸鏈連接在框架上，框架內側固連密封膠條，存在以下3方面問題。一是帶有框架的玻璃門質量增加，不利于整車輕量化。二是玻璃門鉸鏈的負載增大，鉸鏈結構也必須加大，導致整個門體的質量增大，開關操作費力，還需要配備氣彈簧等機構作為輔助，框架和氣彈簧等機構增加了成本。三是密封膠條在鉸鏈處必須開設豁口，以避免干涉，但這樣會導致密封條不完整，影響密封效果，收獲機作業時的粉塵大，帶有粉塵的空氣容易從豁口處進入駕駛室，污染室內環境[20]。

本研究設計的收獲機駕駛室無框密封裝置具體方案如圖5和圖6所示，駕駛室上的主框架，通過鉸鏈連接的左右玻璃門，鉸鏈通過螺釘固定在主框架上。螺釘分別穿過鉸鏈、襯墊、膠墊、玻璃門、膠墊和襯套，蓋封在襯套上，并用螺母固定。襯套與膠墊之間錯位配合。密封條固定在玻璃四周。當左右玻璃門關閉時，主框架、左右玻璃門及擋板將密封條圍攏并擠壓，將主框架和左右玻璃門之間密封。玻璃門采用平面玻璃、密封條采用雙泡密封條與駕駛室側門密封面貼合。玻璃門四周不連接框架，鉸鏈直接連接在玻璃板本體上，整根環形的密封膠條卡裝在玻璃板邊沿，但鉸鏈本體不與密封膠條干涉，避免在密封膠條上開設豁口，確保密封膠條的完整，以保證鉸鏈處的密封性，同時降低了門體質量，節約了成本，還增加了視野和美觀度。

2.3 駕駛室骨架焊合密封

為保證駕駛室骨架焊合及其連接部件的密封性，駕駛室骨架焊合首先電泳底漆，然后焊縫處涂抹焊縫密封膠，最后噴涂面漆的操作，保證駕駛室骨架焊合自身的密封性。

3 駕駛室密封性及舒適性驗證

3.1 密封性驗證

依據QC/T476—2007《客車防水密封性限值及試驗方法》，駕駛室密封性采用淋雨試驗的方式，駕駛室淋雨試驗間如圖7所示。選擇ETN00055-TY型駕駛室，試驗日期為2024年5月12日，將系統壓力設定0.15MPa、流量設定3.2L/min，放置到淋雨試驗間淋雨10min。試驗數據處理：采用扣分法，初始分值為100分，每出現一處漏點則對應表格扣除相應的分數，初始分值減去總扣分等于得分，結果如表1所示。試驗表明，收獲機駕駛室淋雨試驗滿足設計要求。試驗中漏水現象主要有3種。①滲水。水從縫隙中緩慢出現，并附在駕駛室內表面上蔓延開來的現象。②滴水。水從縫隙中成滴出現，在駕駛室內表面斷續滴下的現象。③流水。水從縫隙中出現，并沿著或離開駕駛室內表面連續不斷的向周圍流淌現象；禁止出現流水現象。

3.2 舒適性驗證

經計算，本設計的聯合收獲機駕駛室玻璃覆蓋的區域視野可及率90%以上。依據GB19997—2005《谷物聯合收獲機噪聲限值》和JB/T6268—2015《自走式收獲機械噪聲測定方法》，儀器采用小野測器株式會社的LA-1441A噪聲儀，對駕駛室耳位噪聲進行檢測，檢測結果如表2所示。試驗樣機是洛陽智能農業裝備研究院有限公司生產的4LZ-13型自走式谷物聯合收獲機，發動機功率176kW，試驗日期為2024年6月1日，試驗地點在河南省偃師區高龍鎮郜寨村，環境風速1.6～2.2m/s、氣溫30.1～32.0°C、環境背景噪聲54.9dB（A）。試驗表明，收獲機駕駛室噪聲測定值86.5dB，滿足普通駕駛室噪聲標準要求的95dB的噪聲限值要求。

4 結束語

收獲機駕駛室骨架設計結構采用通用板材和管材，常規的加工方式，成本低、精度高，避免了使用異型管的立柱，質量輕、視野好、安全性高，在此基礎上，獲得一種便于制作、成本低廉的收獲機駕駛室骨架。

收獲機駕駛室的無框玻璃門裝置，確保密封膠條的完整，以保證鉸鏈處的密封性，同時降低了門體質量，節約了成本，還增加了視野和美觀度。