1、工程机械中的宜人性设计内容提要：本文通过介绍国外工程机械的先进结构,依据人机工程学的方法进行分析,着重以总体布置、驾驶室和司机座椅、操纵机构和信息显示装置几方面做了些探讨。在工程机械产品设计中, 不论是技术设计还是艺术造型设计, 都是围绕着如何使产品发挥最大的功能效用。而产品功能是通过人与机器的相互作用来最终实现的。所谓宜人性设计是指应用人机工程学的原则和方法研究“人一机器一环境”这个统一的综合系统, 并设计这个综合系统合理的方案。建立人一机之间最适宜和最合理的相互作用方式。科学技术的飞速发展,计算机辅助设计的引入,使当今工程机械的设计达到了一个更高的水平,产品设计的主要困难,已不在于机器设备
2、本身,而在于如何确定人与机器以及人与环境之间最佳的相互协调关系。实践证明,既使采用了新的高功效的机器和设备,由于其结构与人的相互作用方式不适应人的功能特点,则往往不能达到预期的效果。因此,在产品设计中充分考虑“人的因素” ,解决产品与人相关的一切方面,选择最佳的“人机” 系统是技术设计和造型设计中不可分割的重要组成部分。人机工程学可以帮助技术设计和造型设计者选择最理想的产品设计方案,在方案设计中,允许采用技术对人的“ 迁就”及人对技术的“选择” 。宜人性设计的最终目的就是为操纵者创造高效、安全、舒适和方便的工作条件,保护其体力和激发其工作自信心,提高劳动生产率。一、 总体布里的宜人性设计一台设
3、计良好的机械,其安全、可靠、易于维护修理、检测和使用方便以及保证有良好的视野是最基本的人机工程学标准。1. 保养检测省时省力日常保养及登机前检测要省时省力, 以便使机械有更多的时间进行工作。造型设计必须和总体布置设计密切配合,充分考虑经常换用的一些零件、组件及总成件的配置,不仅更换检测容易,而且保证在更换时不需反复拆卸机器。保养点集中并易于接触,润滑点尽可能少且加长润滑周期。需常调整的部件,应设检修门和孔口，孔口的形状和大小应满足在挡板外便于工作和观察。C A T D gL推土机对发动机、变速器、转向离合器,制动器及支重轮架的各轴承所设的润滑点具有快速保养和保养周期长的特点。其基础本身上仅有4
4、个注油点,附属装置上有14个注油点,(推铲上2个,裂土器上有12个),使润滑简化,绕机检查快速方便。在CAT生产的许多机种中,都设有保养指示器,显示红色信号时,意味着过滤器内的过滤心脏需保养;采用透明塑料积尘杯,便于目测聚尘状况:采用直观的目测油量计,检查方便而且也避免开启油箱对系统造成污染;采用旋紧式润滑油和燃油过滤芯,不仅容易接触,更换时也干净利索。在D8K 和D9H 型机上还采用了快速更换润滑油系统,比普通换油方法一宵省80 % 以上的时间。2. 维修方便为便于检修,各国的工程机械在总体设计上都将驾驶室做成一“ 整体”,并可倾斜不同的角度。如C A T 953 装载机可用千斤顶使驾驶室整
5、体倾斜24 度，利于更换变速器油滤芯和快速连接液压检测接头,对发动机和传动装置进行故障检查和排除,驾驶室还可借外力倾斜朋，以便拆下发动机或传动装置。实践证明,技术性能的改进和新结构的运用,是提高宜人性设计的重要基础。C A T D1 0 , D 9 L 和D 8L 均采用了组件装配式结构,使所有主要动力传动系部件在不必拆除推土铲、松土器、驾驶室等情况下就能快速拆卸和更换,尤其是拆除最终传动,显示了组装式结构的优越性,它只需断开履带即可拆出终传动部件。这样不仅使拆除部件所需时间减少,而且为现场维修带来极大方便、缩短了停机时间，降低了保养费用。3.视野良好视野广阔清晰是提高和确保效率的主要保证。看
6、得清才能干得好。驾驶室的造型应与总体设计相结合,其位置及门窗结构应当容易看清工作装置和通行道路。D 10 推土机的造型设计充分体现了视野良好的要求。在总体造型上呈“A”字形, 处于前方视野要求,采用斜置的发动机罩和垂直安装的提升油缸，在后方视野上由于采用了新颖的三角形履带布局，不仅使总机长度缩短, 而且为司机回顾松土器工作状况提供了方便; 左右及后方采用富有力感的“ 梯方形” 的斜壁式油箱造型, 其上表面均有一定的下倾角度,减小了死角,使司机在工作时前后及两侧都有良好的视野。在技术设计上也应考虑到所采用的结构对视野的影响。C A T 9 5s 装载机采用了Z 形连杆,不但提高挖掘力及铲斗的卸载
7、速度,更重要的是由子采用单油缸进一步拓宽了司机的视野。在其G 系列平地机的主机架上,从铰接式连接件直到前面采用整体结构,取消了阻碍前方视线的平土铲联杆装置和齿轮箱,使视野更为广阔。二、 驾驶室和司机座椅的设计工程机械驾驶室应具有安全保护、防风防火和防雨防晒,不受灰尘、废气侵扰以及减轻振动和降低噪声的功能。这些功能的好坏直接影响司机的安全舒适,对提高生产效率起着显著的作用。其中减振的程度也影响司机乘坐的动态稳定性。座椅的舒适性有两方面内容: 坐姿舒适性和振动舒适性(静态特性和动态特性)。这两方面因素及其座椅相对于驾驶室内和操纵机柯布局中的位置,直接影响着司机的舒适和方便,操作的灵活与效率。振动舒
8、适性的研究是把路况一悬挂行走系统与座椅一人当做一个整体,探索在各种工况下受随机振动对人在心理和生理方面的感觉反映。国际标准15 0 26 3 1 一1 9 7 8 ( E ) 人体承受全身振动能力的评价指南对人体承受全身振动能力的标准作了最完善的评价。这里不作探讨。座椅的坐姿舒适性的研究则主要偏重于人体生理结构(人脊柱的腰曲弧线及坐姿状态下人接触座垫和靠背的体压分布)与座椅结构、座椅廓面形状和几何参数的关系上, 使座椅兼有良好的静态和动态特性。1.乘坐姿势最舒适的乘坐姿势,一般认为是符合人体生理要求, 即能保持正常的腰曲弧形而不受拉伸变形, 腰背部肌肉处于松驰和休息状态以及腹部通向大腿的血管不
9、受压迫的乘坐姿势。其特征是: 臀部离开靠背稍向前移,使肩部后倾并与大腿下平而夹角(体腿夹角) 为1 15 度, 小腿自然前伸并保持与大腿和脚之间有110度到115度的夹角。见图l。2. 两点支承原则对人体腰部与背部的合理支承能够防止腰曲变形,是保证坐姿舒适性的重要结构措施。见图2 (a 为一点支承, b为两点支承)。两点支承中, 上面一点称为靠肩, 能减轻颈曲变形, 设置在第5 一6 胸椎之间; 下面一点称为腰垫,它对保持和恢复正常腰曲弧形和保护易损腰椎它对保持和恢复正常腰曲弧形和保护易损腰椎有决定作用, 其位置在第4 一5 腰椎之间的高度上。几何参数见表1。靠背倾斜角度和两点支承是相互依存的
10、,因使用要求不同而有所偏重。以休息为主的座椅, 多采用两点支承且以肩靠为主; 以土作为主的座椅, 则应保证工作要求, 采取直坐式。以往工程机械座椅多属此类, 工作过程中背部几乎接触不到靠肩, 两点支承中只有腰垫在起作用, 但一点支承也能起到保护腰椎和缓和腰曲拉伸变形的作用。所以, 我们常看到的工程机械座椅与汽车驾驶员及乘客座椅有所区别。前者主要以工作和操作方便为主: 后者则兼有工作和休息的双重性。但近年来, 国外工程机械出于操作系统布置合理而且多采用先导液压助力操纵机构和可倾斜不同位置的转向柱, 座椅也采用张紧度可变的悬挂装置, 可作上下及前后调整、座垫及靠背也可按司机个人喜好作向前或向后倾斜
11、, 操作时不必将身体探出, 当机械处在斜坡或向旁倾斜时, 侧面的扶手和安全带使司机仍能稳坐椅中。扶手也可折起, 以免妨碍动作。所以当今工程机械司机座椅也采用了适宜于整日工作且最符合人体曲线的高靠背座椅, 比以往具有更好的操纵和.乘坐舒适性。3.体压分布人体重量作用在座垫和靠背上的压力分布称为体压分布, 是影响坐姿舒适性的一个生理因索。人体臀部和肩部上的不同部位, 在产生不舒适感以前所能承受的压力是不同的。因此,座倚的压力分布应是合理分布而不是平均分布。见图3 , 一般说来, 坐骨周围的肌肉可承受较大压力, 而大腿下面的肌肉, 因里面分布有大血管和神经系统, 很小的压力一也会影响血液循环和神经传
12、导, 从而引起不舒适。同样,靠背上的压力也应是合理分布, 集中在肩脚骨和腰椎两个部位。坐姿舒适的体压分布应是:人体的大部分重量应以较大的支承面积、较小的单位压力合理地分布到座垫和靠背上; 压力分布从小到大应平滑过渡, 避免突然变化。4 . 其它因素座椅的几何尺寸及形状、所用材料也影响坐姿舒适性和操作的灵活性。首先, 座椅应该是能够上下、前后进行调整, 以适应不同国度、地区和不同种族的司机舒适乘坐。座椅深度要恰当, 以便很好地利用靠背,通常为3 7 5 -4 0 m m 为适宜,宽度应允许坐者姿势有所变化,最小的宽度是450mm ( 衣服口袋和口袋装物距离) ,有扶手座椅, 两扶手最小距离是4
13、75mm; 靠背的宽度以不大于325 一375 m m为宜,以免工作时,人的肘部经常碰到靠背;座垫应有一定的柔软性,既可增加接触面积;又可减少压力分布的不均匀性。但太软太高的坐垫又容易造成身体不平衡和不稳定,表面材料最好不使用塑料面,应采用纤维材料,既可透气,又减少身体滑动。若几何参数及座椅廓面形状选择不当, 会产生如图4 所示的情况, 箭头所指为受压迫即不舒适部位。5.评价原则评价一个座椅舒适性的主要项目的重要程度如下:1.腰垫20: 2 、靠背倾斜角15 : 3. 座椅深度和高度10 + 5 : 4. 座椅上下、前后移动10 ; 5.椅架下面的空间5 (对于工程机械也可不予考虑) , 6.
14、座垫与水平倾斜角3 ;7.座垫前缘的圆角和柔软度2 ; 8.其余项目一包括肘部臀部和肘部活动空间,座垫和靠背的空载轮廓,蒙皮的透气性, 防滑性等30 三、操纵机构和信息显示装置操作的效率和是否容易、省力与提高机械生产率有密切关系。操纵机构的布局、仪表显示装置的布置和驾驶座椅的位置, 三者之间的物理尺度应综合考虑、统筹兼顾。工作位置的尺度由操作者在工作时视界的大小(包括室外视野良好和室内观察仪表和操纵杆件方便) 及手、脚的活动范围和手、脚动作的有效性、协调性来决定。全盘布局要力求使操作工序耗时最少、体力消耗小和识别仪表指示方便、清晰和准确。l、布置合理( 1 ) 操纵机构操纵机构的布置, 应根据
15、其使用方便程度、操作顺序和频繁性, 将最常用的部分置于有利观察和手脚最有利的动作范围之内。图5所示为手和脚的作业范围。图6 是C A T D g H推土机的驾驶室布置、参照两图可以看出, 操纵机构的布置非常合理。根据人的生理特点,不经训练的人, 一般情况下右手反应时间比左手反应时间短而且准确。象油门控制杆、 推铲控制杆和裂土器控制杆这类常需调整的操纵杆件均布置在右手最方便的活动范围内的减速踏板也方便地放在司机反应较敏捷的右边。次要的操纵杆, 如定期性或不经常调整的杆件布畏在工作区边界处或边界外。象为保护机器司机和在场人员专设的安全手柄(图6 3 ) 就设在控制台的左边,而且颜色与其它杆件不同,
16、 手柄上饰有警告功能的红色,当司机离开驾驶室时,随手将其结合,方便自如。但是应急机构杆件的形状和颜色,不仅应与一般机构相汉别, 而且应设置在任何情况下都能接近且与一般机构隔开的独立空间处。( 2 ) 仪表显示装置司机在作业过程中, 监视控制台的仪表指不和操作机械的工作常常是同时进行的。因此, 仪表的合理布置, 将意味着司机通过快速判读仪表, 及时掌握机械的运转状况, 保障机械的安全。根据人的视觉运动规律, 视线习惯习脚、 左到右和从上往下运动; 看圆形物体, 总是沿顺时针方向比较迅速。从图6 可看出, 反应机器状况的重要仪表, 从左至右排列在仪表板上。而且仪表指针的摆动方向多为顺时针或具有一定
17、的规律性, 以便司机迅速判断作出反应。仪表板的位置, 应处于司机最有利观察区域。根据人的视觉特点, 横向视野大于纵向视野; 眼睛的水平运动比垂直运动快。图7 为人水平和垂直方向视域的划分( a 未画出最大视域)。横向视野中最大视域为2 0度( 头部和眼球均转动) 只有眼球转动时为1 20 。视线突然转移过程中, 大约3 拍的时间能看清目标,其余盯帕的时间视觉是不真实的。根据这些特点, 仪丧板应布置在司机前下方最有效的水平视域是以下三个区域:A: 中心视力范围( 1 .5 到3 度) 对物体视觉最清晰: B: 片刻视力范围( 1 8 度) 有限时间内即可辩清物体;C: 有效视力范围(3 度) 需
18、集中注意力才能辩清物体。最有利的纵向视野为视平线上30 度，下40 度，坐姿工作时向下的最佳视线为15度, 见图7 a , 监控机器各主要功能的仪表和警示灯, 应沿垂直方向在水平线下30 度范围布置在斜置防眩的仪表板上。水平方向上, 在作业时不需用的次要仪表摆在视域之外;主要的置于B 、C 区域;最重要的布置到最佳视区内( A 区)。当然,仪表位置主要是有利于工作。C A T 42 6 型挖掘装载机的仪表板则设在操作者的右边,无论操作装载机还是反铲装置都便于观察。仪表板处于司机前下方, 因此,必须重视仪表板的反射光,以免干扰司机带来危险。仪表板的色彩应与室内色彩有适当对比,常见的多为深色(如黑
19、色),所有材料应为无光泽和表面粗糙以便形成漫反射,清除眩光。切忌在仪表板上使用过多的色彩和为装饰所采用光亮度大的电镀框仪表。这些都会造成视觉疲劳。目前, 国外工程机械普遍采用电子监控系统( E MS ) 替代传统的仪表显示装置。C A T公司60 肠的产品已装备了这种信息显示系统。代表了今后工程机械发展的趋势。电子监控系统相对仪表有极大的优越性, 其判断准确性高出仪表3 一4 倍: 其可靠性在每1 0 个作业小时中,失效率约为0.0 0 1 7。而仪表的准确性和可靠性会因各种因素,使用时间、振动和人为的原因而受到影响。仪表需司机来判读并记住其读数所包含的意思, 对于经验较少的司机则必须把更多的
20、注意力集中在工作上而不是集中在机器的工作状况上; 既使有经验的司机也会由于指望仪表显示正常而较少去注意。使得危险状况得不到及时注意, 从而引出问题。而电子监控系统则利用预调定的传感器(开关), 开关不是关就是闭。司机不需要依靠偶然的监视去发现仪表显示的危险读数, 省去了对仪表所作的猜测。只要看到某个信号灯亮了, 就知道问题出在什么地方和采取相应的措施。该系统应用发光二级管、故障指示灯和警告喇叭。内在可靠性极好,不仅监控系统还能监控自身,使司机能放心地全神贯注于工作。具有提醒司机、要求司机作出反应和立即停机的三级警告, 使司机快速可靠地识别信息, 从而使机械损坏的可能性大大减少,因而有更高的作业
21、率。2操纵可靠轻便操纵力的大小、操纵的方式对操作效率影响很大。人机学有严格要求和标准。国际标准化组织(15 度 )和一些国家都已把有关试验研究成果总结到技术文件中。如苏联对起重机操纵杆布置规定在距离座椅上表面2 0 一3 0 m m 的高度,作用于操纵杆上的推力不大于30 N 、踏板的施力容许值不超过6 oN ,若踏板的施是经常性的,则必须减至20 N 。踏板总行程不超过125 m m 以及用能承受一定荷重的弹簧复位。国外工程机械广泛采用先导阀液压助力控制,不仅减少板动手柄的作用和缩短手柄行程,而且准确灵活地对工作装置精确控制。转向盘只转三圈就可使机械从一侧转向另一侧极为灵便。操纵杆的动作方向
22、应与机械工作机构的运动方向一致, 便于记忆和符合人的习惯想法艺操纵使用时应不阻碍司机视线,位置也应与司机视野相适应。如C A T D 9 L 推土机的裂土器操纵杆设在司机右后方,为减少司机裂土作业时扭转身体所产生的疲劳,其驾驶座椅向右后方斜置15 度 ,以便于司机舒适地向后回顾进行操作。目前,国外工程机械广泛采用可调整的驾驶台。见图8 ，为可五个位置调整的转向柱,向前移可使司机出入驾驶室方便;向后移可使司机将转向盘和变速手柄置于舒适的位置。b 为可作180 度翻转的压路机驾驶装置,以顺应司机的观察,提高碾压质量。宜人性设计的最高体现,是对“人的因素”的考虑是事无巨细的。如操纵手柄的形状必须适宜
23、人手的比例和指球肌、大鱼际肌和小鱼际肌的天然减震能力, 避免对掌心和指骨的压力以及由于垂直和水平振动而引起的疲劳从而影响操纵的确性。图9 为手柄的不同造型,其中a 、b 、c 为好; d、e 、f较差。并列手柄的形状、大小、高度和颜色的不同,有益司机记比和区别,减少误动作带来的事故, 提高人机系统的总功能。如C A T G 系列平地机采用有双重保护作用的停放制动手柄布置在油门手柳和变速杆中间,但其颜色( 红色)和高度与两者有明显区别。它除了控制停放制动器使机械下会移动; 还可使变速杆锁定在空档位置。提高了操作的可靠性。简化操纵机构也是提高宜人性设计的有效措施。图10 为速度和前后变换方向共用一
24、个手操纵,手柄扭转可以作速度换档; 手柄前推或后拉郎作前后方向的改变。越来越多的工程机械,不断简化操作,许多功能的控制都已用按钮开关来实现。如小松的装载机采用的指尖控制变速器; C A T 生产的电子控制的铲斗比置控制器可预定铲斗的卸载高度和挖掘角度, 大大减轻了司机的劳动强度、改善了人机关系,可以预见不久的未来, 电子计算机将为各种施工作业机械提供不同的工作循环程序, 司机所做的工作只是对电视屏和计算机打印输出等的监视。三、 结束语工程机械中的宜人性设计还包括造型设计中造型的比例和谐;色彩的科学应用和颜色对人心理、生理产生的作用和联想等等。篇幅所限, 不作论述。宜人性设计在工程机械中的运用,
25、 集中体现在驾驶室, 操纵机构和信息显示装置上,必须给予极大的重视,因为它们在“人一机”系统中是联系人与机器的重要环节,宜人性设计的最高目的,是追求人和机器之间的新型关系。参考文献l、机器制造中的艺术设计苏汀、E、巴格达维奇、B、A、布里扬、中、2、拉乌特曼著、姜忱 柏大巢、陈祖燕译。机械工业出版社2、建筑、室内、人间工学小原二郎、内田祥我宇野英隆编鹿岛出版会3、人机工程学赖维铁编著 华中工学院出版社4、工效学基拙顾宝德编译 黑龙江科技出版社。5、人与室内环境S 二A康兹, 魏润柏合著 中国建筑工业出版社6、庄国华: 对汽车座持设计的探讨汽车技术 1978(5 )7、温吾几: 人体工程学在汽车设计中的应用了汽车工程1955 (一)8、黄仲侃: 现代国外振动压路机现状及发展趋向筑养路机械行业动态与信息1988 年2 月9、国外工程机械1984( 2 )、1987 ( 5 )10、起重运输机械 1987（4）技术美学1985(2)
