基于人机工程学的玉米联合收割机驾驶室设计

2 0 1 1 年1 0 月农机化研究第1 0 期 基于人机工程学的玉米联合收割机驾驶室设计 叶彤，常建国，田荣刚，刘兴博，梁玉成 ( 黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨1 5 0 0 8 1 ) 摘要：运用人机工程学原理及有关标准，总结以往的设计经验，从人一机关系和人一环境关系两个方面对玉米 联合收割机驾驶室的设计进行分析，充分考虑人的因素，使其更适宜于人的操作，有效发挥驾驶员和设备的作 用，从而使玉米联合收割机驾驶室的人一机一环境系统总体性能达到最优。 关键词：人机工程学；环境；玉米联合收割机驾驶室 中图分类号：S 2 2 5 3 文献标识码：A文章编号：1 0 0 3 1 8 8 X ( 2 0 1 1 ) 1 0 一0 0 8 8 一0 4 0引言 人机工程学是近些年才发展起来的一门新兴边缘 科学，主要研究工程技术设计如何与人体尺寸、生理 和心理特性相适应的问题，其目的在于获得最高效率 及作业时的安全和舒适。玉米联合收割机的驾驶室 是操作者的作业场所，在驾驶室的设计中，应用人机 工程学的目的就是使所设计的驾驶室不仅能满足操 作者的作业要求，而且能使驾驶员操作方便、舒适、安 全，减少体力疲劳和精神负担，使人一机一环境系统总 体性能达到最优。 1 驾驶座椅设计 一般来说，座椅可分为工作椅、操作用座椅和驾 驶用座椅。驾驶用座椅的基本要求相差较大，其特点 是作业空间有限、连续作业时间较长、操作频繁及要 求精力集中等。为了便于驾驶员操作，驾驶室操纵件 与驾驶员身体不能发生干涉。根据人体关节与驾驶 室之间的几何关系，推导出舒适角计算公由，以舒适 角在舒适范围内和转向盘与身体不发生干涉为约束 条件，确定合理的跨点高度、座椅水平调节量、靠背椅 调节范围和转向盘位置及倾角，然后利用计算结果绘 制驾驶员上下视野极限，进行校正，找到合适点。 。 1 1 座椅尺寸 1 ) 椅面高度。椅面过高会使大腿肌肉受压，椅面 过低就会增加背部肌肉负荷，驾驶座椅的椅面高度应 低些。 2 ) 椅面宽度。在空间允许的条件下，以宽为好。 收稿日期：2 0 l O 一1 2 2 7 作者简介：叶彤( 1 9 8 2 一) ，男，河北衡水人，助理工程师，( E m i l ) m x 5 9 6 0 0 9 6 q q c 咖。 8 8 但对于驾驶座椅来讲，驾驶员坐姿单一，不涉及变换 姿势，通常设计应以满足最宽人体需要为准。 3 ) 椅面深度。椅面前缘与小腿之间留有适当距 离，以保证大腿肌肉不受挤压，腿弯部分不受阻碍。 4 ) 靠背高度及宽度。靠背的高度和宽度与坐姿 肩高和肩宽有关。 5 ) 靠背倾角。靠背倾角是指靠背与椅面水平方 向的夹角。 6 ) 椅面倾角。主要考虑到为了防止人体臀部向 前滑动，此角不易过大，否则会增加大腿下平面与坐 垫前缘的压力，从而减少双脚着地的负荷，阻碍血液 循环，引起身心疲劳HJ 。 陈明华经过大量的研究之后，提出了座椅位置布 置的多功能区域法H 曲J ：一是舒适性约束法，以驾驶员 下肢关节角度的舒适性作为约束，来计算日点( H i p p i o n t ) 分布区域。二是视野约束法，以保证驾驶员足 够的前方视野为约束条件，计算日点分布区域。根据 人体工程学，眼睛舒适度为水平上下1 5 。，头部舒适度 为水平上下3 0 。，将选择的点代入，分别校核出第5 百分位女子驾驶员和第9 5 百分位男子驾驶员的视野 是否满足要求。为了支撑上肢，座椅两边应有扶手， 尺寸和角度均应符合人体尺寸要求，具有旋转调节功 能，有充足的旋转范围，满足使用者工作的需要。三 是顶盖约束法，以保证驾驶员必要的头部空间为约 束，计算日点分布区域。四是腿部空间约束法，将驾 驶员腿部空间的统计范围作为约束，计算日点分布区 域。五是转向盘约束法，通过约束转向盘轮缘到大腿 中心线的最小距离胃和到躯干中心线的最小距离，来 计算驾驶员日点分布区域。 1 2 座椅结构 为了保证坐垫上合理的体压分布，坐垫应坚实平 万方数据 2 0 1 1 年1 0 月农机化研究第1 0 期 坦。太软的椅子容易令使用者曲起身子，全身肌肉和 骨骼受力不均，从而导致腰酸背痛现象的产生。研究 表明 7 ：过于松软的椅面，使臀部与大腿的肌肉受压 面积增大，不仅增加了躯干的不稳定性，而且不易改 变坐姿，容易产生疲劳。依据靠背上体压分布不均匀 原则，在座椅靠背设计时应保证有靠背两点支承，也 就是人体背部和腰部的合理支承。 1 3 座椅材料选择 座椅材料的选择主要考虑到振动舒适性以及座椅 对人体热环境的影响。座椅材料是座椅的主要减振 元件，要想使座椅获得较低的振动传递率，使座椅有 较高的振动舒适性，必须采用合适的坐垫和靠背减振 材料。根据驾驶室的微气候环境，调整座椅表面的温 湿度特性，可以适当调节人体代谢，达到减轻疲劳的 目的。在设计座椅时，必须使其具有抵抗横向振动的 能力伸 。座椅靠背后倾斜使腰部背部得到依靠，加之 靠背衬垫的适度柔软性，致使摩擦力增大，可缓冲横 向振动对人体的冲击，同时靠背两侧稍隆起、椅面的 形状两边向上隆起，也能减轻人体的横向移动趋势， 使人感觉乘坐舒适。 玉米联合收割机的驾驶室一般要有副座椅，玉米 收获季节通常是长时间高强的作业，多个驾驶员轮流 作业以减少疲劳，同时副驾驶员可以协助驾驶员进行 作业和操作，保障了作业的安全性。 2 仪表盘及操作装置设计 2 1仪表盘 仪表盘是精确反映行驶车况和作业情况的唯一装 置，如何设计好仪表盘的各项功能，并合理布置是非 常重要的。刘昱在2 0 0 4 年对仪表盘做了研究一叫1 | ，各 种仪表和信号指示器应组装在一块仪表盘上，仪表盘 的空间位置应使驾驶员不必运动头部和眼睛就能看 清全部仪表，或至少应在头和眼的自然转动范围内， 从而使驾驶员对玉米收割机作业情况了如指掌。 2 1 1 刻度盘的形状和大小 其形状主要取决于仪表的功能和人的视觉运动规 律，不同形状刻度盘的误读率亦不同。刻度盘的大小 取决于标记的数量和观察距离。刻度盘的最佳直径 与视角有关。 2 ，1 2 刻度与刻度线 根据人眼的最小分辨能力和刻度盘的材料性质， 来确定刻度的最小尺寸。最小尺寸一般在l 2 5 m m 之间选取，必要时可采用4 8 m m 。刻度线的最小值 受材料限制。钢和铝的盘面最小刻度为l 一，铜和锌 的盘面最小刻度为0 5 m m 。刻度线的类型为：当视距 为己时，长刻度线长度= 9 0 ；中刻度线长度= 1 2 5 ； 短刻度线长度= 2 0 0 。 2 1 3 字符 字符的形状、大小和立位直接影响着误读效率， 字符的设计应力要求能清晰地显示信息。试验表 明【12 l ：若以正体字的误读率为1 0 0 ，则隶书字体的 误读率可达1 5 4 ，越是对字体修饰，误读率越高。在 刻度大小已定的条件下，字符高度通常取2 0 0 ，也可 按下式计算，即 日= ( 3 6 0 0 ) 9( 1 ) 式中露一字符高度； 一视距； 卜最小视角，其数值由试验决定，通常取值为 1 0 一3 0 。 标度数字原则：指针运动盘面固定的仪表，标度 的数字应直排( 正立位) 。最大刻度必须标数字，指针 在仪表面内时，盘面足够大，则数字应在刻度的外侧。 2 1 4 指针 指针的大小、宽窄、长短和色彩配置等必须符合 驾驶员的生理与心理特征。指针的形状应以头部尖、 尾部平、中间等宽为好，形状尽可能简单；指针尖的宽 度应与最小刻度线等宽，距刻度距离1 6 m m 为宜。 2 1 5 仪表的色彩匹配 为了精确的判读，仪表盘颜色应有鲜明的对比 度。经对仪表颜色与误读率的关系进行研究、比较可 知，墨绿色和淡黄色仪表面分别配上白色和黑色刻度 时，其误读率最小一J 。 2 0 0 5 年，张鑫等研究了仪表盘的多功能性，把仪 表盘设计分为显示部分和声音部分。当出现故障时， 必须有故障提示音；当果穗箱的玉米装满后，必须发 出提示果穗已满；当倒车时，语音提示倒车等，倾倒果 穗时必须有提示音 13 | 。 2 2 操纵装置设计 有关操纵台布置的几项原则：正常运行时，使用 的操纵装置均应靠近驾驶员，尽可能集中在操纵台 上；所有正常运行期间受监视的控制设备，应在驾驶 员清晰的视野之内，且尽可能集中在操纵台上，驾驶 室的所有装置可由单人操作2 J 4 53 ；为保证玉米收割 机驾驶室的操纵部件尽可能简洁，在操作手柄与变速 箱、离合器、手刹油门等功能部件之间，一般多采用拉 筋线而非连杆，这样既能简化操纵系统的结构，又能 实现空间位置的灵活机动。 在布置控制器或显示器时，还应考虑功能性，即 8 9 万方数据 2 0 l1 年l0 月农机化研究第1 0 期 将功能上相关的控制器或显示器布置在邻近位置上， 对在操作程序上彼此有联系的几个控制器，按使用顺 序予以合理布置，一般是由左至右( 推荐采用) 或由上 到下两种方法兼用排列。操纵系统设计还要考虑各 种操作件的造型、色彩和运动方向。操作手柄的外形 一般要根据手的操作幅度、手握的粗度、手掌肌肉和 手柄接触位置来设计。按钮接通断开要有灯光色彩 的显示。按钮、旋钮和手柄三者的运动方向应符合外 力的方向2 1 5 6 | 。必须根据四肢的特点合理设计操 纵器，除必须使用手的工作外，应尽量采用脚踏控制 装置。动作的连续、自然、有节奏，合理利用运动惯性 以及缩短移动距离，可以减少人的用力，降低疲劳程 度。因此，操作装置的设计应在使人体四肢保持重心 平衡的前提下，尽可能使双手或双臂同时对称参与工 作。各装置的布置应尽可能使其放在适当工作位置， 同类装置分布排列合理以使操作者减少变动姿势，并 且尽量利用机械本身的力_ 引。 3 玉米联合收割机驾驶室玻璃框架设计 玉米联合收割机驾驶室应该保证整体通透明亮， 所以驾驶室的前后左右都必须可视性好，驾驶室前窗 顶端略微向前伸出，从侧面看前部成斜线，便于观察 割台作业情况和玉米向上输送情况，采用弧形玻璃扩 大左右视野，利于作业时灵活地在田间转弯和对行。 倒车镜应能看到整机的左右俩侧。 4 降低噪声设计 4 1 噪声来源 玉米联合收割机是一种含有多种噪声源的机器， 驾驶室内的噪声主要来源于结构固体声和空气声。 结构固体声是驾驶室内板壁振动产生的辐射噪声，而 使驾驶室板壁振动的主要因素是发动机、传动系等部 件的振动和路面不平度通过驾驶室与机体连接的支 撑点传至驾驶室而产生的激励力；空气声则是发动机 燃烧噪声、进排气噪声等通过驾驶室的孔隙向驾驶室 内透射的噪声。结构固体声与驾驶室结构动态特性 有关。玉米联合收割机驾驶室是由薄钢板、梁和玻璃 构成的一个封闭空间，本身刚度较小，在外界激励的 作用下板壁产生振动而辐射出很强的噪声，同时薄钢 板和玻璃的光滑表面又是声波的强反射体，驾驶室外 透射进室内的噪声和板壁振动辐射噪声都会在驾驶 室内壁面间多次反射形成混响，玉米联合收割机驾驶 室内噪声由直达声和混响声叠加而成引 4 2 噪声治理方法 目前，玉米联合收割机驾驶员耳旁噪声问题仍然 较为严重。原因是多方面的，其中有噪声源的问题， 更有驾驶室本身的声学特性问题。因此，要较大幅度 地降低驾驶室内的噪声，必须从多方面人手。对驾驶 室声学特性的治理主要根据驾驶室内噪声的3 种不同 来源，分别采取隔声、减振和吸声等措施，以改善驾驶 室的隔声、振动和混响性能，达到降低驾驶室内耳旁 噪声的目的。 4 2 1 空气声的防治 降低空气声实质上就是采取必要的隔声措施，减 少外部噪声向室内的泄漏。玉米联合收割机有许多 操纵杆件直接穿过驾驶室壁面或底板，采用一般的硬 质隔声材料( 如金属薄板) 时，难以获得良好的密封 性，并且其容易随驾驶室一起振动而成为新的噪声 源，增加驾驶室内的混响声。而采用由人造革和泡沫 塑料制成的软质隔声材料对驾驶室进行必要的隔声， 隔声后在静态时驾驶室噪声降到了9 4 2 d B ( A ) ，其中 空气声降到8 9 d B ( A ) 左右1 。 4 2 2 固体声的治理 造成玉米联合机驾驶室振动噪声大的根本原因是 发动机的二阶不平衡惯性力，表现为玉米联合收割机 各部分的振动频谱以及驾驶室内噪声的频谱几乎都 与发动机的振动频谱相一致。固体声在中心频率为 6 3H z 频段内的噪声占主导地位，原隔振垫与驾驶室 构成的单自由度振动系统的固有频率为8 8H z 左右， 比较接近振源的主要激励频率9 | 。 4 2 3 混响声的治理 固体声和空气声均包含了混响效果，可以在驾驶 室内布置吸声材料，以改善混响性能。在驾驶室内布 置了吸声材料后，中高频区的噪声有较大幅度的下 降。通过对驾驶室采取上述隔声、隔振和吸声措施 后，动态( 行驶状态) 时，驾驶室内噪声降到了9 2 5d B ( A ) ，而在静态时噪声降到了8 7 4d B ( A ) 口。 9 0 5结束语 随着我国农业的发展、农民收入和生活水平的提 高，驾驶员对乘坐舒适度和安全性要求越来越高。驾 驶室作为驾驶员操作玉米联合收割机行走、作业和休 息的场所，承担的功能也越来越丰富。现在的玉米收 割机驾驶室已经配备更多附属配件，如满足舒适度的 空调，满足精神享受的M P 3 播放器和收音机等。未来 的玉米收割机驾驶室不但能提供给驾驶员便捷的操 作空间，还能提供更舒适休息空间。总之，未来的驾 万方数据 2 0 1 1 年1 0 月农机化研究第l0 期 驶室将会向无尘化、无音化、信息化以及自动化方向 发展。 参考文献： 1 柴山，焦学健，朱金光，等农用拖拉机驾驶室安全性试 验的计算机仿真 J 山东理工大学学报( 自然科学版) ， 2 0 0 5 ，1 9 ( 4 ) ：l 一3 2 J E N N l F E RLM a r t i n a ，B E V E R L E YJN o r r i s bE U Z A B E T H M u s h y M e d i c a Id e v i c ed e v e l o p m e n t ：t h ee ha l I e n g e 蠡盯e r g o I n o m i c s J A p p l i e dE r g o n 咖一i c s ，2 0 0 8 ，3 9 ：2 7 l 一2 8 3 3 周一鸣，毛恩荣车辆人机工程学 M 北京：北京理工 大学出版社，1 9 9 9 ：3 5 6 3 5 8 4 袁焕，余俊，皮胜文基于入机工程学的汽车驾驶模拟器 座椅布置设计 J 黄石理工学院学报，2 0 0 6 ，2 3 ( 1 ) ： 5 7 5 许英，朱序璋，杨宏刚，等汽车驾驶座椅的人机工程学 设计 J 机电产品开发与创新，2 0 0 8 ，8J ( 2 1 ) ：2 8 3 0 6 陈明华基于人机工程学汽车驾驶模拟器座椅的设计 J 淮阴工学院学报，2 0 0 7 ，1 6 ( 3 ) ：8 6 8 8 7 郭世永，仪蕾，张生，等汽车电动座椅水平调节自动控 制的仿真研究 J 青岛理工大学学报，2 0 0 7 ，2 8 ( 3 ) ： 4 8 8 马国忠，张学尽汽车驾驶用座椅的抗疲劳人机工程设 计 J 。人类工效学，2 0 0 4 ，l O ( 3 ) ：3 4 3 6 9 周奕车辆拟仪表系统分析与设计 J 工业技术控制技 术，2 0 0 6 ，3 7 ( 9 ) ：7 7 7 9 1 0 M A u AL i n t I l l a ，N I N AN e v a l a E 蹭o m i c sm l dt I l eu s a b i l i t ) ， 0 fm e c h a I l i c a ls i n g I e c h a n n e l l i q u i dd o s a g ep i p e t t e 8 J I n t e m a t i o n a lJ 叫m a lo fI n d u s t r i a lE E g o n o r n i c 8 ，2 0 0 6 ，3 6 ： 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 5 7 2 6 3 刘昱汽车仪表盘设计原则 J 城市公共交通，2 0 0 4 ， 3 l ( 3 ) ：2 4 2 5 D U M A SR H i p 肌dk n e ej o i n t sa r em o r es t a b i l i z e dt h a n d r i v e nd 岫n gt h e s t a n c ep h a s e0 fg a i t ：a na n a l y s i so ft h e3D a n d eb e t w e e nj o i n t l o m e n ta n dj o i n ta n g I l l a rv e l o c i 哆 J G a i t & P 0 s t u r e ，2 0 0 8 ，2 0 ：1 4 5 1 3 4 张鑫，邱华多功能汽车仪表盘的设计与研究 J 科研 设计成果，2 0 0 5 ，1 2 ( 4 ) ：5 0 一5 1 卫绍元农用运输车驾驶室的宜人性设计 J 拖拉机 与农用运输车，2 0 0 l ，3 3 ( 6 ) ：2 8 2 9 S P Y R O SM a 删t i s ，N I C O L A SM a 邢a r a s S u p p o n i n gt h e d e s i 印o fo m c el a y o u tm e e t i n ge r 9 0 n o r n i c sr e q u i r e m e n t s J A p p l i e dE r g o a n m i c s ，2 0 0 7 3 8 ：7 8 l 一7 9 0 季晨，王俊民人体参数与机床操纵装置设计 J 现代 制造工程，2 0 0 6 ，1 2 ( 4 ) ：1 0 6 1 1 0 尹木，穆存远，刘闻名仪表盘显示视觉实验研究 J 机电产品开发与创新，2 0 0 4 ，1 7 ( 3 ) ：3 0 3 2 T A R C I S I OA b r e uS a u r i n ，L I AB u a r q u ed eM a c e d oG u i m a m e s E 昭o n o I I l i ca s s e s 8 m e n to fs u s p e n d e ds c a f f o l d 8 J I n t e m a t i o n a lJ o u m a lo fI n d u s t r i a lE r 9 0 n o m i c 8 ，2 0 0 8 ，3 8 ： 2 3 8 2 4 6 王风雨，周海波，任越光拖拉机噪声源识别及驾驶室 内噪声控制 J 拖拉机与农用运输车，2 0 0 0 ，3 2 ( 6 ) ：1 9 2 2 王春莹，李云超拖拉机驾驶室的降噪措施 J 农机使 用与维修，2 0 0 5 ，3 2 ( 6 ) ：1 3 一1 4 陆森林。刘红光拖拉机驾驶室的综合降噪 J 。农业工 程学报，1 9 9 9 ，1 5 ( 1 ) ：8 2 8 5 D e s i g no ft h eC o r nC o m b i n eC a bB a s e do nE r 9 0 n o m i c Y eT o n g ，C h a n gJ i a n g u o ，T i a nR o n g g a n g ，L i uX i n g b o ，L i a n gY u c h e n g ( S c i e n t i f i cR e s e a r c hI n s t i t u t eo fA g r i c u l t u r a lM e c h a n i c a lE n 舀n e e r i n gi nH e i l o n 西i a n g ，H