人機(jī)工程學(xué)在機(jī)車駕駛室設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

1、人機(jī)工程學(xué)在機(jī)車駕駛室設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究3劉青,劉攀,呂應(yīng)明(蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,甘肅蘭州730070摘要:運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)原理及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),總結(jié)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),從人-機(jī)關(guān)系和人-環(huán)境關(guān)系兩個(gè)方面對(duì)機(jī)車駕駛室的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析,充分考慮人的因素,使其更適宜于人的操作,有效地發(fā)揮機(jī)車乘務(wù)員和設(shè)備的作用,從而使機(jī)車駕駛室的人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)總體性能達(dá)到最優(yōu)。關(guān)鍵詞:人機(jī)工程學(xué);環(huán)境;駕駛室;設(shè)計(jì)中圖分類號(hào):T B18文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1007-4414(200604-0028-02Appli ca ti on &research of ergono m i cs on locom oti ve

2、cab desi gnL iu Q ing,L iu Pan,Lv Ying 2m ing(School of m echatronics engineering,L anzhou J iaotong university,L anzhou Gansu 730070,China Abstract:Based on the theory of ergonom ics,correlative standard and bygone design experience,the paper puts for ward a ne w method ,in which l ocomotive cab wi

3、ll be designed in t w o as pects of man -machine syste m and hu man -envir on ment sys 2te m ,and which considers hu man fact ors adequately .I n this way,l ocomotive cab can be more comf ortable f or driver s opera 2ti on and the functi on of driver and equi pments can be realized more effectively

4、.Thus it could make the l ocomotive cab with syste m of man -machine envir on ment more efficient .Key words:ergonom ics;envir on ment;l ocomotive cab;design人機(jī)工程學(xué)是近幾十年才發(fā)展起來的一門新興邊緣科學(xué)。它主要研究工程技術(shù)設(shè)計(jì)如何與人體尺寸、生理和心理特性相適應(yīng)的問題,其目的在于獲得最高效率及作業(yè)時(shí)的安全和舒適。 機(jī)車駕駛室是機(jī)車乘務(wù)員的作業(yè)場(chǎng)所,在機(jī)車駕駛室的設(shè)計(jì)中,應(yīng)用人機(jī)工程學(xué),其目的就是使所設(shè)計(jì)的機(jī)車駕駛室不僅能滿足機(jī)車乘務(wù)員的

5、作業(yè)要求,而且能使機(jī)車乘務(wù)員操作方便、舒適、安全,減少體力疲勞和精神負(fù)擔(dān)。筆者主要從人-機(jī)關(guān)系和人-環(huán)境關(guān)系兩個(gè)方面來分析機(jī)車駕駛室的設(shè)計(jì),使其更適宜于人的操作,有效地發(fā)揮機(jī)車乘務(wù)員和設(shè)備的作用,從而使人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)總體性能達(dá)到最優(yōu)。1從人-機(jī)關(guān)系方面考慮機(jī)車駕駛室的設(shè)計(jì)1.1操縱臺(tái)面板的設(shè)計(jì)機(jī)車操縱臺(tái)是列車運(yùn)行的人機(jī)界面,是機(jī)車乃至列車設(shè)備系統(tǒng)的集中反映,操縱臺(tái)上器件設(shè)置是否科學(xué)合理,對(duì)乘務(wù)員能否全面準(zhǔn)確地完成駕駛職能有很大影響。(1G B,U I C 有關(guān)操縱臺(tái)布置的幾項(xiàng)原則1,2G B /T6769-2000中7.2規(guī)定(與U I C617-6OR7.2等 同:“正常運(yùn)行時(shí)使用的操縱裝

6、置均應(yīng)靠近司機(jī),盡可能集中在司機(jī)操縱臺(tái)上?！盪 I C617-6中OR7.3.2規(guī)定:“所有正常運(yùn)行期間受監(jiān)視的控制設(shè)備,應(yīng)在司機(jī)清晰的視野之內(nèi),且盡可能集中在司機(jī)操縱臺(tái)上。”G B /T6769-2000中3規(guī)定(與U I C617-6OR2.1等同:“司機(jī)駕駛室的所有裝置可由單人操作(司機(jī)室的布置應(yīng)做到所有裝置可單人操作?！?2操縱臺(tái)面板的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)在頭部保持靜止,而眼睛正常活動(dòng)的狀態(tài)下,根據(jù)人眼對(duì)視覺信號(hào)的覺察效果的優(yōu)劣可以將視野分為3個(gè)區(qū)域:良好視區(qū)(A 、有效視區(qū)(B 和不適宜視區(qū)(C ,如圖1所示3。一般將最重要的和需要頻繁視察的信號(hào)置于A 區(qū),而實(shí)踐證明,視距為800mm 遠(yuǎn)

7、時(shí),操縱臺(tái)面板最優(yōu)尺寸范圍如圖2所示,其中O 為視野中心4。對(duì)于操縱臺(tái)面板上控制系統(tǒng),手的功能可及范圍是將肘關(guān)節(jié)伸直,即呈180狀態(tài),以肩關(guān)節(jié)為軸心旋轉(zhuǎn)時(shí),3個(gè)手指(拇指、食指、中指所能抓握操縱器的區(qū)域。這個(gè)區(qū)域一般用第五百分位數(shù)的男子人體活動(dòng)模板來確定,也可使用作圖法。手臂可視為二桿系統(tǒng),如圖3所示3。823收稿日期:2006-04-24作者簡(jiǎn)介:劉青(1979-,女,甘肅會(huì)寧人,碩士,從事機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化方面的研究工作。國內(nèi)于1997年曾分別對(duì)DF 11內(nèi)燃機(jī)車和SS 4型電力機(jī)車的機(jī)車乘務(wù)員就儀表、顯示器的鏈值進(jìn)行過問卷調(diào)查,得出的基本結(jié)論是:第一鏈值層為與制動(dòng)有關(guān)的壓力表,第二鏈值層為

8、與速度控制有關(guān)的儀表和顯示屏,第三鏈值層為與功率、力有關(guān)的儀表,第四鏈值層為與機(jī)車設(shè)備狀態(tài)有關(guān)的儀表和顯示屏。根據(jù)人機(jī)工程學(xué),在布置控制器或顯示器時(shí),還應(yīng)考慮功能性,即將功能上相關(guān)的控制器或顯示器,布置在鄰近位置上,對(duì)在操作程序上彼此有聯(lián)系的幾個(gè)控制器,按使用順序予以合理布置,一般是由左至右(推薦采用或由上到下2種方法兼用排列。幅控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)還要考慮各種操作件的造型、色彩和運(yùn)動(dòng)方向。操作手柄的外型一般要根據(jù)手幅的長(zhǎng)度、手握的粗度、手掌肌肉和手柄接觸位置來設(shè)計(jì)。按鈕接通/斷開要有燈光色彩的顯示。按鈕、旋鈕和手柄三者的運(yùn)動(dòng)方向應(yīng)符合外力的方向。顯示裝置設(shè)計(jì)還要考慮選擇顯示器和儀表的易讀性和準(zhǔn)確性。

9、對(duì)于定量讀數(shù)的顯示,選擇電子式數(shù)字顯示。對(duì)于定性讀數(shù)的顯示,由于它不要求具體的數(shù)字,且模擬顯示更為靈敏、方便,因此選用指針式顯示。1.2座椅的設(shè)計(jì)在機(jī)車駕駛中,乘務(wù)員主要采用坐姿工作,人與機(jī)器的一個(gè)重要接口即為座椅。座椅的設(shè)計(jì)與布置直接影響到乘務(wù)員的乘座舒適性和室內(nèi)其它相關(guān)設(shè)施的布置。合理安置座椅,改善人與座椅之間的關(guān)系,對(duì)于給乘務(wù)員創(chuàng)造一個(gè)舒適安全的工作環(huán)境,起至關(guān)重要的作用?？紤]座椅應(yīng)有良好的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性及足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度,并能進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié),還要符合乘務(wù)員的了望要求,根據(jù)人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)理念,對(duì)座椅進(jìn)行如下設(shè)計(jì)要求:乘務(wù)員坐定在座椅上,在最佳視角范圍內(nèi)對(duì)側(cè)窗幾何中心進(jìn)行了望時(shí),其

10、頭部轉(zhuǎn)動(dòng)的角度不得超過60,透過側(cè)窗觀察后視鏡時(shí),應(yīng)能看見站臺(tái)的發(fā)車信號(hào)。座椅高度可以調(diào)節(jié),其可調(diào)范圍應(yīng)該滿足不同身高使用者的要求,使用者的腳和腿能保持在舒適位置。座椅有背靠,背靠應(yīng)該大小合適,設(shè)計(jì)成彎曲形,以適合人的腰椎形體,工作中根據(jù)需要加以調(diào)節(jié),使其能分擔(dān)部分體重及工作受力。為支撐上肢,座椅兩邊應(yīng)有扶手,尺寸和角度均應(yīng)符合人體尺寸要求。具有旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)功能,有充足的旋轉(zhuǎn)范圍,滿足使用者工作的需要。質(zhì)地。椅面的質(zhì)地應(yīng)柔軟并具有一定彈性和透氣性,以緩沖局部壓力,提高舒適度。1.3駕駛室前窗的設(shè)計(jì)駕駛室前窗上緣離木地板的高度不得低于1.7m 2,而95%的人眼高不高于1.7m,因此機(jī)車乘務(wù)員站立操

11、縱時(shí)符合了望條件。設(shè)計(jì)機(jī)車乘務(wù)員了望條件時(shí)應(yīng)注意:乘務(wù)員以松弛坐姿坐定在座椅上,在水平視線左右各35范圍內(nèi)了望前方時(shí),前窗結(jié)構(gòu)應(yīng)無視覺干擾;乘務(wù)員坐定在座椅上,在最佳視角范圍內(nèi)對(duì)側(cè)窗幾何中心進(jìn)行了望時(shí),其頭部轉(zhuǎn)動(dòng)的角度不得超過60;透過側(cè)窗觀察后視鏡時(shí),應(yīng)能看見站臺(tái)的發(fā)車信號(hào)5。因此,前窗玻璃采用整體式的,另外必須根據(jù)機(jī)車乘務(wù)員的眼橢圓范圍確定風(fēng)動(dòng)刮雨器刮掃前窗玻璃的面積和部位,并在滿足前窗振動(dòng)抑制要求的前提下,以最細(xì)的支柱來減小視野死角。為防止霜凍結(jié)冰,前窗玻璃應(yīng)設(shè)有加熱器,如電阻加熱元件。為避免刺眼陽光對(duì)機(jī)車乘務(wù)員的直射,前窗玻璃應(yīng)設(shè)有遮陽板。2從人-環(huán)境關(guān)系方面考慮駕駛室的設(shè)計(jì)環(huán)境是影響

12、安全、工效、健康和舒適性的因素,噪聲、熱環(huán)境、色彩和照明等環(huán)境因素均會(huì)影響機(jī)車乘務(wù)員的操作質(zhì)量。因此,機(jī)車駕駛室的設(shè)計(jì)也要從人-環(huán)境關(guān)系方面加以考慮。2.1噪聲噪聲是一種有害身體健康的刺激因素,可以對(duì)操作者產(chǎn)生干擾,影響重要的語言信息傳遞。擔(dān)當(dāng)鐵路運(yùn)輸?shù)臋C(jī)車車輛產(chǎn)生的噪聲對(duì)機(jī)車乘務(wù)員的影響表現(xiàn)為乘務(wù)員的聽力下降、易于疲勞,影響對(duì)線路的了望以及接受音響信號(hào)的能力,因而可危及列車的安全。因此,要控制和減弱機(jī)車噪音。機(jī)車噪音的控制和減弱,一般是指使機(jī)車駕駛室內(nèi)的聲強(qiáng)在不超過8083Pb (A 的狀態(tài)下,乘務(wù)員能持續(xù)工作,聽力不受損傷,能接受音響信號(hào)。經(jīng)過調(diào)查可知影響駕駛室噪音的因素為:機(jī)器間噪聲的強(qiáng)

13、弱;柴油機(jī)、輔助機(jī)組減振消聲狀況;駕駛室圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔振特性;駕駛室內(nèi)的吸聲程度等。使駕駛室隔絕或減弱噪音是一項(xiàng)綜合性問題,須全面考慮隔聲、隔振和吸聲等各項(xiàng)措施。在機(jī)車駕駛室設(shè)計(jì)中,主要采用以下措施來控制和減弱噪音:駕駛室的地板采用雙層浮筑型結(jié)構(gòu),其特點(diǎn)為用彈性墊將地板與支承架、四周墻壁完全隔開,嚴(yán)格避免剛性連接,起到顯著的隔聲效果。另外駕駛室的后壁、側(cè)壁和車頂也都用組合式阻尼材料層覆蓋。在駕駛室和機(jī)器間設(shè)置四道隔墻,對(duì)四道隔墻的門窗均采用了雙層玻璃,很大程度上將噪聲封閉在機(jī)器間內(nèi)。隔墻上的小孔、縫隙都加以密封。如傳動(dòng)軸通過孔四周的縫隙用鋼板和密封橡膠加以密封。在駕駛室圍護(hù)結(jié)構(gòu)的墻面上,均敷設(shè)軟

14、質(zhì)聚胺酯泡沫塑料作為吸聲材料。2.2熱環(huán)境駕駛室的溫?zé)岘h(huán)境也是決定乘務(wù)員的作業(yè)效能和健康的重要影響因素。乘務(wù)員所處的環(huán)境條件主要包括空氣的溫度、濕度和風(fēng)速這3種物理因素。高溫易使乘務(wù)員的注意力渙散,動(dòng)作準(zhǔn)確性下降,協(xié)調(diào)能力減弱;低溫易使肢體麻木,特別是影響手的精細(xì)運(yùn)動(dòng)靈巧度和雙手的協(xié)調(diào)動(dòng)作。據(jù)研究,在夏季1824,冬季1722的條件下,乘務(wù)員的工作效率高、質(zhì)量好。人機(jī)工程學(xué)稱它為溫度的“快感帶”。在機(jī)車駕駛室設(shè)計(jì)中,改善熱環(huán)境方面主要是設(shè)置取暖、通風(fēng)和補(bǔ)充新鮮空氣的電氣空調(diào)設(shè)備,如在駕駛室頂部安裝加熱和通風(fēng)的聯(lián)合裝置。當(dāng)駕駛室內(nèi)氣溫發(fā)生變化時(shí),它可使新鮮空氣在控制好的溫度下進(jìn)入駕駛室,通過駕駛

15、室下部和上部設(shè)置進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口,形成氣流來控制室內(nèi)溫度。2.3色彩和照明色彩是人體視覺的生理特性以及人的心理屬性的綜合反映。好的色彩環(huán)境有助于提高工作效率,減少或避免差錯(cuò),提高人對(duì)信號(hào)、標(biāo)志的辨別速度,且可加快恢復(fù)人的視覺能力,減少疲勞等;而壞的色彩環(huán)境將影響人的心理情緒和視覺功能,影響工作效率。駕駛室的色彩配置一般以較低明度的偏(下轉(zhuǎn)第52頁92齒輪磨齒時(shí),采用裝配位置磨削法,即齒輪在磨齒時(shí)的裝夾方向與裝配時(shí)一致,且每對(duì)嚙合齒輪在一次修整砂輪上磨削。采用該方法可使相互嚙合的每對(duì)齒輪的壓力角誤差得以補(bǔ)償。在磨齒時(shí),應(yīng)嚴(yán)格控制齒形精度,齒輪噪聲不僅與齒形精度有關(guān),還與齒形形狀有很大關(guān)系,應(yīng)杜絕齒

16、頂增厚、齒根增厚、局部凸起等不良齒形。在齒形齒向檢查合格后,進(jìn)行齒輪噪聲嚙合檢查,噪聲嚙合在Y9932噪聲檢查機(jī)上進(jìn)行。噪聲檢測(cè)的轉(zhuǎn)速和載荷條件須接近實(shí)際情況,嚙合時(shí)不得有尖叫聲及不規(guī)則的沖擊聲,正反轉(zhuǎn)、誤差不超過1d B(A,通過這樣的檢測(cè)后,齒輪即可轉(zhuǎn)入裝配。事實(shí)證明,嚙合檢測(cè)后的齒輪裝配時(shí)噪聲基本能符合要求。3途徑三:對(duì)相關(guān)零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)通過控制相關(guān)零部件的制造精度和采用特殊齒輪加工方案后,如果機(jī)床噪聲還不能夠令人滿意,則應(yīng)當(dāng)對(duì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)尤其是車頭箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新審閱。事實(shí)上,在確保一定的加工精度及相同的工藝條件下,結(jié)構(gòu)是機(jī)床噪聲重要的決定因素。因此,有必要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)。目前,國

17、內(nèi)許多廠家在設(shè)計(jì)時(shí)便已進(jìn)行降噪設(shè)計(jì)。(1箱體箱體結(jié)構(gòu)以壁厚、加強(qiáng)肋多較為理想,但缺點(diǎn)是增加重量,成本增多。(2軸類床頭箱內(nèi)軸類零件尤其是花鍵以剛性強(qiáng)為適宜,這樣就嚴(yán)格要求軸類零件設(shè)計(jì)時(shí)不宜太長(zhǎng),直徑也不宜小。(3齒輪齒輪結(jié)構(gòu)對(duì)車頭箱噪聲影響較為明顯,對(duì)齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(改進(jìn)尤為重視。(4模數(shù)同等條件下,齒輪模數(shù)越小,精度越易保證,噪聲越小。(5側(cè)隙實(shí)驗(yàn)證明,適當(dāng)?shù)膫?cè)隙對(duì)降低機(jī)床噪聲很有幫助,隨著側(cè)隙的增大,噪聲逐漸降低。(6形狀一般而言,齒輪的形狀越厚實(shí),其貯存“聲能”的能力越強(qiáng),噪聲向外發(fā)散能力越差,越利于降低噪聲。如圖 1(b所示的結(jié)構(gòu)相比圖1(a更利于降低噪聲。圖1零部件的結(jié)構(gòu)改進(jìn)當(dāng)然,齒

18、輪結(jié)構(gòu)中,壓力角、變位系數(shù)等一些參數(shù)對(duì)噪聲也有一定的影響,這里不詳細(xì)介紹。4結(jié)論綜上所述,這些降低噪聲的措施和途徑是在實(shí)踐中摸索出來的,其實(shí)降低機(jī)床噪聲的途徑還有很多,這就要求工程技術(shù)人員進(jìn)一步研究、探索。(上接第29頁冷色,使機(jī)車乘務(wù)員在視覺和心理上產(chǎn)生柔和安靜的感覺,以愉快的情緒、飽滿的精神投入工作。照明環(huán)境應(yīng)根據(jù)駕駛室的布局及窗戶的方位情況來設(shè)計(jì),既要滿足工作照明,又要避免眩光。合適的照明能夠提高近視力和遠(yuǎn)視力,有助于提高工作效率。當(dāng)照明不良時(shí),因反復(fù)努力辨認(rèn),易使視覺疲勞,引起視力下降、眼球發(fā)脹、頭痛及其它疾病而影響健康,并引起工作失誤和產(chǎn)生事故。為此,用日光燈照明,采用透明燈罩來提高光的漫射性能,使燈光柔和;將光源布置在視線外微弱刺激區(qū);選用合適的材質(zhì)或涂色降低反射系數(shù),避免反射眩光。3結(jié)束語將人機(jī)工程學(xué)原理應(yīng)運(yùn)于機(jī)車駕駛室的設(shè)計(jì)中,可以在完成機(jī)車乘務(wù)