安全人机工程学在挖掘机驾驶室中的应用

Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．４ Ｊ ｕｌｙ．，２００８
安全人机工程学在挖掘机驾驶室中的应用
郭 琳 １， 朱序璋 １， ２， 毕伟民 １， 许 英 １
（ １．西安建筑科技大学 安全工程研究所， 陕西 西安 ７１００５５； ２．西安建筑科技大学 机电学院， 陕西 西安 ７１００５５）
摘 要： 应用人机工程学原理， 针对挖掘机驾驶室， 分析挖掘机动臂摆动角度与挖掘机司机视野范围的 关系， 提出了保证整个施工现场安全的必要条件。并且， 分析挖掘机司机所处的特殊工作环 境， 提出保障司机作业安全的对策措施， 确保了司机工作的安全性。
·产 品 与 市 场·
线左右的物体， 保证整个施工现场的安全性。
２ 工作环境
２．１ 微气候
微气候又称生产环境的气候条件， 是指生产环境局 部的气温、湿度、气流速度以及工作现场中的设备、产 品、零件和原料的热辐射条件 ［１］。
（ １） 微气候影响。作业环境的温度和湿度随着季节 变化， 因此， 事故频度也随着季节变化， 七八月份温度 和湿度出现峰值， 在此期间， 事故频度也最高。其原因 是： 随着气温升高， 湿度增加， 并逐渐接近于饱和， 致 使皮肤表面汗液蒸发减少， 这将使人们感到疲惫， 头晕， 烦躁不安， 降低操作人员的反应速度和操作能力， 操作 中容易出现错误判断和错误操作， 从而增加了事故 ［５］。
振动对司机操作动作精确度的影响， 主要是由于振 动降低了手和脚的稳定性， 从而使操作动作的精确度变 差。
外界振动传入人体时所产生的增大或减弱效应还与 人体的姿势有关。挖掘机工作时， 挖掘机司机处于坐 姿， 人腿无法起到减振作用， 此时振动出现增大效应。 司机会有不同状况的不良感受。如腰痛、胸痛、背痛、 尿急感、粪迫感、头部症状以及呼吸困难等。
３ 总结
目前， 国内从人机工程学角度对挖掘机驾驶室的研 究还都不够深入。然而挖掘机的使用具有广泛性， 近几 年来挖掘机市场飞速扩张， 为了保证挖掘机能够在保证 安全第一的前提下进行作业， 本文对挖掘机驾驶室司机 的视野范围进行了分析， 提出了确保司机通过前风窗可 最大范围得看到施工对象的必要条件。并且本文针对挖 掘机司机工作环境的特点提出了防治微气候以及噪音和 振动的对策措施， 可为进一步设计挖掘机驾驶室以及提 高挖掘机司机安全性， 改善司机工作环境提供依据。具 有非常重要的现实意义。 参考文献： ［１］ 朱 序 璋． 人 机 工 程 学（第 二 版）［Ｍ］． 西 安 ： 西 安 电 子 科 技 大 学 出 版
（ ２） 微气候防治。可在挖掘机驾驶室内安装监测温 度和湿度的温度计和湿度计， 以确保一旦温度和湿度超 过了影响司机作业的范围， 便可打开空调， 调整驾驶室 内的温度和湿度到司机可接受的范围内。
针对目前一些挖掘机中尚未安装空调的产品， 应采 取必要的降温措施， 保障司机工作的安全性， 杜绝事故 的发生。
（ ２） 噪音的防治。挖掘机产生的噪音可分为机械噪 音和空气动力噪音 ［１］。因此噪音的控制可从这两方面进 行分析： ①机械噪音： 溢流阀不稳定产生噪音。可通过 改变管路系统的固有频率， 变动控制阀的位置或适当地 加蓄能器， 则能防振降噪； ②空气动力噪音对此原因， 一是选择质量好的元件， 二是加强维修和保养， 三是改 善 辅 助 装 置 的 安 装 措 施 ［４］ 来 降 低 噪 音 。另 外 ， 可 以 通 过驾驶室门和发动机安装室的密封条件以及用吸音材料 将发动机进行隔离从而大幅度降低噪声。
社， ２００６． ［２］ 吴 凤 霞，左 玉 林．计 及 眼 睛 和 头 部 转 动 的 汽 车 视 野 作 图 确 定 法［Ｊ］．
北京： 汽车技术， １９８６， １０． ［３］ 蓝敏俐．装载机驾驶室视野设计及前方 视 野 校 核［Ｊ］． 福 建：机 电 技
术， ２００７，３． ［４］ 袁修干． 庄达民．人机工程［Ｍ］．北京： 北京航空航天大学出版社， ２００２．
（ ２） 振动的防治。在油流通过油管时， 如果油管细 而长， 弯头多而未加固定， 特别是当流速较高时， 容易 引起管子抖动； 再有， 电动机和液压泵的旋转部分不平 衡， 或在安装时对中不好， 或联轴节松动等， 均能产生 振动和噪声。对此应采取的措施有： 较长油管应彼此分 开， 适当加设支承管夹； 调整电动机和液压泵的安装精 度； 重新安装联轴节， 保证同轴度小于 ０．１ｍｍ 等。目前 的挖掘机一般采用安装隔震器来降低振动以及司机耳边 的噪音。同时， 还可以通过对司机座椅安装弹簧等减震 措施来降低挖掘机座椅的振动。
２．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ＆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｘｉ＇ ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｘｉ＇ ａｎ Ｓｈａａｎｘｉ ７１００５５， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ａｐｐｌｙｉｎｇ ｔｈｅ ｌａｔｅｓｔ ｅｒｇｏｎｏｍｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ， ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｓｗｉｎｇ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｖａｂｌｅ ａｒｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｘｃａｖａｔｏｒ ｏｐｅｒａｔｏｒ＇ ｓ ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ， ａｎｄ ｇｉｖｅｓ ｔｈｅ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｃｏｎ－ ｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｉｔｅ． Ｉｎ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ， ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉａｌ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｘｃａｖａｔｏｒ ｄｒｉｖｅｒ， ａｎｄ ｇｉｖｅｓ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｃｏｕｎ－ ｔｅｒｍｅａｓｕｒｅ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｓａｆｅｔｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｅｒｇｏｎｏｍｉｃ； ｅｘｃａｖａｔｏｒ； ｓａｆｅｔｙ
言生共振?振幅迅速增大?此时引起的器i3总结官生理反应最大i目前国内从人机工程学角度对挖掘机驾驶室的研动降低了手和脚的稳定性从而使操作动作的精确度变外界振动传人人体时所产生的增大或减弱效应还与人体的姿势有关
第 ２１ 卷第 ４ 期 ·产２０品０８与年市７场月·
机电产品开发与创新
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ＆ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ＆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ
关键词： 人机工程学； 挖掘机； 安全 中图分类号： ＴＨ－ ３９ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００２－ ６６７３ （ ２００８） ０４－ ０７２－ ０３
０ 引言
挖掘机是专门用来解决复杂工程的， 应用非常广 泛， 一般的工程都能用挖掘机来工作。例如飞机场、高 速路、能源水利、房屋工程、旧城改造等。挖掘机主要 由发动机、液压系统、传动装置构件组成。
根据 我 国 于 １９９７ 年 ７ 月 １ 日 起 实 施 强 制 性 国 家 标 准 ＧＢ１６７１１０．１－ １９９６， 其 中 工 程 机 械 噪 声 限 值 规 定 挖 掘 机驾驶室的耳边噪声应不大于 ９２ ｄＢ（Ａ）， 然而我国目前 仍存在不少产品不符合标准。目前， 国内挖掘机驾驶室 视野不够开阔， 噪音、振动较大， 驾驶室的司机作业时 除了要眼观八方， 注意力高度集中， 还要忍受刺耳的噪 音和经受风吹日晒。因此， 改善驾驶室司机工作环境的 任务刻不容缓。本文着眼于人的机能特征与工作环境对 挖掘机驾驶室进行分析， 为进一步改善挖掘机司机的工 作环境提供依据。
１
ｘ$
$$
!ｔａｎ２５°
#
ｈ$
$ $２ຫໍສະໝຸດ !ｔａｎ３５°ｘ$
$
$
%$$ｈ１，ｈ２＞０，ｘ＞０
其 中 ： ｈ—前 风 窗 总 高 度 ； ｓｔ．—约 束 条 件 。 另 外 ，
如果有特殊需要， 必须向后调节座椅时， 为了保证安全
作业， 可以在挖掘机座椅上安装锁定装置， 一旦 Ｘ 的大
小超过了规定的距离， 立即锁定挖掘机动臂， 使得挖掘
１ 人的机能特征
１．１ 视野
（ １） 眼睛的运动规律。由于眼球的水平运动比垂直运 动快， 因此一般先看到水平方向的东西， 后看到垂直方 向的东西。两眼球的运动是协调的、同步的， 不可能一 只眼球转动而另一只眼球不动， 也不可能一只眼睛看东 西 ， 而 另 一 只 眼 睛 不 看 ［１］。根 据 人 机 工 程 学 研 究 资 料 ， 头部转动时， 其转动中心在左右眼连线中垂线的后方 ９８．６ｍｍ 处。左右两眼有效瞳孔距为 ６５ｍｍ ［２］。
施工物体， 为作业的良好视野。在垂直面内水平视线以
上 ２５°， 以下 ３５°共计 ６０°的视线内为有效视野范围。
由于作业需要， 挖掘机座椅可设计为前后可调试座
椅。当司机眼睛处于 Ｏ 点时， 司机水平视线以上最大仰
视角为 α， 最大俯视角为 β， 此时 ， α＝２５°； β＞３５°， 司
机的有效视野范围恰好得以满足。
（ ２） 一般视野。视野是当人的头部和眼球不动时， 人
收稿日期： ２００８－ ０４－ １５ 作者简介： 郭琳 （ １９８２－ ） ， 女 ， 硕 士 研 究 生 。主 要 研 究 方 向 ： 人机系统安全与工程。
眼能观察到的空间范围， 通常以角度表示。视野可分为
最佳视区、良好视野范围以及有效视野范围。
２．２ 噪声
（ １） 噪音的危害。噪音是一种令人烦恼的、有害于 人体健康、影响工作的的声音。挖掘机工作时， 司机耳 边噪声较大， 主要的噪声源为发动机和液压系统。发动 机、液压系统所产生噪音的时间有相对的波动性， 对人 的听力、心血管系统、神经系统、内分泌系统以及作业 能力和工作效率产生均不利影响： ①听力损伤； ②对人 体的生理影响； ③对人体的心理影响； ④对语言通讯的 影响； ⑤对作业能力和工作效率的影响。
图 １ 挖掘机侧视图
线到前风窗最下部的距离， ｈ３Ｆｉｇ．１ Ｅｘｃａｖａｔｏｒ ｓ ｓｉｄｅ－ ｖｉｅｗ
表示驾驶室座位水平面到前
风窗最下部的距离。Ｘ 表示司机眼睛距前风窗的水平距
离 ， Ｏ 与 Ｏ＇ 为 司 机 眼 睛 的 位 置 。当 司 机 不 转 动 头 部 和
眼部时在司机水平视线以下 ３５°， 司 机 可 看 到 最 清 晰 的
７２
当 Ｘ 增大， 即向后移动驾驶座椅， 司机眼睛处于
Ｏ＇ 点时， α＜２５°； β＞３５°， 这时水平视线以上的范围无法
满足， 因此， 挖掘机司机只能执行在水平视线以下范围
内的工作。
当 Ｘ 减小， 即向前移动驾驶座椅， α角与 β逐渐增
大， α＞２５°； β＞３５°， 因此， 司机的有效视野范围可以得
就可以能保证看到前风窗前眼睛水平面以下的物体。
当司机工作时， 处于坐姿， 根据我国成年人人体尺
寸 表 ， 坐 姿 眼 高 为 ７９８ｍｍ ［１］， 于 是 由 图 １ 可 得 ｈ２－ ｈ３＝ ７９８。根据优化与决策理论， 建立如下数学模型：
ｍｉｎｈ＝ｈ１＋ｈ２
"$ｈ２－ ｈ１＝７９８
$
$
ｓｔ．
ｈ$
$
际操纵中， 司机需要经常查
看抓斗位置， 为保证施工安 全， 必须保证抓斗在司机视 野的有效范围内。图 １ 为挖
ｈ２１５°!＇ ! Ｏ＇ ３５°"＇ "
ｈ＇ ｈ２
ｘ
ｈ０
掘机侧视图， 图 ２ 为挖掘机
俯视图。
由 图 １ 可 知 ， ｈ１ 表 示 司 机水平视线到前风窗最上部
的 距 离 ， ｈ２ 表 示 司 机 水 平 视
对挖掘机司机使用个人防护用具， 也是减少噪声对 司机产生不良影响的有效方法。
２．３ 振动
（ １） 振动危害。人体是一个弹性系统， 有其自己固 有的振动频率。人体不同的器官， 也有其不同的共振频 率 ［１］。当挖掘机的振动频率与人的不同部位的共振频率
７３
·产 品 与 市 场·
接近时， 将会产生共振， 振幅迅速增大， 此时引起的器 官生理反应最大。
机动臂无法向上移动， 确保整个施工过程的安全性。
１５°１５° ３５° ３５°
图 ２ 挖掘机俯视图 Ｆｉｇ．２ Ｅｘｃａｖａｔｏｒ ｓ ｖｅｒ ｔｉｃａｌ ｖｉｅｗ 由图 ２ 可知， 当司机不转动头部和眼部时在司机水 平面内左、右两侧各 １５°， 共计 ３０°的范围内驾驶室司机 看到最清晰的施工物体， 在司机水平面内左、右两侧各 ３５°， 共计 ７０°的视野范围内为有效视野范围。 由于挖掘机驾驶室司机左右两侧均为透明窗户， 因此司机视野范围不受前风窗宽度的影响。只需前后移 动驾驶室座椅， 司机便可更大范围地看到眼睛水平面零
到满足。
因为 α＞２５°， ｔａｎα＞ｔａｎ２５°， 又 Ｘ＝ ｈ１ ， 所 以 只 有 ｔａｎα
满足 Ｘ! ｈ１ 条件时， 司机不用转动头部和眼睛就可 ｔａｎ２５°
以能保证看到前风窗前眼睛水平面以上的物体。
再有 ， 因 为 β＜３０°， ｔａｎβ＜ｔａｎ３５°， 又＝ ｈ２ ， 所 以 ｔａｎβ
只有满足 Ｘ! ｈ２ 条件是， 司机不用转动头部和眼睛 ｔａｎ３５°
Ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｒ ｇｏｎｏｍｉｃｓ ｆｏｒ Ｅｘｃａｖａｔｏｒ Ｃａｂ
ＧＵＯ Ｌｉｎ１， ＺＨＵ Ｘｕ－ Ｚｈａｎｇ１，２， ＢＩ Ｗｅｉ－ Ｍｉｎ１， ＸＵ Ｙｉｎｇ１ （ １．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｘｉ＇ ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｘｉ＇ ａｎ Ｓｈａａｎｘｉ ７１００５５， Ｃｈｉｎａ；
表 １ 视野范围
Ｔａｂ．１ Ｖｉｓ ｕａｌ－ ｒａｎｇｅ
最佳视野 垂直面上下 １．５°
垂直面左右 １．５°
水平面内零线左右两侧各 良好视野 垂直面内水平视线以下 ３０°
１５°的 范 围 内
垂直面内水平视线以上 水平面内零线左、右各
有效视野
２５°， 以下 ３５°
３５°
（ ３） 装载机驾驶员视野性能研究。在驾驶室司机实