DF7内燃机试验站控制装置设计

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3、5 传动部件的设计与选择93电气控制回路设计113.1 电机的点动控制113.2 电机的保护113.3 电机的正反转控制123.4 对水温的控制143.5 对水温的监测153.6 对水位的控制153.7 行程的控制164. 控制台的设计174.1 仪表面板设计174.1.1 仪表面板的区域划分以及其空间分布184.1.2 仪表的种类、数量及选择204.1.3 仪表面板的布置214.2 控制面板的设计224.2.1 控制开关和指示灯的选择224.2.2 控制面板的空间布置设计原则244.2.3 控制面板的空间布置254.3 控制台身形状设计274.3.1 控制台尺寸结构设计284.3.2 控制台

4、各项数据设计28结论32致谢33参考文献341. 前言在内燃机试验中，内燃机输出的功率必须用能量转换方式进行吸收，通过一定的手段测试内燃机的各种性能，获取各种试验数据，从而对试验对象进行研究。df7型电传动内燃机车柴油机装车功率为1470kw，最大速度为100km/h，如此之大的功率如果采用一般负载的测功率方法显然是行不通的。实验是以水阻作为负载，同时模拟机车的各种工作状况，检查通过组装后的机车是否满足设计要求，以确保机车的组装正确，动作可靠，运行安全。为了让内燃机车牵引柴油机发电机组的输出功率符合设计要求，达到稳定功率输出，必须进行大功率校核，目前国内采用较多的是水电阻和干电阻消耗功率的方式

5、。该设计就根据这个问题，以df7型内燃机车柴油发电机组技术参数为基础，采用水电阻消耗功率的方式来进行大功率校核，对柴油发电机组稳定功率水电阻试验站中电路部分的设计，使它能够达到稳定功率输出的要求。2. 机械传动装置设计2.1 内燃机试验原理目前，我国铁路部门内燃机车的电力测功装置大多数是水电阻，均采用人工控制。其原理当测功装置活动极板下降时，埋入水中的面积增大，水电阻减小，电流便随之增大；反之极板上升时，埋入水中的面积减小，水电阻增大，电流便随之减小。在进行机车负载特性试验时，通过人工控制活动极板的升降来给定机车主发电机的电流，然后观察主发电机的电压、励磁系统电参数及其它有关参数，人工计算电功

6、率等，依此来分析判断，到机车上寻找有关电器元件进行调整，以满足机车牵引特性要求为了使内燃机车的牵引柴油机组的输出功率符合设计要求，达到恒功率输出，就必须进行功率校核。目前国内采用的是用水电阻作负载消耗功率用水电阻作为负载有以下优点：采用水做可变电阻，水的导电性较小，由于是为火车提供动力电源，电源电压较高，所以电流通过电阻器产生的热量较多，若利用固体可变电阻器，产生的热量不宜挥发，且所需其他的冷却装置，造成整体体积增大，不利于使用。若采用水做可变电阻器，可利用水的蒸发、增加冷水、搅动水循环以降低变阻器的温度便于操作与控制，而且减小了设备体积，降低了成本。当置于水中的电极间有电流通过时，系统会发生

7、复杂的物理化学反应。水被电解,阴极附近的氢离子就会与电极上的电子结合,被还原而放出氢气;而阳极附近的氢氧根将放出电子给正极,发生氧化反应而形成水同时析出氧气，两极上发生氧化还原变化, 分别放出或消耗电子, 其效果就好像在阴极有电子进入了溶液,而阳极得到了从溶液中跑出来的电子一样,如此反复使电流在电极与溶液界面处得以连续。两电极间的外电路导线上靠电子迁移导电, 这样就构了整个回路中连续的电流。在电场力的作用下,溶液中的离子向两极迁移。电池中的反应都在电极的金属(溶液) 界面进行。反应速率直接与电流相联系,反应进行的量直接与电池中通过的电量相联系,反应的推动力与电源电压有关, 反应消耗的能量与水电

8、阻和电解液的温度和浓度等因素有关。在用水电阻法对发电机功率进行吸收时，会伴随着水或电解液的电解和分解。在水电阻池中，原动机输送来的电能大部分由水的温升将能量带走，而另一部分能量则是由水或电解液的电解和分解消耗。2.2 传动方案设计水电阻实验装置主要由水阻槽、传动装置和监控设备等组成。在水阻槽中注入水作为电阻，利用极板改变电阻的大小，从而达到测量的目的。改变电阻大小的依据 两极板之间的距离；s两极板的正对面积；在一定温度范围下的电阻率改变水电阻的大小就涉及到了水的电阻率：水的导电性能，与水的电阻值大小有关，电阻值大，导电性能差，电阻值小，导电性能就良好。根据电阻公式，在水温一定的情况下，水的电阻

9、值大小与电极的垂直截面积成反比，与电极之间的距离成正比。在水温基本恒定的情况下，我们一般可以通过改变两极板正对的面积和极板之间的距离来改变水的电阻。采用改变极板间的距离来改变水电阻的大小，则要求电阻水箱的体积将会很大。一方面会浪费大量的用水，另一方面，设计过程中的很多数据的取值都将会非常的大。而改变极板之间正对面积的大小就相对容易些，设计中将整块极板分成面积大小相等的若干小面积极板，正负极相互隔开放置在水中。改变极板间距离的方法；一，旋转浸入水电阻箱内水面以下的正负两极极板，形成一定角度；二，选择吊起一个单独的极板（通常选择正极），这样，在吊起极板时，可以减少钢丝绳的受力大小，同时，也可相应减

10、小平衡铁的用量，在选用吊起极板的横梁时，也可以减小其型号。综上所述，述要改变水电阻的大小只要改变极板的相对面积的大小，极板分为上、下两部分，下部极板固定在水阻槽中，上部极板可以上下移动。上部极板作为阳极，接电流正极；下部极板作为阴极，接电流负极。通过上极板的上下移动，来改变极板间的相对面积，这样便可以改变电阻。这就是设计传动装置的依据。上极板的上下移动是通过传动装置实现的，包括滑轮组、卷扬机和电动机等装置。监控设备就是对试验站的控制和对各项数据监测，主要监测主发电机的输出电压、电流、主发电机的励磁电压，电流。传动原理图如下：图 211、2、极板 3、平衡块 4、滑轮 5、钢丝绳 6、卷筒7、减

11、速器 8、电动机 9、水槽 实验中传动机构需要实现的功能，极板的上下移动是通过滑轮组用缆绳连接，缆绳的另一端由电机来带动，从而使活动极板能够以一定的速度v上升下降。2.3 传动方案的比较整套传动机构由电动机、减速器和卷筒组成。合理的传动方案首先要满足机器的功能要求，例如传动功率的大小，转速和运动形式。此外还要适应工作条件，满足工作可靠、结构简单、尺寸紧凑、传动效率高、使用维护便利、工艺性和经济性合理等要求。方案一：采用两极展开式圆柱齿轮减速器构成传动系统。圆柱齿轮减速器机构简单，效率高，容易控制，使用寿命长，维护方便，由于电动机，减速器与滚筒并列，导致横向尺寸较大，机器不紧凑。图22（a）1电

12、动机 2连轴器 3制动器 4二级圆柱齿轮减速器5卷筒 6轴承 7齿轮方案二采用蜗杆齿轮减速器，这类减速器在绝大多数情况下，都是把蜗杆传动作为高速级蜗杆传动的效率较高，它所使用的传动比一般在50100的应用范围内，最高可达250。蜗杆齿轮传动的传动比大，结构紧凑，尺寸小，重量轻。但制造安装较困难，传动效率高。蜗轮轮缘需用有色金属制造，机器总体布置尺寸紧凑。如图：图 22（b）1电动机 2连轴器 3齿轮-蜗杆减速器4卷筒 5轴承 6齿轮方案的对比选定：方案一的两级圆柱齿轮减速器在通常情况下被广泛的使用。它具有很多的优点，但其结构布置较大，不太紧凑，且传动比较小。在850之间。方案二的蜗杆齿轮减速器

13、，其结构紧凑，尺寸小，传动效率高，传动比大的优点，而且不许要采用制动器。总体性能较高。因此经对比确定采用蜗杆齿轮传动较合适。设计中，极板分为上下两组，一组极板固定在水阻槽中,另一组极板可以上下移动,在水箱里加入适当水,通过上极板的上下移动,来改变极板间的正对面积,这样便可以改变电阻.上极板的上下移动是通过传动装置实现的。 监控设备就是对试验站的控制和对各项数据监测,主要监测主发电机的输出电压,主发电机的磁电压,电流.进而调整主发电机的输出功率,让它们达到设计的要求。达到电流,主发电机的磁电压,电流.进而调整主发电机的输出功率,让它们达到设计的要求。2.4 电动机的选择2.4.1 选择电动机的容

14、量电动机的容量（功率）选择是否合适，对电动机的工作和经济性都有影响容量。小于工作要求，则不能保证工作机的正常工作或使电动机因长时间超载运行而过早的损坏，容量选得过大，则电动机价格高，传动能力又不能充分利用。而且由于电动机经常在轻载下运转，其效率和功率因数都较底，从而造成能源的浪费。选择电动机的的容量由额定功率表示。所选电动机的额定功率应等于或稍大于工作要求的功率。其大小主要由运行的发热条件，依据工作机容量来确定，必要时还必须用过载能力及起动条件加以校核。在本传动机构中，由于负载是稳定的，无需进行过载能力的校核，也无需进行起动条件的校核。电动机所需的功率为： kw 式中： pd-电动机输出功率，

15、单位：kw；pw-工作机所需输入功率，单位：kw；n -电动机至工作机之间传动装置的总效率。工作机所需功率pw就是极板运动所需的功率，由下式求得： kw 式中： f -极板运动所需的最大牵引力，单位：n； v -极板的运动速度，单位： m/s；极板运动所需的牵引力的大小由极板的重量和阻力大小决定。因为极板工作时要放置于水阻槽中，所以必须考虑到水的浮力对牵引力的影响。当极板完全放置于水中时，浮力最大，牵引力也就最小；当极板还未接触水面时，没有浮力作用，牵引力也就最大。最大牵引力就是极板还未接触水面时所需的牵引力。极板的重量根据计算，有2217千克左右，如果直接用缆绳拉动，则需要比较大功率的电动机

16、，而且难以控制。可以采用一个平衡力来减小缆绳拉力的大小在缆绳的一端固定一个质量较大的平衡物体，极板运动所需的牵引力就等于极板的重量减去平衡物体的重量再减去极板所受的浮力。平衡物体的重量必须小于极板与起吊架的重量之和，必须小于极板与起吊架的重量和与最大浮力之差，否则极板无法完全插入水中。这里考虑的最大牵引力就是极板还未接触水面时所需的牵引力。即最大牵引力的大小等于极板和吊架的总的质量减去平衡铁的重量。由前面计算可知极板和吊架的总质量为2217kg，平衡铁的质量为2100 kg极板起吊所需最大拉力为：f=（2217-2100）9.8=1146.6n 确定极板运动速度在监控站有四个仪表盘来表示电流的

17、大小，分别表示个位十位百位千位。仪表的参数和状态的变化能否处于正常的范围，对操作人员的观察认读的准确性，快速性及疲劳程度有一定的影响。也就是说极板的起吊速度太快，仪表指针将急剧跳动，以致于不便观察实验数据。电流的最大值可达到6000a，由于试验中难免会出现一些不确定因素，比如水的上下波动，温度的变化等等，这些因素都会使指示仪表上个位上的数字变化非常快，致使人眼分辨不清，据实验要求电流在个位上的变化不会对实验产生较大影响，因此我们只要看清十位上的变化就可以了。 在此假设人眼在二秒钟的间隔内能看到电流仪表十位上的变化，即二秒钟变化10a。电阻的变化率可由以下公式求出电阻的变化率为9.24在由公式，

18、解得面积的变化率为0.1407。因此由极板的宽度1.5m和总块数12能够算出极板上升的高度为 ：则极板的速度v=0.047所以工作机所需输入的功率=0.468总效率的计算总效率是每个传动构件的效率的乘积：由机械设计课程设计手册查得：减速器效率为0.950.98;绳子与滑轮接触的效率为为0.95;卷筒效率为0.96。算出 0.78因此电动机的所需的额定功率 ：0.59kw所以，选择的电动机额定功率必须0.59kw2.4.2 确定电动机的转速选择适当的电动机转速，以便确定满足工作要求的电动机型号。容量相同的同类型电动机，有几种不同的转速可供选用，如三相异步电动机的同步转速，一般有3000r/min

19、（两极）1500r/min（四极）1000r/min（六极）及750r/min（八极）四种。电动机的同步转速越高，磁极对数愈少，其重量愈轻，外廓尺寸愈小，价格愈底。电动机的转速与工作转速相差过多势必使传动比加大，致使传动装置的外廓尺寸和重量增加，价格提高。而选用较底转速的电机时，则情况正好相反。因此，在设计中常用同步转速为1500r/min或1000r/min两种电机。在本设计中，活动极板的起吊速度将是非常小的，故要求传动比较大。所以选择同步转速相对较小的1000r/min的电动机。选择电动机的类型和结构型式在交流电动机中，三相异步电动机在工业中广泛的应用。常用的y系列三相异步电动机为全封闭自

20、扇式笼型三相异步电动机。其结构简单，工作可靠，起动特性好，价格低廉，维护方便等优点。根据额定功率转速及工作条件选择三相异步电动机为：y90l型 技术参数为： 额定功率：1.1 kw满载功率：910r/m2.5 传动部件的设计与选择一减速器在传动装置中，减速器是装置中的重要部件之一，其传动性能、特点直接影响到整个升降装置的性能，而且减速器生产成本较高，为此合理的选择减速器，对降低生产成本和提高效率有很大的影响。设计中采用齿轮-蜗杆减速器二卷筒卷筒用以收放和储存钢丝绳，把电动机提供的回转运动转换成所需要的直线运动。卷筒有单层卷绕和多层卷绕之分。一般起重设备多采用单层卷绕的卷筒，多层卷筒容绳量大，用

21、于起升高度特大或特别要求紧凑的情况下。设计采用单层卷绕卷筒，用灰铸铁铸造。表面切制螺旋槽，这样就可以增加钢丝绳与卷筒的接触面积，又可以防止相邻钢丝绳的相互摩擦，从而提高了钢丝绳的使用寿命。螺旋槽有标准槽和深槽两种形式，设计采用标准槽，它的槽距比深槽短，其卷筒的工作长度比深槽的短，结构紧凑。加负荷和较大过载是，极少发生骤然断裂，且强度高，弹性好，自重小，工作平稳，噪音小。3电气控制回路设计传动用电机控制极板的升降，为了使极板能够实现升降两方向的运动，电机必须具备正、反转的功能，当我们按下电机就带动极板做升或降的运动，为了方便操作，我们还可以利用接触器辅助常开触点构成自锁结构，就可以保证在松开按钮

22、时电机能够持续工作；同时为了防止极板的运动超出极限位置，所以还应该有一对限位开关；如果需要将极板调整到指定位置时，以上那种连动方式是难以实现的，因此还需要电机的点动控制，即点一下，动一下；此外在电机工作中还可能出现过载负荷的情况，造成异常或故障而导致电机损坏，严重时会造成重大事故，因此电机的保护也是必不可少的。3.1 电机的点动控制当电动机需要点动时，先合上开关qs，此时电动机尚未接通电源。按下起动按钮sb，交流接触器km线圈通电，km的衔铁吸合，带动它的三副常开，主触头km闭合，电动机接通电源运转。sb按钮松开后，接触器km线圈断电，衔铁受弹簧力作用而复位，带动它的三副常开主触头km断开，电

23、动机断电停转。因为只有按起动按钮sb时电动机才运转，松手不按sb就停转，所以能对电动机起到点动控制。如下图：图 31（a）电机的点动控制3.2 电机的保护电动机在实际运行中，常遇到过载情况。若过载不太大，时间较短，只要电动机绕组不超过允许温度，这种过载是允许的。但过载时间过常，绕组温超过允许值时，将会加剧绕组绝缘老化，缩短电机使用年限，严重时甚至会使电机烧毁。因此凡电动机长期运行时，都需要对其过载提供保护装置。为了充分发挥电动机的过载能力，保证电动机的正常起动和转动，而当电动机一旦常时间出现过载，整个电路又能自动切断电路，因而需要能随过载程度而改变动作时间的电器，热继电器。热继电器是利用电流的

24、热效应原理来工作的保护电器，它在电路中是做三相交流电动机的过载保护用的，但须指出的是，由于热继电器中发热元件有热惯性，在热电路中不能做瞬时过载保护，但不能做短路保护。当电机过载时，热继电器的发热元件动作，带动常闭触点断开，从而断开电路。选择适当型号的热继电器可以保护电动机使之免受长期过载的危害。它除用于过载保护外，还可以对断电、电流不平衡运行以及电动机发热状态进行控制。它的特点结构简单、价格低廉、使用方便。3.3 电机的正反转控制水阻实验其工作原理，活动极板的运动是通过控制电机的正反转来实现的。电机正转，极板下降；电机反转，极板上升。从而改变活动极板与固定极板之间的水电阻，达到调整机车主发电机

25、输出电流的目的.为了实现正反转，只需要实现电机的正反转功能一般有一下三种途径。a.这种是最简单的控制，sb2闭合，km1线圈通电辅助触头km1闭合，形成自锁回路，送开sb2，电机仍然处于工作状态；此时若误将sb3按下，那么线圈 km2也将处于通电状态，那么在主电路中，将产生短路故障。图 33（a） b.对上面的设计进行改进，增加km1、km2线圈的辅助常闭触点就能避免因为误操作带来的不良后果。当正转时，按下sb2，km1的线圈通电并动作，电机正向启动运行，km1的一队自锁触头闭和形成自锁支路，另一队联锁触头断开；若电机由正向转为反向时，首先要按下sb1，km1的线圈断电，恢复常态，电机断电停转

26、，再按下sb3,km2的线圈通电，km2的主触头闭合，电机反向运行，同时km2自锁触头闭合，km2联锁触头段开。这种控制线路的缺点是操作不方便，每次动作时，都要首先按下停止按纽，但它可以保证，在同一时间内，只有一个接触器线圈在动作。控制原理图如下图 33（b）辅助触头作联锁c.第三种控制方式是采用复式按钮和触点联锁的控制电路，当电动机正转时，按下正转按钮sb1,sb1闭合，此时它的常闭触头段开，km2就处在段电状态下，正转接触器km1工作，辅助触头闭合，形成自锁；当需要反转时，只要按下反转开关sb2就可以实现。这种接线方式，不仅可以避免两个接触器同时通电，而且操作方便，由电机正转到电机反转，不

27、需要停止电机过度，直接就可以实现，因此在设计中采用这种控制机理。图 33（c）复式按钮和触点联锁3.4 对水温的控制测功装置平均水温为6o左右，出水温度小于8o为宜。平均水温过低，水电阻率增大，使测功装置容量减小，不能满足机车大电流试验的要求；出水温度大于80c时，水中出现大量气泡，引起水面激烈波动，使机车负载变化，检测仪表读数跳动，产生试验误差，或者不能满足机车小电流试验的要求。为了保持水的电阻率有一个稳定的值， 就需要使水的温度保持稳定。所以需要对水槽中的水温进行控制与监测。水的电阻率决定了实验装置的性能。从理论上讲,水的电阻率与水的温度成反比，水的温度越高，电阻率越小，水中通过的电流就越

28、大。当水温达到一定的高温时,水中会出现大量的气泡， 引起水面的波动， 导致电阻率的不稳定。而且水阻槽中上下水温也会有一定的温差，水槽的上部温度高，而下部的温度会低一些。这样 会影响到仪表测量的准确性。只有当水的温度均衡稳定时才能使实验得到理想的电阻。所以我们需要对水温进行控制。解决这个问题一般有三种方法；一是采用冷却塔水循环系统，达到提高平均水温、降低出水温度的目的，这种方法由于实际意义不大；二是采用本体水循环方式，达到了均温、省能的目的；三是试验前先将极板全部埋入水中，通以电流产生热量来提高平均水温，以满足机车大电流试验的要求。但这种方法不 。仅延长了试验周期，也消耗了大量能源。设计中采用了

29、本体水循环原理，就是利用一个水泵，将水阻槽下面低温的水与表面高温水进行互换，达到稳定水温的目的。水循环装置控制电路图如下按下按钮sb2，线圈km通电并自锁，水泵电动机转动，实现水循环功能。当按下按钮sb1时，水泵电动机停止转动，停止抽水。图34 循环水泵启动原理图3.5 对水温的监测设计采用传感器对水阻槽中的水温进行监测。传感器的选用主要根据检测物理量的种类和传感器的性能指标来确定。虽然传感器的性能指标众多，但其中的灵敏度和温度性最为重要，不可能也没有必要选择所有性能指标都十分优良的传感器，应该根据实际要求确保满足主要参数。热电传感器能将温度的变化变换为电动势或电阻的变化，主要有下列三种: 热

30、电偶热电阻热敏电阻。因为水的温度在0c100c之间，所以应该选用后两种。设计采用的热电阻是温度传感器dp3-t200p，主要参数如下: 三位半数显方式；测量范围： -100. m；测量精度：0.5%f.s2digit。3.6 对水位的控制水阻实验在进行过程中，因为水作为负载通过较大的电流，会产生大量的热，导致水大量的蒸发消耗。为了保证极板之间的导电水电阻的截面积不受到影响，则必须限定一个最低水位，这个水位高于极板之间的导电水电阻的水面高度。当水面下降，到达最低水位时，则需要往水阻槽内加水，使水面高度始终保持在最低水位之上。进水装置应该具有自动控制的功能，自动装置可以准确判断水面高度是否高于最低

31、水位，不会出现人工判断所带来的误差。往水阻槽中加水还能实现对水温进行调节，当水温高于实验的预想的温度时，加入部分冷水可以降低水阻槽的水温，所以进水装置又需要一套手动控制，起到人工调节水温的目的，可以实现想要达到的水温。由此可见，进水装置需要有自动和手动双重控制的功能。进水和放水由电磁阀来控制选用df-100型电磁阀。自动控制需要在最低水位的高度安装一个行程开关。当水面不断下降，到达行开关的位置时，即触动开关，行程开关打开进水装置，此时进水装置自动往水阻槽内进水。设计中行程开关采用的是uqk-03浮球磁性开关，它能对液体的液位进行准确的监测和控制。3.7 行程的控制为了使极板的行程不会超出所允许

32、的最大位移，确保极板不会和上方的横梁与下方的水槽相互接触，因此对极板行程的控制也必须考虑到。图 37限位开关如图，当极板上升或下降到最大行程时，就会撞到横梁上或水槽底部的限位开关，使之闭合，通过一组连动开关从而断开控制回路，使电机停止。4. 控制台的设计控制台的设计，最关键的是控制器与显示器的布置必须位于作业者正常的作业空间范围保证仪表面板是用以安装显示器和控制器的装置，是人机对话的窗口，也是人们在使用产品时观察、操作最频繁的部位。对于仪表面板的设计，主要包括仪表板的形式、空间位置和仪表的排列布置。仪表面板的形式确定仪表面板的形式的原则是操作者在不转动头部和眼球的情况下，即可看清全部仪表，并且

33、仪表面板的颜色应采用柔和较暗的色调，以减轻眼睛的疲劳。由这一原则出发，根据仪表数量和控制室容量可选择以下三种仪表面板形式a. 直线型。此种形式结构简单，安装方便，但视觉效果较差。适用于显示仪表较直线小的小型控制室。如图b. 圆弧型。此种形式视觉条件较好，但结构安装较复杂。适用于仪表数量较多的中型控制室，弧面上布置的各显示器与操作者的视距相等，观察时不需要调节视距，各控制器与人肢体活动距离一致，因而操作较为正确、便捷。如图 c. 折弯型。弯折式的优点是眩光较少，视觉条件较好，结构和安装比较简单，适用于仪表数量多的大中型控制室。由于在实验中我们只用到五种仪表，和较少的控制按钮和信号灯。通过比较我们

34、采用直线型的仪表面板。仪表是显示装置中用的最多的一类视觉显示器，按其认读特征分为两大类：a数字式显示仪器：它直接用数码来显示有关的参数或工作状态的位置，特点是显示简单，准确，可以显示各种参数和状态的具体数值。这类显示装置具有认读速度快，精度高，且不易产生视觉疲劳等优点，但不具有动态效果。b.刻度指针式仪表：它是用模拟量来显示机器有关参数和状态的视觉显示装置。其特点是显示的信息形象化，直观，使人对模拟值在全量程范围内所处的位置一目了然，并能给出偏差量，对于监控作业效果好。但认读速度慢，误读率高。根据实验的需要，我们要对电路中的电压、电流进行测试，所以选择数字式显示仪表。4.1.1 仪表面板的区域

35、划分以及其空间分布在日常生活和工作中,人们都有这样的经验,当观察一个物体的时候,被视物在矢状面内与眼睛所处的角度不同的时候,观察效果是不同的,其中的关键就在于有一个最佳观察角的问题。通常采用坐姿时，仪表面板的高度一般不高于视水平线10， 不低于视水平线45，最好与操作者的眼高相平。水电阻恒功率控制台需人工长时间操作，故在设计时应使人与仪表面板间有舒适的工作角度，兼顾到人在精神状态好与疲劳时均能有效、正确的进行工作，设计时采用仪表面板与地面成70。工作台的形式确定后，面板上的显示器和控制元件的合理布局就成了关键问题。首先应该以实用性为主要依据，根据操作人员的行为特性，保证控制面板的正确操作，为人

36、提供一个良好的操作界面，其次再从美学的角度来考虑各元器件的布局，达到美观、协调的目的。为了保证工作效率和减少人体疲劳，面板的设计原则应该尽可能地让操作者不转动头部和眼睛，更不必移动操作工作位置，便可方便地操作，并可从显示器上获取全部信息。为此，面板区域的合理划分，元器件的合理配置就成为首要问题。为了使仪表显示的信息能有效地传达给人,仪表往往以某种方式布置在一定的空间中,并与观察者形成一定的几何关系,这种几何关系应该保证每个仪表都处于最佳观察范围内,并做到等视距。当观察者正前方一块仪表板内需要布置较多的仪表时,可把仪表面板设计成圆弧形或者是梯形。当采用梯形面板的时候,两侧面板与中央版面之间的夹角

37、以65为好;双人使用的时候,可采用45到55的夹角。布置一般仪表的时候,其视距最好在56075确性和速度问题做过详细的研究,他们认为,随着仪表从事业中心远离,认读的准确性下降,而无错认读的时间增加。同时在大约24的水平视野范围内,无错认读时间无明显变化,但以后就开始急剧的上升,这说明次区域为最佳视觉工作区。他们曾经做一个实验,结果表明:一般的仪表应该布置在2040的水平视野范围内;而最重要的仪表,应该设置在视野中心3范围内,这一视野范围人的视觉工作效率最优;4060区域只允许设置次要的仪表,除了不常用和不重要的仪表外,一般不宜设置在60水平视野之外。原则上都应该设置在人不必砖头或者转身即可看见

38、的视野范围之内。实验结果表明：当视距为800mm时，人的正确认读时间与水平视野的范围如下图所示。 从图中可以看出，当水平视野在20范围内为有效认读范围，当超过24时，其正确认读的时间遍急剧增加。因此常用的主要仪表应尽可能的配置在视野中心3范围内，一般性的仪表可布置在2040范围内，次要性的仪表可布置在4060范围内，80以外视野范围一般不布置仪表。4.1.2 仪表的种类、数量及选择仪表是工业生产中用得最多的视觉显示器,由于功能和用途的不同所以仪表的种类也比较多,选择的时候应该注意显示的形式。其选择原则如下:1. 读数用仪表:无论从读数的速度和精度来说,均以数字式仪表为最优,而以长条式仪表为最差

39、。2. 检查用仪表:这类仪表一般不宜采用数字式和小开窗式,而以采用指针运动式仪表较为合适,以便操作者一眼就能看出指针偏离正常位置的情况。检查用仪表关键在于应当使指针在仪表上显的十分突出,同时可使指针偏离正常位置的时候,给出一个灯光信号或音响信号,或使偏离正常位置的表面颜色不同,这样可以大大提高仪表检查工作的效率。3. 警戒用仪表:其要点是必须使仪表表面的正常警戒区和危险区有明显的区别。一般的形式是采用不同颜色来划分这些区域,如绿色表示正常区,黄色表示警戒区,红色表示危险区。4. 追踪用仪表:必须使操作者一眼便可看出需要状态与实际状态之间的差距以及它们的变化趋势,一般无须精确读数,所数字式仪表和

40、仪表面运动式仪表均不太合宜,而以长条式仪表追踪效率最好,圆形仪表次之。5. 调节用仪表:一般采用指针运动式,或仪表面运动式,最好右操作着直接控制指针或仪表面的运动,而不是通过仪表外的另一个旋钮来控制它。根据实验要求，控制台上测试仪表的精度应该高于机车上检测仪表的精度，即控制台上的仪表精度最低也必须为1级。设计采用的是数字仪表，它使测量技术数字化，具有读数准确、分辨率高的特点。操作中需要检测的工作数据有主发电机的输出电压、电流，主发电机的励磁电压、电流，水的温度以及柴油机的转速。因为采用的是数字仪表，所以控制面板上一共需要布置6块检测仪表的显示器。表 4-1 仪表的种类、数量表 名型号量程测量精

41、度数显形式主电流表dp4-da主电压表dp4-dv励磁电流表dp3-da励磁电压表dp3-dv柴油机转速表m4w-c温度表dp3-t200p4.1.3 仪表面板的布置仪表显示的数据是整个实验最终需要得到的数据，需要经常观测，应该放置在最易观察的位置，所以将仪表放置在水阻控制区的上方，在操作人员水平视野 20范围内。设计将6块仪表分为两排排列，其中主电流表与主电压表上下相邻，励磁电流表和励磁电压表上下相邻，其中主电流表和主电压表最重要，所以放置在靠近中央分界线的位置。6块仪表安装尺寸均为180mm80mm，仪表与左、右边线的间距取为100mm，上下边线的间距取为：上边距30mm，下边距40mm。

42、表之间的间距为左右60mm，中间为60mm，由于一排3个仪表的总长度=1803+602=660mm，总高度=802+60=220mm。 所以仪表面板的总长度=400+200=600mm 总宽度=220+30+40=290mm对照仪表的最佳尺寸数据，没有超出仪表板的最佳尺寸范围。仪表面板布置如下： 图 4134.2 控制面板的设计控制面板是实验装置的控制中心，它的正确操作直接影响实验装置的正常使用，而控制面板又直接与人交换信息，所以控制面板的设计应该与人的行为特性相一致，符合人的行为习惯。用人机工程学的方法来设计安装控制面板，才能从客观条件上减少失误的因素，提高操作人员的工作效率。设计时应该考虑

43、科学性和实用性。面板的设计包括了各种元器件的选择，安装和布局，以及面板的刻度、文字、图形、色彩等方面。既要体现出设计水平，又要考虑人机环境系统的协调，使他既适应人体的不同要求，又适合工业生产并且经济合理。使用视觉显示装置,在与迅速、方便、准确地给人提供视觉信息,因此,仪表等视觉显示装置的不止应该根据人的视觉特点,按最佳的观察方式进行,方能提高视觉认读效率和精度。鉴于以上的要求,我们在不止视觉显示装置的时候,应该使显示信息的表面尽可能与观察者的实现垂直,保证获得最高的观察精度。如果条件不允许的话,显示器表面可按照7080的观察角度布置,也能获得较高的观察精度。人的动作的效果及特征与操纵装置的性质

44、、功能、结构特征等密切相关。为了提高人机系统的综合效率，使设计出的操纵装置符合人的使用要求，就必须先按人的使用要求来设计操作动作，以保证操纵设置设计的合理性。4.2.1 控制开关和指示灯的选择控制开关的形式应该根据所实现的功能来确定，工作台上一般功能的控制开关常采用按钮开关，其操作简单，布置方便。也可以采用其他形式的开关来实现一些特殊功能，比如需要快速接通和短开的场合可以采用拨动开关。按钮的尺寸主要按成人手指端的尺寸和操作要求而定。一般圆形按钮直径以8-18mm为宜，按钮应高出盘面5-12mm,行程一般为12.5-25mm，最小不得小于6mm。确定指示灯的亮度应该根据使用场合的背景照明强度和信

45、号灯的颜色，由于强光信号比弱光刺激性大，容易引起注意，所以指示灯的亮度至少高于背景亮度的两倍在用来显示危险或紧急状态的警告灯和指示灯并用的场合，警告灯的亮度应明显高于指示灯的亮度。色彩的选择也很重要，不同的颜色在生理上不仅会引起人们不同的感觉，而且使人的心理上会产生不同的反差。按钮开关与指示灯应该注意本身颜色与所实现的功能是否搭配，是否符合人们1xd传动用电动机过载2xd水泵电动机过载6xd水槽加水4xd极板下降 5xd水泵工作7xd水槽放水 其中10ak水槽放水控制选用旋钮开关，可以实现开始放水和停止放水双重功能。11ak实验台电源开关选用带钥匙的开关。其余控制开关均选用按钮开关。3ak 、

46、6ak 、7ak、9ak、11ak选用红色，10ak选用黄色，其余ak选用绿色。 1xd、2xd选用红色，35xd选用绿色，6xd、7xd选用黄色选型结果如下：型号额定电压额定电流安装尺寸外壳材料按钮开关pb-22a220525塑料旋钮开关rn-110d220525塑料钥匙开关6sk320220540塑料指示灯pb-22a220525塑料4.2.2 控制面板的空间布置设计原则元器件布置一般应考虑控制器的使用频率原则、重要性原则和使用逻辑原则，并应对安排的优先次序进行综合考虑。(1)使用原则：按使用频次考虑元器件布置位置的优先权，将使用评论，频率次数最高的布置在最靠近操作者的位置；使用频率次数较

47、高的元器件布置在舒适操作区；使用频率次数较低的依次向边缘布置，设置在有效操作区和扩展操作区。(2)重要性原则：对于需要进行精确操作的一些重要的元器件应布置在精确操作区，设置位置应考虑观察被控信号的精确性和清晰性，次要的则向边缘布置。紧急控制器及系统运行安全的元器件，也布置在舒适操作区。(3)使用逻辑原则：在元器件的布置中，考虑到系统的安全和效率，一般按一定的使用逻辑关系进行编组。例如按功能、使用顺序或操作程序等进行编组。在空间位置上，应该以操作者的手不妨碍对显示仪表的认读效果为依据来确定显示与控制的空间位置。显示与其相应的控制应该有明显的联系，要尽力符合人的习惯，以达到较高的工作效率。面板的位

48、置应该保证操作人员不受任何影响地观察到仪表显示和接触到所有的控制开关。仪表的排列，可以与实际操作的顺序一致，相互联系多的仪表应尽量靠近，还要照顾到它们彼此间的逻辑关系。大多情况是按功能分区排列，显示器之间尽力紧凑，以、缩小视野范围。按钮开关所在面板的位置应置于操作者的正前方效果最佳，越靠近边缘，操作效果就越加降低，当操作员不动时，按钮开关的区域应该在以肩为圆心，半径为610mm的半球形区域。要求精确调节的旋钮，最好在与肩膀水平的上下区域内，应该尽量靠近被它控制的仪表显示器。总之按钮开关放在人手活动灵敏、辨别力最强、反应最快、用力最大的空间范围为最佳，可以按操作顺序、重要性、使用频繁程度安排，当

49、按钮开关较多时，可按其功能分区，各区间可用线框、色彩等方法加以区分。特别重要的按钮开关应该放置于最醒目，最容易触摸到的地方，如总开关、紧急停止开关等。4.2.3 控制面板的空间布置整个控制面板上分布有控制开关、指示灯等元件。由于其尺寸不一，所以在安排布置的时候需要从整体考虑，合理安排各个元件的位置，使得整个面板看起来美观而且又实用，控制面板上分为机车控制和水阻控制两个区。为了缩短控制台的宽度，将水阻控制区与机车控制区上下放置，如图 机车控制区布置按照机车上相应元器件的布置习惯，无须进行布置设计。其中司机控制器的表面尺寸为250mm180mm，琴键开关的表面尺寸为300mm90mm，司机控制器与

50、琴键开关的间距为50mm，与控置面板下边的距离取为70，与上边的距离取为50。整个机车控制区需要的宽度为：1805070300mm。如下图所示：图 423（a）水阻控制区内需要布置7个信号灯和11个控制开关。也就是a区域用以放置指示灯和按钮开关，指示灯和其功能相对应的按钮开关放置在一起，显示灯置于按钮开关的上方。7个指示灯依次放在第一排，11个按钮开关分两排置于下面。各个按钮开关和指示灯的间距应该大于直径尺寸，所选用的按钮开关和指示灯的安装尺寸除11ak外直径均为25mm；由于实验中，工作人员进行的都是一只手的随机操作，查阅人机工程资料，各个控制按钮之间的间距取为40mm。图 423（b）三排

51、之间的间距取为30mm，上边距区取为20mm，水阻区的宽度=20+325+230=155mm于是就可以得出这部分控制区总宽度=300+155=455mm安装尺寸如下图所示：图 423（c）4.3 控制台身形状设计控制台台身有几种类型，1桌式控制台：桌式控制台的结构简单，视野开阔，光线充足，操作方便。使用于显示，控制器件数量较少的控制。2直柜式控制台：其构成简单，台面较大，视野效果较好，适用于显示控制器件数量较多的控制，一般都用于无须长时间连续监控的控制系统。3组合式控制台：组合式的组合方式多种多样，其结构复杂，可以将有关的电气元器件配置在箱柜中，是一种风格独特的控制台。4弯折式控制台：它与弧形

52、控制台属于一种形式，结构复杂，适用于显示控制器件数量很多的控制，一般用于长时间连续监控的控制系统。与直柜式控制台相比，具有监视观察视野佳，控制操作舒适方便等特点。由于水电阻恒功率控制台的仪表显示器、指示灯和控制按钮的数目也相对较少，所以控制台尺寸不宜过长，台面设计也应该尽量简便、实用。根据设计要求我们使用低台式控制台。参照人机工程学坐姿控制台的推荐尺寸以及仪表面板与控制面板的设计尺寸，初步将控制台设计成下面的形状图43a为控制设备区域，包括电机的正反转连动控制、点动控制；循环水泵的启动控制；注水系统的控制，也将信号灯设置在此区域内，并且将信号灯设置在该操作按钮的上方。b为显示区域，其中包括主电

53、流表、主电压表；励磁电流表、励磁电压表；温度表以及电动机转速表。水平平台可以用来记录仪表数据。4.3.1 控制台尺寸结构设计控制工作台按照人机工程设计原则，应该满足以下要求：1结构体的舒适度：工作台必须按人体的尺寸进行设计，各个设计参数的大小必须在使用群体中第5百分位数(少于5%的人的身高低于该设计高)至第95百分位数(少于5%的人的身高高于该设计高)的人员可以接受。2.显示信息可见度：显示装置的设置位置，应该考虑人的视觉几何参数、观察围、视距、观察角和入射角等因素。保证人对显示信息的准确辩认。3.控制元件的可操作性：控制元件应该设置在人的手可及范围内。 4.足够的工作空间：工作台本身与相关设备的布局，以及工作空间及通道等的设计，应该为人的活动空间留有足够的裕量。控制台面留出放置文件或书写用的水平台面。4.3.2 控制台各项数据设计在现代化的生产系统中，控制器和显示器往往都装配在控制台上。一台设计良好的控制台，应是尺度宜人，操作方便，造型美观，给人以舒适感。为此，控制台的设计，应考虑尺寸以及人的 生理、心理特性。同时操作人员工作时所采用的姿势直接确定了实验台的高度。据测定，人立姿作业的能量消耗为坐姿操作的1.6倍，若上身倾斜时操作可高达10倍。另外，坐姿操作的准确性通常都高于立姿。对于作业时间持续较长，