人机工程学在机车驾驶室设计中的应用研究

1、人机工程学在机车驾驶室设计中的应用研究3刘青,刘攀,吕应明(兰州交通大学机电工程学院,甘肃兰州730070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-机关系和人-环境关系两个方面对机车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,有效地发挥机车乘务员和设备的作用,从而使机车驾驶室的人-机-环境系统总体性能达到最优。关键词:人机工程学;环境;驾驶室;设计中图分类号:T B18文献标识码:A 文章编号: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人机工程学是近几十年才发展起来的一门新兴边缘科学。它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。 机车驾驶室是机车乘务员的作业场所,在机车驾驶室的设计中,应用人机工程学,其目的就是使所设计的机车驾驶室不仅能满足机车乘务员的

5、作业要求,而且能使机车乘务员操作方便、舒适、安全,减少体力疲劳和精神负担。笔者主要从人-机关系和人-环境关系两个方面来分析机车驾驶室的设计,使其更适宜于人的操作,有效地发挥机车乘务员和设备的作用,从而使人-机-环境系统总体性能达到最优。1从人-机关系方面考虑机车驾驶室的设计1.1操纵台面板的设计机车操纵台是列车运行的人机界面,是机车乃至列车设备系统的集中反映,操纵台上器件设置是否科学合理,对乘务员能否全面准确地完成驾驶职能有很大影响。(1G B,U I C 有关操纵台布置的几项原则1,2G B /T6769-2000中7.2规定(与U I C617-6OR7.2等 同:“正常运行时使用的操纵装

6、置均应靠近司机,尽可能集中在司机操纵台上。”U I C617-6中OR7.3.2规定:“所有正常运行期间受监视的控制设备,应在司机清晰的视野之内,且尽可能集中在司机操纵台上。”G B /T6769-2000中3规定(与U I C617-6OR2.1等同:“司机驾驶室的所有装置可由单人操作(司机室的布置应做到所有装置可单人操作。”(2操纵台面板的人机工程学设计在头部保持静止,而眼睛正常活动的状态下,根据人眼对视觉信号的觉察效果的优劣可以将视野分为3个区域:良好视区(A 、有效视区(B 和不适宜视区(C ,如图1所示3。一般将最重要的和需要频繁视察的信号置于A 区,而实践证明,视距为800mm 远

7、时,操纵台面板最优尺寸范围如图2所示,其中O 为视野中心4。对于操纵台面板上控制系统,手的功能可及范围是将肘关节伸直,即呈180状态,以肩关节为轴心旋转时,3个手指(拇指、食指、中指所能抓握操纵器的区域。这个区域一般用第五百分位数的男子人体活动模板来确定,也可使用作图法。手臂可视为二杆系统,如图3所示3。823收稿日期:2006-04-24作者简介:刘青(1979-,女,甘肃会宁人,硕士,从事机械设计及自动化方面的研究工作。国内于1997年曾分别对DF 11内燃机车和SS 4型电力机车的机车乘务员就仪表、显示器的链值进行过问卷调查,得出的基本结论是:第一链值层为与制动有关的压力表,第二链值层为

8、与速度控制有关的仪表和显示屏,第三链值层为与功率、力有关的仪表,第四链值层为与机车设备状态有关的仪表和显示屏。根据人机工程学,在布置控制器或显示器时,还应考虑功能性,即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2种方法兼用排列。幅控制系统设计还要考虑各种操作件的造型、色彩和运动方向。操作手柄的外型一般要根据手幅的长度、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。显示装置设计还要考虑选择显示器和仪表的易读性和准确性。

9、对于定量读数的显示,选择电子式数字显示。对于定性读数的显示,由于它不要求具体的数字,且模拟显示更为灵敏、方便,因此选用指针式显示。1.2座椅的设计在机车驾驶中,乘务员主要采用坐姿工作,人与机器的一个重要接口即为座椅。座椅的设计与布置直接影响到乘务员的乘座舒适性和室内其它相关设施的布置。合理安置座椅,改善人与座椅之间的关系,对于给乘务员创造一个舒适安全的工作环境,起至关重要的作用。考虑座椅应有良好的静态特性、动态特性及足够的结构强度、刚度,并能进行适当的调节,还要符合乘务员的了望要求,根据人机工程学设计理念,对座椅进行如下设计要求:乘务员坐定在座椅上,在最佳视角范围内对侧窗几何中心进行了望时,其

10、头部转动的角度不得超过60,透过侧窗观察后视镜时,应能看见站台的发车信号。座椅高度可以调节,其可调范围应该满足不同身高使用者的要求,使用者的脚和腿能保持在舒适位置。座椅有背靠,背靠应该大小合适,设计成弯曲形,以适合人的腰椎形体,工作中根据需要加以调节,使其能分担部分体重及工作受力。为支撑上肢,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。质地。椅面的质地应柔软并具有一定弹性和透气性,以缓冲局部压力,提高舒适度。1.3驾驶室前窗的设计驾驶室前窗上缘离木地板的高度不得低于1.7m 2,而95%的人眼高不高于1.7m,因此机车乘务员站立操

11、纵时符合了望条件。设计机车乘务员了望条件时应注意:乘务员以松弛坐姿坐定在座椅上,在水平视线左右各35范围内了望前方时,前窗结构应无视觉干扰;乘务员坐定在座椅上,在最佳视角范围内对侧窗几何中心进行了望时,其头部转动的角度不得超过60;透过侧窗观察后视镜时,应能看见站台的发车信号5。因此,前窗玻璃采用整体式的,另外必须根据机车乘务员的眼椭圆范围确定风动刮雨器刮扫前窗玻璃的面积和部位,并在满足前窗振动抑制要求的前提下,以最细的支柱来减小视野死角。为防止霜冻结冰,前窗玻璃应设有加热器,如电阻加热元件。为避免刺眼阳光对机车乘务员的直射,前窗玻璃应设有遮阳板。2从人-环境关系方面考虑驾驶室的设计环境是影响

12、安全、工效、健康和舒适性的因素,噪声、热环境、色彩和照明等环境因素均会影响机车乘务员的操作质量。因此,机车驾驶室的设计也要从人-环境关系方面加以考虑。2.1噪声噪声是一种有害身体健康的刺激因素,可以对操作者产生干扰,影响重要的语言信息传递。担当铁路运输的机车车辆产生的噪声对机车乘务员的影响表现为乘务员的听力下降、易于疲劳,影响对线路的了望以及接受音响信号的能力,因而可危及列车的安全。因此,要控制和减弱机车噪音。机车噪音的控制和减弱,一般是指使机车驾驶室内的声强在不超过8083Pb (A 的状态下,乘务员能持续工作,听力不受损伤,能接受音响信号。经过调查可知影响驾驶室噪音的因素为:机器间噪声的强

13、弱;柴油机、辅助机组减振消声状况;驾驶室围护结构的隔振特性;驾驶室内的吸声程度等。使驾驶室隔绝或减弱噪音是一项综合性问题,须全面考虑隔声、隔振和吸声等各项措施。在机车驾驶室设计中,主要采用以下措施来控制和减弱噪音:驾驶室的地板采用双层浮筑型结构,其特点为用弹性垫将地板与支承架、四周墙壁完全隔开,严格避免刚性连接,起到显著的隔声效果。另外驾驶室的后壁、侧壁和车顶也都用组合式阻尼材料层覆盖。在驾驶室和机器间设置四道隔墙,对四道隔墙的门窗均采用了双层玻璃,很大程度上将噪声封闭在机器间内。隔墙上的小孔、缝隙都加以密封。如传动轴通过孔四周的缝隙用钢板和密封橡胶加以密封。在驾驶室围护结构的墙面上,均敷设软

14、质聚胺酯泡沫塑料作为吸声材料。2.2热环境驾驶室的温热环境也是决定乘务员的作业效能和健康的重要影响因素。乘务员所处的环境条件主要包括空气的温度、湿度和风速这3种物理因素。高温易使乘务员的注意力涣散,动作准确性下降,协调能力减弱;低温易使肢体麻木,特别是影响手的精细运动灵巧度和双手的协调动作。据研究,在夏季1824,冬季1722的条件下,乘务员的工作效率高、质量好。人机工程学称它为温度的“快感带”。在机车驾驶室设计中,改善热环境方面主要是设置取暖、通风和补充新鲜空气的电气空调设备,如在驾驶室顶部安装加热和通风的联合装置。当驾驶室内气温发生变化时,它可使新鲜空气在控制好的温度下进入驾驶室,通过驾驶

15、室下部和上部设置进风口和排风口,形成气流来控制室内温度。2.3色彩和照明色彩是人体视觉的生理特性以及人的心理属性的综合反映。好的色彩环境有助于提高工作效率,减少或避免差错,提高人对信号、标志的辨别速度,且可加快恢复人的视觉能力,减少疲劳等;而坏的色彩环境将影响人的心理情绪和视觉功能,影响工作效率。驾驶室的色彩配置一般以较低明度的偏(下转第52页92齿轮磨齿时,采用装配位置磨削法,即齿轮在磨齿时的装夹方向与装配时一致,且每对啮合齿轮在一次修整砂轮上磨削。采用该方法可使相互啮合的每对齿轮的压力角误差得以补偿。在磨齿时,应严格控制齿形精度,齿轮噪声不仅与齿形精度有关,还与齿形形状有很大关系,应杜绝齿

16、顶增厚、齿根增厚、局部凸起等不良齿形。在齿形齿向检查合格后,进行齿轮噪声啮合检查,噪声啮合在Y9932噪声检查机上进行。噪声检测的转速和载荷条件须接近实际情况,啮合时不得有尖叫声及不规则的冲击声,正反转、误差不超过1d B(A,通过这样的检测后,齿轮即可转入装配。事实证明,啮合检测后的齿轮装配时噪声基本能符合要求。3途径三:对相关零件结构进行改进通过控制相关零部件的制造精度和采用特殊齿轮加工方案后,如果机床噪声还不能够令人满意,则应当对机床的结构尤其是车头箱的结构进行重新审阅。事实上,在确保一定的加工精度及相同的工艺条件下,结构是机床噪声重要的决定因素。因此,有必要对结构进行适当改进。目前,国

17、内许多厂家在设计时便已进行降噪设计。(1箱体箱体结构以壁厚、加强肋多较为理想,但缺点是增加重量,成本增多。(2轴类床头箱内轴类零件尤其是花键以刚性强为适宜,这样就严格要求轴类零件设计时不宜太长,直径也不宜小。(3齿轮齿轮结构对车头箱噪声影响较为明显,对齿轮的结构设计(改进尤为重视。(4模数同等条件下,齿轮模数越小,精度越易保证,噪声越小。(5侧隙实验证明,适当的侧隙对降低机床噪声很有帮助,随着侧隙的增大,噪声逐渐降低。(6形状一般而言,齿轮的形状越厚实,其贮存“声能”的能力越强,噪声向外发散能力越差,越利于降低噪声。如图 1(b所示的结构相比图1(a更利于降低噪声。图1零部件的结构改进当然,齿

18、轮结构中,压力角、变位系数等一些参数对噪声也有一定的影响,这里不详细介绍。4结论综上所述,这些降低噪声的措施和途径是在实践中摸索出来的,其实降低机床噪声的途径还有很多,这就要求工程技术人员进一步研究、探索。(上接第29页冷色,使机车乘务员在视觉和心理上产生柔和安静的感觉,以愉快的情绪、饱满的精神投入工作。照明环境应根据驾驶室的布局及窗户的方位情况来设计,既要满足工作照明,又要避免眩光。合适的照明能够提高近视力和远视力,有助于提高工作效率。当照明不良时,因反复努力辨认,易使视觉疲劳,引起视力下降、眼球发胀、头痛及其它疾病而影响健康,并引起工作失误和产生事故。为此,用日光灯照明,采用透明灯罩来提高光的漫射性能,使灯光柔和;将光源布置在视线外微弱刺激区;选用合适的材质或涂色降低反射系数,避免反射眩光。3结束语将人机工程学原理应运于机车驾驶室的设计中,可以在完成机车乘务