CN110029698B

CN110029698B - 一种大型矿用挖掘机的驾驶室设计方法

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Publication number: CN110029698B
Application number: CN201910340446.1A
Authority: CN
Inventors: 赵静; 张琳
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2019-04-25
Filing date: 2019-04-25
Publication date: 2021-04-06
Anticipated expiration: 2039-04-25
Also published as: CN110029698A

Abstract

本发明涉及挖掘机技术领域，它涉及一种大型矿用挖掘机的驾驶室设计方法，该设计方法包括以下步骤：步骤S1：建立挖掘机的铲斗工作模型，确定铲斗在驾驶室内的可视分布区域；步骤S2：建立驾驶人员在坐姿状态下的眼点区域模型，基于铲斗工作模型的坐标系，确定驾驶人员在坐姿状态下的眼点坐标；根据不同驾驶人员的身高，确定驾驶人员的眼点分布区域；步骤S3：对驾驶室的各尺寸参数进行设计，使驾驶人员坐在驾驶室座椅上的眼点分布区域位于所述可视分布区域内。根据本发明提供的技术方案，驾驶人员在驾驶挖掘机时铲斗可以一直处于驾驶人员的视野范围内，如此方便作业人员对铲斗进行控制，避免了事故的发生，安全性较高。

Description

一种大型矿用挖掘机的驾驶室设计方法

技术领域

本发明涉及挖掘机技术领域，特别涉及一种大型矿用挖掘机的驾驶室设计方法。

背景技术

大型矿用挖掘机是一种非常重要的工程机械，目前在矿山生产领域已得到广泛应用。在现代工程作业中，矿用挖掘机对于减轻操作者的劳动强度、提高生产力起到了巨大的作用。

作业人员在操作大型矿用挖掘机时，必须保证操作对象（主要是铲斗）位于其视域范围内，且还要求看到周围其他情况，预判特殊情况的发生，如左侧拉绳设备是否正常运行，是否有其他工人或车辆进入挖掘机操作范围内，尽可能避免事故的发生。

然而，现有大型矿用挖掘机的驾驶室设计不合理，导致驾驶人员在驾驶挖掘机时具有视野盲区，铲斗不能一直处于驾驶人员的视野范围内，如此严重影响挖掘机的作业效率，并且也不够安全。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种大型矿用挖掘机的驾驶室设计方法，主要目的在于解决现有大型矿用挖掘机的驾驶室设计不合理，导致驾驶人员在驾驶挖掘机时具有视野盲区，安全性欠佳的技术问题。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

本发明的实施例提供一种大型矿用挖掘机的驾驶室设计方法，包括以下步骤：

步骤S1：建立挖掘机的铲斗工作模型，确定铲斗在驾驶室内的可视分布区域；

步骤S2：建立驾驶人员在坐姿状态下的眼点区域模型，基于铲斗工作模型的坐标系，确定驾驶人员在坐姿状态下的眼点坐标；根据不同驾驶人员的身高，确定驾驶人员的眼点分布区域；

步骤S3：对驾驶室的各尺寸参数进行设计，使驾驶人员坐在驾驶室座椅上的眼点分布区域位于所述可视分布区域内。

本发明进一步设置为：所述铲斗工作模型是以驾驶室底面前端棱边的中点为坐标原点、以经过坐标原点且竖直向上的方向为Y轴、以经过坐标原点且垂直于所述棱边朝向驾驶室内侧的水平方向为X轴建立笛卡尔坐标系；铲斗最高点的坐标为（Vhx，Vhy），铲斗最低点的坐标为（Vlx，Vly）；

所述可视分布区域为驾驶室的前仓壁、第一直线L1以及第二直线L2三者所围成的三角形区域；

其中，第一直线L1的方程式为：y= Vly* x/ Vlx，第二直线L2的方程式为：y=（Vhy-W）* x/ Vhx+W；

W为驾驶室的高度。

本发明进一步设置为：基于所述铲斗工作模型的坐标系，驾驶人员在坐姿状态下的眼点坐标为（Ex，Ey）；

Ex=0.353P-0.463P*sinα，Ey=0.265P+0.463P*cosα；

其中，P是驾驶人员的身高，α是驾驶人员在坐姿状态下的躯干与竖直方向的夹角。

本发明进一步设置为：驾驶人员的身高P满足：b≤P≤c；当P=b时，驾驶人员在坐姿状态的眼点坐标为（Ebx,Eby）；当P=c时，驾驶人员在坐姿状态的眼点坐标为（Ecx,Ecy）；

其中，Eby≥Vly* Ebx/ Vlx，且Ecy≤（Vhy-W）* Ecx/ Vhx+W，以使驾驶人员坐在所述座椅上的眼点分布区域位于所述可视分布区域内。

本发明进一步设置为：驾驶人员在坐姿状态下躯干与大腿相连的跨点的中心点的水平调节范围SH满足：0.353P≤SH≤0.353P+S；

其中，S=min（Sb，Sc）；

Sb= Vlx* Eby/ Vly-Ebx；

Sc=（Ecy-W）* Vhx /（Vhx-W） -Ecx。

本发明进一步设置为：所述座椅的前后可调节范围为Tx=0.353*（c-b）；

和/或，所述座椅的上下可调范围为Ty=0.265*（c-b）。

借由上述技术方案，本发明一种大型矿用挖掘机的驾驶室设计方法至少具有以下有益效果：

在本发明提供的技术方案中，通过建立挖掘机的铲斗工作模型和驾驶人员坐姿状态下的眼点区域模型，在同一坐标系下，通过对驾驶室的各尺寸参数进行设计，使驾驶人员坐在驾驶室座椅上的眼点分布区域位于铲斗的可视分布区域内，从而驾驶人员在驾驶挖掘机时铲斗可以一直处于驾驶人员的视野范围内，如此方便作业人员对铲斗进行控制，避免了事故的发生，安全性较高。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明的一实施例提供的一种大型矿用挖掘机的驾驶室设计方法的流程框图；

图2是本发明的一实施例提供的一种人体在站立状态时的结构示意图；

图3是本发明的一实施例提供的一种人体在坐姿状态时的结构示意图；

图4是本发明的一实施例提供的一种大型矿用挖掘机驾驶人员工作姿势杆状图；

图5是本发明的一实施例提供的一种驾驶人员基于工作姿势的眼点分布区域图；

图6是本发明的一实施例提供的一种大型矿用挖掘机的铲斗工作范围示意图；

图7是本发明的一实施例提供的一种大型矿用挖掘机的铲斗所要求的可视范围简化示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

如图1所示，本发明的一个实施例提出的一种大型矿用挖掘机的驾驶室设计方法，包括以下步骤：

步骤S1：建立挖掘机的铲斗工作模型，确定铲斗在驾驶室内的可视分布区域。

步骤S2：建立驾驶人员在坐姿状态下的眼点区域模型，基于铲斗工作模型的坐标系，确定驾驶人员在坐姿状态下的眼点坐标。根据不同驾驶人员的身高，确定驾驶人员的眼点分布区域。

步骤S3：对驾驶室的各尺寸参数进行设计，使驾驶人员坐在驾驶室座椅上的眼点分布区域位于上述可视分布区域内。

其中，通过对驾驶室的各尺寸参数进行设计，使驾驶人员坐在驾驶室座椅上的眼点分布区域位于铲斗的可视分布区域内，从而驾驶人员在驾驶挖掘机时铲斗可以一直处于驾驶人员的视野范围内，如此方便作业人员对铲斗进行控制，避免了事故的发生，安全性较高。

在上述的步骤S1中，如图2所示，铲斗工作模型的坐标系可以为笛卡尔坐标系，该坐标系的坐标原点是驾驶室底面前端棱边的中点，Y轴是经过坐标原点且竖直向上的方向，X轴是经过坐标原点且垂直于底面前端棱边朝向驾驶室内侧的水平方向。将铲斗在该坐标系内的最高点定义为Vh，最低点定义为Vl，驾驶室离地高度为D，驾驶室高度为W。

在上述坐标系内，铲斗最高点的坐标为（Vhx，Vhy），铲斗最低点的坐标为（Vlx，Vly）。前述可视分布区域为驾驶室的前仓壁、第一直线L1以及第二直线L2三者所围成的三角形区域，即图X中的阴影区域。可以看出，驾驶室内能够满足视野要求的区域大小主要与驾驶室几何尺寸、以及驾驶室与铲斗的极限点（Vh和Vl）的相对位置有关。

如图2所示，上述第一直线L1的方程式为：y= Vly* x/ Vlx。第二直线L2的方程式为：y= （Vhy-W）* x/ Vhx+W。

在上述示例中，通过建立铲斗工作模型，简化了大型矿用挖掘机的结构，方便对驾驶室的尺寸参数进行设计。

在前述的步骤S2中，基于铲斗工作模型的坐标系，驾驶人员在坐姿状态下的眼点坐标为（Ex，Ey）。其中，Ex=0.353P-0.463P*sinα，Ey=0.265P+0.463P*cosα；P是驾驶人员的身高，α是驾驶人员在坐姿状态下的躯干与竖直方向的夹角。

具体来说，大型矿用挖掘机驾驶室的布局设计受驾驶员的工作姿势影响，工作姿势的简化模型如图4所示。从图4中可以看出，大型矿用挖掘机的工作姿势躯干部分与B类车相似，主要差别是双脚平放地面，双手握持操作杆。

如图4所示，以O点为坐标原点。O点为驾驶人员坐姿状态下两脚向前平行放置时，两脚尖前部连线的中点，是挖掘机布局中重要的参考点。N点对应为两脚后部连线的中点位置。H点是人体躯干与大腿相连的胯点的中心点，是进行座椅布置和其他显控布局的基础。E点是驾驶员双眼的中心点，是视野校核的基准点。

大型矿用挖掘机座椅通常具有一定的后仰角度（10°-25°），但驾驶员因工作视野关系，工作姿势以直立和向前倾斜为主，躯干与y轴形成∠α，α的角度直接影响人体眼点高度。此外，与工作姿势有关的还有人体下肢角度，大腿与x轴的夹角用∠β表示，大腿与小腿的夹角用∠γ表示。

如图4所示，在图4的xoy坐标系下，H点的坐标为（Hx，Hy）。其中，Hx和Hy满足下面的公式一，即，

Hx=L_ON+L_MN*cos(180-β-γ)+L_MN*cosβ；

Hy=L_MN*sin(180-β-γ)-L_MN*sinβ。

其中，图5示出了一种成年男性在站立状态下的结构示意图，图6示出了一种成年男性在坐姿状态下的结构示意图。

GB10000-1988是1989年7月开始实施的我国成年人人体尺寸国家标准。该标准根据人体工学要求提供了我国成年人人体尺寸的基础数据，广泛应用于产品设计、建筑设计、军事工业以及工业的技术改造、设备更新及劳动安全保护。

通过对我国大型矿用挖掘机操作人员的调查发现，驾驶员群体构成以男性为主，少有女性从事此工作，且驾驶员年龄分布范围较广，因此选择我国成年男性的人体尺寸作为设计依据。GB10000-1988给出我国成年男性（18~60岁）的身高、体重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长共6项人提出要尺寸数据，如下表一所示。

表一：

大型矿用挖掘机的驾驶姿势为坐姿，根据GB10000-1988给出我国成年男性的坐姿尺寸如下表二所示。

表二：

正常成年人体各部位的尺寸之间存在一定的比例关系，为了简化人体测量过程，便于应用人体测量数据进行布局设计，可根据人体的身高、体重等基础测量数据，利用经验公式计算所需的其他各部分数据。成年男性各部分尺寸的代号如图5和图6所示，部位尺寸与身高的比例关系如下表三所示。

表三：

根据上表三的人体比例数据，设人体站立身高为P，可知上述的公式一中的Hx和Hy具体为：

Hx=0.147P+0.265P*cos(180-β-γ)+ 0.265P *cosβ；

Hy=0.265P *sin(180-β-γ)- 0.265P *sinβ。

为了简化计算，如图4所示，将眼点近似位于躯干的延长线上，即EH线段长度为站姿眼高与站姿胯高之差，可得E点的坐标为（Ex，Ey）。其中，

Ex= Hx-0.463P*sinα；

Ey=Hy+0.463P*cosα。

取∠β=0°，∠γ=90°的标准下肢坐姿，可得下述的公式二，即，

Ex=0.353P-0.463P*sinα；

Ey=0.265P+0.463P*cosα。

在一个具体的设计方案中，驾驶员的身高尺寸P选用表一中第5百分位-第95百分位的成年男性身高尺寸作为上下限值，可满足90%的人群需求。将第5百分位-第95百分位的身高数据带入上述的公式二，可得到驾驶人员的眼点分布区域如图7所示。

在前述的步骤S3中，为了使驾驶人员坐在座椅上的眼点分布区域位于铲斗的可视分布区域内，即使驾驶人员坐在座椅上的眼点分布区域位于上述图2中的阴影区域内，可以采用下述的方法进行设计。具体来说，驾驶人员的身高P满足：b≤P≤c。在铲斗工作模型的坐标系内，如图2所示，当P=b时，驾驶人员在坐姿状态的眼点坐标为（Ebx,Eby）；当P=c时，驾驶人员在坐姿状态的眼点坐标为（Ecx,Ecy）。其中，Ebx，Eby，Ecx，Ecy应满足下述的公式三，即，

Eby≥ Vly* Ebx/ Vlx；

Ecy≤（Vhy-W）* Ecx/ Vhx+W。

其中，驾驶室的尺寸参数设计只有满足上述的公式三，才能使驾驶人员坐在座椅上的眼点分布区域位于可视分布区域内。如果不能满足，则表示无论在驾驶室内如何布局座椅位置，驾驶员都具有视野盲区，必须修正驾驶室基本参数才能符合视野要求。具体的做法可以通过调整驾驶室前视窗的高度、驾驶室与铲斗最高点和最低点的相对位置、以及在驾驶室底面开窗的形式优化。

在一个具体的设计方案中，驾驶员的身高尺寸P可以选用表一中第5百分位-第95百分位的成年男性身高尺寸作为上下限值，即上述的b为表一中第5百分位的成年男性身高尺寸，c为表一中第95百分位的成年男性身高尺寸，如此可以满足90%的人群需求。

在满足视野要求的情况下，驾驶员的眼点分布受L1和L2的约束，合适的区域在x轴方向上的位移S为不同百分位眼点高度与L1和L2相交距离的最小值。具体来说，E点的水平可调节距离S=min（Sb，Sc）。其中，Sb和Sc满足下述的公式四，即，

Sb= Vlx* Eby/ Vly-Ebx；

Sc=（Ecy-W）* Vhx /（Vhx-W） -Ecx。

在一定的工作姿势下，眼点分布的可调节水平距离与胯点是一致的，因此根据公式四，可以得到座椅布局时H点的水平布局范围SH满足：0.353P≤SH≤0.353P+S。

其中，SH决定座椅布置时距离驾驶室前视窗的可行性尺寸范围，当驾驶员的身高尺寸P选用表一中第95百分位的成年男性身高尺寸时，SH=[626.6, 626.6+S]，布置在该范围内的座椅可以满足90%目标人群的视野要求。

上述的S与大型矿用挖掘机的基本参数Vh、Vl、W和上身躯体工作姿势α的角度相关。此外，依据人体尺寸的差异性要求，布置于可行性范围的座椅仍需满足一定的可调节性，座椅的前后可调节范围为Tx=0.353*（c-b）。座椅的上下可调范围为Ty=0.265*（c-b）。

在一个具体的应用示例中，当b为表一中第5百分位的成年男性身高尺寸，c为表一中第95百分位的成年男性身高尺寸时，Tx=67.8mm，Ty=50.9mm。

根据以上的实施例，本发明的一种大型矿用挖掘机的驾驶室设计方法至少具有下列优点：

通过建立挖掘机的铲斗工作模型和驾驶人员坐姿状态下的眼点区域模型，在同一坐标系下，通过对驾驶室的各尺寸参数进行设计，使驾驶人员坐在驾驶室座椅上的眼点分布区域位于铲斗的可视分布区域内，从而驾驶人员在驾驶挖掘机时铲斗可以一直处于驾驶人员的视野范围内，如此方便作业人员对铲斗进行控制，避免了事故的发生，安全性较高。

这里需要说明的是：在不冲突的情况下，本领域的技术人员可以根据实际情况将上述各示例中相关的技术特征相互组合，以达到相应的技术效果，具体对于各种组合情况在此不一一赘述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种大型矿用挖掘机的驾驶室设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S3：对驾驶室的各尺寸参数进行设计，使驾驶人员坐在驾驶室座椅上的眼点分布区域位于所述可视分布区域内；

所述铲斗工作模型是以驾驶室底面前端棱边的中点为坐标原点、以经过坐标原点且竖直向上的方向为Y轴、以经过坐标原点且垂直于所述棱边朝向驾驶室内侧的水平方向为X轴建立笛卡尔坐标系；铲斗最高点的坐标为(Vhx，Vhy)，铲斗最低点的坐标为(Vlx，Vly)；

其中，第一直线L1的方程式为：y＝Vly*x/Vlx；

第二直线L2的方程式为：y＝(Vhy-W)*x/Vhx+W；

W为驾驶室的高度；

基于所述铲斗工作模型的坐标系，驾驶人员在坐姿状态下的眼点坐标为(Ex，Ey)；

Ex＝0.353P-0.463P*sinα，Ey＝0.265P+0.463P*cosα；

其中，P是驾驶人员的身高，α是驾驶人员在坐姿状态下的躯干与竖直方向的夹角；

驾驶人员的身高P满足：b≤P≤c；当P＝b时，驾驶人员在坐姿状态的眼点坐标为(Ebx,Eby)；当P＝c时，驾驶人员在坐姿状态的眼点坐标为(Ecx,Ecy)；

其中，Eby≥Vly*Ebx/Vlx，且Ecy≤(Vhy-W)*Ecx/Vhx+W，以使驾驶人员坐在所述座椅上的眼点分布区域位于所述可视分布区域内；

驾驶人员在坐姿状态下躯干与大腿相连的跨点的中心点的水平调节范围SH满足：0.353P≤SH≤0.353P+S；

其中，S＝min(Sb，Sc)；

Sb＝Vlx*Eby/Vly-Ebx；

Sc＝(Ecy-W)*Vhx/(Vhx-W)-Ecx。

2.根据权利要求1所述的大型矿用挖掘机的驾驶室设计方法，其特征在于，

所述座椅的前后可调节范围为Tx＝0.353*(c-b)；

和/或，所述座椅的上下可调范围为Ty＝0.265*(c-b)。