全液壓履帶鉆機座椅優化設計*

喬 杉

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引 言

我國是全球最大的煤炭生產國，全液壓履帶鉆機在我國煤田地質勘探及煤礦開采方面使用廣泛，在探礦工程中發揮著極其重要的作用，肩負著煤礦的瓦斯抽放、地質勘探、探放水及注漿等工作。

第一代全液壓履帶鉆機操縱選用的是立姿，但在目標群體調查中發現井下的工人實際處于長時間、高強度的工作狀態，這種工作狀態會加重操縱者的負擔，增加煤礦事故的發生率。而在后續的產品中增加了座椅，但與人機工程學的結合較少。所以筆者主要通過對目標群體實際使用情況進行研究，改進設計方案，使鉆機達到可坐、可立的兩種操縱模式[1]，從而減輕腿部肌肉負擔，提高舒適度，緩解疲勞，從而提高工作效率及安全性[2]。

1 座椅設計參數

(1) 座椅高度 舒適的座椅應使使用者的大腿部位趨于水平狀，小腿自然垂直放置，腳部有著力點。座椅的高度設計與人體尺寸密切相關，其中與人的小腿長度及腳部長度都有直接的關系，按照中國成年男子的小腿部位加足部長度為372～463 mm，選取第95百分位的數據[3]，再增加30mm專用靴鞋跟高的功能修正量，最終座椅的高度確定為478 mm。

(2) 座椅寬度 依據人體臀部的寬度來確定，選取大尺寸作為上限，適當增加寬度，以便于操縱者調整坐姿狀態。由于井下人員都要在腰間佩戴約為177 mm(長)×96 mm(寬)×227 mm(高)的自救器，綜合運輸、操縱部件的限制，以及自救器的功能修正量100 mm后，確定座椅的寬度為455 mm。

(3) 座椅坐深 坐深的確立能使操縱者方便舒適的靠在椅背上，更好的支持腰椎，即臀部到膝腘部位長度較長和較短的人應最大限度涵蓋，即中國成年男子坐深中第5百分位數據，再加上衣服的功能修正量，最后確定坐深為422 mm。

(4) 座椅傾角 該部分主要包含兩部分，即座椅平面與水平面之間的夾角和座椅平面與座椅靠背之間的夾角。

座位椅面的傾斜設計首先要有利于操縱者重心穩固，與椅背產生相互的作用力，可減少背部肌肉彎曲的壓力。其次是人打鉆過程中會產生震動，傾斜設計能有效防止工作人員在操縱中從座椅前段滑出，造成傷亡等事故，同時要兼顧實時觀測儀表界面[4]。所以綜合以上因素，最終選取椅面傾角為3°。

座位椅背的傾角設計與脊椎形態有關，但考慮到操縱者觀測操縱界面和使用手柄的實際情況，若過于傾斜，會造成盲區，妨礙數據讀取，增加手臂肌肉的酸痛[5]，合理的減小椅背的傾角使身體盡可能的直立，綜合以上因素后確定椅背的傾角為102°[6]。

(5) 座椅靠背 該高度是由操縱者的坐高決定的，在操縱鉆機時由于工作的特殊性，手要操縱手柄，所以肩胛骨部位基本上是不靠在椅背上的，肩胛骨部位的靠點設計只是用于在工作間隙休息時臨時的依靠，選取高度范圍在539～659 mm，再加上衣服的功能修正量3 mm，確定座椅的靠背高度為644 mm。

寬度是由操縱者的肩部寬度決定的，中國成年男子的肩部寬度范圍為330～415 mm，最大肩寬范圍為383～486 mm。考慮到實際操縱中需要手臂和肩部的運動空間，以及衣服的功能修正量，確定靠背寬度為455 mm。

2 座椅優化及模型建立

結合座椅工作環境及實際應用情況，為滿足最廣泛人群對座椅的需求，將座椅配置為可調節的滑軌設計，滑軌行程130 mm。在座椅表面沖壓直徑8 mm圓孔，即可透氣、減重，同時也便于煤粉通過圓孔掉落，除增加使用者的舒適感外，還能起到一定美化作用。在材質上選取普通碳素鋼Q235，便于外協加工及成本控制[7]。結合以上各部分數據，建立座椅模型如圖1所示。

圖1 座椅模型

3 整體設計部件對比分析調整

(1) 優化設計前

座椅是安裝于踏板上，踏板雖然能夠承受座椅及操作人員的承重，但在距離尺寸上很牽強。初步模型為圖2所示。

圖2 座椅初步模擬圖 圖3 座椅安放尺寸分析圖

當座椅滑向最后位時，座位邊緣距離鉆機機身尺寸為168 mm，空間范圍偏小，不能滿足人體站姿與坐姿交替操作的條件。如圖3所示。

(2) 優化設計后

由于運輸尺寸限制，踏板450 mm已為最大寬度。對座椅方案進行優化設計后，將座椅安放在L型支架上，另一端與機身機架相連接。即能保證座椅的承重受力及人機尺寸的問題，還能使操縱者實現坐立交替工作[7]，對井下的環境也能更好的適應，最大限度的實現人機交互。此外還賦予L型支架左右旋轉的功能，便于觀測操縱臺及顯示屏。優化設計后尺寸如圖4所示，最終效果如圖5所示。

圖4 改進座椅安放尺寸圖 圖5 座椅旋轉圖

4 設計應用效果

此款座椅經過型式試驗、工業性試驗后被運用到ZDY6000LD(F)、ZDY4000LD(B)、ZDY4000LD(C)等型號鉆機中，并在河南陳四樓礦、淮南張集礦、謝橋礦等礦區投入使用。通過井下作業人員反饋，鉆機座椅操作舒適、安全、運輸便利，可實現坐立兩種操縱方式，操縱者疲勞感降低，提升了作業效率。

5 結 語

基于人機工程學對全液壓履帶鉆機的座椅部分進行優化設計，以人體數據作為基礎參數，并運用UG軟件建立三維模型，通過建模對座椅的整體空間進行改進，得出了座椅的合理尺寸，并結合樣機的試驗和應用，進一步論證了全液壓履帶鉆機座椅的優化合理性，改善了單調的操縱姿勢，提升了操縱者的舒適性及適用性，另一方面也提高了煤礦井下作業的安全性，為鉆機產品的人性化設計及模塊設計提供了思路[8]。