特種車(chē)輛駕乘人員作業(yè)環(huán)境的振動(dòng)測(cè)試與分析

李毅 兀光波 武海明 夏寶清 王學(xué)友 豐燁

1.中國(guó)兵器工業(yè)第五二一研究所，西安 710065;2.河北省承德市承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校汽車(chē)工程系，067000

特種車(chē)輛駕乘人員作業(yè)環(huán)境的振動(dòng)測(cè)試與分析

李毅1兀光波1武海明1夏寶清1王學(xué)友1豐燁2

1.中國(guó)兵器工業(yè)第五二一研究所，西安 710065;2.河北省承德市承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校汽車(chē)工程系，067000

目的 對(duì)某型特種車(chē)輛行車(chē)狀態(tài)下駕乘人員座椅部位振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，分析座椅部位的振動(dòng)特點(diǎn)，提出相應(yīng)的振動(dòng)防護(hù)措施。方法選用某型特種車(chē)輛A、B進(jìn)行陸地行駛試驗(yàn)，對(duì)駕乘人員座椅部位振動(dòng)加速度進(jìn)行測(cè)試，分析相應(yīng)的“疲勞-降低工效界限”的允許暴露時(shí)間Tfd的變化規(guī)律。結(jié)果/結(jié)論 被測(cè)座椅部位振動(dòng)對(duì)應(yīng)的Tfd呈現(xiàn)明顯的方向性差異，駕駛員座椅部位振動(dòng)環(huán)境最為惡劣，需重點(diǎn)提高對(duì)駕駛員座椅部位前后方向振動(dòng)的防護(hù)水平。

特種車(chē)輛；座椅部位振動(dòng)；允許暴露時(shí)間；振動(dòng)防護(hù)

引言

特種車(chē)輛駕乘人員作業(yè)環(huán)境中的振動(dòng)伴隨著行車(chē)作業(yè)的整個(gè)過(guò)程，引起車(chē)輛振動(dòng)的因素很多，包括路面激勵(lì)、牽引負(fù)荷、車(chē)輛的行動(dòng)裝置、動(dòng)力裝置等。由于特種車(chē)輛作業(yè)環(huán)境的特殊性，車(chē)輛的振動(dòng)體現(xiàn)出的更多是一種隨機(jī)振動(dòng)，描述隨機(jī)振動(dòng)基本特性的主要統(tǒng)計(jì)參數(shù)有均值、均方根值、概率密度函數(shù)和功率譜密度函數(shù)等[1,2]。一般的試驗(yàn)研究中對(duì)車(chē)輛振動(dòng)的主觀感受的衡量通常用乘坐舒適性來(lái)表示。在評(píng)價(jià)振動(dòng)對(duì)乘坐舒適性的影響時(shí)根據(jù)四個(gè)重要的物理因素，即強(qiáng)度、頻率、方向和承受時(shí)間，國(guó)際上通用的舒適性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)綜合這四個(gè)因素制定出評(píng)價(jià)的3個(gè)基本指標(biāo)，包括保持工作效率（疲勞-降低工效界限）、保持健康和安全（暴露界限）和保持舒適性（降低舒適性界限）[3,4]。本試驗(yàn)研究根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選取“保持工作效率”作為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。通過(guò)實(shí)車(chē)測(cè)試座椅部位振動(dòng)加速度均方根值等指標(biāo)分析陸地行駛試驗(yàn)中因振動(dòng)方向、測(cè)點(diǎn)位置以及車(chē)速的不同，駕乘人員“疲勞-降低工效界限”的允許暴露時(shí)間（以下簡(jiǎn)稱允許暴露時(shí)間）的變化特征，并提出提高特種車(chē)輛駕乘人員振動(dòng)防護(hù)水平的措施。該研究對(duì)于指導(dǎo)特種車(chē)輛的科學(xué)作業(yè)和人員作業(yè)環(huán)境的振動(dòng)防護(hù)設(shè)施設(shè)計(jì)具有重要意義。

1.試驗(yàn)方法

試驗(yàn)道路為平直、路面干燥、縱坡不大于1%的水泥混凝土路，長(zhǎng)度不小于1km。設(shè)計(jì)試驗(yàn)車(chē)速為40 km/h、60 km/h和80 km/h，車(chē)速允許偏差為試驗(yàn)車(chē)速的±5%。被試車(chē)輛為A、B兩個(gè)型號(hào)的特種車(chē)輛，車(chē)輛運(yùn)行狀況良好，試驗(yàn)中為滿載行駛[5]。兩輛車(chē)在相同的試驗(yàn)條件下分別進(jìn)行陸地行駛試驗(yàn)，每輛車(chē)的被試人員包括駕駛員和乘員各1名，人員健康狀況良好。振動(dòng)傳感器布置于駕駛員和乘員座椅面上，試驗(yàn)時(shí)駕乘人員保持正常乘坐姿勢(shì)，全身放松，背部靠于座椅靠背[5,6]。本次試驗(yàn)共采集座椅部位x、y和z三方向振動(dòng)信號(hào)，x對(duì)應(yīng)車(chē)輛前后方向，y對(duì)應(yīng)車(chē)輛左右，z對(duì)應(yīng)車(chē)輛垂向。

試驗(yàn)選用坐墊式振動(dòng)傳感器4個(gè)，量程均為±50g，頻響為1k，分辨率為1mg，試驗(yàn)使用的振動(dòng)信號(hào)測(cè)試與分析系統(tǒng)可進(jìn)行振動(dòng)波形的時(shí)域分析和頻域分析，提取振動(dòng)加速度、均方根值、方差、1/3倍頻帶中心頻率振動(dòng)加速度均方根值等參數(shù)。該測(cè)試與分析系統(tǒng)由前端的數(shù)據(jù)采集單元和后端的后處理分析單元組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 振動(dòng)信號(hào)測(cè)試與分析系統(tǒng)組成圖

2.試驗(yàn)分析

2.1 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)人體對(duì)振動(dòng)承受的特點(diǎn)，GJB 59.15-88推薦了運(yùn)用三方向合成振動(dòng)評(píng)價(jià)和運(yùn)用單方向振動(dòng)進(jìn)行評(píng)價(jià)兩種方法，均適用于特種車(chē)輛的陸地行駛振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)，前一種方法要求橫向振動(dòng)加速度加權(quán)均方根值最大值的1.4倍與縱向振動(dòng)加速度加權(quán)均方根值的最大值近似，不適用于本次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，故本試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析選用后一種方法。這里的縱向?yàn)檐?chē)輛的垂直方向，橫向?yàn)樗降膞方向和y方向。在運(yùn)用單方向振動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析時(shí)，需按如下方法獲取單軸向1/3倍頻帶中心頻率振動(dòng)加速度均方根值awj和相應(yīng)的允許暴露時(shí)間Tfd。

awj= aj· wj， 其 中 aj為 中 心 頻 率為fj的1/3倍頻程帶寬均方根值（m/s2,j=1,2,…… 20）；wj為與振動(dòng)方向及中心頻率有關(guān)的加權(quán)因子[5]，如表1所示。

表1 與振動(dòng)方向及中心頻率有關(guān)的加權(quán)因子表

對(duì)各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行1～80Hz頻段的頻域分析，得采樣時(shí)間段內(nèi)單軸向1/3倍頻帶中心頻率振動(dòng)加速度均方根值a j，圖2為經(jīng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)后處理分析得到的單軸向a j值譜圖中的一組。

圖2 A車(chē)駕駛員座椅部位振動(dòng)x方向a j值譜圖（40km/h）

依據(jù)上述公式得兩輛被試車(chē)駕乘人員座椅部位單軸向1/3倍頻帶中心頻率振動(dòng)加速度均方根值的最大值a max ，如表2和表3所示，并參照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)獲取“疲勞-降低工效界限”的允許暴露時(shí)間，如表4和表5所示。

表2 A車(chē)座椅部位1/3倍頻帶振動(dòng)加速度加權(quán)均方根值最大值

表3 B車(chē)座椅部位1/3倍頻帶振動(dòng)加速度加權(quán)均方根值最大值

表4 A車(chē)座椅部位振動(dòng)的允許暴露時(shí)間

表5 B車(chē)座椅部位振動(dòng)的允許暴露時(shí)間

2.2 結(jié)果分析與結(jié)論

A車(chē)的駕駛員位在三個(gè)軸向上對(duì)應(yīng)的允許暴露時(shí)間以z方向最長(zhǎng)，y方向次之，x方向最短。乘員座椅部位三個(gè)軸向上對(duì)應(yīng)的允許暴露時(shí)間在z方向最長(zhǎng)，x方向次之，y方向最短。B車(chē)的駕駛員位在三個(gè)軸向上對(duì)應(yīng)的允許暴露時(shí)間亦以z方向最長(zhǎng)，y方向次之，x方向最短；B車(chē)的乘員座椅部位三個(gè)軸向上對(duì)應(yīng)的允許暴露時(shí)間也呈現(xiàn)z方向最長(zhǎng)，x方向次之，y方向最短。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在車(chē)輛前后方向即x方向最快達(dá)到人體的“疲勞-降低工效界限”。

隨著試驗(yàn)車(chē)速的提高，駕駛員座椅部位z方向振動(dòng)對(duì)應(yīng)的允許暴露時(shí)間出現(xiàn)較大幅度下降，對(duì)x方向和y方向允許暴露時(shí)間影響較?。卉?chē)速變化對(duì)乘員座椅部位振動(dòng)的允許暴露時(shí)間影響不大。圖3、圖4分別為A車(chē)和B車(chē)駕駛員座椅部位振動(dòng)在三個(gè)軸向上隨車(chē)速變化的允許暴露時(shí)間對(duì)比圖。

圖3 A車(chē)駕駛員座椅部位振動(dòng)允許暴露時(shí)間對(duì)比圖

圖4 B車(chē)駕駛員座椅部位振動(dòng)允許暴露時(shí)間對(duì)比圖

綜上所述，各座椅部位振動(dòng)對(duì)應(yīng)的允許暴露時(shí)間均呈現(xiàn)出明顯的方向性差異，兩輛被試車(chē)相同作業(yè)工位的座椅部位振動(dòng)對(duì)應(yīng)的允許暴露時(shí)間呈現(xiàn)出變化規(guī)律的一致性。被試特種車(chē)輛駕駛員座椅部位前后方向的振動(dòng)環(huán)境較為惡劣，車(chē)速變化對(duì)駕駛員座椅部位z方向的振動(dòng)影響較大。

3.討論

振動(dòng)激勵(lì)經(jīng)車(chē)體的減振系統(tǒng)減振后傳遞至不同座椅部位時(shí)出現(xiàn)差異，這與整個(gè)車(chē)體的結(jié)構(gòu)特征和車(chē)內(nèi)作業(yè)工位的布局不同有很大關(guān)系。受技術(shù)水平的限制，降低發(fā)動(dòng)機(jī)本身的振動(dòng)強(qiáng)度具有較大難度，一般采用在動(dòng)力艙與人員作業(yè)艙之間進(jìn)行隔振設(shè)計(jì)的減振方法[7,8]。特種車(chē)輛實(shí)車(chē)振動(dòng)測(cè)試分析是進(jìn)行車(chē)身振動(dòng)環(huán)境評(píng)價(jià)的重要方式，該階段要進(jìn)一步提高作業(yè)人員的乘坐舒適性和作業(yè)工效，可通過(guò)改進(jìn)座椅系統(tǒng)減振效能來(lái)吸收振動(dòng)能量。由于特種車(chē)輛不同座椅位置的振動(dòng)狀況不同，若采用一種性能固定的座椅顯然不能滿足不同位置的減振要求。通過(guò)本次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，根據(jù)不同座椅部位振動(dòng)的特點(diǎn)對(duì)座椅系統(tǒng)進(jìn)行有針對(duì)性的減振設(shè)計(jì)是十分必要的。對(duì)于本次試驗(yàn)條件下的特種車(chē)輛應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)該型車(chē)駕駛員座椅系統(tǒng)的減振性能，特別是駕駛員座椅部位振動(dòng)在車(chē)輛縱向的衰減程度。

研究表明，一種鋼絲繩減震器可利用鋼絲繩之間的干摩擦產(chǎn)生的滯遲阻尼消耗行車(chē)中的振動(dòng)載荷，具有三維隔振功能，優(yōu)勢(shì)頻帶寬，能充分體現(xiàn)減震的非線性及振動(dòng)過(guò)程中的耗能特性[9]。此外，座椅安裝腰托裝置比彈性元件更能夠改善人體腰部的支撐，有利于提高駕乘人員的乘坐舒適性,從而提高作業(yè)工效。座椅與車(chē)輛的連接部位增加柔性約束裝置也可在一定程度上降低座椅系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞率。此外，可開(kāi)展具有減振和緩解肢體疲勞功能的新型作業(yè)服裝或護(hù)具的研究，以消除或緩解特種車(chē)輛作業(yè)人員因持續(xù)承受振動(dòng)出現(xiàn)的人體不適癥狀。今后應(yīng)重點(diǎn)開(kāi)展特種車(chē)輛三維隔振座椅的設(shè)計(jì)研制，并使座椅在x、y、z三個(gè)方向的振動(dòng)傳遞率可調(diào)，對(duì)于提高減振座椅在不同車(chē)輛上的適應(yīng)性，同時(shí)提高不同位置駕乘人員的乘坐舒適性具有重要的實(shí)踐價(jià)值。

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Vibration Measurement and Analysis for Operation Environment of Special Vehicle’s Drivers and Passengers

Li Yi1Wu Guangbo1Wu Haiming1Xia Baoqing1Wang Xueyou1Feng Ye2
1.521 Institute of China Weapon Industry ，Xi’an,710065；2.Automobile Engineering of ChengDe Petroleum College,HeBei ChengDe， 067000

Objective : to test drivers and passengers’ seat surface vibration in the process of driving, analyze the vibration characteristics and propose vibration protection measures.Methods: to measure vibration acceleration of seat position by having road test for special vehicle A and B, test and analyze the vibration acceleration of drivers and passengers'seat surface ,and analyze the change law for corresponding exposure time of fatigue-ergonomics lower limits(Tfd) .Results/Conclusions: the Tfd of corresponding seat surface presented obvious directional differences, vibration environment of the driver seat was worse, so the key should be improving vibration protection level of the driver seat.

special vehicle; seat surface vibration; the exposure time; vibration protection

U 467.1+1

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.16.078

李毅（1984-），女，陜西西安人，工學(xué)碩士，助理工程師，主要從事車(chē)輛人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程研究。