基于人機(jī)工程學(xué)理論的汽車起重機(jī)操縱裝置改進(jìn)與設(shè)計(jì)探析

（江蘇師范大學(xué)科文學(xué)院，221132，江蘇徐州）

汽車起重機(jī)作為工程機(jī)械中的高危產(chǎn)品，用戶在使用過程中更加關(guān)注的是汽車起重機(jī)使用的安全性和可靠性，無疑使用過程中高度緊張的工作環(huán)境對(duì)汽車起重機(jī)的人性化設(shè)計(jì)也提出了更高的要求[1-2]，特別是操作系統(tǒng)及安全裝置設(shè)計(jì)的合理性更為重要。下面筆者將以某公司生產(chǎn)的25 t 汽車起重機(jī)為例，對(duì)部分控制裝置設(shè)計(jì)情況進(jìn)行分析，提出改進(jìn)和設(shè)計(jì)思路，僅供同行參考。

1 汽車起重機(jī)先導(dǎo)油源控制系統(tǒng)改進(jìn)與設(shè)計(jì)思路

1.1 控制原理及操作方式

汽車起重機(jī)安全性是設(shè)計(jì)者考慮的最為重要的因素。如圖1（a）所示，機(jī)械式汽車起重機(jī)操作裝置采用機(jī)械拉桿，由于汽車起重機(jī)的起重質(zhì)量越來越大，其液壓控制閥的彈簧彈力也越來越大，故操縱阻力也大大增加，所以，為了減少操縱難度，采用了加長(zhǎng)桿以增加力臂，減小操縱力，故操縱起來不會(huì)輕易被誤碰。由圖1（a）可知，最左邊的紅色操縱桿用來控制回轉(zhuǎn)，如果起重工需要臨時(shí)下車查看汽車起重機(jī)的工作情況，身體的各個(gè)部位也不會(huì)誤碰到操縱桿，減少了安全隱患。但從圖1（b）可以看出，對(duì)于先導(dǎo)控制式汽車起重機(jī)而言，左手柄的左右方向控制汽車起重機(jī)的回轉(zhuǎn)，且先導(dǎo)控制系統(tǒng)的微動(dòng)性較好，如果起重工臨時(shí)下車，無意中碰到左手柄，定然會(huì)給汽車起重機(jī)埋下較大的安全隱患。所以從人機(jī)工程學(xué)的安全因素考慮，設(shè)計(jì)者就在汽車起重機(jī)的面板開關(guān)上設(shè)置了一個(gè)先導(dǎo)油源翹板開關(guān)，此開關(guān)可以控制先導(dǎo)手柄的壓力接通與斷開：當(dāng)操作者上機(jī)后，先打開此開關(guān)，汽車起重機(jī)的先導(dǎo)手柄便能正常操作；下車前先關(guān)掉先導(dǎo)油源開關(guān)，先導(dǎo)手柄無動(dòng)作，當(dāng)然也就不可能有誤動(dòng)作產(chǎn)生。

圖1 汽車起重機(jī)操作裝置

1.2 與挖掘機(jī)先導(dǎo)油源開關(guān)的控制方式對(duì)比

挖掘機(jī)的兩個(gè)先導(dǎo)操縱手柄中，左手柄的左右方向也是控制回轉(zhuǎn)，故與汽車起重機(jī)存在同樣的安全隱患，但其切斷油源的方式與汽車起重機(jī)不同。挖掘機(jī)采用的解決措施如圖2 所示，先導(dǎo)油源由安全操縱桿來控制：當(dāng)安全桿在豎直方向時(shí)，先導(dǎo)系統(tǒng)關(guān)閉，機(jī)手可以下車，同時(shí)也不會(huì)有安全隱患；當(dāng)安全桿在水平方向時(shí)，先導(dǎo)系統(tǒng)有壓力，但此時(shí)的安全桿阻礙了機(jī)手的下車，從而提醒機(jī)手放下安全桿，以確保挖掘機(jī)的作業(yè)安全。

圖2 挖掘機(jī)先導(dǎo)安全桿

1.3 先導(dǎo)油源控制系統(tǒng)的改進(jìn)與設(shè)計(jì)優(yōu)化

通過對(duì)汽車起重機(jī)的先導(dǎo)方式和工作原理分析，并結(jié)合與挖掘機(jī)的控制方式對(duì)比分析，可以看出從人性化的角度來講，挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)更為合理一些，原因在于根據(jù)人的心理感知過程，起重工需要下車的時(shí)候都是有緊急情況或者特殊情況，而這個(gè)時(shí)候一般人是不會(huì)有充分的理智去先關(guān)掉先導(dǎo)油源開關(guān)再下車的。故對(duì)汽車起重機(jī)而言，采用設(shè)置按鈕開關(guān)的方式略顯不足；而挖掘機(jī)的安全桿作為一種機(jī)械裝置迫使機(jī)手在下車前必須放下安全桿，從而有效保證了挖掘機(jī)的安全。

雖然汽車起重機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)也考慮到了這一點(diǎn)并作了一定的改進(jìn)，即在先導(dǎo)手柄的下方設(shè)置了一個(gè)點(diǎn)動(dòng)的先導(dǎo)油源按鈕（如圖3（a）所示）。當(dāng)需要操縱工作機(jī)構(gòu)時(shí)，用手握住手柄，按下按鈕的同時(shí)操縱手柄，即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作；松開手柄后點(diǎn)動(dòng)按鈕自動(dòng)復(fù)位，即使此時(shí)誤碰到了先導(dǎo)手柄，也不會(huì)有危險(xiǎn)發(fā)生，從而保障了汽車起重機(jī)的作業(yè)安全。但是根據(jù)人的作業(yè)習(xí)慣和人體生物力學(xué)的原理知識(shí)，起重工一般的操作習(xí)慣是握住手柄的頭部，這樣比較方便，也比較輕松，并且由于汽車起重機(jī)的伸臂、變幅等動(dòng)作在作業(yè)時(shí)的操作時(shí)間較長(zhǎng)，手部緊握點(diǎn)動(dòng)按鈕會(huì)比較疲勞，故起重工一般還是習(xí)慣于上車后按下先導(dǎo)油源開關(guān)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)的壓力連接。這樣也就像上面分析的那樣，仍存在著一定的安全隱患，因此可以采用點(diǎn)動(dòng)和安全桿控制相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)先導(dǎo)壓力控制，效果應(yīng)該會(huì)更好。

2 汽車起重機(jī)先導(dǎo)手柄各方向控制功能的改進(jìn)設(shè)計(jì)思路

2.1 操縱手柄設(shè)計(jì)中的人機(jī)因素分析

汽車起重機(jī)的手柄操縱方向分為前后左右四個(gè)方向，在設(shè)計(jì)時(shí)，操縱方向與起重機(jī)的動(dòng)作方向必須符合人們的心理邏輯。也就是說，手腦要保持一致，例如：手柄向左，起重機(jī)向左回轉(zhuǎn)；手柄向右，起重機(jī)向右回轉(zhuǎn)；向前推，卷?yè)P(yáng)下落；向后拉，卷?yè)P(yáng)起升[3]。反之則會(huì)讓起重工非常別扭，操作不順暢，甚至可能會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作，導(dǎo)致事故的發(fā)生。

2.2 先導(dǎo)手柄各方向控制功能設(shè)置現(xiàn)狀

以某公司生產(chǎn)的25 t 汽車起重機(jī)為例，其兩個(gè)先導(dǎo)手柄的各方向控制功能描述如圖1(b)所示。左手柄的左右控制左右回轉(zhuǎn)，前后控制副卷升降。右手柄的前后控制主卷升降，右手柄的左右控制兩種功能，即變幅的起落和伸臂的伸縮。伸縮、變幅切換需要用一個(gè)伸縮、變幅切換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)（如圖3（b）所示），這樣就解決了汽車起重機(jī)控制功能多、而先導(dǎo)手柄控制方向不足的問題[4-5]；而且在先導(dǎo)手柄的上方還設(shè)置了小的按鈕，也可以實(shí)現(xiàn)伸縮、變幅的切換，從而使伸縮和變幅切換的方便性大大提高。

2.3 先導(dǎo)手柄的控制功能優(yōu)化

根據(jù)以上分析可知，左手柄的左右回轉(zhuǎn)和前后卷?yè)P(yáng)起落控制是符合常人的操作習(xí)慣的，但是右手柄的左右控制變幅和切換后左右控制伸臂就不顯得那么順手。從機(jī)械式起重機(jī)的控制方式可以看出，伸縮和變幅控制采用前后控制較為方便；但由于先導(dǎo)手柄必然存在著前后左右四個(gè)方向，而回轉(zhuǎn)只用了一個(gè)左右控制，另一個(gè)手柄的左右方向還必須有動(dòng)作功能設(shè)置，所以伸臂和變幅也必須有一個(gè)動(dòng)作采用左右控制?？紤]到伸臂過程中會(huì)與主副卷?yè)P(yáng)進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作，不宜將伸臂設(shè)置為前后控制，故可以將變幅改為前后控制。當(dāng)然可以將功能設(shè)置在左手柄，也可以設(shè)置在右手柄，根據(jù)人們的操作習(xí)慣，更適宜于用右手操作，故可以將變幅控制與主卷?yè)P(yáng)控制設(shè)計(jì)在一個(gè)方向，用一個(gè)開關(guān)進(jìn)行切換，這樣操作起來感覺會(huì)更加順暢，符合操作工的心理需求和操作習(xí)慣。還有一種思路是將主副卷?yè)P(yáng)的控制集成在一個(gè)手柄的前后方向上，采用一個(gè)開關(guān)進(jìn)行切換即可，而且還解決了副卷誤動(dòng)作的安全隱患問題；可是在有些情況下，主鉤和副鉤是需要協(xié)同作業(yè)的，雖然這種情況比較少，但有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)，當(dāng)需要時(shí)就相當(dāng)于缺少了一項(xiàng)復(fù)合功能，所以還是不宜將主副卷?yè)P(yáng)集成在一個(gè)方向上。至于主副卷?yè)P(yáng)誤動(dòng)作的情況，在一些產(chǎn)品上已經(jīng)進(jìn)行了改進(jìn)，一般是在起重機(jī)操縱室地板上的左腳位置增加一個(gè)腳踏開關(guān)，如圖1（b）所示，只有當(dāng)此開關(guān)踩下時(shí)，副卷才有動(dòng)作，從而防止了誤操作的發(fā)生。另外，針對(duì)變幅而言，雖然采用左右控制感覺有些不順暢，但也不是完全不可以，現(xiàn)在也普遍能夠接受；可是將向左定義為變幅起稍微有些不習(xí)慣，如果向左為變幅落，向右為變幅起，掌握起來感覺就會(huì)更加順暢。當(dāng)然這也要從不同的角度去理解，如果是理解為向左意味著拉起，向右意味著放下，在某種程度上來說，也是可以接受的。不論是哪種定義和操作，一旦機(jī)手操作熟練之后都會(huì)養(yǎng)成習(xí)慣，操作也就不會(huì)感覺別扭了。

3 汽車起重機(jī)支腿控制方式及壓力調(diào)節(jié)功能改進(jìn)設(shè)計(jì)思路

3.1 汽車起重機(jī)支腿現(xiàn)有控制方式及壓力調(diào)節(jié)方法

圖4 所示為某25 t 汽車起重機(jī)支腿多路閥液壓原理圖。其采用選擇閥與換向閥相結(jié)合的方式來進(jìn)行水平支腿和垂直支腿的控制，即用四個(gè)選擇閥來選擇水平或垂直油缸，用一個(gè)換向閥統(tǒng)一進(jìn)行支腿伸縮的控制，在一定程度上省去了幾路多路閥，節(jié)省了成本，提高了操作的可控性，但在控制的舒適度方面表現(xiàn)欠佳，且不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。另外，采用20 MPa 和5 MPa 兩個(gè)溢流閥分別控制垂直支腿及水平支腿的最高壓力，保證了各支腿工作的安全，但均是獨(dú)立控制，也沒有體現(xiàn)出遠(yuǎn)程控制的優(yōu)越性[6]。

圖4 支腿多路閥液壓原理圖

3.2 支腿操縱控制方式優(yōu)化及壓力調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

圖5 所示為一種改進(jìn)后的局部液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)，由于汽車起重機(jī)支腿的流量不大，故完全可以用電磁閥來代替手動(dòng)閥來實(shí)現(xiàn)支腿伸縮的控制，其中A1B1、A2B2 分別連接垂直支腿油缸和水平支腿油缸，在機(jī)身的一側(cè)設(shè)置按鈕直接進(jìn)行控制，簡(jiǎn)單輕便，而且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。

圖5 改進(jìn)后支腿控制液壓系統(tǒng)原理圖

壓力控制也是如此，采用一個(gè)三位四通電磁換向閥的換向來選擇兩種不同的壓力，換向閥在中位時(shí)卸荷，達(dá)到了節(jié)能的目的。電磁閥的得電與失電完全和支腿的控制連接在一起，即水平支腿伸出時(shí)選擇低壓，垂直支腿伸出時(shí)選擇高壓，控制方便，操作簡(jiǎn)單，減少了機(jī)手的操作難度，提高了舒適度和可靠性。另外，如果有三種或三種以上的壓力進(jìn)行選擇，如全路面起重機(jī)上就增加了油氣懸掛系統(tǒng)，則只需增加溢流閥和換向閥進(jìn)行邏輯組合即可，體現(xiàn)了良好的開放性和拓展性。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)工程機(jī)械的日益崛起，汽車起重機(jī)操縱裝置的人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)也越來越受到人們的關(guān)注。而競(jìng)爭(zhēng)如此激烈的今天，如何更好地利用人機(jī)工程學(xué)來審視產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以顧客需求為導(dǎo)向、以顧客滿意為原則來優(yōu)化汽車起重機(jī)各控制系統(tǒng)及工作裝置設(shè)計(jì)，定是今后的努力方向和追求目標(biāo)。筆者也只是根據(jù)個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)和使用感受對(duì)汽車起重機(jī)部分操縱裝置的設(shè)計(jì)思路提出自己的一點(diǎn)思考，并且在汽車起重機(jī)的某些產(chǎn)品上已經(jīng)開始著手進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，相信不久將會(huì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。當(dāng)然這并不代表著權(quán)威觀點(diǎn)，因?yàn)闆]有最好，只有更好。起重機(jī)各操縱裝置的設(shè)計(jì)不僅僅局限于人機(jī)工程學(xué)的某一個(gè)層面的要求，還需要全盤考慮、整體設(shè)計(jì)，以達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)效果；但無論如何，都應(yīng)該在科學(xué)的指導(dǎo)下，盡可能最大限度地來滿足客戶的需求，希望汽車起重機(jī)行業(yè)，甚至是整個(gè)工程機(jī)械行業(yè)都能越做越好。