平地機(jī)工作裝置操縱分析及設(shè)計(jì)

摘要：從平地機(jī)工作裝置操縱的作用及布置形式出發(fā)，對(duì)該裝置操縱機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式、操縱力、操縱行程理論計(jì)算進(jìn)行介紹，為后續(xù)土方機(jī)械相關(guān)操縱機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論支持。

關(guān)鍵詞：工作裝置操縱;操縱機(jī)構(gòu);操縱力;操縱行程

1" "平地機(jī)工作裝置操縱概述

平地機(jī)工作裝置操縱位于駕駛室中，用于實(shí)現(xiàn)整機(jī)轉(zhuǎn)向、工作裝置動(dòng)作并進(jìn)行整機(jī)工作參數(shù)顯示，是人機(jī)交互終端系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及合理性，在整機(jī)操作舒適性方面起著至關(guān)重要的作用。

工作裝置操縱主要包括：方向盤集成喇叭、操縱機(jī)構(gòu)、顯示儀表和操縱臺(tái)立柱。方向盤集成喇叭用于控制整機(jī)轉(zhuǎn)向及行人危險(xiǎn)預(yù)警。操縱機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)平地機(jī)工作裝置動(dòng)作，包括鏟刀升降、側(cè)出、回轉(zhuǎn)、調(diào)角;前輪傾斜、擺架傾斜、鉸接轉(zhuǎn)向及后松前推等附屬裝置升降。顯示儀表用于整機(jī)參數(shù)顯示，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。操縱臺(tái)立柱用于操作者舒適位置調(diào)整及支撐作用。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1可知，駕駛員可以通過調(diào)整操縱臺(tái)角度，改變操縱臺(tái)和座椅之間的空間，進(jìn)入或離開操作區(qū)域。當(dāng)駕駛員操縱平地機(jī)工作時(shí)，可以通過調(diào)整操縱臺(tái)角度，保證操縱臺(tái)在舒適的操縱位置。顯示器的位置應(yīng)該位于駕駛員視線范圍內(nèi)，便于駕駛員觀察整機(jī)參數(shù)。

除此之外，操縱搖臂的操縱力及操縱行程也影響著操作者的駕駛體驗(yàn)，是整機(jī)舒適性的重要指標(biāo)。近年來(lái)，行業(yè)內(nèi)各大生產(chǎn)廠家對(duì)平地機(jī)工作裝置操縱進(jìn)行了升級(jí)優(yōu)化，申請(qǐng)了許多發(fā)明及實(shí)用新型專利，但相關(guān)結(jié)構(gòu)分析文獻(xiàn)較少。基于此，本文對(duì)工作裝置操縱布置形式、操縱機(jī)構(gòu)、操縱力及操縱行程理論計(jì)算進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)及計(jì)算。

2" "工作裝置操縱布置形式

通過對(duì)市場(chǎng)上主流平地機(jī)工作裝置操縱進(jìn)行調(diào)研可知，操縱搖臂、操縱連桿、方向盤、喇叭等均集成與操縱臺(tái)主體上，儀表顯示有兩種形式：一種是獨(dú)立設(shè)置，一種是與操縱臺(tái)集成設(shè)置。

2.1" "顯示儀表與操縱臺(tái)分體式

顯示儀表與操縱臺(tái)分體式操縱工作裝置分為2種：

一種為顯示儀表固定于駕駛室前部。在駕駛室前玻璃上搭建橫梁，與駕駛室底板形成剛性連接結(jié)構(gòu)，并在外部連接注塑殼體。操縱臺(tái)使用獨(dú)立剛性框架，外部連接注塑殼體，利用氣彈簧結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)空間姿態(tài)可調(diào)，如圖2所示。該種結(jié)構(gòu)儀表顯示殼體立柱上多集成空調(diào)出風(fēng)口，可實(shí)現(xiàn)駕駛室前玻璃除霧、除霜等功能，其中典型的應(yīng)用的廠家有卡特、小松、徐工等。

另一種為儀表顯示不依靠駕駛室前玻璃，而是獨(dú)立設(shè)置。利用內(nèi)部剛性框架，將儀表顯示固定于駕駛室底板上，操縱臺(tái)通過獨(dú)立框架及機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)空間姿態(tài)調(diào)整，如圖3所示。此種結(jié)構(gòu)更加輕巧，不遮擋視野，其中典型應(yīng)用的廠家有柳工等。

2.2" "顯示儀表與操縱臺(tái)整體式

即顯示儀表與操縱臺(tái)使用同一套剛性框架，整體連接，固定于駕駛室底板上。當(dāng)調(diào)節(jié)操縱臺(tái)空間姿態(tài)時(shí)，儀表顯示同操縱臺(tái)一起翻轉(zhuǎn)，如圖4所示。此種結(jié)構(gòu)集成度更高，工藝性好，造價(jià)低，其中主要應(yīng)用的廠家有凱斯、三一、臨工等。

3" "操縱機(jī)構(gòu)組成及原理

平地機(jī)工作裝置操縱的操縱機(jī)構(gòu)為多組連桿機(jī)構(gòu)，其組數(shù)由所需要實(shí)現(xiàn)的各類工作裝置功能確定，即控制相關(guān)液壓缸運(yùn)動(dòng)的多路閥閥片數(shù)量。每一組連桿的構(gòu)成相同，均由多路閥閥芯連桿、操縱桿、操縱搖臂組成四連桿結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

其中操縱搖臂為鑄件，包括前連桿與后連桿，后連桿上裝有操縱手柄。操縱桿兩端安裝有關(guān)節(jié)軸承，多路閥閥芯連桿與操縱桿關(guān)節(jié)軸承通過螺栓固定，利用關(guān)節(jié)軸承實(shí)現(xiàn)空間位置微調(diào)。操縱桿與操縱搖臂前連桿連接方式與上述方式相同，通過螺栓固定。操縱搖臂與操縱臺(tái)伸出懸臂軸間裝有具有耐磨作用的滑動(dòng)軸承。工作時(shí)，前后拉動(dòng)操縱搖臂上的手柄，操縱搖臂前連桿帶動(dòng)操縱桿及液壓多路閥芯，通過閥芯開合變化，實(shí)現(xiàn)液壓油路的變化，進(jìn)而控制各相關(guān)液壓缸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)工作裝置功能。

4" "操縱力及操縱行程理論計(jì)算

在正常作業(yè)姿勢(shì)下，操縱力過小，操作者不易感知是否實(shí)現(xiàn)任務(wù)。操縱力過大，則會(huì)導(dǎo)致上肢肌肉疲勞，作業(yè)效率降低。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土方機(jī)械司機(jī)的操縱裝置要求，操縱力與操縱行程規(guī)定如下。

手柄操縱力應(yīng)≤230N。對(duì)于頻繁操作的手柄，操縱力≤80N，最佳操縱力為25～50N[1]。

對(duì)于短桿操縱桿（150～250mm），前后轉(zhuǎn)角不大于30°的[2]，操縱行程不大于130mm。由于平地機(jī)工作裝置操縱手柄為短桿，且具有多組連桿機(jī)構(gòu)，應(yīng)考慮操縱手柄左右排布位置，從而避免在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

現(xiàn)對(duì)某型號(hào)平地機(jī)工作裝置操縱進(jìn)行操縱力及操縱行程進(jìn)行理論計(jì)算。根據(jù)市場(chǎng)需求及客戶反饋，設(shè)計(jì)需求值為操縱力F≤30N，操縱行程L≤50mm。受力分析如圖6所示，已知多路閥閥芯彈力為F_彈=135N，力臂g=23mm，操縱搖臂前連桿長(zhǎng)度a=60mm，多路閥拉桿長(zhǎng)度c=64mm，操縱搖臂后連桿距操縱手柄中心長(zhǎng)度e=143mm，操縱拉桿與多路閥拉桿夾角α₁=16°，操縱拉桿與操縱搖臂拉桿夾角α₂=2°。

由圖6可得到下式：

F_彈·g= F₁·c （1）

F·L·e =F₂·a （2）

F₁/cosα₁= F₂/cosα₂ （3）

F_操縱力 =k·F·L （4）

其中k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，考慮各關(guān)節(jié)處的摩擦力損失等，此處取k=1.5，可知F_操縱力=26N。

再根據(jù)機(jī)構(gòu)空間分析（如圖7）可得，操縱行程L₁=48mm，L₂=43mm，滿足設(shè)計(jì)需求。

5" "結(jié)語(yǔ)

綜上所述，平地機(jī)工作裝置操縱有儀表顯示與操縱臺(tái)分體式和整體式兩種結(jié)構(gòu)，并且各有優(yōu)缺點(diǎn)。操縱機(jī)構(gòu)為多組四連桿機(jī)構(gòu)，其組數(shù)根據(jù)所需要實(shí)現(xiàn)工作裝置功能確定。操縱力和操縱行程為操縱舒適性的主要指標(biāo)，通過對(duì)某平地機(jī)工作裝置操縱操縱力和行程進(jìn)行理論計(jì)算，得出結(jié)論符合設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)土方機(jī)械相關(guān)操縱設(shè)計(jì)提供理論支持。目前該操縱機(jī)構(gòu)已成功在平地機(jī)上應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] GB/T 8595-2008/ISO 10968：2004 土方機(jī)械 司機(jī)的操縱裝置[S].

[2] 郁飛鵬.推土機(jī)機(jī)械連桿式操縱裝置設(shè)計(jì)研究[J].建筑機(jī)械化.2017（5）：27-30.