煤礦井下特種車輛工業(yè)設(shè)計論文

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1井下特種車輛的外觀造型設(shè)計

（1）井下特種車輛外觀造型設(shè)計約束

產(chǎn)品造型設(shè)計是設(shè)計師綜合分析推理各種約束，以求最優(yōu)解的過程。井下特種車輛造型設(shè)計方法與之相同，不同之處在于所受約束種類及各種約束間的重要性不同。經(jīng)過分析研究井下特種車輛外觀造型設(shè)計約束

①功能約束產(chǎn)品外觀造型設(shè)計中最重要的作用是能夠完成其功能。井下特種車輛主要外觀造型部件有車身結(jié)構(gòu)件、覆蓋件、進(jìn)氣柵格、駕駛室頂?shù)?。每個部件都有各自特定功能。如覆蓋件具有防護(hù)功能、方便打開維護(hù)功能、發(fā)動機(jī)進(jìn)氣散熱功能等。在特種車外觀造型設(shè)計的過程之前，必須以滿足全部設(shè)計約束為目標(biāo)；

②美學(xué)法則約束井下特種車的外觀造型需要符合形式美法則，讓人審美愉悅。主要包括比例、尺度、對稱、均衡、對比、調(diào)和、節(jié)奏、變化、統(tǒng)一等美學(xué)法則。井下特種車在滿足美學(xué)法則的過程中，受到功能、工藝制造的約束較大。因此井下特種車主要以整車的整潔性、整車的統(tǒng)一性為美學(xué)法則，在此基礎(chǔ)上體現(xiàn)產(chǎn)品造型的美學(xué)因素；

③工藝制造約束設(shè)計的形態(tài)過程中要考慮加工工藝的可行性與方便性。井下特種車輛企業(yè)的工藝制造水平直接影響著產(chǎn)品外觀造型水平，一些工藝制造水平能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的造型設(shè)計，一些工藝制造水平只能完成簡單幾何體加工。因此井下特種車輛的造型設(shè)計需與工藝制造所匹配；

④品牌形象約束產(chǎn)品設(shè)計過程中，通過應(yīng)用統(tǒng)一的企業(yè)標(biāo)志、統(tǒng)一的色彩、統(tǒng)一的造型來傳達(dá)企業(yè)的形象。井下特種車輛同樣需要根據(jù)企業(yè)形識別，產(chǎn)品特征設(shè)計出產(chǎn)品識別系統(tǒng)，來提高產(chǎn)品的識別性。

（2）外觀造型設(shè)計流程

井下特種車輛隸屬工程機(jī)械類，功能及結(jié)構(gòu)設(shè)計是特種車輛的核心設(shè)計內(nèi)容，外觀造型設(shè)計在特種車的整個研發(fā)周期僅是一部分。因此，井下特種車輛的外觀造型設(shè)計具有研發(fā)團(tuán)隊較小，研發(fā)周期較短的特點。通過分析這些特點及研發(fā)周期中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化等，選定外觀造型設(shè)計軟件，并構(gòu)建井下特種車輛造型設(shè)計流程。選用Rhino+Keyshot+Solidworks軟件組合有諸多優(yōu)勢：

①強(qiáng)大的造型能力以及可參數(shù)化設(shè)計功能；

②Keyshot操作簡單、快速，并能快速渲染出高質(zhì)量效果圖；

③產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)量小，交換容易；

④開發(fā)周期短。

（3）外觀造型實例

以40T支架搬運車為例對此進(jìn)行外觀造型設(shè)計。通過分析40T外觀造型設(shè)計約束，根據(jù)以上流程進(jìn)行設(shè)計，

2井下特種車輛人機(jī)設(shè)計

（1）人-機(jī)設(shè)計內(nèi)容

人-機(jī)工程學(xué)是研究人在某種工作環(huán)境中的解剖學(xué)、生理學(xué)和心理學(xué)等方面的各種因素；研究人和機(jī)器及環(huán)境的相互作用；統(tǒng)一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問題和學(xué)科。人-機(jī)工程在井下特種車輛的安全性、操作舒適性、操作效率等方面具有重要意義。井下特種車的人-機(jī)設(shè)計主要包括：操作空間、視覺區(qū)域分析、作業(yè)動作分析、手動控制器尺寸適宜性分析。人機(jī)設(shè)計軟件系統(tǒng)主要有BOEMAN、COMBI-MAN、SAMMIE、JACK、SAFEWORK、RAMSIS、CATIA計算機(jī)輔助人機(jī)設(shè)計評價系統(tǒng)。本文以CATIA為人機(jī)評價工具對井下特種車輛人-機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析。CATIA軟件中包含了人-機(jī)工程學(xué)設(shè)計與分析模塊，其中包含HumanMeasurementsEditor、HumanActivityAnalysis、HumanBuilder、HumanPostureAnalysis4部分。井下特種車輛可應(yīng)用CATIA四大模塊對特種車的駕駛室、其他操作件進(jìn)行人-機(jī)分析。

（2）人機(jī)設(shè)計方法

應(yīng)用CATIA人-機(jī)分析軟件可對井下特種車輛的空間布局、人體姿態(tài)進(jìn)行分析，圖4為井下特種車輛人機(jī)分析流程。

①構(gòu)建人體模型根據(jù)井下特種車輛需要分析的尺寸，確定人體尺寸百分位數(shù)、及各種修正量來確定人體尺寸。CATIA的人體模型庫中包含美國人、加拿大人、法國人、日本人、韓國人及臺灣人，未包含中國人。因此井下特種車輛的人-機(jī)分析的人體尺寸需要以GB10000-88中國男性為標(biāo)準(zhǔn)逐一確定。分析過程中設(shè)定修正量，要求考慮煤礦井下工人的特殊性。以駕駛室頂高設(shè)計為例構(gòu)建人體模型為例，井下煤礦工人都為男性，且在井下工作時都是佩戴礦燈安全帽。依據(jù)GB10000-88中國男性P95坐高為958mm，在加上心理修正的基礎(chǔ)上，還需考慮煤礦工人在井下通常佩戴礦燈安全帽。因此最終駕駛室頂高為1240mm；

②設(shè)定人體姿態(tài)根據(jù)人-機(jī)分析所需姿態(tài)，對人體姿態(tài)進(jìn)行設(shè)計，以駕駛室姿態(tài)為例，對人體的頭部、頸部、胸部、腰部、骶部及四肢的角度進(jìn)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)到人體舒適部位；

③人-機(jī)分析評價應(yīng)用HumanPostureAnalysis模塊對人-機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析。打開HumanPostureAnalysis模塊，就能夠通過分?jǐn)?shù)及顏色直觀地顯示出人體各個部分的舒適度。若舒適度不達(dá)要求，可以通過調(diào)整某個部位的位置和角度提高舒適性?？梢源蜷_人體的可達(dá)域及視域，可以直觀地看到人體的操作舒適域及視覺所達(dá)域。

（3）人-機(jī)設(shè)計實例

以40T支架搬運車駕駛室人機(jī)分析為例，對駕駛室的舒適性進(jìn)行分析。按照以上流程分析出了人體在較為舒適的姿態(tài)下，人在井下特種車輛駕駛室內(nèi)的視域及可達(dá)域，這樣可以方便確定操作手柄的位置。3結(jié)語本文提出了井下特種車輛快速敏捷的外觀造型設(shè)計及人機(jī)設(shè)計方法，通過實例驗證了此方法的有效性及可行性。應(yīng)用CATIA在井下特種車輛的人-機(jī)分析過程中雖然起到了重要的輔助作用，但是不能夠完全以此分析為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。首先因為CATIA的人機(jī)分析功能部分缺失，如生物力學(xué)分析、噪音分析等；其次，近30年國標(biāo)沒有更新，人體尺寸已經(jīng)發(fā)生很大變化，專門針對井下工人的人體尺寸更是空缺。因此人機(jī)分析在井下特種車輛的完美應(yīng)用還需研究分析。

作者：劉玉榮 單位：中國煤炭科工集團(tuán)