全液压履带钻机座椅优化设计*

乔 杉

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

0 引 言

我国是全球最大的煤炭生产国，全液压履带钻机在我国煤田地质勘探及煤矿开采方面使用广泛，在探矿工程中发挥着极其重要的作用，肩负着煤矿的瓦斯抽放、地质勘探、探放水及注浆等工作。

第一代全液压履带钻机操纵选用的是立姿，但在目标群体调查中发现井下的工人实际处于长时间、高强度的工作状态，这种工作状态会加重操纵者的负担，增加煤矿事故的发生率。而在后续的产品中增加了座椅，但与人机工程学的结合较少。所以笔者主要通过对目标群体实际使用情况进行研究，改进设计方案，使钻机达到可坐、可立的两种操纵模式[1]，从而减轻腿部肌肉负担，提高舒适度，缓解疲劳，从而提高工作效率及安全性[2]。

1 座椅设计参数

(1) 座椅高度 舒适的座椅应使使用者的大腿部位趋于水平状，小腿自然垂直放置，脚部有着力点。座椅的高度设计与人体尺寸密切相关，其中与人的小腿长度及脚部长度都有直接的关系，按照中国成年男子的小腿部位加足部长度为372～463 mm，选取第95百分位的数据[3]，再增加30mm专用靴鞋跟高的功能修正量，最终座椅的高度确定为478 mm。

(2) 座椅宽度 依据人体臀部的宽度来确定，选取大尺寸作为上限，适当增加宽度，以便于操纵者调整坐姿状态。由于井下人员都要在腰间佩戴约为177 mm(长)×96 mm(宽)×227 mm(高)的自救器，综合运输、操纵部件的限制，以及自救器的功能修正量100 mm后，确定座椅的宽度为455 mm。

(3) 座椅坐深 坐深的确立能使操纵者方便舒适的靠在椅背上，更好的支持腰椎，即臀部到膝腘部位长度较长和较短的人应最大限度涵盖，即中国成年男子坐深中第5百分位数据，再加上衣服的功能修正量，最后确定坐深为422 mm。

(4) 座椅倾角 该部分主要包含两部分，即座椅平面与水平面之间的夹角和座椅平面与座椅靠背之间的夹角。

座位椅面的倾斜设计首先要有利于操纵者重心稳固，与椅背产生相互的作用力，可减少背部肌肉弯曲的压力。其次是人打钻过程中会产生震动，倾斜设计能有效防止工作人员在操纵中从座椅前段滑出，造成伤亡等事故，同时要兼顾实时观测仪表界面[4]。所以综合以上因素，最终选取椅面倾角为3°。

座位椅背的倾角设计与脊椎形态有关，但考虑到操纵者观测操纵界面和使用手柄的实际情况，若过于倾斜，会造成盲区，妨碍数据读取，增加手臂肌肉的酸痛[5]，合理的减小椅背的倾角使身体尽可能的直立，综合以上因素后确定椅背的倾角为102°[6]。

(5) 座椅靠背 该高度是由操纵者的坐高决定的，在操纵钻机时由于工作的特殊性，手要操纵手柄，所以肩胛骨部位基本上是不靠在椅背上的，肩胛骨部位的靠点设计只是用于在工作间隙休息时临时的依靠，选取高度范围在539～659 mm，再加上衣服的功能修正量3 mm，确定座椅的靠背高度为644 mm。

宽度是由操纵者的肩部宽度决定的，中国成年男子的肩部宽度范围为330～415 mm，最大肩宽范围为383～486 mm。考虑到实际操纵中需要手臂和肩部的运动空间，以及衣服的功能修正量，确定靠背宽度为455 mm。

2 座椅优化及模型建立

结合座椅工作环境及实际应用情况，为满足最广泛人群对座椅的需求，将座椅配置为可调节的滑轨设计，滑轨行程130 mm。在座椅表面冲压直径8 mm圆孔，即可透气、减重，同时也便于煤粉通过圆孔掉落，除增加使用者的舒适感外，还能起到一定美化作用。在材质上选取普通碳素钢Q235，便于外协加工及成本控制[7]。结合以上各部分数据，建立座椅模型如图1所示。

图1 座椅模型

3 整体设计部件对比分析调整

(1) 优化设计前

座椅是安装于踏板上，踏板虽然能够承受座椅及操作人员的承重，但在距离尺寸上很牵强。初步模型为图2所示。

图2 座椅初步模拟图 图3 座椅安放尺寸分析图

当座椅滑向最后位时，座位边缘距离钻机机身尺寸为168 mm，空间范围偏小，不能满足人体站姿与坐姿交替操作的条件。如图3所示。

(2) 优化设计后

由于运输尺寸限制，踏板450 mm已为最大宽度。对座椅方案进行优化设计后，将座椅安放在L型支架上，另一端与机身机架相连接。即能保证座椅的承重受力及人机尺寸的问题，还能使操纵者实现坐立交替工作[7]，对井下的环境也能更好的适应，最大限度的实现人机交互。此外还赋予L型支架左右旋转的功能，便于观测操纵台及显示屏。优化设计后尺寸如图4所示，最终效果如图5所示。

图4 改进座椅安放尺寸图 图5 座椅旋转图

4 设计应用效果

此款座椅经过型式试验、工业性试验后被运用到ZDY6000LD(F)、ZDY4000LD(B)、ZDY4000LD(C)等型号钻机中，并在河南陈四楼矿、淮南张集矿、谢桥矿等矿区投入使用。通过井下作业人员反馈，钻机座椅操作舒适、安全、运输便利，可实现坐立两种操纵方式，操纵者疲劳感降低，提升了作业效率。

5 结 语

基于人机工程学对全液压履带钻机的座椅部分进行优化设计，以人体数据作为基础参数，并运用UG软件建立三维模型，通过建模对座椅的整体空间进行改进，得出了座椅的合理尺寸，并结合样机的试验和应用，进一步论证了全液压履带钻机座椅的优化合理性，改善了单调的操纵姿势，提升了操纵者的舒适性及适用性，另一方面也提高了煤矿井下作业的安全性，为钻机产品的人性化设计及模块设计提供了思路[8]。