煤礦井下特種車輛工業設計論文

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1井下特種車輛的外觀造型設計

（1）井下特種車輛外觀造型設計約束

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

①功能約束產品外觀造型設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構件、覆蓋件、進氣柵格、駕駛室頂等。每個部件都有各自特定功能。如覆蓋件具有防護功能、方便打開維護功能、發動機進氣散熱功能等。在特種車外觀造型設計的過程之前，必須以滿足全部設計約束為目標；

②美學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、調和、節奏、變化、統一等美學法則。井下特種車在滿足美學法則的過程中，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、整車的統一性為美學法則，在此基礎上體現產品造型的美學因素；

③工藝制造約束設計的形態過程中要考慮加工工藝的可行性與方便性。井下特種車輛企業的工藝制造水平直接影響著產品外觀造型水平，一些工藝制造水平能夠實現復雜的造型設計，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計需與工藝制造所匹配；

④品牌形象約束產品設計過程中，通過應用統一的企業標志、統一的色彩、統一的造型來傳達企業的形象。井下特種車輛同樣需要根據企業形識別，產品特征設計出產品識別系統，來提高產品的識別性。

（2）外觀造型設計流程

井下特種車輛隸屬工程機械類，功能及結構設計是特種車輛的核心設計內容，外觀造型設計在特種車的整個研發周期僅是一部分。因此，井下特種車輛的外觀造型設計具有研發團隊較小，研發周期較短的特點。通過分析這些特點及研發周期中數據轉化等，選定外觀造型設計軟件，并構建井下特種車輛造型設計流程。選用Rhino+Keyshot+Solidworks軟件組合有諸多優勢：

①強大的造型能力以及可參數化設計功能；

②Keyshot操作簡單、快速，并能快速渲染出高質量效果圖；

③產品模型數據量小，交換容易；

④開發周期短。

（3）外觀造型實例

以40T支架搬運車為例對此進行外觀造型設計。通過分析40T外觀造型設計約束，根據以上流程進行設計，

2井下特種車輛人機設計

（1）人-機設計內容

人-機工程學是研究人在某種工作環境中的解剖學、生理學和心理學等方面的各種因素；研究人和機器及環境的相互作用；統一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問題和學科。人-機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-機設計主要包括：操作空間、視覺區域分析、作業動作分析、手動控制器尺寸適宜性分析。人機設計軟件系統主要有BOEMAN、COMBI-MAN、SAMMIE、JACK、SAFEWORK、RAMSIS、CATIA計算機輔助人機設計評價系統。本文以CATIA為人機評價工具對井下特種車輛人-機系統進行分析。CATIA軟件中包含了人-機工程學設計與分析模塊，其中包含HumanMeasurementsEditor、HumanActivityAnalysis、HumanBuilder、HumanPostureAnalysis4部分。井下特種車輛可應用CATIA四大模塊對特種車的駕駛室、其他操作件進行人-機分析。

（2）人機設計方法

應用CATIA人-機分析軟件可對井下特種車輛的空間布局、人體姿態進行分析，圖4為井下特種車輛人機分析流程。

①構建人體模型根據井下特種車輛需要分析的尺寸，確定人體尺寸百分位數、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-機分析的人體尺寸需要以GB10000-88中國男性為標準逐一確定。分析過程中設定修正量，要求考慮煤礦井下工人的特殊性。以駕駛室頂高設計為例構建人體模型為例，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GB10000-88中國男性P95坐高為958mm，在加上心理修正的基礎上，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設定人體姿態根據人-機分析所需姿態，對人體姿態進行設計，以駕駛室姿態為例，對人體的頭部、頸部、胸部、腰部、骶部及四肢的角度進調節，調節到人體舒適部位；

③人-機分析評價應用HumanPostureAnalysis模塊對人-機系統進行分析。打開HumanPostureAnalysis模塊，就能夠通過分數及顏色直觀地顯示出人體各個部分的舒適度。若舒適度不達要求，可以通過調整某個部位的位置和角度提高舒適性。可以打開人體的可達域及視域，可以直觀地看到人體的操作舒適域及視覺所達域。

（3）人-機設計實例

以40T支架搬運車駕駛室人機分析為例，對駕駛室的舒適性進行分析。按照以上流程分析出了人體在較為舒適的姿態下，人在井下特種車輛駕駛室內的視域及可達域，這樣可以方便確定操作手柄的位置。3結語本文提出了井下特種車輛快速敏捷的外觀造型設計及人機設計方法，通過實例驗證了此方法的有效性及可行性。應用CATIA在井下特種車輛的人-機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計標準。首先因為CATIA的人機分析功能部分缺失，如生物力學分析、噪音分析等；其次，近30年國標沒有更新，人體尺寸已經發生很大變化，專門針對井下工人的人體尺寸更是空缺。因此人機分析在井下特種車輛的完美應用還需研究分析。

作者：劉玉榮 單位：中國煤炭科工集團