裝載機(jī)座椅動(dòng)態(tài)舒適性因素研究

楊賀緒+張斌杰+馬萍

摘 要 本文從振動(dòng)對(duì)駕駛員的影響以及引起裝載機(jī)座椅振動(dòng)的主要因素進(jìn)行分析，為裝載機(jī)座椅動(dòng)態(tài)舒適性研究提供理論依據(jù)。重點(diǎn)介紹了舒適性的提出及國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家對(duì)舒適性的定義，舒適性對(duì)人體的影響。從外因路面不平度、內(nèi)因（動(dòng)力系統(tǒng)、作業(yè)部件、液壓脈沖）等方面系統(tǒng)的分析引起裝載機(jī)座椅振動(dòng)的主要原因。

關(guān)鍵詞 裝載機(jī)座椅 舒適性

中圖分類(lèi)號(hào)：TH273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

舒適性是人的一種主觀感受，由于受各種因素及條件的影響（如人體的差異、主觀感受的模糊性和隨機(jī)性）而呈現(xiàn)不同的結(jié)果，目前還沒(méi)有一個(gè)廣泛認(rèn)可的明確定義，但存在共識(shí)，舒適性是指人們對(duì)客觀環(huán)境在生理與心理方面所感受到的滿意程度而進(jìn)行的綜合評(píng)價(jià)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于舒適與不舒適的問(wèn)題進(jìn)行了大量研究。Slater認(rèn)為舒適性是人與所處環(huán)境的一種生理學(xué)、心理學(xué)上身心和諧、舒適的、令人愉快的狀態(tài)。Richard強(qiáng)調(diào)舒適性是人主觀上對(duì)處于某種環(huán)境或狀況下反應(yīng)出的一種幸福健康快樂(lè)的感覺(jué)。國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)成果研究表明，舒適性（comfort）實(shí)際是一個(gè)綜合范疇，他包含生理舒適、心理舒適、環(huán)境舒適、社會(huì)舒適，指人體處于比較滿意的、良好的一種自我感覺(jué)。為此，本文從振動(dòng)對(duì)駕駛員的影響以及引起裝載機(jī)座椅振動(dòng)的主要因素進(jìn)行分析，為裝載機(jī)座椅動(dòng)態(tài)舒適性研究提供理論依據(jù)。

1振動(dòng)對(duì)駕駛員的影響

駕駛員受到的振動(dòng)有兩種，一種為局部振動(dòng)，一種為全身振動(dòng)，其中全身振動(dòng)是主要振動(dòng)行駛，是引起駕駛員疲勞的主要原因。振動(dòng)對(duì)人體的影響因素有：振動(dòng)的頻率、振幅大小、加速度大小、受振動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)短以及人的體位有關(guān)系，其中振動(dòng)頻率是對(duì)人體影響的主要因素。一些資料顯示，4—8Hz之內(nèi)是人體對(duì)振動(dòng)上下敏感區(qū)域，1—2Hz之內(nèi)是人體對(duì)振動(dòng)前后敏感區(qū)域，也就是說(shuō)1—8Hz范圍內(nèi)人體器官容易發(fā)生共振。隨著頻率的不斷增高，人體的敏感程度不斷下降。30Hz以下為人體嚴(yán)重的振動(dòng)響應(yīng)區(qū)域，所以在設(shè)計(jì)人體相關(guān)的機(jī)件時(shí)，應(yīng)避開(kāi)與人體的固有頻率，以免發(fā)生共振。

2引起裝載機(jī)座椅振動(dòng)的主要因素

一般來(lái)講，裝載機(jī)的振源主要來(lái)自?xún)煞矫妫环矫媸莵?lái)自自身的振源，如來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)、液壓缸回路液壓閥的振動(dòng)、鏟裝作業(yè)時(shí)鏟斗的橫向縱向不平衡性；另一方面是來(lái)自外界的振動(dòng)，轉(zhuǎn)載機(jī)工作環(huán)境一般比較惡劣，工作路面一般為不規(guī)則路面，土路、磚混、雜路較多，加之裝載機(jī)要往復(fù)來(lái)回移動(dòng)，工作路面不斷破壞，最引起振動(dòng)和顛簸，經(jīng)研究分析工作中的裝載機(jī)最主要的振源是來(lái)自外部的激勵(lì)級(jí)路面不平度的影響作用。

2.1 路面不平度的影響

裝載機(jī)在工作過(guò)程中，座椅要受到來(lái)自路面不平度的激勵(lì)作用，不平的路面給輪胎造成不同程度的沖擊和擾動(dòng)，這種隨機(jī)振動(dòng)會(huì)引起駕駛員的不舒適和機(jī)構(gòu)的疲勞破壞。由路面不平度引起的振動(dòng)主要與裝載機(jī)的形式速度有關(guān)系，裝載機(jī)的行駛速度v（m/s）與路面不平度 （m-1）之間有以下關(guān)系，輸入的時(shí)間頻率f（Hz）是 和v的乘積，即公式f = v ，如果由路面不平度引起的激勵(lì)與裝載機(jī)某些構(gòu)建的固有頻率互相疊加，裝載機(jī)響應(yīng)的構(gòu)件就會(huì)發(fā)生共振，其共振車(chē)速為公式v=3.6（km/h） 式中，為路面不平度波長(zhǎng)。我國(guó)不同路面譜的不平度波長(zhǎng)的實(shí)測(cè)結(jié)果如表1所示。

裝載機(jī)通常工作在未鋪裝路面，本文中選擇最小波長(zhǎng)為0.77m的路面不平度，裝載機(jī)結(jié)構(gòu)固有頻率的計(jì)算值為：

式中：裝載機(jī)常用車(chē)速為5-20m/s，vmax選用20m/s。

有資料顯示不同路面不同車(chē)速產(chǎn)生激勵(lì)也不同，相同路面車(chē)速越高產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)越大，相同車(chē)速路面等級(jí)越低產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)越大。

2.2動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)裝載機(jī)座椅舒適性的影響

動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)裝載機(jī)座椅舒適性影響主要是來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)一般是由燃燒引起的低頻振動(dòng)，如點(diǎn)火脈沖引起的振動(dòng)、不平衡慣性力引起的振動(dòng)、變速箱傳動(dòng)軸引起的不平衡激振頻率，下面我們進(jìn)行詳細(xì)的分析。

2.2.1點(diǎn)火系統(tǒng)的脈沖作用

按照發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理由于氣缸內(nèi)氣體燃燒后爆發(fā)產(chǎn)生平行于曲軸軸線的力矩，加上多缸發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)合成的扭矩，以及每個(gè)氣缸之間等值反向的翻轉(zhuǎn)力矩，這些由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的力矩引起的振動(dòng)叫做點(diǎn)火脈沖。發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中作用于活塞上的燃燒壓力轉(zhuǎn)換為曲軸的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，但是曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，燃燒在氣缸內(nèi)發(fā)生一次，便產(chǎn)生扭曲波動(dòng)，同理在直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)中，曲軸轉(zhuǎn)一圈發(fā)生兩次扭轉(zhuǎn)波動(dòng)，依次類(lèi)推直列六缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)一圈發(fā)生三次扭轉(zhuǎn)，因此氣缸越多波動(dòng)越小，發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)的振動(dòng)也就越小。如果發(fā)動(dòng)機(jī)的固有頻率與人體某些器官的固有頻率接近就容易引起共振，影響其舒適性。裝載機(jī)一般采用四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，該類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速一般為為850r/min，額定轉(zhuǎn)速為2500 r/min，由發(fā)動(dòng)機(jī)引起的一階往復(fù)慣性力頻率f1可由公式f1=計(jì)算，式中，z為發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)： 為發(fā)動(dòng)機(jī)的沖程數(shù)；n為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

發(fā)動(dòng)機(jī)二階慣性力頻率f2和一階慣性力頻率f1之間關(guān)系f2 = 2f1，按照表達(dá)式1.4計(jì)算可得發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速由慣性力產(chǎn)生的一二階頻率分別為：f1=28.3Hz，f2=100Hz；發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速有慣性力產(chǎn)生的一二階頻率分別為：f1=56.6Hz，f2=200Hz。

2.2.2不平衡慣性力引起的振動(dòng)

對(duì)多缸發(fā)動(dòng)機(jī)而言我們可以采取某些措施合理的技術(shù)安避免發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)氣缸之間發(fā)生共振作用，如合理布置安裝角度和安裝位置離去時(shí)每個(gè)剛體之間的受力達(dá)到抵消和平衡，消除部分由于剛體之間的共振引起的慣性不平衡力。表2列出了多缸發(fā)動(dòng)機(jī)消除共振的措施，通過(guò)氣缸布置形式不同，點(diǎn)火時(shí)間的順序調(diào)整不平衡慣性力來(lái)實(shí)現(xiàn)。

從上表2可以看出直列三缸發(fā)動(dòng)機(jī)里可以的達(dá)到平衡，但力矩一二階都不能平衡，本文設(shè)計(jì)時(shí)研究的是直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，我們可以看出力和力矩二階都存在不平衡性，從理論上分析存在鉛錘方向上的不平衡性。endprint

2.2.3變速箱傳動(dòng)軸的不平衡性引起的振動(dòng)

由于安裝和制造誤差，傳動(dòng)軸中萬(wàn)向節(jié)的跳動(dòng)也會(huì)引起裝載機(jī)的振動(dòng)，此振動(dòng)有傳動(dòng)軸傳遞到底板，再有點(diǎn)半傳動(dòng)到座椅，從數(shù)量級(jí)上來(lái)看這些振動(dòng)雖然相對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和路面的振動(dòng)較小，由于傳動(dòng)軸工作的持續(xù)性，所以也是不可忽視。

2.3工作零部件對(duì)座椅舒適性的影響

裝載機(jī)主要作業(yè)機(jī)構(gòu)為動(dòng)臂和鏟斗，在作業(yè)過(guò)程液壓缸驅(qū)動(dòng)動(dòng)臂要不斷地伸縮，如圖1所示，通過(guò)動(dòng)臂伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)鏟裝功能。

從圖上我們可以看出裝載機(jī)工作件多數(shù)都是通過(guò)低副連接，由于低副連接的固有屬性各零部件之間存在裝配制造誤差，慣性力較大，工作中不可避免的產(chǎn)生局部摩擦，如果增大間隙，改變裝配精度可能會(huì)導(dǎo)致工作件的局部搖擺，引起振動(dòng)。同時(shí)由裝載機(jī)工作件運(yùn)動(dòng)鏈可以看出傳遞路線較長(zhǎng)，任何一個(gè)零部件發(fā)生振動(dòng)時(shí)會(huì)將能量傳遞到另外一個(gè)的零部件上，振動(dòng)不斷積累出現(xiàn)累計(jì)效應(yīng)，對(duì)駕駛員產(chǎn)生極其不利的影響。另外，裝載機(jī)在鏟裝作業(yè)時(shí)，工作零部件需要伸出、收回反復(fù)活動(dòng)，尤其是在鏟裝卸料瞬間鏟斗要伸長(zhǎng)——抬起——卸料，一旦物料回彈裝載機(jī)動(dòng)壁和鏟斗無(wú)形中出現(xiàn)橫向振動(dòng)，而且這種振動(dòng)是隨機(jī)不確定的，其振動(dòng)能量的大小也是隨機(jī)的，由于工作零部件的振動(dòng)引起液壓油缸的瞬間下沉或急劇上升，導(dǎo)致動(dòng)臂發(fā)抖，車(chē)架搖擺，這些振動(dòng)頻率一旦與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，高能量的振動(dòng)就容易引發(fā)，輕則引起人體的不舒適，重者導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

3本文小結(jié)

系統(tǒng)分析了影響舒適性的因素及振動(dòng)對(duì)駕駛員的影響，查閱資料了解人體各個(gè)器官的固有頻率，對(duì)引起裝載機(jī)座椅舒適性的因素路面不平度、動(dòng)力系統(tǒng)、作業(yè)零部件、液壓系統(tǒng)四個(gè)方面進(jìn)行系統(tǒng)的分析。主要介紹裝載機(jī)座椅動(dòng)態(tài)舒適性研究的目的和意義，查找相關(guān)資料，概括的介紹了目前國(guó)內(nèi)外對(duì)裝載機(jī)舒適性方面的研究及發(fā)展現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)查閱資料的分析總結(jié)提出自己的研究方向。重點(diǎn)介紹了舒適性的提出及國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家對(duì)舒適性的定義，舒適性對(duì)人體的影響。從外因路面不平度、內(nèi)因（動(dòng)力系統(tǒng)、作業(yè)部件、液壓脈沖）等方面系統(tǒng)的分析引起裝載機(jī)座椅振動(dòng)的主要原因。

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