煤矿井下特种车辆工业设计论文

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1井下特种车辆的外观造型设计

（1）井下特种车辆外观造型设计约束

产品造型设计是设计师综合分析推理各种约束，以求最优解的过程。井下特种车辆造型设计方法与之相同，不同之处在于所受约束种类及各种约束间的重要性不同。经过分析研究井下特种车辆外观造型设计约束

①功能约束产品外观造型设计中最重要的作用是能够完成其功能。井下特种车辆主要外观造型部件有车身结构件、覆盖件、进气栅格、驾驶室顶等。每个部件都有各自特定功能。如覆盖件具有防护功能、方便打开维护功能、发动机进气散热功能等。在特种车外观造型设计的过程之前，必须以满足全部设计约束为目标；

②美学法则约束井下特种车的外观造型需要符合形式美法则，让人审美愉悦。主要包括比例、尺度、对称、均衡、对比、调和、节奏、变化、统一等美学法则。井下特种车在满足美学法则的过程中，受到功能、工艺制造的约束较大。因此井下特种车主要以整车的整洁性、整车的统一性为美学法则，在此基础上体现产品造型的美学因素；

③工艺制造约束设计的形态过程中要考虑加工工艺的可行性与方便性。井下特种车辆企业的工艺制造水平直接影响着产品外观造型水平，一些工艺制造水平能够实现复杂的造型设计，一些工艺制造水平只能完成简单几何体加工。因此井下特种车辆的造型设计需与工艺制造所匹配；

④品牌形象约束产品设计过程中，通过应用统一的企业标志、统一的色彩、统一的造型来传达企业的形象。井下特种车辆同样需要根据企业形识别，产品特征设计出产品识别系统，来提高产品的识别性。

（2）外观造型设计流程

井下特种车辆隶属工程机械类，功能及结构设计是特种车辆的核心设计内容，外观造型设计在特种车的整个研发周期仅是一部分。因此，井下特种车辆的外观造型设计具有研发团队较小，研发周期较短的特点。通过分析这些特点及研发周期中数据转化等，选定外观造型设计软件，并构建井下特种车辆造型设计流程。选用Rhino+Keyshot+Solidworks软件组合有诸多优势：

①强大的造型能力以及可参数化设计功能；

②Keyshot操作简单、快速，并能快速渲染出高质量效果图；

③产品模型数据量小，交换容易；

④开发周期短。

（3）外观造型实例

以40T支架搬运车为例对此进行外观造型设计。通过分析40T外观造型设计约束，根据以上流程进行设计，

2井下特种车辆人机设计

（1）人-机设计内容

人-机工程学是研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素；研究人和机器及环境的相互作用；统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题和学科。人-机工程在井下特种车辆的安全性、操作舒适性、操作效率等方面具有重要意义。井下特种车的人-机设计主要包括：操作空间、视觉区域分析、作业动作分析、手动控制器尺寸适宜性分析。人机设计软件系统主要有BOEMAN、COMBI-MAN、SAMMIE、JACK、SAFEWORK、RAMSIS、CATIA计算机辅助人机设计评价系统。本文以CATIA为人机评价工具对井下特种车辆人-机系统进行分析。CATIA软件中包含了人-机工程学设计与分析模块，其中包含HumanMeasurementsEditor、HumanActivityAnalysis、HumanBuilder、HumanPostureAnalysis4部分。井下特种车辆可应用CATIA四大模块对特种车的驾驶室、其他操作件进行人-机分析。

（2）人机设计方法

应用CATIA人-机分析软件可对井下特种车辆的空间布局、人体姿态进行分析，图4为井下特种车辆人机分析流程。

①构建人体模型根据井下特种车辆需要分析的尺寸，确定人体尺寸百分位数、及各种修正量来确定人体尺寸。CATIA的人体模型库中包含美国人、加拿大人、法国人、日本人、韩国人及台湾人，未包含中国人。因此井下特种车辆的人-机分析的人体尺寸需要以GB10000-88中国男性为标准逐一确定。分析过程中设定修正量，要求考虑煤矿井下工人的特殊性。以驾驶室顶高设计为例构建人体模型为例，井下煤矿工人都为男性，且在井下工作时都是佩戴矿灯安全帽。依据GB10000-88中国男性P95坐高为958mm，在加上心理修正的基础上，还需考虑煤矿工人在井下通常佩戴矿灯安全帽。因此最终驾驶室顶高为1240mm；

②设定人体姿态根据人-机分析所需姿态，对人体姿态进行设计，以驾驶室姿态为例，对人体的头部、颈部、胸部、腰部、骶部及四肢的角度进调节，调节到人体舒适部位；

③人-机分析评价应用HumanPostureAnalysis模块对人-机系统进行分析。打开HumanPostureAnalysis模块，就能够通过分数及颜色直观地显示出人体各个部分的舒适度。若舒适度不达要求，可以通过调整某个部位的位置和角度提高舒适性。可以打开人体的可达域及视域，可以直观地看到人体的操作舒适域及视觉所达域。

（3）人-机设计实例

以40T支架搬运车驾驶室人机分析为例，对驾驶室的舒适性进行分析。按照以上流程分析出了人体在较为舒适的姿态下，人在井下特种车辆驾驶室内的视域及可达域，这样可以方便确定操作手柄的位置。3结语本文提出了井下特种车辆快速敏捷的外观造型设计及人机设计方法，通过实例验证了此方法的有效性及可行性。应用CATIA在井下特种车辆的人-机分析过程中虽然起到了重要的辅助作用，但是不能够完全以此分析为设计标准。首先因为CATIA的人机分析功能部分缺失，如生物力学分析、噪音分析等；其次，近30年国标没有更新，人体尺寸已经发生很大变化，专门针对井下工人的人体尺寸更是空缺。因此人机分析在井下特种车辆的完美应用还需研究分析。

作者：刘玉荣 单位：中国煤炭科工集团