岸桥驾驶室的人因设计及评价
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摘 要
岸边集装箱起重机（简称“岸桥”）是应用于集装箱船与码头前沿之间装卸集
装箱的设备，对于提高码头作业效率具有重要作用。驾驶室是岸桥的重要部件之
一，正确合理的驾驶室设计对保持驾驶员的身心健康、操纵舒适性、乘坐舒适性
及减轻劳动强度都有着直接的关系。因此，有必要对设计健康、安全、高效、舒
适的岸桥驾驶室进行研究和探讨。
本文分析了岸桥驾驶室对人因工程学理念的诉求，将人因工程学的理论成果
应用于岸边集装箱起重机这一特殊的人机系统设计中，完成了对驾驶室的座椅、
视野以及作业空间三大部分的优化设计，并应用 AHP 层次分析方法建立了对驾驶
室优化设计的综合评价模型。
在座椅优化设计中，本文首先依据坐姿理论、人因工程学中座椅设计的相关
原则，并综合大量国内外的座椅研究成果和相关的国家标准及行业标准，分析了
汽车座椅设计参数与人体尺寸之间的关联关系，提出了以顺应岸桥驾驶员作业姿
势而采取座椅前缘倾角下倾的设计概念，保证了所设计座椅的合理人机性能。其
次，研究分析了 SAE 所推荐的确定 B型车 H点的适宜线法的适用条件和不足，完
成了以中国人体尺寸为约束的 H点优化域，进而完成对岸桥驾驶室座椅的布置。
在视野优化设计中，本文引入了广泛应用于汽车驾驶室设计的眼椭圆理论，
分析了驾驶员的眼椭圆在驾驶室内的定位方法，依据人的视野特点讨论了岸桥前
方垂直视野的确定方法。
在作业空间优化设计中，本文结合人视野范围的要求，在分析人体水平和垂
直作业空间内的作业范围的基础上，重点对影响驾驶员操纵舒适性的联动台、手
控元器件和脚控元器件，从安装位置、形状、尺寸大小等方面进行了详细设计。
最后，依据 AHP 层次分析法的原理和步骤，对驾驶室优化设计结果进行综合
评价分析。建立了驾驶室综合评价的相关因素，依据人因工程学原理提出了分析
评价的标准，采用 EC（Expert Choice）软件对驾驶室优化设计前后进行了对比。
本课题将人因工程学的理论和方法引入到岸桥驾驶室的人机设计中，进一步
完善了国产岸桥驾驶室的人机设计理论，为国产岸桥驾驶室的优化设计提供了一
定的理论参考、设计参考及数据参考。对缩短岸桥及同类产品的开发周期，降低
开发成本，提高产品附加值有积极的意义。
关键词：驾驶室 岸边集装箱起重机 人因工程学 优化设计 评价
ABSTRACT
Quayside container crane (hereinafter referred to as "QC crane") is an equipment
applied to load and unload cranes between container ships and terminal quay
containers, which plays an important role for improving terminal operation efficiency.
As one of important component of QC cranes, Correct and reasonable design of cab
is directly impacted cab drivers’ physical and mental health, manipulation and seat
comfortableness and reduced labor intensity. Therefore, it is necessary to study and
discusse how to design a health, safety, high efficiency and comfortable Quayside
container crane cab.
In this study, the requirement of ergonomics concept in the design of QC crane
cab was analyzed. Based on application of ergonomics theoretical achievements in
this special man-machine system design, seats, vison and work space were optimized
and the comprehensive evaluation model of the cab design was established by AHP
hierarchical analysis method.
For seat optimization, according to ergonomics theories and principles related to
sitting posture and chair design, and combined plenty of domestic and foreign seat
research achievements and relevant national or industrial standards, a seat front
obliquity inclined forward seat was put forward after analyzed relationships between
the seat design parameters and human body size. Instead of backward seat, forward
seat can comply with the driver’s work posture and guarantee the reasonable
man-machine performance. Then, the application conditions and insufficiencies of H
point appropriate line method of type B car recommended by SAE was analyzed, and
H point optimiztion area constraints of Chinese body size was calculated.
For view optimization, eyellipse theories, widely applied in automobile cab
design, were introduced in the paper. By analysed the method of driver’s eyellipse
location and characteres of one’s view, crane cab’s vertical vison were determined.
For work space optimization, linkage control panels, hand controllers and foot
controllers, which were directly impacted driver’s comfortable, were detailed
designed from installation position, shape, size and other aspects, on the basis of
analysis work scope of the horizontal and vertical space that human body can touch
and demand area of vision.
Finally, according to ergonomics theory, related factors and standards of the
evaluation were put forward and the evaluation model of the cab optimized results
was established based on the mentod of AHP (Analytic Hierarchy Process). Then, the
results of optimize before and after were compared by the expert choice software.
By introduced ergonomics theories and methods into the crane cab design, this
subject further improved the domestic crane cabs human-machine design theory and
provided theory reference, design reference and data reference. It will be positively
significance in reducing development costs and cycle and improving the added values
of the crane and the similar products.
Key Word: Cab, Quayside container crane, Ergonomics, Optimization
design, Evaluation
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ...................................................... 1
§1.1 岸边集装箱起重机的相关介绍 ................................ 1
§1.1.1 岸边集装箱起重机的发展状况 ............................. 1
§1.1.2 岸边集装箱起重机的基本结构 ............................. 1
§1.2 课题的研究目的和意义 ...................................... 2
§1.2.1 课题研究背景 ........................................... 2
§1.2.2 研究目的和意义 ......................................... 3
§1.3 人因工程在国内外岸桥驾驶室中的研究及应用现状 .............. 4
§1.3.1 国外岸桥驾驶室人因工程学研究现状 ....................... 4
§1.3.2 国内岸桥驾驶室人因工程学研究现状 ....................... 5
§1.4 本论文的研究内容 .......................................... 6
第二章 人因工程学相关原理 ........................................ 7
§2.1 人因工程学介绍 ............................................ 7
§2.1.1 人因工程学的发展 ....................................... 7
§2.1.2 人因工程学的应用 ....................................... 7
§2.2 人体的测量与测量数据的应用 ................................ 8
§2.2.1 人体的测量 ............................................. 8
§2.2.2 人体测量数据的应用 .................................... 10
§2.3 姿势舒适性研究 ........................................... 10
§2.3.1 姿势舒适性的定义 ...................................... 10
§2.3.2 汽车驾驶姿势舒适性研究 ................................ 10
§2.3.3 岸桥驾驶室舒适性研究 .................................. 11
§2.4 本章小结 ................................................. 12
第三章 岸桥驾驶室系统的整体分析 ................................. 13
§3.1 岸桥的驾驶室内部布局及作业流程分析 ....................... 13
§3.1.1 岸桥驾驶室的内部布局分析 .............................. 13
§3.1.2 岸边集装箱起重机的作业流程分析 ........................ 13
§3.2 建立岸桥驾驶员作业下的人体模型 ........................... 15
§3.2.1 人体模型概述 .......................................... 15
§3.2.2 人体模型的建立 ........................................ 18
§3.3 岸桥驾驶员坐姿的舒适性分析 ............................... 20
§3.3.1 岸桥驾驶员的作业姿势及对人体的影响分析 ................ 20
§3.3.2 岸桥驾驶室的坐姿舒适性的内容 .......................... 22
§3.3.3 岸桥驾驶员舒适坐姿的影响因素 .......................... 22
§3.3.4 岸桥驾驶员舒适坐姿的关节角度范围 ...................... 23
§3.4 本章小结 ................................................. 24
第四章 岸桥驾驶室座椅的改进设计研究 ............................. 25
§4.1 驾驶员座椅设计的主要人因学依据 ........................... 25
§4.1.1 保证脊椎和腰曲弧线的正常生理弯曲 ...................... 25
§4.1.2 保证合理体压分布及股骨受力原理 ........................ 26
§4.1.3 座椅设计与人体结构的关系 .............................. 28
§4.2 座椅结构尺寸的设计 ....................................... 29
§4.2.1 各类工作椅简介 ........................................ 29
§4.2.2 座椅设计的基本原则 .................................... 30
§4.2.3 座椅静态尺寸参数的确定 ................................ 31
§4.3 座椅舒适性的位置确定 ..................................... 33
§4.3.1 H 点的确定方法 ........................................ 33
§4.3.2 最佳 H点位置分析 ...................................... 35
§4.3.3 座椅水平调节量的计算 .................................. 38
§4.4 本章小结 ................................................. 38
第五章 岸桥驾驶室视野设计 ....................................... 39
§5.1 视野设计概述 ............................................. 39
§5.2 眼椭圆 ................................................... 40
§5.2.1 眼椭圆的概念 .......................................... 40
§5.2.2 眼椭圆的数学描述 ...................................... 41
§5.3 岸桥驾驶室驾驶员的视野性能研究 ........................... 42
§5.3.1 岸桥驾驶室的视野设计要求 .............................. 42
§5.3.2 眼椭圆中心在驾驶室中的定位 ............................ 43
§5.3.3 驾驶室前方视野的校核 .................................. 44
§5.4 本章小结 ................................................. 47
第六章 岸桥驾驶室作业空间设计 ................................... 48
§6.1 岸桥驾驶室作业空间设计概述 ............................... 48
§6.1.1 作业空间设计的人因工程学原则 .......................... 48
§6.1.2 驾驶室坐姿作业空间范围 ................................ 48
§6.1.3 坐姿下的舒适区域 ...................................... 50
§6.2 操控装置的设计研究 ....................................... 51
§6.2.1 控制器的选择原则 ...................................... 51
§6.2.2 联动台上操作部件的功能分析 ............................ 52
§6.2.3 手动控制器的选择和优化 ................................ 54
§6.2.4 显示装置功能分析 ...................................... 54
§6.3 操控装置的人机设计 ....................................... 55
§6.3.1 按钮的尺寸设计 ........................................ 55
§6.3.2 旋钮的尺寸设计 ........................................ 56
§6.3.3 主令手柄的尺寸设计 .................................... 57
§6.3.4 控制器之间的间距设计 .................................. 58
§6.4 联动台的可用性设计 ....................................... 59
§6.4.1 联动台的可用性设计概述 ................................ 59
§6.4.2 联动台的可用性设计原则 ................................ 60
§6.4.3 现有联动台的可用性问题分析 ............................ 60
§6.4.4 联动台安装位置优化 .................................... 61
§6.4.5 联动台的倾角 .......................................... 62
§6.4.6 联动台台面的布局 ...................................... 63
§6.5 脚踏板的设计 ............................................. 64
§6.5.1 脚踏板结构形式的选择 .................................. 64
§6.5.2 确定脚踏板的倾角 ...................................... 64
§6.5.3 脚踏板的布置 .......................................... 65
§6.6 本章小结 ................................................. 66
第七章 基于 AHP 的岸桥驾驶室的综合评价 ........................... 67
§7.1 岸桥驾驶室评价的主要因素 ................................. 67
§7.1.1 座椅评价因素 .......................................... 67
§7.1.2 操纵评价因素 .......................................... 67
§7.1.3 显示评价因素 .......................................... 67
§7.1.4 联动台箱体评价因素 .................................... 67
§7.2 综合评判模型的选择与构建 ................................. 68
§7.2.1 AHP 模型的原理与选择 .................................. 68
§7.2.2 AHP 模型的步骤 ........................................ 68
§7.2.3 确定指标权重 .......................................... 70
§7.2.4 评价指标参数的确定 .................................... 72
§7.3 评价实例 ................................................. 76
§7.4 本章小结 ................................................. 77
总结与展望 ....................................................... 78
附录 1 ......................................................... 79
附录 2 ......................................................... 81
附录 3 ......................................................... 83
附录 4 ......................................................... 84
附录 5 ......................................................... 85
参考文献 ......................................................... 88
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ................... 93
致谢 ......................................................... 94
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 岸边集装箱起重机的相关介绍
§1.1.1 岸边集装箱起重机的发展状况
集装箱起重机是专用于集装箱运输而建造的装卸搬运机械，包括集装箱龙门
起重机、岸边集装箱起重机和集装箱装卸桥等，主要集中在货场、码头等水路、
铁路和公路中转站处[1]。
岸桥集装箱起重机（简称“岸桥”）是通过专用的集装箱吊具在码头前沿完成
集装箱装卸船作业的专业设备。此外，个别码头还利用了岸桥的大后伸距和大跨
距来进行堆场作业[2]。岸边集装箱起重机是集装箱码头的主力装卸设备，其装卸
能力和速度直接决定了码头的作业效率，体现了港口的生产力水平，是我国港口
码头的重要技术物质基础，具有着重要的地位和作用[3]。
自1965 年第 1台岸边集装箱起重机诞生，迄今已有 45 年。在这 45 年里，随
着全球经济的发展，集装箱起重机械已经形成了一个影响经济又为经济所影响的
特色产业[4]。当今的岸边集装箱起重机已不再是传统意义上粗大笨重、操作复杂、
维护艰难的工业设备。随着集装箱运输船舶大型化的蓬勃发展和技术进步，岸桥
设备的科技含量也越来越高，正逐步朝着大型化、高速化、自动化和智能化，以
及高可靠性、低消耗、长寿命、环保型方向发展[5]。
§1.1.2 岸边集装箱起重机的基本结构
尽管，全球上千台岸边集装箱起重机因制造厂家或码头情况的不同而呈现出
多样性，但基本形式相差不大。常见的岸桥（如图 1-1 所示）由前后两片门框、
拉杆构成的门架以及支承在门架上的桥架组成。门架可沿着与岸线平行的轨道行
走，以便调整作业位置和对准箱位。行走小车则沿着桥架上的轨道用吊具来吊运
集装箱，进行装卸船作业[6-7]。岸桥的海侧（临海的一侧）有外伸的悬臂，陆侧（临
陆地的一侧）有后伸臂。海侧的悬臂可以活动，放平时即可进行装卸船作业[8]。
现代岸边集装箱起重机的基本结构主要由起升机构、大/小车运行机构、俯仰
机构、应急机构及一些附属装置组成[1]：
1） 起升机构：用于实现吊具、横梁或集装箱的升降运动，是岸桥最重要的
工作机构。主要由驱动机构、吊具和安全保护装置、钢丝绳卷绕系统等组成。
2） 小车运行机构：是使吊具或集装箱以及上架作水平往复运动的机构的总
称。包括运行小车驱动系统、运行小车总成、小车钢丝绳卷绕和安全保护装置。
3） 大车行走机构：是实现岸桥整机沿着码头前沿轨道作水平运动的机构。
由驱动装置及设在门框下的 4组行走台车组成。
岸桥驾驶室的人因设计及评价
2
4） 俯仰机构：实现前大梁绕大梁铰点作俯仰运动的机构。由驱动机构、安
全钩装置、钢丝绳卷绕机构及安全保护装置等组成。
5） 应急机构：是指断电或电控系统发生故障时，利用备用电源使起重机回
到安全位置或将负荷安全卸下等驱动机构。包括起升应急机构、俯仰应急机构和
小车应急机构。
6） 附属装置：包括机器房、托绳装置、理货室、载人户外电梯、俯仰机构
操作室以及其他的一些附属设备等。
图1-1 双40 英尺箱双小车岸边集装箱起重机
1
§1.2 课题的研究目的和意义
§1.2.1 课题研究背景
在世界物流的加速发展下，集装箱已成为港口吞吐量最大的货物之一。目前，
全球 750 个河流与深海港口在进行集装箱装卸作业。从 1995~2005 年的 10 年间，
全球港口集装箱吞吐量翻了三倍达到 3.98 亿TEU（Twentyfoot Equivalent Unit 标准
箱）， 据产业研究机构 One Stone Consulting Group 估计，“全球港口集装箱吞吐量
在2006~2010 年间将保持每年平均 9.4%的复合增长达到 6.25 亿TEU”[9]。国际
集装箱海上运输量大幅增加使得集装箱专用码头建设成为了港口建设的重点。作
为港口集装箱主要的搬运工具——港口岸边集装箱起重机也在飞速发展。
国际岸桥市场从 2000 年起一直保持上升趋势，到 2007 年达到最高点，2009
年有所回落。在这个不断上升的市场空间里，上海振华重工（集团）股份有限公
司（ZPMC）一直占据着霸主的地位。据统计，自 1998 年以来，ZPMC 公司产品
已进入 70 多个国家和地区。图 1-2 为ZPMC 公司岸桥数量统计图表，显示了 ZPMC
历年岸桥供货记录[4]。
1
图片来自上海振华重工（集团）股份有限公司网站 http://cn.zpmc.com/index.html
第一章 绪论
3
0
50
100
150
200
250
300
年份
数量
内销
13
26
16
52
90
118
122
95
110
42
出口
19
36
46
29
61
74
142
144
131
161
总数
32
62
62
81
151
192
264
239
241
203
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
图1-2 ZPMC 岸桥数量统计图表
尽管 ZPMC 公司目前获得了大部分的市场份额，然而由于市场对岸桥的旺盛
需求，也吸引了很多制造商来争夺、占据和巩固一定的市场份额。国外制造商
Noell、Liebherr、Kalmar、Mitsui、Doosan HI 等公司，一般都具备着较强的技术
力量，并在各自的领域独领风骚，与 ZPMC 形成剧烈的竞争。因此，在集装箱码
头吞吐量急剧增长的压力下，如何要进一步降低运输成本、提高装卸作业效率，
形成具有自主创新、企业优势的产品竞争压力越来越大。
随着岸桥行业的竞争越演越烈，相关配套部件也不断地更新换代，向更高质
量、更安全、更舒适的产品方向发展。虽然，岸桥驾驶室在整体体积上所占的比
例不大，但作为驾驶员操作机械的控制平台，它的设计直接关系到驾驶员作业时
的安全性和舒适性，以及疲劳强度的减轻和工作效率的提高。因此，在整个产品
设计中占有重要地位。一般岸桥集装箱驾驶室的环境相对其他工程机械较好，但
操作却繁重复杂，因此设计符合驾驶员生理和心理需求的驾驶条件，构建安全、
健康、舒适和高效的操作环境的要求越来越迫切，使得岸边集装箱驾驶室设计中
对人机工程学的诉求更为突出。
§1.2.2 研究目的和意义
人机工程学是一门新兴的边缘性学科，主要以人的生理和心理特点为基础，
研究人、机、环境相互关系和相互作用的规律，以实现人—机—环境系统的优化。
目前，国际上对汽车开发设计已经具备了比较全面和规范的设计标准，比如 SAE
（美国汽车工程师学会标准）、ISO（国际标准）、JIS（日本工业标准）、GB（中国
国家标准）都有关于轿车、载重卡车等机动车的有关操作空间、视野、仪表布置、
驾驶员位置等参数的设计标准。而在岸边集装箱起重机行业，由于只有国际大公
司才对该项目进行相关研究，但为了巩固其市场地位，这些研究成果通常实行技
术封锁，并不会对外发布，这严重的影响了我国此类行业的发展。
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2025-01-09 5
作者：侯斌
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：99 页
大小：4.88MB
格式：PDF
时间：2025-01-09
