基于人機工程學的采煤機械設計研究

□ 曲 芳 □ 孟慶強

黑龍江科技學院 工程訓練與基礎實驗中心 哈爾濱 150027

采煤機械是煤礦生產中的重要設備，在采煤機械的使用過程中，惡劣的環境因素對操縱者和機器均帶來極為不利的影響，已經成為采煤機械設計中需要考慮的主要問題之一。設備的性能和質量直接影響到煤礦的生產效率和安全，提高采煤機械的性能和質量，不但要提高其加工制造和使用維護水平，更要提高其設計水平。充分遵照以人為中心的理念，使機械與環境的協調設計更好地適應和滿足人類的生理和心理，所以設計師在設計時應該切實地以人為主體，充分考慮人、機、環境之間的協調關系。

采煤機械在煤田、礦區使用廣泛，經過多年努力，我國采煤機械行業取得了長足進步，但與國外同類產品相比，仍然存在著相當大的差距。這種差距不僅體現在產品質量和核心技術的應用上，還體現在對人-機-環境協調關系的研究和處理上。采煤機械工作環境惡劣，工作負荷大，工作對象具有較大的不確定性，這些因素都將對使用者和機器產生極為不利的影響。采煤機械的這些特點使得人、機、環境3者關系的相互協調顯得尤為重要。國外在20世紀末就已開始研究采煤機械設計中的人機工程問題，并將采煤機械的人機工程學評價結果作為其能否應用于礦山生產的重要指標。因此，針對采煤機械在井下多塵、潮濕以及通風不良等惡劣環境下的作業狀況，從人機工程學角度出發，開展采煤機械中人-機-環境的系統化研究，實現3者之間的協調統一和系統整體性能的最優化，對采煤機械行業的發展和現代礦山生產都具有積極的意義。

1 人機工程學與人機工程設計技術概述

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；研究在工作中、家庭生活中和休假時怎樣統一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問題的學科。強調人-機器-環境的相互作用，注重3者協調關系的研究和處理。以人為本，從人的機體特性出發，將人、機及作業環境視為一個系統整體進行分析研究。

人機工程設計技術是以人機工程學理論為基礎、面向人的產品設計技術。人機工程依據人的心理和生理特征,利用科學技術成果和數據去設計的技術系統,使之符合人的使用要求,改善環境,優化人機系統并達到最佳配合,以最小的勞動代價換取最大的經濟成果。人機工程設計的目標是在系統約束條件下,提高工作的有效性,提高生產率及質量,減少操作者可能出現的失誤、降低操作者體力和腦力消耗,盡可能地適合不同水平的操作者使用,以達到人機系統的最佳效率與效能。煤礦機械設備的安全尤為重要,因此在產品的設計過程中更應突出其人性化設計,充分考慮人的因素,把人放到人-機-環境這樣一個系統中來研究,在協調人-機工作時,盡可能放寬對人的技術要求,確保人的安全、可靠和身心健康,提高煤礦生產的安全性。

2 人機工程學在煤礦機械設計中的應用

2.1 人體測量數據的應用

由于礦井工作環境的特殊性,為了設計出符合人的生理、心理特點的機械,使操作者在作業時處于舒適的狀態和適宜的環境中,達到體能消耗最少,又提高勞動效率的目的,設計人員在產品設計階段就必須充分了解機械的使用范圍和人體各部分尺寸范圍,大量使用人體測量數據。如石門、巷道、硐室、罐籠等,其尺寸應以人體數據第95百分位數為依據。距離運轉著的機器部件的有效半徑、緊急出口尺寸等的確定,應以第99百分位數為依據。

2.2 煤礦機械的安全人機工程設計

在煤礦機械的設計和使用中,安全性占有首要的地位。煤礦機械安全性的好壞,直接影響操作者和其它工作人員的人身安全。如礦井提升設備是煤礦生產系統中的重要設備之一,它的安全運行意義十分重大。若提升設備發生事故,會造成煤礦停產,有些事故甚至可能造成重大經濟損失和人身傷亡。

目前,我國煤礦使用的提升設備大多數是手動操作。在操作過程中,提升機司機右手控制主電機操作手把,左手操作制動手把;右腳準備著踩踏動力制動踏板,實現動力制動減速。眼睛要“三看”：啟動時看信號、提升方向和滾筒上鋼絲繩排列情況；運行過程中看操縱臺上的各種儀表、深度指示器；停車時看深度指示器。同時耳朵要聽啟動和停止電鈴信號,運行中注意聽提升機運轉的聲音是否正常。在一個短短的提升循環時間內,提升機司機的手、腳、眼和耳朵都要這樣緊張地工作,遇到異常情況腦子還要反應靈敏,及時采取措施。因此,為提高提升機司機操作的可靠性,減輕操作疲勞,避免提升事故發生,必須對提升設備操作控制系統進行安全人機工程設計。

3 煤礦機械人機工程設計

3.1 色彩設計

有關實驗研究表明，在產品給人的第一印象中，色彩占80%，造型占20%，在熟悉產品之后則是兩者各占50%。由于采煤機械產品的使用環境惡劣，人們往往只注重其功能的完善以及提高強度和可靠性等方面，對于產品的外觀色彩則不夠重視。一些調查資料表明，有相當部分的礦山安全事故與產品的色彩設計不當，從而導致視讀不清，出現誤操作有關。不同的色彩對人的生理和心理有不同的影響作用。針對不同的使用者、不同的產品、不同的工作環境，運用色彩的生理學、心理學理論，科學地選擇色彩，充分發揮色彩的視覺心理作用，創造良好的色彩環境，將有助于提高人們的工作效率，保障人的健康和生產安全。

掘進、采礦和裝運等大型設備的使用環境大都灰暗潮濕，處在這種環境中，人的視覺機能受到影響，視距受到限制，視覺清晰度下降。因此設備外觀的主色調應該與環境的顏色區別開來，形成對比，以增強設備的識別性。如果設備采用與環境相近的色彩，一方面影響人的視覺判別，另一方面長時間處于這樣的環境中，會令人感到冷漠、壓抑，使人產生煩躁情緒。相反，若能充分利用色彩的特性和功能則能調動人的情緒，提高勞動效率，保障生產安全。為了讓采煤機的色彩與環境區別開來，同時給工人以安全、穩定、舒適的感覺，可采用兩色配合和套色處理。上部施以明度高的輕感色 （如淺綠色、淡黃色、乳白色），以區別于環境的灰暗色調，同時不會對操作者產生不良視覺刺激，讓人感到明朗、清晰、容易辨認，下部則施以明度低的重感色 （如深綠色、黑色），以增強采煤機的穩定感。

在確定設備的主體色調的基礎上，對于設備的一些重要部位，可采用高純度的色彩加以點綴，加強色彩的對比效果，突出重要部位，同時可以起到調節設備整體外觀的效果，使其更有生氣。如在長臂鏟、牙輪鉆機的上下部選用不同的主色調，而在長臂和鉆槳上涂上明快活潑的輕感色彩，以減少兩個部位給人的不穩定感。這樣的處理既可以降低由于色彩單一引起的煩悶情緒，又能避免色彩過于鮮艷多變加劇人的疲勞。又如在機器上的齒輪、皮帶輪、飛輪、機械手柄、刀桿等外露并帶有危險性的部分，涂以紅色等刺激性色彩，以起到警戒作用。

3.2 人機界面設計

人機界面是指人與機器進行交互的方式，是用戶與機器互相傳遞信息的媒介，它包括信息的輸入、輸出（如圖1）、機械的高度和各操縱柄的分布。

圖1 人、機、人機界面

人機界面的設計直接關系到人機關系的合理性，其研究對象主要包括顯示裝置和操縱裝置兩部分。

3.2.1 顯示裝置設計

視覺顯示裝置在礦山機械產品有著廣泛的應用，如運載設備中的各種顯示儀表、提升機控制室里的指示裝置以及生產現場的各種信號燈。在進行視覺顯示裝置設計時需要考慮的人機工程學問題有：操作者與顯示裝置之間的觀察距離；操作者所處的位置及顯示裝置相對于操作者的最佳布置區域；顯示裝置顯示形式及其匹配條件的選擇。根據人機工程學對人體生理特性的研究，人在進行操作時的視距范圍在38～76 cm之間，雙眼的視野范圍在左右60°、上下30°的區域里（見圖2）。在此范圍內，人眼不需要頻繁的轉動就能看清物體，不容易引起視覺疲勞。因此，各種儀表宜設置在操作者眼睛左右60°、視平線上下30°的正面視野內，視距控制在40～55 cm內。重要儀表如提升機深度指示器必須布置在30°視角內，布置高度大致與眼睛相平，以略低于視平線為最佳。在布置有多個儀表或信號燈的區域里，儀表的排布應與司機的觀看順序一致，從左至右或由上到下排列，且各個儀表正常位置變化所對應的指針方向應該相同。

圖2 人的水平視野

3.2.2 操縱裝置的設計

操作者站立操作的采煤機,可根據人機工程學的站姿操作臺設計原則進行設計。在采煤機電控箱方案設計時,運用TSD法總體考慮操作手柄與采煤機電控箱元件的合理匹配;高度的設計應綜合考慮功能和操作的舒適性及操作者的身高。

操作者的身高根據人體測量的統計函數方差調整確定。

從圖3可看出,采煤機操作系統包括左、右截割的起、運、停;泵電機和采煤機的起、運、停;運輸機和采煤機急停的通、斷;泵站的左右選擇和備用手柄8個部分。

圖3 采煤機手動操作系統

為了便于操作人員區分和記憶這8個功能手柄,保證操作的方便與準確,運用TSD設計法,按照其使用順序、頻率以及功能的重要性等人機工程學原則,對采煤機手動操作系統界面進行整體設計。

（1）使用頻率原則：8個手柄中,泵電機、采煤機、運輸機、站選擇、左截割和右截割手柄使用頻率高,幾乎在每次操作中都會用到。急停手柄在機器運轉異常、可能出現危險時,起到緊急停止作業功能,具有安全保護作用。因急停和備用手柄在特殊情況下使用,所以使用頻率低于其它手柄。

（2）功能重要性原則：8個手柄中,急停手柄雖然使用頻率低,但它對制止事故發生、保證人員和機器的安全起到至關重要的作用。因此,急停手柄的功能重要性要高于其它手柄。左、右截割和站選擇手柄是操作過程中的主要工作手柄,它們影響著采煤位置和采煤方式,是采煤作業過程中操作人員主要調整的手柄,具有非常重要的功能。泵電機、采煤機和運輸機手柄是使采煤機和運輸機處于運轉狀態的驅動手柄,在采煤過程中它們不需要進行調整而處于靜態,因此,它們功能重要性稍弱于上述幾個手柄。備用手柄的功能重要性處于最后的位置。

（3）使用順序原則：使用順序為泵電機、運輸機、采煤機,然后是站選擇和左、右截割,備用和急停是臨時使用手柄。

4 結束語

近年來隨著采掘機械化程度的不斷提高,煤礦機電設備的功率不斷增大,其結構也更趨復雜,操縱控制技術水平的要求也越來越高,加上研制這些設備時沒有充分考慮礦工的實際工作環境和人體因素,使得操作時,人為失誤的概率增大,設備的功能不能充分發揮。這就迫切需要在煤炭行業中開展人機工程學研究,從人機工程學角度出發,對煤礦機電設備進行合理的人機工程設計,使設備、工具宜人化,同時改善煤礦井下工作環境,使工人處于最佳的工作狀態,以減少煤礦生產事故,提高生產率。

［1］ 趙宏梅,劉春生.人機協調的采煤機操作系統設計［J］.黑龍江科技學院學報,2007（5）:352.

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