人機工程在煤礦機械設計中的應用

張青花

（1.太原理工大學，山西　太原　030024； 2.大同煤礦集團機電裝備制造有限公司，山西　大同　037003）

引言

煤炭行業是我國經濟發展的支撐行業，對于煤礦開采與生產來說，現階段我國已經形成初步的機械化操作模式，煤礦機械種類繁多，操作模式眾多，而煤礦機械設備一般操作原理與操作過程較為復雜，加之井下環境惡劣，噪音、震動、油污、粉塵等不僅干擾井下操作人員而且對煤礦機械也有著一定的影響，特別是對操作人員來說，長期處于這種嘈雜、惡劣的工作環境，難免因緊張、疲憊而形成操作失誤，而產生機械故障的現象。而隨著我國機械工業的不斷發展，煤礦機械設計對人機工程的要求增加，使煤礦機械設計過程中加強對人機工程學的運用，從而提高人員操作效率，減少因人員操作而造成的機械故障現象。

1　人機工程的原理

人機工程，即按照以人為本的原則對機械設備進行設計和制造，從而方便操作人員的操作。人是人機工程中最為重要的參照部分，通過以人為本的思路構造和設計機械設備，統籌各個環節的工程活動，對于煤礦機械設計來說，人機工程融合了環境學、人機界面互動、工程技術學以及機械造型美學等學科，在機械設備設計中，考慮操作人員與機械設備的適應性，同時也考慮到人與機械設備完美匹配的技術化處理等等。

如圖1所示煤礦機械操作中的人機界面可以看出，煤礦機械設計過程十分復雜，包含了不同環節的各類操作流程，在機械設備設計初期，需要按照機械設備的用途以及需要完成的作業流程為主，而在人機工程設計的過程中，需要兼顧人員你操作的便捷性、科學性與精準性，優化人員操作方式來提高機械設備的運行效率，同時還需要避免設計漏洞和缺陷，因此可以說，煤礦機械設備中人機工程的應用是在符合機械設備生產需求的同時，對人員操作安全性和穩定性的一種兼顧[1]。

圖1　煤礦機械人機界面

2　人機工程對煤礦生產的重要性

煤礦生產的系統和生產方式極為復雜，隨著我國煤炭行業機械化、自動化趨勢的不斷推進以來，煤礦機械的使用率普遍提高，而伴隨著煤礦機械的普及，機械事故的發生也層出不窮，井下人和設備由于工作環境復雜，噪音、粉塵、潮濕、有害氣體等方面不斷侵蝕和威脅著井下人員和設備，使井下人員精神狀態不佳，進而引起操作故障導致機械事故的發生，嚴重威脅著井下作業的安全性和穩定性。

隨著近年來煤礦開采難度的不斷增加，煤礦采掘機械化程度也不斷提高，煤礦機械設備的質量、體積以及功率等方面也不斷加大，造型、結構、操控也更加復雜化，對操作人員的技術能力要求也不斷提高，因此為了保障煤礦安全、穩定生產，需要從機械設備的設計角度出發，提高煤礦機械設備的人機工程應用率，使大型的機械設備能夠以宜人化的特點降低人員操作難度，從而降低機械設備故障的發生頻率，提高煤礦井下生產的安全性和穩定性。

因此，煤礦機械設備中對人機工程的應用，一方面可以在機械設備的設計方面遵循以人為本的原則，使機械操作過程更負荷人員操作習慣和生理特征，另一方面，在煤礦機械設備中運用人機工程，一定程度上可以降低操作故障的發生率，提高煤礦安全生產效益。

3　人機工程在煤礦機械設計中的應用

隨著我國煤炭產業開采難度的不斷增加，煤礦機械設備和煤礦操作人員的人機系統也越來越復雜，隨著煤礦機械化的發展，煤礦生產對人機工程的要求也越來越高，而提高人機工程在煤礦機械設計中的應用就需要從以下幾個方面進行：

3.1　優化人機互動界面

人機界面是煤礦機械設備在井下運行過程中操作人員對設備的控制與人際交流平臺，操作人員可以通過人機界面掌握設備的運行狀況和下一步的操作計劃等等，通常情況下，操作人員需要通過人機界面來操控機械設備，因此，優化人機互動界面可以提高操作人員的操作感受，實現對機械設備的有效操作[2]。

例如，在優化人機互動界面的設計中，針對操作人員面對復雜的機械化和流程化的數據時，難免產生疲勞等精神狀態，因此在人機互動界面的設計中，可以通過色彩的調節，數據字體的搭配等方法，提高操作人員的精神狀態，從而提高機械設備的操作效率，避免機械故障的發生。

3.2　控制井下生產噪音

煤礦產業是一個機械化程度較高、機械設備相對密集的產業，而且由于煤礦生產一般是井下操作為主，因此相對于其他行業來說，煤礦開采和生產過程中的噪音對生產活動的影響較大。據相關數據統計，在煤礦井下作業的同時，采煤機和掘進機通常的噪音為90 dB左右，而錨桿機甚至超過100 dB，這種形式的噪音已經對井下操作人員產生了一定影響，對井下機械操作人員也形成一定的影響，不僅危害人體健康，而且嚴重影響了操作人員對機械設備的操控能力。

因此在運用人機工程對井下噪音進行控制時，需要對煤礦機械設備采用以空氣動力學、聲學等多種學科知識，降低設備運行時的噪音，或者將高噪音、高震動的機械設備進行升級和改造，以降低井下的噪音，從而提高井下設備操作的安全性和穩定性，降低機械設備操作故障。

3.3　實時采集人機數據

煤礦機械設備在運行中的數據實時傳遞是人機工程設計和操作人員安全、穩定操作的重要因素，因此在機械設備運用人機工程學的同時，需要針對各類人機產品，在設計時應該全面考慮到產品數據的實時傳遞對操作人員的影響，另外人機工程在數據采集和傳輸的過程中也需要以人文本，考慮到操作人員的操作習慣和操作舒適度，從而提高操作效率。

例如，在煤礦機械設備裝載機或者鏟煤機的人機工程設計中，設計人員需要確保各操作元件之間的距離，如采煤機或者鏟煤機的剎車和油門的腳踏位置，不僅需要進行一定的間隔，而且還需要切實考慮到駕駛人員在駕駛室的活動不會影響剎車和油門的功能，以符合人們身體和生理習性的方法布置操控元件和儀表儀盤等等，從而使機械設備更具操作性，降低機械設備的故障率[3]。

3.4　機械設計中的要點

由于煤礦井下作業過程中機械設備的應用率較高，而機械設備需要人員的規范操作，因此機械設備設計的要點是滿足生產作業需求的同時以安全、穩定、高效為目標，這也是人機工程在機械設備設計中的主要作用之一，實現了煤礦機械設備操作的便捷性和實用性，在設計過程中對于操作人員肢體所處的位置也需要消除倒刺、銳角等等，確保工作人員位置的安全性，另外，在人機工程的運用中，一方面要考慮操作環境對操作人員的影響，另一方面還需要根據人體的生理構成進行相關零部件的裝置，以方便操作的方式降低操作難度，減少機械故障的發生，提高煤礦生產的安全性和穩定性。

4　結語

隨著煤礦機械化進度的不斷加快，煤礦井下操作的機械化程度不斷提高，由于受到井下多方面的綜合環境影響，煤礦機械磨損、失效等現象頗為常見，造成了一定的經濟損失。而在當前機械化發展階段，人機工程在煤礦機械設備中的運用，不僅可以通過人機工程的思路來改善操作環境和操作空間，提高操作安全性和規范性，一定程度上促進了煤礦機械故障的降低。但是在當前人機工程的運用中，依然存在一定的缺陷和不足，有待我們繼續研究和改善。

[1]李洪剛.人機工程學在煤礦機械產品中的應用研究[J].機電產品開發與創新，2013（4）：60-61.

[2]李紅濤，張麟.人機工程在煤礦中的應用現狀及展望[J].礦山機械，2013（5）：53.

[3]鄭杰.人機工程在煤礦機械設計中的應用[J].能源與節能，2017（4）：150-151.