礦用鉆機(jī)人機(jī)工程學(xué)應(yīng)用分析

喬杉

摘要：礦用鉆機(jī)的施工環(huán)境惡劣，為保證施工安全，本文將人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)理論，應(yīng)用到鉆機(jī)的設(shè)計(jì)中，對(duì)控制噪聲、人體測(cè)量數(shù)據(jù)、維修設(shè)計(jì)以及鉆機(jī)外形和顏色搭配等進(jìn)行了人機(jī)工程學(xué)分析，力求設(shè)計(jì)出更加安全、可靠、高效的鉆機(jī)，為煤礦的安全、高效開采提供服務(wù)。

關(guān)鍵詞：礦用鉆機(jī);人機(jī)工程學(xué);安全

0 ?引言

鉆機(jī)是進(jìn)行煤礦瓦斯抽采鉆孔和煤層注水鉆孔等工程必備的鉆進(jìn)設(shè)備，有必要保障鉆機(jī)的可靠性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化鉆孔，從而保證施工的安全。機(jī)器的運(yùn)行要根據(jù)操作者的目的來進(jìn)行，通過建立合理的人-機(jī)安全系統(tǒng)，能夠使人機(jī)系統(tǒng)更加高效協(xié)調(diào)。比如，吳鑫和張凱對(duì)煤礦自動(dòng)上下桿液壓鉆機(jī)進(jìn)行了研究，闡述了該鉆機(jī)的工作原理，論證了主要部件的設(shè)計(jì)思路和總體方案。肖玉清對(duì)遙控鉆機(jī)進(jìn)給桿的自適應(yīng)定位技術(shù)進(jìn)行研究，為遙控鉆機(jī)進(jìn)給桿機(jī)構(gòu)和其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精確定位，提供了理論依據(jù)和解決方案。冀龍飛指出吉龍ZDY1900S全液壓鉆機(jī)可滿足多種工況的工作要求，并提出通過使用變電動(dòng)機(jī)和可變泵，能夠提高工作性能的研究方法。陳晨提出了礦山水力鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)裝卸系統(tǒng)，并研究了設(shè)備的工作原理、運(yùn)動(dòng)狀況、工程結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)度等。以人機(jī)工程學(xué)為基礎(chǔ)，對(duì)鉆機(jī)的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行研究和分析，不僅實(shí)現(xiàn)了多桿存儲(chǔ)功能，還解決了鉆桿的自動(dòng)裝卸問題，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，在操作過程中確保了操作人員的人身安全。

1 ?人機(jī)工程學(xué)

人機(jī)工程學(xué)是指通過應(yīng)用人體力學(xué)、勞動(dòng)心理學(xué)、人體測(cè)量學(xué)、勞動(dòng)生理學(xué)等研究方法，來研究人體的結(jié)構(gòu)和功能特征，提供每個(gè)人體各部位的尺寸、重量、表面積，以及活動(dòng)期間人體的比重、重心、人體各部位之間的關(guān)系;分析人體結(jié)構(gòu)特征的可達(dá)到范圍值;分析人體功能參數(shù)，人體各部位的出力范圍和運(yùn)動(dòng)過程中的習(xí)慣，并分析人的視覺和聽覺等感覺器官功能特性;分析人體在各種工作過程中的能量消耗、疲勞機(jī)制、生理變化以及對(duì)各種工作量的適應(yīng)能力;分析在工作中心理因素對(duì)工作的影響以及影響心理的若干因素。

人機(jī)工程學(xué)是研究人-機(jī)-環(huán)三者之間的關(guān)系，以及總體性能最優(yōu)化的一門學(xué)科，為滿足人體操作舒適的需求創(chuàng)造出最佳條件，最終使系統(tǒng)獲得最佳效益為目的，實(shí)現(xiàn)人機(jī)的高度協(xié)調(diào)，形成經(jīng)濟(jì)、安全和高效的有機(jī)體系。人機(jī)工程學(xué)具有以下有關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：

①機(jī)器操作部件的尺寸、形狀和作用力應(yīng)與人體匹配;

②機(jī)器的控制部件應(yīng)方便易用;

③可以防止操作中的意外傷害和因誤操作而引起的危險(xiǎn);

④每個(gè)組件的安裝都可以清晰地對(duì)其進(jìn)行識(shí)別;

⑤機(jī)器不會(huì)對(duì)操作者的感官器官產(chǎn)生不利影響。

2 ?人機(jī)工程學(xué)在鉆機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 鉆機(jī)噪聲控制

巷道鉆機(jī)在使用過程中會(huì)產(chǎn)生包括電動(dòng)機(jī)聲、齒輪聲、電動(dòng)機(jī)聲、泵聲在內(nèi)的復(fù)雜噪音，噪音會(huì)嚴(yán)重影響工作人員的情緒，使人心煩氣躁，注意力難以集中;甚至過大的噪音，會(huì)導(dǎo)致員工之間難以交流，無(wú)法協(xié)調(diào)配合工作，以致出現(xiàn)操作失誤，導(dǎo)致事故發(fā)生;噪音有時(shí)也會(huì)將設(shè)備故障產(chǎn)生的報(bào)警聲音掩蓋，工作人員無(wú)法及時(shí)察覺，進(jìn)而導(dǎo)致故障產(chǎn)生。因此為控制噪聲，在鉆機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，需從噪聲源和噪聲傳播兩方面來控制巷道鉆機(jī)的噪聲。就噪聲源而言，齒輪可以通過良好的設(shè)計(jì)和加工來減少噪聲，泵、電動(dòng)機(jī)等可選擇合適機(jī)型，通過減輕振動(dòng)來控制噪聲。因此合理的設(shè)計(jì)、加工和選擇合適的結(jié)構(gòu)和機(jī)型，能夠滿足鉆機(jī)噪聲控制的要求。對(duì)于噪音傳播，可以通過安裝消聲器、隔音罩等方法，減少噪聲向外傳播的強(qiáng)度。

2.2 主操縱臺(tái)人機(jī)工程設(shè)計(jì)

操縱臺(tái)是鉆機(jī)的控制中心，也是人機(jī)交互設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部件，它的顯示、操作、控制位置和布局都決定了是否高效、舒適的工作。因此操縱臺(tái)人機(jī)工程設(shè)計(jì)要求操作舒適、簡(jiǎn)單、視線清楚。

針對(duì)以上要求，鉆機(jī)設(shè)計(jì)中基于操作功能進(jìn)行分類布局，如圖1所示。將定向鉆進(jìn)操作與回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)操作分區(qū)集中布置在左、右兩側(cè)，右側(cè)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)又將副泵鉆進(jìn)操作進(jìn)行區(qū)分布置，同時(shí)也對(duì)顯示功能進(jìn)行分區(qū)，主要顯示采用大直徑壓力表，顯示鉆進(jìn)中觀察頻次高的壓力值（給進(jìn)壓力、起拔壓力和泥漿泵壓力），可大大減少監(jiān)測(cè)人員疲勞感。而非主要顯示則采用小直徑兩行布置的壓力表，顯示主、副泵、回油壓力等不需頻繁觀測(cè)的壓力。在水平操作中，臺(tái)面傾斜12～24°時(shí)，人的姿勢(shì)移動(dòng)幅度小，疲勞與不適感小，因此臺(tái)面傾斜為16°。操縱臺(tái)上防護(hù)欄的設(shè)計(jì)一方面防止人員倚靠操縱臺(tái)時(shí)誤碰手柄;另一方面是手臂操作時(shí)休息的扶手。操縱臺(tái)上方網(wǎng)狀防護(hù)主要是對(duì)操作手柄、壓力表、流量計(jì)等液壓件進(jìn)行防護(hù)，防止煤塊、巖塊掉落損壞液壓件。面板長(zhǎng)、寬和高以緊湊布局手柄和壓力表為準(zhǔn)則，面板長(zhǎng)度控制在兩手臂張開120°時(shí)兩手臂長(zhǎng)以內(nèi)。為了操作的舒適，將使用頻率高的定向鉆手把、給進(jìn)、起拔和回轉(zhuǎn)手把置于距離人身體中心位置最近的位置。

為了使得操縱臺(tái)能更好地滿足人體生理學(xué)的舒適性要求，將人機(jī)工程學(xué)中的H點(diǎn)、眼橢圓、人體模型和手伸及界面等概念和方法應(yīng)用到鉆機(jī)操縱臺(tái)設(shè)計(jì)中，對(duì)操縱臺(tái)的視野性能、儀表板及儀表布置、座椅界面、操縱手柄位置、操縱空間等進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核。 本文采用 CATIA 軟件進(jìn)行仿真，進(jìn)行操縱臺(tái)視域測(cè)試，測(cè)試表明：主操縱臺(tái)各儀表都處于正常視野，設(shè)計(jì)合理;同時(shí)還在左、右操作位置模擬實(shí)際手臂操作，得到雙手伸出最舒適的范圍。

2.3 人體測(cè)量數(shù)據(jù)在鉆機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

參考人體構(gòu)造尺寸和功能尺寸，在保證工作人員操作時(shí)安全性和舒適性的前提下，設(shè)計(jì)鉆機(jī)。

2.3.1 操作臺(tái)及座椅的位置和高度設(shè)計(jì)

鉆機(jī)的操作員都為男性，因此以男性數(shù)據(jù)為參考依據(jù)。操作平臺(tái)中操作部件的高度，應(yīng)盡可能接近人體舒適操作的高度，從而減少工人疲勞，提高工作率。操作裝置的位置應(yīng)在人雙臂可觸及的范圍內(nèi)，且在操作過程中視線不受阻。由于在施工中可能會(huì)出現(xiàn)煤粉、水涌出等復(fù)雜情況，因此操作臺(tái)要遠(yuǎn)離鉆孔位置，以確保作業(yè)安全。在滿足條件的情況下，最大限度的為操作人員設(shè)置座椅，且座椅結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)符合安全人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)，操作人員能夠在工作過程中有舒適的體驗(yàn)。

2.3.2 各操作手柄設(shè)計(jì)

首先，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向，應(yīng)和操作人員操控手柄移動(dòng)的方向一致，執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)操作手柄的移動(dòng)方向而對(duì)應(yīng)的移動(dòng)。其次，操作人員推拉手柄力的設(shè)計(jì)，應(yīng)在大多數(shù)操作員所熟悉的范圍之內(nèi)。最后，手柄尺寸設(shè)計(jì)要合理，能適應(yīng)人手尺寸，便于操作員舒適操作。

2.4 鉆機(jī)中維修性人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)

以維修性人機(jī)工程為基礎(chǔ)，對(duì)鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在出現(xiàn)故障后，維修人員可以快速找到故障并及時(shí)進(jìn)行維修。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)積累，目前出現(xiàn)故障主要集中在密封件和結(jié)構(gòu)件兩方面。在密封件方面，主要有接頭、膠管、油罐密封等;在結(jié)構(gòu)件方面，主要有襯板、箱體軸承、銷軸等。針對(duì)以上兩部分的維修性人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)主要有：

2.4.1 維修的安全性

安全性要求指維修人員不會(huì)因觸電、機(jī)械損壞或其他傷害而受傷，且在鉆機(jī)設(shè)計(jì)工程中，維修人員可能觸及到的所有機(jī)器零部件，都應(yīng)消除棱角和鋒利邊緣，可有效避免傷害。

2.4.2 維修人員方便維修

首先，鉆機(jī)的設(shè)計(jì)必須具有可達(dá)性，即在鉆機(jī)出現(xiàn)故障后，維修人員可以輕松地發(fā)現(xiàn)和觸及到故障位置，并進(jìn)行維修。比如在鉆機(jī)上安裝觀察窗、預(yù)留維護(hù)空間和裝配相關(guān)部件都可以滿足可及性。其次，鉆機(jī)要易于拆卸和組裝，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，方便對(duì)零部件進(jìn)行拆卸和維修，且對(duì)易損件采用快速拆卸結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)約時(shí)間提高工作效率。

2.5 鉆機(jī)外觀設(shè)計(jì)

視覺功能包括視野、對(duì)比度、視野距離等方面，環(huán)境的顏色會(huì)對(duì)人眼產(chǎn)生一定的刺激，白色視野范圍最大，黃色次之，藍(lán)色、紅色、綠色依次減小。回轉(zhuǎn)器和給進(jìn)裝置的活動(dòng)范圍最大，為防止在操作時(shí)出現(xiàn)盲區(qū)，影響工人操作，將這兩個(gè)部件設(shè)置為黃色，可有效適應(yīng)活動(dòng)范圍。顏色的合理搭配可有效地緩解眼部疲勞，使眼睛更加舒適，而不合理的搭配卻會(huì)嚴(yán)重刺激眼睛，加速眼睛疲勞，甚至出現(xiàn)幻覺，導(dǎo)致操作的失誤，引發(fā)安全事故。

根據(jù)色彩科學(xué)原理，色相、明度和飽和度是人類對(duì)色彩主要視覺分辨因素，因此可將工作臺(tái)的背景顏色設(shè)置為藍(lán)色，將給進(jìn)裝置的外觀顏色設(shè)置為黃色，將過渡部分背景色設(shè)置為藍(lán)色，以防止出現(xiàn)較大的色差。由于機(jī)架放置在昏暗的巷道中，會(huì)受到環(huán)境的影響，可將其設(shè)置為與礦山環(huán)境成鮮明對(duì)比的土黃色。儲(chǔ)桿箱作為操作員經(jīng)常使用的部件，會(huì)導(dǎo)致桿顏色脫落較快，因此將儲(chǔ)桿箱的顏色設(shè)置為灰色。藍(lán)綠色可有效增加在黑暗環(huán)境中察覺的概率，因此機(jī)械操作部分設(shè)置為綠色，可以在操作過程中將其準(zhǔn)確定位以避免過度操作。合理利用色彩科學(xué)原理，使得鉆機(jī)各設(shè)備部件的顏色達(dá)到較為舒適的視覺舒效果，且鉆機(jī)外觀與礦井環(huán)境形成對(duì)比，能夠使工人抑郁的心理情緒得到釋放。

3 ?結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的自動(dòng)化控制操作，提高工作效率，本文結(jié)合人機(jī)工程學(xué)，對(duì)鉆機(jī)的噪聲控制、人體測(cè)量數(shù)據(jù)、故障維修以及鉆機(jī)外形和顏色搭配等進(jìn)行了分析。綜上所述，合理利用人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)思想，可以更好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)結(jié)合，使機(jī)械產(chǎn)品更加美觀，在保障安全生產(chǎn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)。

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