5000 m巖心鉆機司鉆室人機工程設計

黃洪波，李 靜，程斯一，陳碧海，康濤，王玉丹，姚 鄒，賀 鑫，文國軍

(1.中國地質裝備集團有限公司，北京 100016；2.中國地質大學(武漢)機械與電子信息學院，武漢 430074；3.湖北省智能地質裝備工程技術研究中心，武漢 430074)

0 引言

司鉆室是巖心鉆機控制與顯示系統的核心部件和控制中樞，也是巖心鉆機的“駕駛室”和“心臟”[1]。作為鉆機控制中心，司鉆室在巖心鉆機上具有非常重要的作用,司鉆人員可在司鉆室內控制整個井場的鉆井作業。一個舒適、美觀、人性化的司鉆室對于保證司鉆安全、降低司鉆勞動強度、方便鉆井監督人員作業、提高鉆井質量和效率、規范鉆井作業等方面都具有重要的意義。

用于5000 m巖心鉆機的高質量司鉆室需配備人性化的座椅、視覺裝置、操縱裝置等，并集手動控制、電動控制、半自動化控制等于一身，還包括按鈕式、手柄式、集成式等多種類型的操縱裝置，同時采取有效的防爆、防火、防腐、防震、隔熱、隔音措施，可抵抗強光、紫外線照射及外力沖擊，使操作人員的操作更為舒適、更為人性化[2]。因此，本文介紹了5000 m巖心鉆機智能化、集成化司鉆室的設計，總體設計系統圖見圖1。

圖1 5000 m巖心鉆機司鉆室設計系統圖

1 司鉆室H點、眼橢圓計算及確定

H點位于人體軀干與大腿的鉸接點，即跨點，是汽車設計中布置駕駛室的設計基準點，其位置直接影響到駕駛員的操縱方便性和乘坐舒適性[3]。巖心鉆機司鉆姿勢與汽車駕駛員的駕駛姿勢相似。人體尺寸百分位表示具有某一人體尺寸和小于該尺寸的人占統計對象總人數的百分比,以人體身高為例，P1、P5、P10為小個頭，P90、P95、P99為大個頭[4]。本文選擇P95=1775 mm作為人體尺寸的設計基準，結合CATIA軟件的建模以及人機工程學設計的人體尺寸，可得出其H點位置區域水平移動距離220 mm，豎直移動距離180 mm[5]。

眼橢圓是描述眼睛在空間上相對空間內部參考點位置的一種統計表示法。在巖心鉆機司鉆過程中，人眼在三維立體方面會有垂直視野影像范圍和水平視野影像范圍。圖2為司鉆人員垂直視野示意和水平視野示意。

圖2 司鉆人員視野圖

結合人眼視野和各操作過程所需要的距離關系選擇最佳的視野和視距，見表1。

表1 5000 m巖心鉆機工作任務視距推薦值

巖心鉆機的司鉆人員可以通過眼橢圓來校核巖心鉆機的視野范圍和儀表臺設計，從而確定監控的位置、安裝角度以及如何處于最佳的井口觀測角度，便于高效司鉆。

2 司鉆室座椅、儀表臺、顯示屏及操縱裝置設計

2.1 司鉆室座椅設計

根據P95男性司鉆人員在司鉆室放松坐姿的H點可以確定司鉆室座椅的參考點，從而確定座椅的調節尺寸。座椅到地面的高度470 mm，座椅寬度520 mm，椅面的最大寬度470 mm，座椅最前端到座椅靠背處的距離440 mm，座椅靠背高度710 mm，座椅靠背傾角為0°～10°；座椅可以前后移動，移動距離選擇80 mm；座椅底座可以旋轉調節。

將人體三維模型和座椅模型進行裝配，如圖3所示，可以看出所設計的座椅滿足司鉆人員的操作需求，而且背部貼合緊密，不會對頸部造成傷害。此外還增加了水杯和手機托架設計，更加方便司鉆人員進行司鉆操作。

圖3 司鉆人員乘坐座椅圖

2.2 司鉆室儀表臺及顯示屏設計

根據H點和眼橢圓的計算即可對儀表臺進行設計。司鉆人員依據儀表臺的信息可以及時對現場司鉆狀況進行調整操作，同時儀表臺不能阻擋司鉆人員前方以及側方視野，故將儀表臺設計在座椅扶手前方。儀表臺長×寬尺寸為200 mm×300 mm，具有視覺舒適性，外部結構采用不銹鋼材料，防止碰撞，顯示界面角度可傾斜，外觀采用幾何圖形設計，簡潔明了。

設計兩個電腦顯示屏對5000 m巖心鉆機的儀表信息進行數據顯示。顯示器設置在單獨的底座上，方便應對各種現場布置狀況以及司鉆場景的選擇。其尺寸為500 mm×300 mm，離地高度為710 mm，整體可以移動布置，適用于各類人群和各類場景。儀表臺與人體H點距離為710 mm，人體頸部左右轉動15°即可看到兩側儀表臺。儀表臺和顯示屏整體三維模型如圖4所示。

圖4 儀表盤和顯示屏整體展示

2.3 司鉆室操縱裝置設計

通過手柄控制5000 m巖心鉆機頂驅裝置的轉速和絞車送鉆速度，泥漿泵壓力調節采用旋鈕。井口關鍵設備中的立根作業和單根作業需要一鍵式作業，一鍵完成起下鉆作業中的提吊、擰卸、擺放以及加單根作業中的貓道機輸送。

設計兩個手柄，手柄尺寸均為75 mm×120 mm×24 mm，左側手柄為絞車操控，右側手柄為頂驅轉速調節。左側設計六個按鈕，按鈕直徑均為25 mm，厚度均為15 mm，按鈕功能分別為絞車、頂驅、泥漿泵緊急制動，貓道機控制，立根作業和單根作業一鍵操作。右側設計兩個旋鈕，旋鈕直徑25 mm、長度50 mm、厚度15 mm，上方旋鈕為司鉆室控制系統啟動運行旋鈕，下方為井口關鍵設備啟動按鈕。操縱裝置整體布置如圖5所示。

圖5 操縱裝置整體布置圖

3 司鉆室空間布局設計

3.1 司鉆室外觀設計

司鉆室整體外型設計基于人機工程學理論。一方面在不超過最大外輪廓尺寸的前提下，盡可能擴大司鉆室空間；另一方面，司鉆室內部布置應緊湊且不造成空間資源的浪費，方便司鉆室的升級改造。對司鉆室房體轉折處進行橢圓化、透明化處理，解決房體轉折處遮擋視線問題，還安裝了吊環、空調、節能燈等功能性配件。在保證人機工程學的合理性和適應性的基礎上，實現造型的美觀。

3.2 輔助裝置設計

由于司鉆現場的布局很容易影響司鉆視野，造成司鉆視野(司鉆人員對井口的實時觀測)不足，并由此導致司鉆過程中司鉆人員對井口情況的判斷失誤，從而造成誤操作，故增加旋轉輔助裝置。通過旋轉司鉆室上部，調整司鉆人員對井口的視角，可以在司鉆室處于不同布局的情況下，保證司鉆人員的井口視野。此外，對鉆機司鉆室底座增加平衡裝置來應對各種惡劣的環境和工況，保證司鉆人員操作的安全穩定以及平衡。旋轉輔助裝置和平衡裝置均利用電機和減速機配合來驅動。

3.3 司鉆室整體布局方案

5000 m巖心鉆機的司鉆室內一般安排主司鉆和副司鉆兩名司鉆人員。主司鉆人員負責司鉆的整體操作和控制，副司鉆人員負責協助和輔助主司鉆人員對儀表盤數據、視頻監控等進行監督，防止誤操作。根據主、副司鉆的功能和職位，有以下三種司鉆室布局方式。

第一種布局是組合式布局，房體為邊長3500 mm的六邊形，高度2700 mm。司鉆室內設計兩套操縱裝置，主司鉆人員進行鉆機鉆進裝置的控制和操作，與此同時，副司鉆人員利用另一套虛擬操縱裝置在司鉆室內對監控平臺進行觀測，如圖6(a)所示。這種布局的缺點是司鉆室的設計尺寸與同類型的石油鉆機司鉆室體積等同，司鉆室占地面積過大，不方便搬運和吊接。

圖6 司鉆室整體布局

第二種是一體式布局，房體為邊長2000 mm的六邊形，高度2700 mm。該布局在組合式布局的基礎上去除副司鉆操作臺，同時將顯示器設置在主司鉆臺背面，副司鉆監控功能集成設置在主司鉆臺上面，背面留有空間放置便攜式座椅，如圖6(b)所示。

第三種是分布式布局，房體尺寸為2000 mm×2000 mm×2600 mm。該布局在一體式布局的基礎上增添視頻學習和虛擬操作功能，同時對主司鉆人員的司鉆操作進行劃分，使操作空間更加緊湊，體積更小，同時增加了移動裝置。司鉆可以不受場地限制，如圖6(c)所示，但缺乏主副司鉆現場人員的交流。

利用人機環境原則對比三種布局方案，第一種方案為最舒適司鉆室，第二種方案為舒適司鉆室，第三種方案過于超前，不太現實，但可以作為小功率巖心鉆機司鉆室方案。經過對比分析，第二種一體式布局方案在滿足人機工程設計的基礎上，更加符合現場工作環境和要求。三種方案對比見表2。

表2 三種司鉆室設計方案對比

4 結論

本文針對5000 m智能地質巖心鉆機設計了符合人機工程學理論的司鉆室，利用H點和眼橢圓人機工程學理論和人機工程學等設計原則完成了對司鉆室座椅、儀表臺、顯示器、操縱裝置的布置設計，提出了組合式、一體式、分布式三種人機工程學布置方式，在一定程度上解決了現有司鉆室存在的布局影響視角、操縱和顯示裝置數量過多等問題，減少了司鉆人員的誤操作，對實際應用意義重大。為了更好地實現司鉆室控制系統信息化與智能化，操作系統電氣化與人性化，同時滿足更大深度巖心鉆探在鉆深能力、風險監控、集中操控等方面的發展需求，兼顧新興科技、芯片等高集成度、模塊化定制的巖心鉆機司鉆室有了光明的發展前景。依據各種各樣的人機工程環境，選擇適合的控制方式和操縱形式，同時對司鉆室進行模塊化的人機工程學定制，已成為大勢所趨。