基于人機(jī)工程學(xué)的采煤機(jī)械設(shè)計(jì)研究

□ 曲 芳 □ 孟慶強(qiáng)

黑龍江科技學(xué)院 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心 哈爾濱 150027

采煤機(jī)械是煤礦生產(chǎn)中的重要設(shè)備，在采煤機(jī)械的使用過(guò)程中，惡劣的環(huán)境因素對(duì)操縱者和機(jī)器均帶來(lái)極為不利的影響，已經(jīng)成為采煤機(jī)械設(shè)計(jì)中需要考慮的主要問(wèn)題之一。設(shè)備的性能和質(zhì)量直接影響到煤礦的生產(chǎn)效率和安全，提高采煤機(jī)械的性能和質(zhì)量，不但要提高其加工制造和使用維護(hù)水平，更要提高其設(shè)計(jì)水平。充分遵照以人為中心的理念，使機(jī)械與環(huán)境的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)更好地適應(yīng)和滿足人類的生理和心理，所以設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該切實(shí)地以人為主體，充分考慮人、機(jī)、環(huán)境之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。

采煤機(jī)械在煤田、礦區(qū)使用廣泛，經(jīng)過(guò)多年努力，我國(guó)采煤機(jī)械行業(yè)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，仍然存在著相當(dāng)大的差距。這種差距不僅體現(xiàn)在產(chǎn)品質(zhì)量和核心技術(shù)的應(yīng)用上，還體現(xiàn)在對(duì)人-機(jī)-環(huán)境協(xié)調(diào)關(guān)系的研究和處理上。采煤機(jī)械工作環(huán)境惡劣，工作負(fù)荷大，工作對(duì)象具有較大的不確定性，這些因素都將對(duì)使用者和機(jī)器產(chǎn)生極為不利的影響。采煤機(jī)械的這些特點(diǎn)使得人、機(jī)、環(huán)境3者關(guān)系的相互協(xié)調(diào)顯得尤為重要。國(guó)外在20世紀(jì)末就已開(kāi)始研究采煤機(jī)械設(shè)計(jì)中的人機(jī)工程問(wèn)題，并將采煤機(jī)械的人機(jī)工程學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果作為其能否應(yīng)用于礦山生產(chǎn)的重要指標(biāo)。因此，針對(duì)采煤機(jī)械在井下多塵、潮濕以及通風(fēng)不良等惡劣環(huán)境下的作業(yè)狀況，從人機(jī)工程學(xué)角度出發(fā)，開(kāi)展采煤機(jī)械中人-機(jī)-環(huán)境的系統(tǒng)化研究，實(shí)現(xiàn)3者之間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一和系統(tǒng)整體性能的最優(yōu)化，對(duì)采煤機(jī)械行業(yè)的發(fā)展和現(xiàn)代礦山生產(chǎn)都具有積極的意義。

1 人機(jī)工程學(xué)與人機(jī)工程設(shè)計(jì)技術(shù)概述

人機(jī)工程學(xué)是研究人在某種工作環(huán)境中的解剖學(xué)、生理學(xué)和心理學(xué)等方面的各種因素；研究人和機(jī)器及環(huán)境的相互作用；研究在工作中、家庭生活中和休假時(shí)怎樣統(tǒng)一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問(wèn)題的學(xué)科。強(qiáng)調(diào)人-機(jī)器-環(huán)境的相互作用，注重3者協(xié)調(diào)關(guān)系的研究和處理。以人為本，從人的機(jī)體特性出發(fā)，將人、機(jī)及作業(yè)環(huán)境視為一個(gè)系統(tǒng)整體進(jìn)行分析研究。

人機(jī)工程設(shè)計(jì)技術(shù)是以人機(jī)工程學(xué)理論為基礎(chǔ)、面向人的產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)。人機(jī)工程依據(jù)人的心理和生理特征,利用科學(xué)技術(shù)成果和數(shù)據(jù)去設(shè)計(jì)的技術(shù)系統(tǒng),使之符合人的使用要求,改善環(huán)境,優(yōu)化人機(jī)系統(tǒng)并達(dá)到最佳配合,以最小的勞動(dòng)代價(jià)換取最大的經(jīng)濟(jì)成果。人機(jī)工程設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在系統(tǒng)約束條件下,提高工作的有效性,提高生產(chǎn)率及質(zhì)量,減少操作者可能出現(xiàn)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(dá)到人機(jī)系統(tǒng)的最佳效率與效能。煤礦機(jī)械設(shè)備的安全尤為重要,因此在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中更應(yīng)突出其人性化設(shè)計(jì),充分考慮人的因素,把人放到人-機(jī)-環(huán)境這樣一個(gè)系統(tǒng)中來(lái)研究,在協(xié)調(diào)人-機(jī)工作時(shí),盡可能放寬對(duì)人的技術(shù)要求,確保人的安全、可靠和身心健康,提高煤礦生產(chǎn)的安全性。

2 人機(jī)工程學(xué)在煤礦機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 人體測(cè)量數(shù)據(jù)的應(yīng)用

由于礦井工作環(huán)境的特殊性,為了設(shè)計(jì)出符合人的生理、心理特點(diǎn)的機(jī)械,使操作者在作業(yè)時(shí)處于舒適的狀態(tài)和適宜的環(huán)境中,達(dá)到體能消耗最少,又提高勞動(dòng)效率的目的,設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就必須充分了解機(jī)械的使用范圍和人體各部分尺寸范圍,大量使用人體測(cè)量數(shù)據(jù)。如石門(mén)、巷道、硐室、罐籠等,其尺寸應(yīng)以人體數(shù)據(jù)第95百分位數(shù)為依據(jù)。距離運(yùn)轉(zhuǎn)著的機(jī)器部件的有效半徑、緊急出口尺寸等的確定,應(yīng)以第99百分位數(shù)為依據(jù)。

2.2 煤礦機(jī)械的安全人機(jī)工程設(shè)計(jì)

在煤礦機(jī)械的設(shè)計(jì)和使用中,安全性占有首要的地位。煤礦機(jī)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(shè)備是煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一,它的安全運(yùn)行意義十分重大。若提升設(shè)備發(fā)生事故,會(huì)造成煤礦停產(chǎn),有些事故甚至可能造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人身傷亡。

目前,我國(guó)煤礦使用的提升設(shè)備大多數(shù)是手動(dòng)操作。在操作過(guò)程中,提升機(jī)司機(jī)右手控制主電機(jī)操作手把,左手操作制動(dòng)手把;右腳準(zhǔn)備著踩踏動(dòng)力制動(dòng)踏板,實(shí)現(xiàn)動(dòng)力制動(dòng)減速。眼睛要“三看”：?jiǎn)?dòng)時(shí)看信號(hào)、提升方向和滾筒上鋼絲繩排列情況；運(yùn)行過(guò)程中看操縱臺(tái)上的各種儀表、深度指示器；停車(chē)時(shí)看深度指示器。同時(shí)耳朵要聽(tīng)啟動(dòng)和停止電鈴信號(hào),運(yùn)行中注意聽(tīng)提升機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的聲音是否正常。在一個(gè)短短的提升循環(huán)時(shí)間內(nèi),提升機(jī)司機(jī)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(yīng)靈敏,及時(shí)采取措施。因此,為提高提升機(jī)司機(jī)操作的可靠性,減輕操作疲勞,避免提升事故發(fā)生,必須對(duì)提升設(shè)備操作控制系統(tǒng)進(jìn)行安全人機(jī)工程設(shè)計(jì)。

3 煤礦機(jī)械人機(jī)工程設(shè)計(jì)

3.1 色彩設(shè)計(jì)

有關(guān)實(shí)驗(yàn)研究表明，在產(chǎn)品給人的第一印象中，色彩占80%，造型占20%，在熟悉產(chǎn)品之后則是兩者各占50%。由于采煤機(jī)械產(chǎn)品的使用環(huán)境惡劣，人們往往只注重其功能的完善以及提高強(qiáng)度和可靠性等方面，對(duì)于產(chǎn)品的外觀色彩則不夠重視。一些調(diào)查資料表明，有相當(dāng)部分的礦山安全事故與產(chǎn)品的色彩設(shè)計(jì)不當(dāng)，從而導(dǎo)致視讀不清，出現(xiàn)誤操作有關(guān)。不同的色彩對(duì)人的生理和心理有不同的影響作用。針對(duì)不同的使用者、不同的產(chǎn)品、不同的工作環(huán)境，運(yùn)用色彩的生理學(xué)、心理學(xué)理論，科學(xué)地選擇色彩，充分發(fā)揮色彩的視覺(jué)心理作用，創(chuàng)造良好的色彩環(huán)境，將有助于提高人們的工作效率，保障人的健康和生產(chǎn)安全。

掘進(jìn)、采礦和裝運(yùn)等大型設(shè)備的使用環(huán)境大都灰暗潮濕，處在這種環(huán)境中，人的視覺(jué)機(jī)能受到影響，視距受到限制，視覺(jué)清晰度下降。因此設(shè)備外觀的主色調(diào)應(yīng)該與環(huán)境的顏色區(qū)別開(kāi)來(lái)，形成對(duì)比，以增強(qiáng)設(shè)備的識(shí)別性。如果設(shè)備采用與環(huán)境相近的色彩，一方面影響人的視覺(jué)判別，另一方面長(zhǎng)時(shí)間處于這樣的環(huán)境中，會(huì)令人感到冷漠、壓抑，使人產(chǎn)生煩躁情緒。相反，若能充分利用色彩的特性和功能則能調(diào)動(dòng)人的情緒，提高勞動(dòng)效率，保障生產(chǎn)安全。為了讓采煤機(jī)的色彩與環(huán)境區(qū)別開(kāi)來(lái)，同時(shí)給工人以安全、穩(wěn)定、舒適的感覺(jué)，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(qū)別于環(huán)境的灰暗色調(diào)，同時(shí)不會(huì)對(duì)操作者產(chǎn)生不良視覺(jué)刺激，讓人感到明朗、清晰、容易辨認(rèn)，下部則施以明度低的重感色 （如深綠色、黑色），以增強(qiáng)采煤機(jī)的穩(wěn)定感。

在確定設(shè)備的主體色調(diào)的基礎(chǔ)上，對(duì)于設(shè)備的一些重要部位，可采用高純度的色彩加以點(diǎn)綴，加強(qiáng)色彩的對(duì)比效果，突出重要部位，同時(shí)可以起到調(diào)節(jié)設(shè)備整體外觀的效果，使其更有生氣。如在長(zhǎng)臂鏟、牙輪鉆機(jī)的上下部選用不同的主色調(diào)，而在長(zhǎng)臂和鉆槳上涂上明快活潑的輕感色彩，以減少兩個(gè)部位給人的不穩(wěn)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(guò)于鮮艷多變加劇人的疲勞。又如在機(jī)器上的齒輪、皮帶輪、飛輪、機(jī)械手柄、刀桿等外露并帶有危險(xiǎn)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(jī)界面設(shè)計(jì)

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

圖1 人、機(jī)、人機(jī)界面

人機(jī)界面的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到人機(jī)關(guān)系的合理性，其研究對(duì)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(shè)計(jì)

視覺(jué)顯示裝置在礦山機(jī)械產(chǎn)品有著廣泛的應(yīng)用，如運(yùn)載設(shè)備中的各種顯示儀表、提升機(jī)控制室里的指示裝置以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種信號(hào)燈。在進(jìn)行視覺(jué)顯示裝置設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的人機(jī)工程學(xué)問(wèn)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(duì)于操作者的最佳布置區(qū)域；顯示裝置顯示形式及其匹配條件的選擇。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)對(duì)人體生理特性的研究，人在進(jìn)行操作時(shí)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(qū)域里（見(jiàn)圖2）。在此范圍內(nèi)，人眼不需要頻繁的轉(zhuǎn)動(dòng)就能看清物體，不容易引起視覺(jué)疲勞。因此，各種儀表宜設(shè)置在操作者眼睛左右60°、視平線上下30°的正面視野內(nèi)，視距控制在40～55 cm內(nèi)。重要儀表如提升機(jī)深度指示器必須布置在30°視角內(nèi)，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(gè)儀表或信號(hào)燈的區(qū)域里，儀表的排布應(yīng)與司機(jī)的觀看順序一致，從左至右或由上到下排列，且各個(gè)儀表正常位置變化所對(duì)應(yīng)的指針?lè)较驊?yīng)該相同。

圖2 人的水平視野

3.2.2 操縱裝置的設(shè)計(jì)

操作者站立操作的采煤機(jī),可根據(jù)人機(jī)工程學(xué)的站姿操作臺(tái)設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。在采煤機(jī)電控箱方案設(shè)計(jì)時(shí),運(yùn)用TSD法總體考慮操作手柄與采煤機(jī)電控箱元件的合理匹配;高度的設(shè)計(jì)應(yīng)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(jù)人體測(cè)量的統(tǒng)計(jì)函數(shù)方差調(diào)整確定。

從圖3可看出,采煤機(jī)操作系統(tǒng)包括左、右截割的起、運(yùn)、停;泵電機(jī)和采煤機(jī)的起、運(yùn)、停;運(yùn)輸機(jī)和采煤機(jī)急停的通、斷;泵站的左右選擇和備用手柄8個(gè)部分。

圖3 采煤機(jī)手動(dòng)操作系統(tǒng)

為了便于操作人員區(qū)分和記憶這8個(gè)功能手柄,保證操作的方便與準(zhǔn)確,運(yùn)用TSD設(shè)計(jì)法,按照其使用順序、頻率以及功能的重要性等人機(jī)工程學(xué)原則,對(duì)采煤機(jī)手動(dòng)操作系統(tǒng)界面進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。

（1）使用頻率原則：8個(gè)手柄中,泵電機(jī)、采煤機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、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(huì)用到。急停手柄在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)異常、可能出現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí),起到緊急停止作業(yè)功能,具有安全保護(hù)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(gè)手柄中,急停手柄雖然使用頻率低,但它對(duì)制止事故發(fā)生、保證人員和機(jī)器的安全起到至關(guān)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(guò)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(yè)過(guò)程中操作人員主要調(diào)整的手柄,具有非常重要的功能。泵電機(jī)、采煤機(jī)和運(yùn)輸機(jī)手柄是使采煤機(jī)和運(yùn)輸機(jī)處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)手柄,在采煤過(guò)程中它們不需要進(jìn)行調(diào)整而處于靜態(tài),因此,它們功能重要性稍弱于上述幾個(gè)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?yàn)楸秒姍C(jī)、運(yùn)輸機(jī)、采煤機(jī),然后是站選擇和左、右截割,備用和急停是臨時(shí)使用手柄。

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)隨著采掘機(jī)械化程度的不斷提高,煤礦機(jī)電設(shè)備的功率不斷增大,其結(jié)構(gòu)也更趨復(fù)雜,操縱控制技術(shù)水平的要求也越來(lái)越高,加上研制這些設(shè)備時(shí)沒(méi)有充分考慮礦工的實(shí)際工作環(huán)境和人體因素,使得操作時(shí),人為失誤的概率增大,設(shè)備的功能不能充分發(fā)揮。這就迫切需要在煤炭行業(yè)中開(kāi)展人機(jī)工程學(xué)研究,從人機(jī)工程學(xué)角度出發(fā),對(duì)煤礦機(jī)電設(shè)備進(jìn)行合理的人機(jī)工程設(shè)計(jì),使設(shè)備、工具宜人化,同時(shí)改善煤礦井下工作環(huán)境,使工人處于最佳的工作狀態(tài),以減少煤礦生產(chǎn)事故,提高生產(chǎn)率。

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