煤巖樣品處理平臺設(shè)計

屈文濤，王冠霖，徐劍波，王勃

西安石油大學(xué) 機械工程學(xué)院（陜西 西安 710065）

隨著基礎(chǔ)研究的不斷發(fā)展，各類檢測設(shè)備和儀器不斷向體積小型化、功能多樣化、操作簡單化方向發(fā)展。根據(jù)不同行業(yè)現(xiàn)場的要求，產(chǎn)生了集成現(xiàn)代科學(xué)儀器和實驗技術(shù)優(yōu)勢的多功能移動實驗室[1]。移動實驗室憑借著突出的現(xiàn)場性、時效性、集成化等特點，廣泛應(yīng)用于地質(zhì)調(diào)查、疫情防控[2]、災(zāi)害防治等領(lǐng)域。雖然我國在移動實驗室的設(shè)計、研發(fā)、應(yīng)用方面都有著較為成熟的經(jīng)驗，但在煤層氣含氣量檢測方面的應(yīng)用還是空白。同時，國內(nèi)外對空間的布局設(shè)計及其評價主要體現(xiàn)在汽車、建筑等傳統(tǒng)環(huán)境中，針對移動實驗室內(nèi)部某一空間的布局設(shè)計的研究卻很少。因此，引入人機工程學(xué)原理，根據(jù)器材布置原則、人體尺度原則、設(shè)備擺放時的最佳位置等設(shè)計原則，設(shè)計出一款可以使操作人員安全、舒適、高效工作的煤巖樣品處理平臺，最終通過Jack軟件驗證該設(shè)計方案的合理性。

1 煤巖樣品處理現(xiàn)狀調(diào)查分析

根據(jù)安澤縣煤層氣項目部井場的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場巖心樣品處理工作主要存在以下問題：①現(xiàn)場實驗人員處理樣品時大多采用蹲姿，當(dāng)工作量較大時會引起操作人員身體上的不適；②部分工具沒有進行合理的擺放，容易產(chǎn)生安全隱患；③現(xiàn)場沒有合適的工作平臺，操作人員在處理時工作效率較低；④含氣量檢測場地沒有排氣扇和氣體檢測等安全裝置；⑤操作人員往往忽視了煤巖樣品處理過程中廢棄物的處理。

根據(jù)煤層氣含氣量檢測規(guī)范可知：①采取到的巖心樣品分為柱狀、顆粒狀和粉末狀三類；②樣品到達地面后必須在10 min內(nèi)裝入解吸罐密封；③樣品到達地面后，需提出夾矸及雜物；④若巖心樣品受到泥漿污染，應(yīng)適當(dāng)用潔凈抹布或清水沖洗后迅速按煤層剖面順序裝罐密封；顆粒、粉末狀樣品通過篩選，挑選較純部分迅速用清水沖洗鉆井液，然后裝入解吸罐并密封；⑤每次裝罐的巖心樣品質(zhì)量不得少于800 g，在采取率不足時，最低不少于300 g，同時應(yīng)當(dāng)備注說明；⑥裝罐時，樣品裝至罐口處1 cm，樣品量不足時，應(yīng)在裝樣前給罐底加入適量填料，如玻璃圓柱體；⑦針對煤巖樣品，應(yīng)記錄其裝樣時間、采樣日期、樣重等參數(shù)。

通過對現(xiàn)場煤巖樣品處理存在的問題以及煤層氣含氣量檢測規(guī)范中所規(guī)定的處理方法綜合分析，處理平臺的設(shè)計應(yīng)當(dāng)考慮實驗人員的身體尺寸、操作的舒適性和安全性等因素[3]。根據(jù)器具的布置原則和人體尺度原則，使人-器具-空間三者相統(tǒng)一，以達到設(shè)計方案的實用性與合理性[4]。因此在設(shè)計時應(yīng)注意以下問題：①根據(jù)人的活動空間范圍，如操作的最大范圍、最佳作業(yè)空間、手操作的適宜范圍和前屈或者下蹲的空間范圍對處理平臺的高、中、低區(qū)域的空間進行合理布局[5]；②根據(jù)處理流程調(diào)整煤巖樣品處理平臺樣式，使其符合樣品處理的操作動線，使流程更加合理與便利；③設(shè)置專門的解吸罐放置區(qū)以便操作人員取用；④需要用到的各類器具，如扳手、榔頭等，應(yīng)收納在固定位置，避免因掉落引起傷害；⑤在處理平臺上方加設(shè)排氣扇、甲烷氣體濃度檢測裝置等，避免因室內(nèi)甲烷濃度過高造成安全事故。

2 巖心樣品處理平臺設(shè)計

人、設(shè)備、被加工物等所占的空間稱為作業(yè)空間[6]。在有限的空間內(nèi)進行布局設(shè)計時，充分考慮“人”的因素和設(shè)備的布置原則，可以有效地提高操作人員的工作效率，降低操作人員的疲勞程度，使操作人員可以安全、準(zhǔn)確、舒適地開展工作。

人機的操作應(yīng)當(dāng)充分考慮人體尺寸參數(shù)，操作人員作業(yè)時，肢體的最短運動路線、最舒適的作業(yè)范圍被稱為最佳作業(yè)范圍。以95%的人滿意為原則，根據(jù)人機工程學(xué)的人體測量數(shù)據(jù)得出在立姿時人的手眼操作最佳高度為800~1 300 mm，在水平面上，手臂活動及手部操作舒適的范圍為身體前方394 mm、寬度1 194 mm的區(qū)域，以此區(qū)域作為煤巖樣品處理平臺操作范圍，見表1。

表1 樣品處理空間尺寸

總結(jié)并整理以上數(shù)據(jù)，針對操作人員的操作舒適范圍，應(yīng)用于樣品處理平臺布局設(shè)計。

1）在設(shè)計煤巖樣品處理操作臺時，需要確保操作人員在處理平臺操作姿態(tài)的舒適性、操作流程的合規(guī)性以及操作環(huán)境的安全性，使操作人員以舒適的操作姿態(tài)安全、高效地完成整套樣品處理流程。通過綜合現(xiàn)場調(diào)研得到的數(shù)據(jù)和煤層氣含氣量檢測標(biāo)準(zhǔn)中對于樣品處理的要求來分析樣品處理平臺的功能與布局，使操作人員在處理樣品時便于觀察操作對象。為了獲得良好的操作空間，樣品處理平臺的高度設(shè)計，應(yīng)相近于操作人員立姿時的肘高度[7]。同時，將樣品處理平臺的上部與底部空間用于樣品和器具的收納放置。底部收納區(qū)開合方式采用抽拉式收納，便于操作人員安全地取放，同時也可以將里面的物品更加清晰地呈現(xiàn)在操作人員面前。上部收納區(qū)采用門式開合，用于存放取用頻率較低的器具和應(yīng)急物品等。

2）根據(jù)操作人員需求的角度考慮，樣品處理臺采取L型操作臺布置，根據(jù)樣品的清洗、篩選、裝罐3個步驟來劃分獨立的操作區(qū)。操作人員在處理樣品時，只用轉(zhuǎn)動上半身便可以在3個獨立的操作區(qū)之間自由轉(zhuǎn)換，避免了在各個操作區(qū)間來回走動，形成了一個三角形的區(qū)域布局。

3）為了使操作人員在樣品處理平臺內(nèi)更加舒適便捷地進行樣品處理操作，對底部收納區(qū)進行特殊設(shè)計，使樣品處理平臺更加人性化。樣品按類型劃分收納區(qū)域，煤巖樣品、水樣劃分專用收納區(qū)，避免移動實驗室運輸過程中由于行車不穩(wěn)定造成樣品損壞。

4）為了使操作人員更加直觀地了解樣品裝罐后的質(zhì)量及罐內(nèi)壓力，在樣品罐放置區(qū)底部增加對應(yīng)的傳感器，顯示器以60°置于面板處，以便實時顯示樣品裝罐后是否滿足要求。同時將樣品罐放置區(qū)設(shè)置在便于操作人員可以舒適、安全提取的位置，避免因提取解吸罐造成傷害。

5）由于煤巖樣品處理平臺處在一個封閉的環(huán)境中，因此在處理平臺上方安裝排氣扇和甲烷氣體濃度檢測裝置，避免因甲烷濃度過高而造成安全事故，為操作人員提供一個安全的工作環(huán)境；在底部設(shè)置廢料收集區(qū)，可以將操作過程中產(chǎn)生的廢料集中處理，避免造成污染。

6）由于井場環(huán)境相比于傳統(tǒng)檢測實驗室較差，因此處理平臺的材質(zhì)和涂裝關(guān)乎到移動實驗室內(nèi)的安全問題和操作人員的心理感受。由于煤巖樣品本身的特性，處理平臺材質(zhì)應(yīng)選取便于清潔且具有較強耐磨性、耐沖擊性的環(huán)氧樹脂和防火板，既保證了其功能性，同時還有一定的安全性。

樣品處理平臺主要尺寸如圖1所示。

圖1 樣品處理平臺示意圖（單位：mm）

該設(shè)計方案在收納放置、處理流程布局、器具取用以及安全方面進行了考慮，使處理流程合乎規(guī)范的同時更加高效、安全。

3 人機工程仿真分析

在人機工程學(xué)評價中，常用的人機工學(xué)評價類型有可達域、視域、舒適度分析[8]。為驗證巖心樣品處理平臺設(shè)計方案的合理性，通過Jack軟件對操作人員進行煤巖樣品處理時的可達域，觀察操作對象是否位于視野內(nèi)的可視域以及操作部分流程時身體的疲勞程度三方面進行人機工學(xué)分析。

在Jack中構(gòu)建人體模型[9]，由于井場作業(yè)環(huán)境與勞動強度等因素，導(dǎo)致現(xiàn)場作業(yè)人員大多為男性，且沒有特別明顯的年齡區(qū)域。因此樣品處理空間應(yīng)符合該范圍內(nèi)的中國用戶，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 10000—1988中提供的《中國成年人體尺寸》尺寸數(shù)據(jù)，在建立人體模型時選擇第95百分位男性。將建立好的樣品處理空間三維模型帶入Jack軟件中，同時設(shè)置成與人體模型相同的比例，如圖2所示。

圖2 Jack軟件數(shù)字人體模型

3.1 可達域分析

在煤巖樣品處理平臺設(shè)計方案中，設(shè)備布局是否滿足人體的可達域要求，手是否可以觸及到物品并實現(xiàn)預(yù)定操作，避免因物品處于操作范圍之外而造成危險。通過對95百分位男性的人體模型添加約束條件，調(diào)整手臂、肘部等關(guān)節(jié)，調(diào)整人體模型模擬清洗、篩選樣品時的動作。通過Jack軟件仿真分析可知，該方案中樣品清理區(qū)、篩選區(qū)布局合理，各操作之間互不干涉，且操作人員操作姿勢評價良好，可以舒適、安全地完成上述操作。Jack軟件分析結(jié)果如圖3所示。

由于煤巖樣品、水樣、樣品殘渣等大多置于底部收納區(qū)，且煤樣為樣品處理過程中取用頻率較高的物品，因此需對處于低身位的底部收納區(qū)進行人機分析驗證，判斷其是否符合人體操作時舒適、安全的要求。通過模擬人體在低身位狀態(tài)下取放物品的姿態(tài)，發(fā)現(xiàn)可以輕松取放位于底部收納區(qū)的物品。Jack軟件分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 Jack軟件操作可達域

3.2 可視域分析

可視域的評價標(biāo)準(zhǔn)合格與否，主要是考慮操作、觀察對象是否位于操作人員的視野內(nèi)。在視域分析時，一般選擇第5或95百分位兩種男性身體數(shù)據(jù)為例，涵蓋90%的人群。在正常立姿下，頭部轉(zhuǎn)動最舒適的仰視角度為12°~25°，左右視角區(qū)域為±50°[10]。

顯示屏可視情況驗證。第95百分位男性身體數(shù)據(jù)為例，在處理平臺保持正常站姿的情況下，可以方便地查看到位于處理平臺左側(cè)解吸罐放置區(qū)的顯示屏，設(shè)計方案符合要求，Jack軟件分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 Jack軟件可視域

頂部收納區(qū)可視情況驗證。由于急救箱等取用頻率較低的物品大多位于頂部收納區(qū)，且一般質(zhì)量較大，稍有不慎就會造成人員受傷，因此需要對頂部收納區(qū)進行可視域驗證，將數(shù)字人體模型模擬在立姿狀態(tài)下取放物品的使用場景，經(jīng)驗證，數(shù)字人體模型也可以較為清楚地觀察到頂部收納區(qū)所放置的物品，Jack軟件分析結(jié)果如圖4所示。

3.3 舒適度分析

在煤巖樣品處理過程中,樣品裝罐后，需要將解吸罐從放置區(qū)向上提取后送至解吸區(qū)，是樣品處理過程中頻率較高的一道工序。將人體模型調(diào)整至對應(yīng)的操作姿態(tài)，同時為解吸罐加上8 kg質(zhì)量，經(jīng)Jack軟件靜力學(xué)分析可知，人體模型右肩膀部位略顯不適，但由于取放解吸罐是短期工作，操作人員不會長時間維持該動作，因此解吸罐放置區(qū)的布局較為合理。Jack軟件分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 Jack軟件舒適度

4 結(jié)論

為提高現(xiàn)場操作人員的工作效率和工作時的舒適性、安全性，將人機工程學(xué)運用到處理平臺的布局設(shè)計中。通過對現(xiàn)場問題的分析，結(jié)合行業(yè)規(guī)范、器材布置以及布局劃分等方面對煤巖樣品處理平臺給出了設(shè)計方案，并應(yīng)用Jack虛擬仿真軟件對設(shè)計方案的三維模型進行了視域和可達域等分析，驗證了方案的合理性。對其他處理平臺的布局設(shè)計提供了借鑒和參考價值。