基于人机工程学的采煤机械设计研究

□ 曲 芳 □ 孟庆强

黑龙江科技学院 工程训练与基础实验中心 哈尔滨 150027

采煤机械是煤矿生产中的重要设备，在采煤机械的使用过程中，恶劣的环境因素对操纵者和机器均带来极为不利的影响，已经成为采煤机械设计中需要考虑的主要问题之一。设备的性能和质量直接影响到煤矿的生产效率和安全，提高采煤机械的性能和质量，不但要提高其加工制造和使用维护水平，更要提高其设计水平。充分遵照以人为中心的理念，使机械与环境的协调设计更好地适应和满足人类的生理和心理，所以设计师在设计时应该切实地以人为主体，充分考虑人、机、环境之间的协调关系。

采煤机械在煤田、矿区使用广泛，经过多年努力，我国采煤机械行业取得了长足进步，但与国外同类产品相比，仍然存在着相当大的差距。这种差距不仅体现在产品质量和核心技术的应用上，还体现在对人-机-环境协调关系的研究和处理上。采煤机械工作环境恶劣，工作负荷大，工作对象具有较大的不确定性，这些因素都将对使用者和机器产生极为不利的影响。采煤机械的这些特点使得人、机、环境3者关系的相互协调显得尤为重要。国外在20世纪末就已开始研究采煤机械设计中的人机工程问题，并将采煤机械的人机工程学评价结果作为其能否应用于矿山生产的重要指标。因此，针对采煤机械在井下多尘、潮湿以及通风不良等恶劣环境下的作业状况，从人机工程学角度出发，开展采煤机械中人-机-环境的系统化研究，实现3者之间的协调统一和系统整体性能的最优化，对采煤机械行业的发展和现代矿山生产都具有积极的意义。

1 人机工程学与人机工程设计技术概述

人机工程学是研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素；研究人和机器及环境的相互作用；研究在工作中、家庭生活中和休假时怎样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题的学科。强调人-机器-环境的相互作用，注重3者协调关系的研究和处理。以人为本，从人的机体特性出发，将人、机及作业环境视为一个系统整体进行分析研究。

人机工程设计技术是以人机工程学理论为基础、面向人的产品设计技术。人机工程依据人的心理和生理特征,利用科学技术成果和数据去设计的技术系统,使之符合人的使用要求,改善环境,优化人机系统并达到最佳配合,以最小的劳动代价换取最大的经济成果。人机工程设计的目标是在系统约束条件下,提高工作的有效性,提高生产率及质量,减少操作者可能出现的失误、降低操作者体力和脑力消耗,尽可能地适合不同水平的操作者使用,以达到人机系统的最佳效率与效能。煤矿机械设备的安全尤为重要,因此在产品的设计过程中更应突出其人性化设计,充分考虑人的因素,把人放到人-机-环境这样一个系统中来研究,在协调人-机工作时,尽可能放宽对人的技术要求,确保人的安全、可靠和身心健康,提高煤矿生产的安全性。

2 人机工程学在煤矿机械设计中的应用

2.1 人体测量数据的应用

由于矿井工作环境的特殊性,为了设计出符合人的生理、心理特点的机械,使操作者在作业时处于舒适的状态和适宜的环境中,达到体能消耗最少,又提高劳动效率的目的,设计人员在产品设计阶段就必须充分了解机械的使用范围和人体各部分尺寸范围,大量使用人体测量数据。如石门、巷道、硐室、罐笼等,其尺寸应以人体数据第95百分位数为依据。距离运转着的机器部件的有效半径、紧急出口尺寸等的确定,应以第99百分位数为依据。

2.2 煤矿机械的安全人机工程设计

在煤矿机械的设计和使用中,安全性占有首要的地位。煤矿机械安全性的好坏,直接影响操作者和其它工作人员的人身安全。如矿井提升设备是煤矿生产系统中的重要设备之一,它的安全运行意义十分重大。若提升设备发生事故,会造成煤矿停产,有些事故甚至可能造成重大经济损失和人身伤亡。

目前,我国煤矿使用的提升设备大多数是手动操作。在操作过程中,提升机司机右手控制主电机操作手把,左手操作制动手把;右脚准备着踩踏动力制动踏板,实现动力制动减速。眼睛要“三看”：启动时看信号、提升方向和滚筒上钢丝绳排列情况；运行过程中看操纵台上的各种仪表、深度指示器；停车时看深度指示器。同时耳朵要听启动和停止电铃信号,运行中注意听提升机运转的声音是否正常。在一个短短的提升循环时间内,提升机司机的手、脚、眼和耳朵都要这样紧张地工作,遇到异常情况脑子还要反应灵敏,及时采取措施。因此,为提高提升机司机操作的可靠性,减轻操作疲劳,避免提升事故发生,必须对提升设备操作控制系统进行安全人机工程设计。

3 煤矿机械人机工程设计

3.1 色彩设计

有关实验研究表明，在产品给人的第一印象中，色彩占80%，造型占20%，在熟悉产品之后则是两者各占50%。由于采煤机械产品的使用环境恶劣，人们往往只注重其功能的完善以及提高强度和可靠性等方面，对于产品的外观色彩则不够重视。一些调查资料表明，有相当部分的矿山安全事故与产品的色彩设计不当，从而导致视读不清，出现误操作有关。不同的色彩对人的生理和心理有不同的影响作用。针对不同的使用者、不同的产品、不同的工作环境，运用色彩的生理学、心理学理论，科学地选择色彩，充分发挥色彩的视觉心理作用，创造良好的色彩环境，将有助于提高人们的工作效率，保障人的健康和生产安全。

掘进、采矿和装运等大型设备的使用环境大都灰暗潮湿，处在这种环境中，人的视觉机能受到影响，视距受到限制，视觉清晰度下降。因此设备外观的主色调应该与环境的颜色区别开来，形成对比，以增强设备的识别性。如果设备采用与环境相近的色彩，一方面影响人的视觉判别，另一方面长时间处于这样的环境中，会令人感到冷漠、压抑，使人产生烦躁情绪。相反，若能充分利用色彩的特性和功能则能调动人的情绪，提高劳动效率，保障生产安全。为了让采煤机的色彩与环境区别开来，同时给工人以安全、稳定、舒适的感觉，可采用两色配合和套色处理。上部施以明度高的轻感色 （如浅绿色、淡黄色、乳白色），以区别于环境的灰暗色调，同时不会对操作者产生不良视觉刺激，让人感到明朗、清晰、容易辨认，下部则施以明度低的重感色 （如深绿色、黑色），以增强采煤机的稳定感。

在确定设备的主体色调的基础上，对于设备的一些重要部位，可采用高纯度的色彩加以点缀，加强色彩的对比效果，突出重要部位，同时可以起到调节设备整体外观的效果，使其更有生气。如在长臂铲、牙轮钻机的上下部选用不同的主色调，而在长臂和钻桨上涂上明快活泼的轻感色彩，以减少两个部位给人的不稳定感。这样的处理既可以降低由于色彩单一引起的烦闷情绪，又能避免色彩过于鲜艳多变加剧人的疲劳。又如在机器上的齿轮、皮带轮、飞轮、机械手柄、刀杆等外露并带有危险性的部分，涂以红色等刺激性色彩，以起到警戒作用。

3.2 人机界面设计

人机界面是指人与机器进行交互的方式，是用户与机器互相传递信息的媒介，它包括信息的输入、输出（如图1）、机械的高度和各操纵柄的分布。

图1 人、机、人机界面

人机界面的设计直接关系到人机关系的合理性，其研究对象主要包括显示装置和操纵装置两部分。

3.2.1 显示装置设计

视觉显示装置在矿山机械产品有着广泛的应用，如运载设备中的各种显示仪表、提升机控制室里的指示装置以及生产现场的各种信号灯。在进行视觉显示装置设计时需要考虑的人机工程学问题有：操作者与显示装置之间的观察距离；操作者所处的位置及显示装置相对于操作者的最佳布置区域；显示装置显示形式及其匹配条件的选择。根据人机工程学对人体生理特性的研究，人在进行操作时的视距范围在38～76 cm之间，双眼的视野范围在左右60°、上下30°的区域里（见图2）。在此范围内，人眼不需要频繁的转动就能看清物体，不容易引起视觉疲劳。因此，各种仪表宜设置在操作者眼睛左右60°、视平线上下30°的正面视野内，视距控制在40～55 cm内。重要仪表如提升机深度指示器必须布置在30°视角内，布置高度大致与眼睛相平，以略低于视平线为最佳。在布置有多个仪表或信号灯的区域里，仪表的排布应与司机的观看顺序一致，从左至右或由上到下排列，且各个仪表正常位置变化所对应的指针方向应该相同。

图2 人的水平视野

3.2.2 操纵装置的设计

操作者站立操作的采煤机,可根据人机工程学的站姿操作台设计原则进行设计。在采煤机电控箱方案设计时,运用TSD法总体考虑操作手柄与采煤机电控箱元件的合理匹配;高度的设计应综合考虑功能和操作的舒适性及操作者的身高。

操作者的身高根据人体测量的统计函数方差调整确定。

从图3可看出,采煤机操作系统包括左、右截割的起、运、停;泵电机和采煤机的起、运、停;运输机和采煤机急停的通、断;泵站的左右选择和备用手柄8个部分。

图3 采煤机手动操作系统

为了便于操作人员区分和记忆这8个功能手柄,保证操作的方便与准确,运用TSD设计法,按照其使用顺序、频率以及功能的重要性等人机工程学原则,对采煤机手动操作系统界面进行整体设计。

（1）使用频率原则：8个手柄中,泵电机、采煤机、运输机、站选择、左截割和右截割手柄使用频率高,几乎在每次操作中都会用到。急停手柄在机器运转异常、可能出现危险时,起到紧急停止作业功能,具有安全保护作用。因急停和备用手柄在特殊情况下使用,所以使用频率低于其它手柄。

（2）功能重要性原则：8个手柄中,急停手柄虽然使用频率低,但它对制止事故发生、保证人员和机器的安全起到至关重要的作用。因此,急停手柄的功能重要性要高于其它手柄。左、右截割和站选择手柄是操作过程中的主要工作手柄,它们影响着采煤位置和采煤方式,是采煤作业过程中操作人员主要调整的手柄,具有非常重要的功能。泵电机、采煤机和运输机手柄是使采煤机和运输机处于运转状态的驱动手柄,在采煤过程中它们不需要进行调整而处于静态,因此,它们功能重要性稍弱于上述几个手柄。备用手柄的功能重要性处于最后的位置。

（3）使用顺序原则：使用顺序为泵电机、运输机、采煤机,然后是站选择和左、右截割,备用和急停是临时使用手柄。

4 结束语

近年来随着采掘机械化程度的不断提高,煤矿机电设备的功率不断增大,其结构也更趋复杂,操纵控制技术水平的要求也越来越高,加上研制这些设备时没有充分考虑矿工的实际工作环境和人体因素,使得操作时,人为失误的概率增大,设备的功能不能充分发挥。这就迫切需要在煤炭行业中开展人机工程学研究,从人机工程学角度出发,对煤矿机电设备进行合理的人机工程设计,使设备、工具宜人化,同时改善煤矿井下工作环境,使工人处于最佳的工作状态,以减少煤矿生产事故,提高生产率。

［1］ 赵宏梅,刘春生.人机协调的采煤机操作系统设计［J］.黑龙江科技学院学报,2007（5）:352.

［2］ 丁玉兰.人机工程学 ［M］.北京:北京理工大学出版社,2005.

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［5］ 段春平.矿山机械的优化设计［J］.中国矿业，1999（8）

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