矿用钻机人机工程学应用分析

乔杉

摘要：矿用钻机的施工环境恶劣，为保证施工安全，本文将人机工程学设计理论，应用到钻机的设计中，对控制噪声、人体测量数据、维修设计以及钻机外形和颜色搭配等进行了人机工程学分析，力求设计出更加安全、可靠、高效的钻机，为煤矿的安全、高效开采提供服务。

关键词：矿用钻机;人机工程学;安全

0  引言

钻机是进行煤矿瓦斯抽采钻孔和煤层注水钻孔等工程必备的钻进设备，有必要保障钻机的可靠性，实现自动化钻孔，从而保证施工的安全。机器的运行要根据操作者的目的来进行，通过建立合理的人-机安全系统，能够使人机系统更加高效协调。比如，吴鑫和张凯对煤矿自动上下杆液压钻机进行了研究，阐述了该钻机的工作原理，论证了主要部件的设计思路和总体方案。肖玉清对遥控钻机进给杆的自适应定位技术进行研究，为遥控钻机进给杆机构和其他执行机构的精确定位，提供了理论依据和解决方案。冀龙飞指出吉龙ZDY1900S全液压钻机可满足多种工况的工作要求，并提出通过使用变电动机和可变泵，能够提高工作性能的研究方法。陈晨提出了矿山水力钻机钻杆自动装卸系统，并研究了设备的工作原理、运动状况、工程结构以及强度等。以人机工程学为基础，对钻机的自动调节装置进行研究和分析，不仅实现了多杆存储功能，还解决了钻杆的自动装卸问题，可以实现自动化操作，在操作过程中确保了操作人员的人身安全。

1  人机工程学

人机工程学是指通过应用人体力学、劳动心理学、人体测量学、劳动生理学等研究方法，来研究人体的结构和功能特征，提供每个人体各部位的尺寸、重量、表面积，以及活动期间人体的比重、重心、人体各部位之间的关系;分析人体结构特征的可达到范围值;分析人体功能参数，人体各部位的出力范围和运动过程中的习惯，并分析人的视觉和听觉等感觉器官功能特性;分析人体在各种工作过程中的能量消耗、疲劳机制、生理变化以及对各种工作量的适应能力;分析在工作中心理因素对工作的影响以及影响心理的若干因素。

人机工程学是研究人-机-环三者之间的关系，以及总体性能最优化的一门学科，为满足人体操作舒适的需求创造出最佳条件，最终使系统获得最佳效益为目的，实现人机的高度协调，形成经济、安全和高效的有机体系。人机工程学具有以下有关设计准则：

①机器操作部件的尺寸、形状和作用力应与人体匹配;

②机器的控制部件应方便易用;

③可以防止操作中的意外伤害和因误操作而引起的危险;

④每个组件的安装都可以清晰地对其进行识别;

⑤机器不会对操作者的感官器官产生不利影响。

2  人机工程学在钻机设计中的应用

2.1 钻机噪声控制

巷道钻机在使用过程中会产生包括电动机声、齿轮声、电动机声、泵声在内的复杂噪音，噪音会严重影响工作人员的情绪，使人心烦气躁，注意力难以集中;甚至过大的噪音，会导致员工之间难以交流，无法协调配合工作，以致出现操作失误，导致事故发生;噪音有时也会将设备故障产生的报警声音掩盖，工作人员无法及时察觉，进而导致故障产生。因此为控制噪声，在钻机设计时，需从噪声源和噪声传播两方面来控制巷道钻机的噪声。就噪声源而言，齿轮可以通过良好的设计和加工来减少噪声，泵、电动机等可选择合适机型，通过减轻振动来控制噪声。因此合理的设计、加工和选择合适的結构和机型，能够满足钻机噪声控制的要求。对于噪音传播，可以通过安装消声器、隔音罩等方法，减少噪声向外传播的强度。

2.2 主操纵台人机工程设计

操纵台是钻机的控制中心，也是人机交互设计的关键部件，它的显示、操作、控制位置和布局都决定了是否高效、舒适的工作。因此操纵台人机工程设计要求操作舒适、简单、视线清楚。

针对以上要求，钻机设计中基于操作功能进行分类布局，如图1所示。将定向钻进操作与回转钻进操作分区集中布置在左、右两侧，右侧回转钻进又将副泵钻进操作进行区分布置，同时也对显示功能进行分区，主要显示采用大直径压力表，显示钻进中观察频次高的压力值（给进压力、起拔压力和泥浆泵压力），可大大减少监测人员疲劳感。而非主要显示则采用小直径两行布置的压力表，显示主、副泵、回油压力等不需频繁观测的压力。在水平操作中，台面倾斜12～24°时，人的姿势移动幅度小，疲劳与不适感小，因此台面倾斜为16°。操纵台上防护栏的设计一方面防止人员倚靠操纵台时误碰手柄;另一方面是手臂操作时休息的扶手。操纵台上方网状防护主要是对操作手柄、压力表、流量计等液压件进行防护，防止煤块、岩块掉落损坏液压件。面板长、宽和高以紧凑布局手柄和压力表为准则，面板长度控制在两手臂张开120°时两手臂长以内。为了操作的舒适，将使用频率高的定向钻手把、给进、起拔和回转手把置于距离人身体中心位置最近的位置。

为了使得操纵台能更好地满足人体生理学的舒适性要求，将人机工程学中的H点、眼椭圆、人体模型和手伸及界面等概念和方法应用到钻机操纵台设计中，对操纵台的视野性能、仪表板及仪表布置、座椅界面、操纵手柄位置、操纵空间等进行设计和校核。 本文采用 CATIA 软件进行仿真，进行操纵台视域测试，测试表明：主操纵台各仪表都处于正常视野，设计合理;同时还在左、右操作位置模拟实际手臂操作，得到双手伸出最舒适的范围。

2.3 人体测量数据在钻机设计中的应用

参考人体构造尺寸和功能尺寸，在保证工作人员操作时安全性和舒适性的前提下，设计钻机。

2.3.1 操作台及座椅的位置和高度设计

钻机的操作员都为男性，因此以男性数据为参考依据。操作平台中操作部件的高度，应尽可能接近人体舒适操作的高度，从而减少工人疲劳，提高工作率。操作装置的位置应在人双臂可触及的范围内，且在操作过程中视线不受阻。由于在施工中可能会出现煤粉、水涌出等复杂情况，因此操作台要远离钻孔位置，以确保作业安全。在满足条件的情况下，最大限度的为操作人员设置座椅，且座椅结构尺寸应符合安全人机工程学设计，操作人员能够在工作过程中有舒适的体验。

2.3.2 各操作手柄设计

首先，执行机构的运动方向，应和操作人员操控手柄移动的方向一致，执行机构根据操作手柄的移动方向而对应的移动。其次，操作人员推拉手柄力的设计，应在大多数操作员所熟悉的范围之内。最后，手柄尺寸设计要合理，能适应人手尺寸，便于操作员舒适操作。

2.4 钻机中维修性人机工程学设计

以维修性人机工程为基础，对钻机的结构进行设计，在出现故障后，维修人员可以快速找到故障并及时进行维修。根据经验积累，目前出现故障主要集中在密封件和结构件两方面。在密封件方面，主要有接头、胶管、油罐密封等;在结构件方面，主要有衬板、箱体轴承、销轴等。针对以上两部分的维修性人机工程学设计主要有：

2.4.1 维修的安全性

安全性要求指维修人员不会因触电、机械损坏或其他伤害而受伤，且在钻机设计工程中，维修人员可能触及到的所有机器零部件，都应消除棱角和锋利边缘，可有效避免伤害。

2.4.2 维修人员方便维修

首先，钻机的设计必须具有可达性，即在钻机出现故障后，维修人员可以轻松地发现和触及到故障位置，并进行维修。比如在钻机上安装观察窗、预留维护空间和装配相关部件都可以满足可及性。其次，钻机要易于拆卸和组装，当出现故障时，方便对零部件进行拆卸和维修，且对易损件采用快速拆卸结构，能够节约时间提高工作效率。

2.5 钻机外观设计

视觉功能包括视野、对比度、视野距离等方面，环境的颜色会对人眼产生一定的刺激，白色视野范围最大，黄色次之，蓝色、红色、绿色依次减小。回转器和给进装置的活动范围最大，为防止在操作时出现盲区，影响工人操作，将这两个部件设置为黄色，可有效适应活动范围。颜色的合理搭配可有效地缓解眼部疲劳，使眼睛更加舒适，而不合理的搭配却会严重刺激眼睛，加速眼睛疲劳，甚至出现幻觉，导致操作的失误，引发安全事故。

根据色彩科学原理，色相、明度和饱和度是人类对色彩主要视觉分辨因素，因此可将工作台的背景颜色设置为蓝色，将给进装置的外观颜色设置为黄色，将过渡部分背景色设置为蓝色，以防止出现较大的色差。由于机架放置在昏暗的巷道中，会受到环境的影响，可将其设置为与矿山环境成鲜明对比的土黄色。储杆箱作为操作员经常使用的部件，会导致杆颜色脱落较快，因此将储杆箱的颜色设置为灰色。蓝绿色可有效增加在黑暗环境中察觉的概率，因此机械操作部分设置为绿色，可以在操作过程中将其准确定位以避免过度操作。合理利用色彩科学原理，使得钻机各设备部件的颜色达到较为舒适的视觉舒效果，且钻机外观与矿井环境形成对比，能够使工人抑郁的心理情绪得到释放。

3  结语

为实现钻机的自动化控制操作，提高工作效率，本文结合人机工程学，对钻机的噪声控制、人体测量数据、故障维修以及钻机外形和颜色搭配等进行了分析。综上所述，合理利用人机工程学设计思想，可以更好地实现人机结合，使机械产品更加美观，在保障安全生产的同时实现高效生产。

参考文献：

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