5000 m岩心钻机司钻室人机工程设计

黄洪波，李 静，程斯一，陈碧海，康涛，王玉丹，姚 邹，贺 鑫，文国军

(1.中国地质装备集团有限公司，北京 100016；2.中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院，武汉 430074；3.湖北省智能地质装备工程技术研究中心，武汉 430074)

0 引言

司钻室是岩心钻机控制与显示系统的核心部件和控制中枢，也是岩心钻机的“驾驶室”和“心脏”[1]。作为钻机控制中心，司钻室在岩心钻机上具有非常重要的作用,司钻人员可在司钻室内控制整个井场的钻井作业。一个舒适、美观、人性化的司钻室对于保证司钻安全、降低司钻劳动强度、方便钻井监督人员作业、提高钻井质量和效率、规范钻井作业等方面都具有重要的意义。

用于5000 m岩心钻机的高质量司钻室需配备人性化的座椅、视觉装置、操纵装置等，并集手动控制、电动控制、半自动化控制等于一身，还包括按钮式、手柄式、集成式等多种类型的操纵装置，同时采取有效的防爆、防火、防腐、防震、隔热、隔音措施，可抵抗强光、紫外线照射及外力冲击，使操作人员的操作更为舒适、更为人性化[2]。因此，本文介绍了5000 m岩心钻机智能化、集成化司钻室的设计，总体设计系统图见图1。

图1 5000 m岩心钻机司钻室设计系统图

1 司钻室H点、眼椭圆计算及确定

H点位于人体躯干与大腿的铰接点，即跨点，是汽车设计中布置驾驶室的设计基准点，其位置直接影响到驾驶员的操纵方便性和乘坐舒适性[3]。岩心钻机司钻姿势与汽车驾驶员的驾驶姿势相似。人体尺寸百分位表示具有某一人体尺寸和小于该尺寸的人占统计对象总人数的百分比,以人体身高为例，P1、P5、P10为小个头，P90、P95、P99为大个头[4]。本文选择P95=1775 mm作为人体尺寸的设计基准，结合CATIA软件的建模以及人机工程学设计的人体尺寸，可得出其H点位置区域水平移动距离220 mm，竖直移动距离180 mm[5]。

眼椭圆是描述眼睛在空间上相对空间内部参考点位置的一种统计表示法。在岩心钻机司钻过程中，人眼在三维立体方面会有垂直视野影像范围和水平视野影像范围。图2为司钻人员垂直视野示意和水平视野示意。

图2 司钻人员视野图

结合人眼视野和各操作过程所需要的距离关系选择最佳的视野和视距，见表1。

表1 5000 m岩心钻机工作任务视距推荐值

岩心钻机的司钻人员可以通过眼椭圆来校核岩心钻机的视野范围和仪表台设计，从而确定监控的位置、安装角度以及如何处于最佳的井口观测角度，便于高效司钻。

2 司钻室座椅、仪表台、显示屏及操纵装置设计

2.1 司钻室座椅设计

根据P95男性司钻人员在司钻室放松坐姿的H点可以确定司钻室座椅的参考点，从而确定座椅的调节尺寸。座椅到地面的高度470 mm，座椅宽度520 mm，椅面的最大宽度470 mm，座椅最前端到座椅靠背处的距离440 mm，座椅靠背高度710 mm，座椅靠背倾角为0°～10°；座椅可以前后移动，移动距离选择80 mm；座椅底座可以旋转调节。

将人体三维模型和座椅模型进行装配，如图3所示，可以看出所设计的座椅满足司钻人员的操作需求，而且背部贴合紧密，不会对颈部造成伤害。此外还增加了水杯和手机托架设计，更加方便司钻人员进行司钻操作。

图3 司钻人员乘坐座椅图

2.2 司钻室仪表台及显示屏设计

根据H点和眼椭圆的计算即可对仪表台进行设计。司钻人员依据仪表台的信息可以及时对现场司钻状况进行调整操作，同时仪表台不能阻挡司钻人员前方以及侧方视野，故将仪表台设计在座椅扶手前方。仪表台长×宽尺寸为200 mm×300 mm，具有视觉舒适性，外部结构采用不锈钢材料，防止碰撞，显示界面角度可倾斜，外观采用几何图形设计，简洁明了。

设计两个电脑显示屏对5000 m岩心钻机的仪表信息进行数据显示。显示器设置在单独的底座上，方便应对各种现场布置状况以及司钻场景的选择。其尺寸为500 mm×300 mm，离地高度为710 mm，整体可以移动布置，适用于各类人群和各类场景。仪表台与人体H点距离为710 mm，人体颈部左右转动15°即可看到两侧仪表台。仪表台和显示屏整体三维模型如图4所示。

图4 仪表盘和显示屏整体展示

2.3 司钻室操纵装置设计

通过手柄控制5000 m岩心钻机顶驱装置的转速和绞车送钻速度，泥浆泵压力调节采用旋钮。井口关键设备中的立根作业和单根作业需要一键式作业，一键完成起下钻作业中的提吊、拧卸、摆放以及加单根作业中的猫道机输送。

设计两个手柄，手柄尺寸均为75 mm×120 mm×24 mm，左侧手柄为绞车操控，右侧手柄为顶驱转速调节。左侧设计六个按钮，按钮直径均为25 mm，厚度均为15 mm，按钮功能分别为绞车、顶驱、泥浆泵紧急制动，猫道机控制，立根作业和单根作业一键操作。右侧设计两个旋钮，旋钮直径25 mm、长度50 mm、厚度15 mm，上方旋钮为司钻室控制系统启动运行旋钮，下方为井口关键设备启动按钮。操纵装置整体布置如图5所示。

图5 操纵装置整体布置图

3 司钻室空间布局设计

3.1 司钻室外观设计

司钻室整体外型设计基于人机工程学理论。一方面在不超过最大外轮廓尺寸的前提下，尽可能扩大司钻室空间；另一方面，司钻室内部布置应紧凑且不造成空间资源的浪费，方便司钻室的升级改造。对司钻室房体转折处进行椭圆化、透明化处理，解决房体转折处遮挡视线问题，还安装了吊环、空调、节能灯等功能性配件。在保证人机工程学的合理性和适应性的基础上，实现造型的美观。

3.2 辅助装置设计

由于司钻现场的布局很容易影响司钻视野，造成司钻视野(司钻人员对井口的实时观测)不足，并由此导致司钻过程中司钻人员对井口情况的判断失误，从而造成误操作，故增加旋转辅助装置。通过旋转司钻室上部，调整司钻人员对井口的视角，可以在司钻室处于不同布局的情况下，保证司钻人员的井口视野。此外，对钻机司钻室底座增加平衡装置来应对各种恶劣的环境和工况，保证司钻人员操作的安全稳定以及平衡。旋转辅助装置和平衡装置均利用电机和减速机配合来驱动。

3.3 司钻室整体布局方案

5000 m岩心钻机的司钻室内一般安排主司钻和副司钻两名司钻人员。主司钻人员负责司钻的整体操作和控制，副司钻人员负责协助和辅助主司钻人员对仪表盘数据、视频监控等进行监督，防止误操作。根据主、副司钻的功能和职位，有以下三种司钻室布局方式。

第一种布局是组合式布局，房体为边长3500 mm的六边形，高度2700 mm。司钻室内设计两套操纵装置，主司钻人员进行钻机钻进装置的控制和操作，与此同时，副司钻人员利用另一套虚拟操纵装置在司钻室内对监控平台进行观测，如图6(a)所示。这种布局的缺点是司钻室的设计尺寸与同类型的石油钻机司钻室体积等同，司钻室占地面积过大，不方便搬运和吊接。

图6 司钻室整体布局

第二种是一体式布局，房体为边长2000 mm的六边形，高度2700 mm。该布局在组合式布局的基础上去除副司钻操作台，同时将显示器设置在主司钻台背面，副司钻监控功能集成设置在主司钻台上面，背面留有空间放置便携式座椅，如图6(b)所示。

第三种是分布式布局，房体尺寸为2000 mm×2000 mm×2600 mm。该布局在一体式布局的基础上增添视频学习和虚拟操作功能，同时对主司钻人员的司钻操作进行划分，使操作空间更加紧凑，体积更小，同时增加了移动装置。司钻可以不受场地限制，如图6(c)所示，但缺乏主副司钻现场人员的交流。

利用人机环境原则对比三种布局方案，第一种方案为最舒适司钻室，第二种方案为舒适司钻室，第三种方案过于超前，不太现实，但可以作为小功率岩心钻机司钻室方案。经过对比分析，第二种一体式布局方案在满足人机工程设计的基础上，更加符合现场工作环境和要求。三种方案对比见表2。

表2 三种司钻室设计方案对比

4 结论

本文针对5000 m智能地质岩心钻机设计了符合人机工程学理论的司钻室，利用H点和眼椭圆人机工程学理论和人机工程学等设计原则完成了对司钻室座椅、仪表台、显示器、操纵装置的布置设计，提出了组合式、一体式、分布式三种人机工程学布置方式，在一定程度上解决了现有司钻室存在的布局影响视角、操纵和显示装置数量过多等问题，减少了司钻人员的误操作，对实际应用意义重大。为了更好地实现司钻室控制系统信息化与智能化，操作系统电气化与人性化，同时满足更大深度岩心钻探在钻深能力、风险监控、集中操控等方面的发展需求，兼顾新兴科技、芯片等高集成度、模块化定制的岩心钻机司钻室有了光明的发展前景。依据各种各样的人机工程环境，选择适合的控制方式和操纵形式，同时对司钻室进行模块化的人机工程学定制，已成为大势所趋。