基于人機工程學(xué)的煤礦機械駕駛室設(shè)計

趙媛媛

（中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

引言

連續(xù)采煤機是主要用于煤礦井下短壁機械化開采和煤巷快速掘進的設(shè)備，具有安全、高效、配套靈活的特點，適用于開采后的殘留煤柱、不規(guī)則塊段及“三下”壓煤的開采[1]。連續(xù)采煤機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在設(shè)計和使用時習(xí)慣性優(yōu)先考慮其可靠性及穩(wěn)定性，而經(jīng)過多年來的發(fā)展，相關(guān)煤機設(shè)備在技術(shù)方面均已趨于成熟，人們對于煤機設(shè)備的需求有所提高，對外觀、色彩、舒適性等方面均有更高的要求。駕駛室作為操作者與設(shè)備接觸最多的區(qū)域，駕駛?cè)藛T的舒適性及與設(shè)備的人機互適性就顯得尤為重要。

1 人機工程學(xué)在煤機設(shè)備上的應(yīng)用

人機工程學(xué)是從工程設(shè)計的角度出發(fā)，研究人-機系統(tǒng)中人、機的相互作用，使機器的設(shè)計適應(yīng)于人，以保證人的操作簡便迅速、舒適安全[2]。駕駛室是駕駛員操作控制車輛的工作場所，更是人機工程學(xué)在連續(xù)采煤機整體設(shè)計中的集中體現(xiàn)。連續(xù)采煤機的駕駛室由顯示系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和附件系統(tǒng)組成。顯示系統(tǒng)包括顯示器、指示燈和儀表；操作系統(tǒng)包括操作閥組、控制箱體等。

人機界面（HumanMachineInteraction，HMI）作為裝備與操作員的交互窗口，實現(xiàn)了裝備信息的內(nèi)部形式與操作員可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換，是裝備整體設(shè)計中至關(guān)重要的部分，將直接影響到操作工效的提升和作戰(zhàn)效能的發(fā)揮[3-4]。因此，連續(xù)采煤機中駕駛室設(shè)計就應(yīng)該是充分地考慮井下顯示、操作系統(tǒng)裝置的特殊性，安全有效、方便快捷地控制操作儀器，避免因人為習(xí)慣而產(chǎn)生的錯誤操作[5]。

2 連續(xù)采煤機駕駛室人機優(yōu)化布局

2.1 顯示系統(tǒng)布局設(shè)計研究

連續(xù)采煤機顯示系統(tǒng)包括顯示器、儀表和指示燈等，顯示器原來位置在座椅左側(cè)方，駕駛員需頭部轉(zhuǎn)動較大幅度方可進行觀察，頻繁大角度轉(zhuǎn)動頭部易引發(fā)頭暈等不適感，且距離操作人員眼部太近，且在暗環(huán)境下長時間近距離觀察發(fā)光強烈的屏幕對視力損傷極大。因此，設(shè)計時應(yīng)考慮顯示屏的位置及距離是否得當。

儀表位于操作臺上，考慮到最佳視區(qū)與駕駛績效的關(guān)系，儀表板的中心與視線水平中心線連線的夾角取值范圍應(yīng)在30°左右，而整套操作面板系統(tǒng)應(yīng)該盡量控制在駕駛員視野的120°范圍之內(nèi)。

2.2 操作系統(tǒng)及布局設(shè)計

連續(xù)采煤機操作系統(tǒng)由操縱手柄、控制閥組等組成，協(xié)同控制設(shè)備運行?？刂泼姘宓脑O(shè)計需要根據(jù)人體尺寸的測量數(shù)據(jù)確定最佳布局范圍。

連續(xù)采煤機內(nèi)部元部件繁多、管路布置復(fù)雜，使得操作界面相對繁瑣，也造成駕駛室擁擠，加之煤礦機械運用工況惡劣，需要操作者長時間面對管線密集、雜亂的操作空間，極易引發(fā)誤操作。為此設(shè)計時應(yīng)合理布局操作閥組及元部件，結(jié)合人的操作習(xí)慣，可有效減少誤操作。

2.3 駕駛室內(nèi)附件設(shè)計研究

連續(xù)采煤機駕駛室內(nèi)除了必要的顯控裝置，還包括座椅、工作臺等附件。工作臺作為安裝操作閥組及儀表盤的平臺，其高低需結(jié)合人機工程學(xué)中操作臺的數(shù)據(jù)進行設(shè)計，可以有效減少誤操作。

除此之外，駕駛室內(nèi)管線密集，還應(yīng)考慮到人的心理舒適度及減少誤操作的因素，將管線隱藏于覆蓋件下，可以有效整合空間。

3 駕駛室設(shè)計實例

3.1 顯示系統(tǒng)布局設(shè)計

為了提升操作人員觀察顯示器的舒適度，實現(xiàn)信息交互效果的優(yōu)化，方案將顯示器布局到駕駛員左前方，并將放置顯示器的覆蓋件設(shè)計為斜面30°。儀表布局在操作面板右前方，確保在24°最佳視區(qū)之內(nèi)。

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

操作臺的角度和高度直接關(guān)系到駕駛?cè)藛T額舒適度，必須符合人機工程學(xué)中易于操作的范圍內(nèi)，參照操作臺尺寸，將操作臺傾斜角度定位上斜35°，高度定為下沿距離地面為600 mm。

最常用的控制手柄靠近手邊安裝，可以縮短操作者的反應(yīng)時間和移動距離，有效減少長時間操作引起的疲勞。不常用的操作裝置應(yīng)考慮到連續(xù)采煤機駕駛室狹小的特點，安置在座椅側(cè)上方，人在進出駕駛室時只需操作一次即可，其余時間無需操作。根據(jù)人機工程學(xué)，人體手臂所及范圍，將工作臺上的操作閥組布局在人體500 mm的范圍內(nèi)。依據(jù)駕駛室的空間布局特征，在Rhino軟件中建立駕駛室的三維模型進行尺寸比對，將行走箱體設(shè)計為距離地面高度600 mm，符合人的操作舒適度，還有利于操作行走箱體，減少疲勞感。

3.3 駕駛室內(nèi)覆蓋件設(shè)計

井下煤機設(shè)備與普通工程機械的駕駛室有所不同，不僅空間狹小，且所處井下工作環(huán)境惡劣，這就需要在設(shè)計時不僅要滿足正常操作，還要考慮駕駛員心理舒適度。

此方案以滿足使用條件為基礎(chǔ)，綜合考慮生產(chǎn)成本等因素，添加適度的弧面造型，通過簡約的曲面設(shè)計為駕駛員營造一種平靜的駕駛體驗。方案在駕駛員左側(cè)添加覆蓋件，將接線盒、總管線等置于覆蓋件內(nèi)，與現(xiàn)有駕駛室相比，增強空間利用率、提升原件秩序感，降低駕駛員由于長時間在昏暗環(huán)境下工作產(chǎn)生的緊張、焦躁情緒。側(cè)邊工作臺高度設(shè)計為600 mm，人手抓握操縱桿后大臂可自然下垂，為小臂提供有效支撐，緩解長時間操作手柄的疲勞感。

4 結(jié)語

人機工程學(xué)已在諸多領(lǐng)域取得豐碩的成果，為飛機、汽車、機床等行業(yè)的使用者提供了舒適的體驗，同時也取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。工業(yè)設(shè)計作為一種創(chuàng)新工具，在提高舒適性及經(jīng)濟效益的同時可以輔助煤機裝備提升其競爭力。因此，通過工業(yè)設(shè)計來提升產(chǎn)品必將成為煤機領(lǐng)域的重要研究方向。利用人機工程學(xué)方法對煤機產(chǎn)品進行設(shè)計，使其操作更加安全舒適、簡潔高效，對于推動我國煤機產(chǎn)業(yè)進步，提高井下安全生產(chǎn)水平，加快煤機企業(yè)的發(fā)展具有非常重要的意義。