人機工程在煤礦機械設計中的應用研究

陶　杰

（山西焦煤集團有限責任公司東曲煤礦， 山西　古交　030200）

引言

煤礦開采任務重，容易導致操作人員的緊張和疲勞，從而影響其操作設備的準確性，導致操作性安全事故的發(fā)生。隨著科學技術和信息技術的發(fā)展，現(xiàn)代化煤礦當中對于機械設計的人文理論因素要求得更高。采用人機工程理論來對機械設備進行設計，可以改善操作人員的工作環(huán)境，達到降低人為安全事故發(fā)生的目的[1]。

1　人機工程在煤礦機械設計中的應用必要性分析

通過對煤礦機械安全事故應用故障樹分析法分析發(fā)現(xiàn)（FTA分析圖如圖1所示），工作人員失誤狀態(tài)下，有25%的安全事故因素是人機接口。

圖1　煤礦機械事故故障樹分析法示意圖

使用墨菲定律來對此安全事故進行解釋，可理解為當采用以人為本、以人為中心，應用人機工程技術進行煤礦機械設計[2]，那么其發(fā)生一次事故故障的概率就越來越小，甚至小到趨向無窮小，也就是發(fā)生故障的概率為不可能事件。這大大地提高了煤礦開采工作中的安全以及相應的開采效率。所進行人機工程技術的研究并將其應用在煤礦機械設計中是非常有必要的，也是有著實踐意義的。

2　人機工程學在煤礦機械設計中的實踐應用

能源需求量的增大促使煤礦企業(yè)加大了礦井的開采深度，其開采環(huán)境的復雜性更是導致“人-機-環(huán)境”系統(tǒng)三者的關系越來越復雜，從而使得煤礦開采工作對于人機工程技術的要求也越來越高。當前隨著煤礦機械及其自動化應用程度越來越高，人機工程技術的應用也逐漸在機械設計中得到了體現(xiàn)，從而使得整個開采的效率和環(huán)境都得到了改善。這種人機工程技術同煤礦機械設計相結(jié)合，可以使得人與機械設備做到機宜人、人適機的狀態(tài)。當前人機工程技術在煤礦機械設計中的實踐應用主要體現(xiàn)在以下幾方面：

2.1　人機界面的優(yōu)化匹配

通過人機界面的原理可知（如圖2所示），煤礦機械設計的環(huán)節(jié)和流程比較多，需要遵循的原則也比較多。從整體性能上講，人機界面是外部與內(nèi)部信息的相互交換，使信息以可以傳遞和接受的方式給人類進行展示[3]。

圖2　煤礦機械人機界面的基本原理示意圖

在人機界面的設計過程中，控制面板是重要的一個部件，其設計的目標主要是讓其具有良好的溝通性與信息傳遞的順暢與準確性，從而提高機械設計工作的整體效率。人機界面主要涉及到顯示器、操縱器、工作臺、工作椅四大要素，但是其操作界面非常的密集與繁瑣，操作者在一天的工作過程中容易產(chǎn)生孤寂感。所以可以對人機界面進行優(yōu)化，利用人機工程理論，增加人機界面操作過程的性感認知，利用人對尺寸、色彩、造型、材質(zhì)以及操作方式等的意象和感覺，來體現(xiàn)機械設計產(chǎn)品的人文因素。

2.2　煤礦機械的噪聲控制

煤礦機械工作中會產(chǎn)生很繁重的噪音，其噪音來源包括地面的壓縮機、球磨機產(chǎn)生以及井下的采煤機與通風機等。煤礦主要生產(chǎn)機械產(chǎn)生的噪音與其傳播距離衰減圖見圖3所示[4]。

圖3　礦山機械噪聲源噪噪音傳播衰減圖

噪音的存在會影響操作人員的心理狀態(tài)，從而影響到其工作狀態(tài)的不集中，造成相應的煤礦安全事故。因此，在煤礦機械的設計之初就應該采用相應的噪音減少或是消除措施，來達到噪音控制的目的。比如在對煤礦通風機進行設計時，從人機工程的內(nèi)涵出發(fā)，從選型和空氣動力學著手來降低其工作時產(chǎn)生的噪音。

2.3　人機數(shù)據(jù)的應用

在煤礦機械設計之初，就需要了解和掌握相應的人體測量的基本數(shù)據(jù)，主要是包括尺度測量、力量測量、體積測量、肌肉疲勞測量、動態(tài)測量等等。把這些數(shù)據(jù)應用到機械設計的過程當中，從而使得人能更好地操作機械設計。比如鏟運機駕駛室的設計過程，就需要考慮到操作員的身材因素來進行設計，否則就容易造成操作不便。另外在設計時，機械設備儀器表盤的裝置布置都需要符合人體的運動習慣。

2.4　機械設計的外觀造型

礦山機械設備的設計當中同樣也需要美學思想的融入。在設備外觀的設計上需要達到人與機械與環(huán)境的良好結(jié)合，在視覺上有美的享受。良好的美學外觀造型可以降低人在操作過程中的疲勞。所以應該通過人機工程的相關原理，根據(jù)根據(jù)人的心理、生理、安全、工效以及健康等因素保證設計的產(chǎn)品的適用性。

3　人機工程的未來展望

3.1　煤礦機械設計中的安全人機工程

煤礦機械自動化水平越來越高，煤礦井下人-機-環(huán)境系統(tǒng)越來越復雜，其安全問題被引起重視。在進行機械設計過程中，會把安全問題放在首位，體現(xiàn)安全人機工程的概念。對于煤礦機械設計過程，需要建議以人為中心的安全管理體制，提高人的整體素質(zhì)，達到能實現(xiàn)安全人機工程的目的[5]。

3.2　煤礦機械設計中的綠色人機工程

煤礦機械設計中綠色人機工程主要是體現(xiàn)在煤礦開采的全過程生產(chǎn)環(huán)節(jié)當中，需要利用人機工程學技術來對煤礦的開采過程進行綠色環(huán)保問題的處理。主要的過程有綠色開采階段、綠色設計階段洗選階段以及綠色運輸階段等。在煤礦生產(chǎn)的這四個階段當中，都需要注重綠色環(huán)境意識，實現(xiàn)人與自然的和諧相處。這是未來人機工程發(fā)展的主要趨勢。

3.3　煤礦虛擬人機工程與煤礦智能人機工程

計算機信息技術在煤礦中的應用，使得煤礦生產(chǎn)過程實現(xiàn)了全程的監(jiān)測和監(jiān)控，在這一基本條件下，后期在煤礦采掘、運輸和加工等過程中可能應用虛擬現(xiàn)實技術，來不斷實現(xiàn)煤礦的人機工程特性，讓煤礦機械設備的設計向煤礦虛擬人機工程的方向發(fā)展。同時隨著人工智能技術的發(fā)展與應用，后期的煤礦機械設計過程中也會出現(xiàn)煤礦智能人機工程。其主要特點就是包括專家系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)，來實現(xiàn)人機的結(jié)合，以人為主的綜合集成體系。

4　結(jié)語

當前應用人機工程原理來對煤礦機械設計進行改造是非常有效的。基于人性化的設計理念，確保人-機-環(huán)境的和諧關系，進行機械設備的設計可以保障機械的安全性。我國煤礦機械設計中人機工程應用的時間不長，實踐內(nèi)容還不多，其相關的經(jīng)驗也比較薄弱。在未來的發(fā)展過程中，需要更多的機械設計師們關注人機工程學，把相關的設計理念融通到機械設計中去，從而提高煤礦機械設備的設計水平。

[1]楊耀君.人機工程在煤礦機械設計中的應用[J].山東工業(yè)技術，2017（16）：94.

[2]鄭杰.人機工程在煤礦機械設計中的應用[J].能源與節(jié)能，2017（4）：150-151.

[3]李紅濤，張驎.人機工程在煤礦中的應用現(xiàn)狀及展望[J].礦山機械，2013，41（5）：1-4.

[4]耿曉亮，于會榮，韓燕，等.人機工程在煤礦機械設計中的應用[J].煤礦安全，2012，43（9）：222-224.

[5]楊麗艷.淺談人機工程在機械設計中的應用[J].機械研究與應用，2010（5）：95-97.