人机工程学在煤矿机械产品中的应用研究

2013-04-17李洪刚

机电产品开发与创新 2013年4期

李洪刚

（黑龙江科技学院，黑龙江哈尔滨 150027）

0 引言

人机工程学是一门综合性的边缘学科，研究人、机械及其工作环境之间相互作用。国际人类工效学学会为人机工程学进行了最有权威、最全面的定义，即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。它综合应用人体科学、安全科学、环境科学、工程技术科学、社会科学及技术美学等多方面的有关理论、研究方法和手段，运用系统工程的观点，以人的生理、心理特征为依据，分析研究人与机械设备、人与环境及机械设备与环境之间的相互关系，为设计操作简便、安全舒适、人-机-环境的配合达到最佳状态的工程系统提供理论和方法。其目的在于提高人的工作效率，改善人的工作条件，增加机械设备工作的可靠性，使工作更为安全和舒适。

1 在煤矿机械产品上运用人机工程学的必要性

我省是煤炭大省，煤矿资源丰富的城市较多，如鸡西、七台河等矿区，随之而来的生产煤矿机械的企业和产品也非常多，如鸡西煤机厂等。因为煤矿机械产品使用的环境比较特殊，野外、矿下等等，设备的操作相对复杂，噪音、油污、振动等干扰因素多，严寒酷暑、风沙雨雪也都影响操作员的正常工作，灵活准确地操作它，进行长时间作业并不是一项轻松的工作，极易使操作员产生紧张和疲劳，生产效率不能得到很大的提高。而且以往煤矿机械设备在人们心目中的形象一直是笨、重、脏，存在色彩单调、搭配不当、体形庞大、线条生硬、不易操作、显示装置不够人性化等诸多问题。这就要求从人机工程学的角度出发，对煤矿机械产品重新进行改良设计，做到以人为本，为使用者提供安全、舒适、健康、高效的工作条件。

2 人机工程学在煤矿机械产品中的应用

煤矿机械应以人机工程学原理为其基本的设计原则，人机工程学是一项以人为本的综合的系统设计，强调将人、机器和环境作为相互联系的三个基本部分构成一个整体，形成人机系统。其中最重要的是人不能被动地去适应机器，而是与机器共同完成一个系统目标，从而可以获得它的最高综合效能，在设计中，主要应考虑以下几个方面。

（1）人体测量数据在煤矿机械产品中的应用。人机工程学范围内的人体形态测量数据主要有两类，即人体构造尺寸和功能尺寸的测量数据。人体构造上的尺寸是指静态尺寸，如煤矿机械产品上各种操作按钮的尺寸应与人手的尺寸相对应、座椅尺寸与人的下肢及背部尺寸相对应等等；人体功能上的尺寸是指动态尺寸，包括人在工作姿势下或在某种操作活动状态下测量尺寸。

在煤矿机械产品设计中所有涉及人体尺度参数的确定都需要应用大量人体构造和功能尺寸的测量数据。在设计时若不很好考虑这些人体参数，就很可能造成操作上的困难和不能充分发挥人机系统效率。例如，采煤机操作控制台的操作部位的高度与人的上肢舒适操作的高度相比过低或过高，人在操作时需要弯腰或抬臂，这样不仅影响工作效率，人体将过早地产生疲劳，而且长期操作还会对操作者的身体健康带来不利影响。

各种煤矿机械设备、设施和工具等设计对象在适合于人的使用方面，首先涉及的问题是如何适合于人的形态和功能范围的限度。这里面涉及到了人体测量数据的一个位置指标、一个界值——人体百分位数，在设计中最常用的是5%、50%、95%三种百分位数。在煤矿机械中，绝大部分都是男性，所以百分数以男性为采集数据。例如，一切煤矿机械操作装置都应设在人的肢体活动所能及的范围之内，其高低位置必须与人体相应部位的高低位置相适应，一般应用5%的男性小尺寸数据；石门、巷道、硐室、罐笼等，其尺寸应以人体数据第95%男性的百分位数为依据。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%男性的百分位数为依据。还有操作台、仪表盘、操纵杆等用具的设计高度和安装高度，装载机、铲运机的驾驶位置和观察窗的大小、操纵手柄的形状和大小、维修空间的形式和大小等，都要根据人体的尺寸为基本依据。根据笔者的研究，总结出一句话 “容得下的空间，够得着的距离”，作为确定哪些数据应用小尺寸，哪些数据应用大尺寸的判定依据。

在满足人体尺寸数据的同时，要将各种操作设备布置尽可能设在人操作方便、反应最灵活的范围之内，提高设计对象的宜人性，让使用者能够安全、健康、舒适地工作，从而有利于减少人体疲劳和提高人机系统的效率。

（2）人机界面在煤矿机械产品中的应用。人机界面是指人和机器在信息交换和功能上接触或互相影响的领域，是人与机器之间传递和交换信息的平台，也是人与机器进行交流的界面。过去煤矿机械由于其结构较复杂，其中的动力机构较多，在设计时没有考虑到以人为本，随意地进行布局，使之操作界面非常繁琐和杂乱无章，使人在操作时没有规律可循，比较容易产生烦躁的心理，同时也为安全生产留下了隐患。

操作面板是人机交互的主要界面，面板上各种显示器、操纵器的配置均应以操作者为中心，依据操作姿势、仪表的重要程度和使用频度来进行合理的布置。

煤矿机械传递给人的信息的显示装置，它们共同的特征是能够把煤矿机械设备的有关信息以人能接收的形式显示给人。在人机系统中，按人接受信息的感觉通道不同，可将显示装置分为视觉显示、听觉显示和触觉显示。其中以视觉和听觉显示应用最为广泛，视觉显示包括仪器仪表等，听觉显示包括音响报警装置，如铃、蜂鸣器等，触觉显示是利用人的皮肤受到触压或运动刺激后产生的感觉，而向人们传递信息的一种方式，一般较少使用，但是在井下这种特殊环境下，触觉显示就显得特别重要了。

在人机系统中，人通过信息显示器获得关于煤矿机械的信息之后，利用效应器官操纵控制器，通过控制器调整和改变煤矿机械系统的工作状态，使它按人预定的目标工作。因此，控制器是把人的输出信息转换为煤矿机械输入信息的装置，也即在生产过程中，人是通过操纵控制器完成对煤矿机械的指挥和控制。目前，常见的人机信息交换中，人对煤矿机械的控制大多是通过肢体活动来实现的，依据人体的操作部位，主要可分为手动、脚动两大类控制器。

操纵装置的设计首先要充分考虑操作者的体形、生理、心理、体力和能力。操纵装置的大小、形态等要适应人的手或脚的运动特征，用力范围应当处在人体最佳用力范围之内，不能超出人体用力的极限，重要的或使用频繁的操纵装置应布置在人反应最灵敏、操作最方便、肢体能够达到的空间范围内。操纵装置的设计还有考虑耐用性、运转速度、外观和能耗。操纵装置是人机系统中的重要组成部分，其设计是否得当，关系到整个系统能否正常安全运行。在使用多种操纵器的复杂操作场所，如采煤机控制台，按其形状、位置、大小、颜色或标号对操纵器进行编码，是提高效率和减少误操作率的一种有效的方法。在设计时应将煤矿机械设备操纵机构尽量集中在人的主要操作位置上，操纵机构的运动方向也应符合大多数操作者的习惯，这样可使操作者的动作既安全又有效果，这就是人机工程学当中所说的操纵与显示的相合性。用于操纵的螺旋装置在无特殊要求时，一般应为右旋螺纹。另外操纵力的大小关系到操作者的劳动强度，应控制在合适的数据范围内。基于以上原因，在设计煤矿机械时必须根据人们的生理特征以及付出力度大小进行综合考虑。

操纵器与显示器除了有密切的功能联系外，两者的运动方向还应互相适应，而且其相应的动作符合人的习惯，这样系统操纵效率方能提高，如手柄向左移动时，被操纵的机构也应向左移动。因此，操纵与显示方向的相合性是人机界面设计中的重要部分，在煤矿机械设计中应该重点考虑。

综上所述，在煤矿机械设计中，合理的人机界面设计合乎人的思维逻辑，通俗易懂，操作简单且具有引导功能，这样既会使操作者的动作安全而且又有良好的效果，在作业过程中也会得到视觉和心理上的舒适感，减轻枯燥工作的疲劳和精神负担，使操作员感觉愉快，提高工作效率，减少事故发生。