基于人机工程学的煤矿机械驾驶室设计

赵媛媛

（中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

引言

连续采煤机是主要用于煤矿井下短壁机械化开采和煤巷快速掘进的设备，具有安全、高效、配套灵活的特点，适用于开采后的残留煤柱、不规则块段及“三下”压煤的开采[1]。连续采煤机结构复杂，在设计和使用时习惯性优先考虑其可靠性及稳定性，而经过多年来的发展，相关煤机设备在技术方面均已趋于成熟，人们对于煤机设备的需求有所提高，对外观、色彩、舒适性等方面均有更高的要求。驾驶室作为操作者与设备接触最多的区域，驾驶人员的舒适性及与设备的人机互适性就显得尤为重要。

1 人机工程学在煤机设备上的应用

人机工程学是从工程设计的角度出发，研究人-机系统中人、机的相互作用，使机器的设计适应于人，以保证人的操作简便迅速、舒适安全[2]。驾驶室是驾驶员操作控制车辆的工作场所，更是人机工程学在连续采煤机整体设计中的集中体现。连续采煤机的驾驶室由显示系统、操作系统和附件系统组成。显示系统包括显示器、指示灯和仪表；操作系统包括操作阀组、控制箱体等。

人机界面（HumanMachineInteraction，HMI）作为装备与操作员的交互窗口，实现了装备信息的内部形式与操作员可以接受形式之间的转换，是装备整体设计中至关重要的部分，将直接影响到操作工效的提升和作战效能的发挥[3-4]。因此，连续采煤机中驾驶室设计就应该是充分地考虑井下显示、操作系统装置的特殊性，安全有效、方便快捷地控制操作仪器，避免因人为习惯而产生的错误操作[5]。

2 连续采煤机驾驶室人机优化布局

2.1 显示系统布局设计研究

连续采煤机显示系统包括显示器、仪表和指示灯等，显示器原来位置在座椅左侧方，驾驶员需头部转动较大幅度方可进行观察，频繁大角度转动头部易引发头晕等不适感，且距离操作人员眼部太近，且在暗环境下长时间近距离观察发光强烈的屏幕对视力损伤极大。因此，设计时应考虑显示屏的位置及距离是否得当。

仪表位于操作台上，考虑到最佳视区与驾驶绩效的关系，仪表板的中心与视线水平中心线连线的夹角取值范围应在30°左右，而整套操作面板系统应该尽量控制在驾驶员视野的120°范围之内。

2.2 操作系统及布局设计

连续采煤机操作系统由操纵手柄、控制阀组等组成，协同控制设备运行。控制面板的设计需要根据人体尺寸的测量数据确定最佳布局范围。

连续采煤机内部元部件繁多、管路布置复杂，使得操作界面相对繁琐，也造成驾驶室拥挤，加之煤矿机械运用工况恶劣，需要操作者长时间面对管线密集、杂乱的操作空间，极易引发误操作。为此设计时应合理布局操作阀组及元部件，结合人的操作习惯，可有效减少误操作。

2.3 驾驶室内附件设计研究

连续采煤机驾驶室内除了必要的显控装置，还包括座椅、工作台等附件。工作台作为安装操作阀组及仪表盘的平台，其高低需结合人机工程学中操作台的数据进行设计，可以有效减少误操作。

除此之外，驾驶室内管线密集，还应考虑到人的心理舒适度及减少误操作的因素，将管线隐藏于覆盖件下，可以有效整合空间。

3 驾驶室设计实例

3.1 显示系统布局设计

为了提升操作人员观察显示器的舒适度，实现信息交互效果的优化，方案将显示器布局到驾驶员左前方，并将放置显示器的覆盖件设计为斜面30°。仪表布局在操作面板右前方，确保在24°最佳视区之内。

3.2 控制系统设计

操作台的角度和高度直接关系到驾驶人员额舒适度，必须符合人机工程学中易于操作的范围内，参照操作台尺寸，将操作台倾斜角度定位上斜35°，高度定为下沿距离地面为600 mm。

最常用的控制手柄靠近手边安装，可以缩短操作者的反应时间和移动距离，有效减少长时间操作引起的疲劳。不常用的操作装置应考虑到连续采煤机驾驶室狭小的特点，安置在座椅侧上方，人在进出驾驶室时只需操作一次即可，其余时间无需操作。根据人机工程学，人体手臂所及范围，将工作台上的操作阀组布局在人体500 mm的范围内。依据驾驶室的空间布局特征，在Rhino软件中建立驾驶室的三维模型进行尺寸比对，将行走箱体设计为距离地面高度600 mm，符合人的操作舒适度，还有利于操作行走箱体，减少疲劳感。

3.3 驾驶室内覆盖件设计

井下煤机设备与普通工程机械的驾驶室有所不同，不仅空间狭小，且所处井下工作环境恶劣，这就需要在设计时不仅要满足正常操作，还要考虑驾驶员心理舒适度。

此方案以满足使用条件为基础，综合考虑生产成本等因素，添加适度的弧面造型，通过简约的曲面设计为驾驶员营造一种平静的驾驶体验。方案在驾驶员左侧添加覆盖件，将接线盒、总管线等置于覆盖件内，与现有驾驶室相比，增强空间利用率、提升原件秩序感，降低驾驶员由于长时间在昏暗环境下工作产生的紧张、焦躁情绪。侧边工作台高度设计为600 mm，人手抓握操纵杆后大臂可自然下垂，为小臂提供有效支撑，缓解长时间操作手柄的疲劳感。

4 结语

人机工程学已在诸多领域取得丰硕的成果，为飞机、汽车、机床等行业的使用者提供了舒适的体验，同时也取得了显著的经济效益和社会效益。工业设计作为一种创新工具，在提高舒适性及经济效益的同时可以辅助煤机装备提升其竞争力。因此，通过工业设计来提升产品必将成为煤机领域的重要研究方向。利用人机工程学方法对煤机产品进行设计，使其操作更加安全舒适、简洁高效，对于推动我国煤机产业进步，提高井下安全生产水平，加快煤机企业的发展具有非常重要的意义。