人机工程在煤矿机械设计中的应用研究

陶　杰

（山西焦煤集团有限责任公司东曲煤矿， 山西　古交　030200）

引言

煤矿开采任务重，容易导致操作人员的紧张和疲劳，从而影响其操作设备的准确性，导致操作性安全事故的发生。随着科学技术和信息技术的发展，现代化煤矿当中对于机械设计的人文理论因素要求得更高。采用人机工程理论来对机械设备进行设计，可以改善操作人员的工作环境，达到降低人为安全事故发生的目的[1]。

1　人机工程在煤矿机械设计中的应用必要性分析

通过对煤矿机械安全事故应用故障树分析法分析发现（FTA分析图如图1所示），工作人员失误状态下，有25%的安全事故因素是人机接口。

图1　煤矿机械事故故障树分析法示意图

使用墨菲定律来对此安全事故进行解释，可理解为当采用以人为本、以人为中心，应用人机工程技术进行煤矿机械设计[2]，那么其发生一次事故故障的概率就越来越小，甚至小到趋向无穷小，也就是发生故障的概率为不可能事件。这大大地提高了煤矿开采工作中的安全以及相应的开采效率。所进行人机工程技术的研究并将其应用在煤矿机械设计中是非常有必要的，也是有着实践意义的。

2　人机工程学在煤矿机械设计中的实践应用

能源需求量的增大促使煤矿企业加大了矿井的开采深度，其开采环境的复杂性更是导致“人-机-环境”系统三者的关系越来越复杂，从而使得煤矿开采工作对于人机工程技术的要求也越来越高。当前随着煤矿机械及其自动化应用程度越来越高，人机工程技术的应用也逐渐在机械设计中得到了体现，从而使得整个开采的效率和环境都得到了改善。这种人机工程技术同煤矿机械设计相结合，可以使得人与机械设备做到机宜人、人适机的状态。当前人机工程技术在煤矿机械设计中的实践应用主要体现在以下几方面：

2.1　人机界面的优化匹配

通过人机界面的原理可知（如图2所示），煤矿机械设计的环节和流程比较多，需要遵循的原则也比较多。从整体性能上讲，人机界面是外部与内部信息的相互交换，使信息以可以传递和接受的方式给人类进行展示[3]。

图2　煤矿机械人机界面的基本原理示意图

在人机界面的设计过程中，控制面板是重要的一个部件，其设计的目标主要是让其具有良好的沟通性与信息传递的顺畅与准确性，从而提高机械设计工作的整体效率。人机界面主要涉及到显示器、操纵器、工作台、工作椅四大要素，但是其操作界面非常的密集与繁琐，操作者在一天的工作过程中容易产生孤寂感。所以可以对人机界面进行优化，利用人机工程理论，增加人机界面操作过程的性感认知，利用人对尺寸、色彩、造型、材质以及操作方式等的意象和感觉，来体现机械设计产品的人文因素。

2.2　煤矿机械的噪声控制

煤矿机械工作中会产生很繁重的噪音，其噪音来源包括地面的压缩机、球磨机产生以及井下的采煤机与通风机等。煤矿主要生产机械产生的噪音与其传播距离衰减图见图3所示[4]。

图3　矿山机械噪声源噪噪音传播衰减图

噪音的存在会影响操作人员的心理状态，从而影响到其工作状态的不集中，造成相应的煤矿安全事故。因此，在煤矿机械的设计之初就应该采用相应的噪音减少或是消除措施，来达到噪音控制的目的。比如在对煤矿通风机进行设计时，从人机工程的内涵出发，从选型和空气动力学着手来降低其工作时产生的噪音。

2.3　人机数据的应用

在煤矿机械设计之初，就需要了解和掌握相应的人体测量的基本数据，主要是包括尺度测量、力量测量、体积测量、肌肉疲劳测量、动态测量等等。把这些数据应用到机械设计的过程当中，从而使得人能更好地操作机械设计。比如铲运机驾驶室的设计过程，就需要考虑到操作员的身材因素来进行设计，否则就容易造成操作不便。另外在设计时，机械设备仪器表盘的装置布置都需要符合人体的运动习惯。

2.4　机械设计的外观造型

矿山机械设备的设计当中同样也需要美学思想的融入。在设备外观的设计上需要达到人与机械与环境的良好结合，在视觉上有美的享受。良好的美学外观造型可以降低人在操作过程中的疲劳。所以应该通过人机工程的相关原理，根据根据人的心理、生理、安全、工效以及健康等因素保证设计的产品的适用性。

3　人机工程的未来展望

3.1　煤矿机械设计中的安全人机工程

煤矿机械自动化水平越来越高，煤矿井下人-机-环境系统越来越复杂，其安全问题被引起重视。在进行机械设计过程中，会把安全问题放在首位，体现安全人机工程的概念。对于煤矿机械设计过程，需要建议以人为中心的安全管理体制，提高人的整体素质，达到能实现安全人机工程的目的[5]。

3.2　煤矿机械设计中的绿色人机工程

煤矿机械设计中绿色人机工程主要是体现在煤矿开采的全过程生产环节当中，需要利用人机工程学技术来对煤矿的开采过程进行绿色环保问题的处理。主要的过程有绿色开采阶段、绿色设计阶段洗选阶段以及绿色运输阶段等。在煤矿生产的这四个阶段当中，都需要注重绿色环境意识，实现人与自然的和谐相处。这是未来人机工程发展的主要趋势。

3.3　煤矿虚拟人机工程与煤矿智能人机工程

计算机信息技术在煤矿中的应用，使得煤矿生产过程实现了全程的监测和监控，在这一基本条件下，后期在煤矿采掘、运输和加工等过程中可能应用虚拟现实技术，来不断实现煤矿的人机工程特性，让煤矿机械设备的设计向煤矿虚拟人机工程的方向发展。同时随着人工智能技术的发展与应用，后期的煤矿机械设计过程中也会出现煤矿智能人机工程。其主要特点就是包括专家系统和决策支持系统，来实现人机的结合，以人为主的综合集成体系。

4　结语

当前应用人机工程原理来对煤矿机械设计进行改造是非常有效的。基于人性化的设计理念，确保人-机-环境的和谐关系，进行机械设备的设计可以保障机械的安全性。我国煤矿机械设计中人机工程应用的时间不长，实践内容还不多，其相关的经验也比较薄弱。在未来的发展过程中，需要更多的机械设计师们关注人机工程学，把相关的设计理念融通到机械设计中去，从而提高煤矿机械设备的设计水平。

[1]杨耀君.人机工程在煤矿机械设计中的应用[J].山东工业技术，2017（16）：94.

[2]郑杰.人机工程在煤矿机械设计中的应用[J].能源与节能，2017（4）：150-151.

[3]李红涛，张驎.人机工程在煤矿中的应用现状及展望[J].矿山机械，2013，41（5）：1-4.

[4]耿晓亮，于会荣，韩燕，等.人机工程在煤矿机械设计中的应用[J].煤矿安全，2012，43（9）：222-224.

[5]杨丽艳.浅谈人机工程在机械设计中的应用[J].机械研究与应用，2010（5）：95-97.