煤矿井下坑道钻机人机工程学应用分析

曹静

【摘 要】煤矿井下坑道钻机施工环境恶劣，将人机工程学理论应用于坑道钻机产品设计中，有助于提高工作效率，使钻机更安全可靠。本文主要分析了坑道钻机产品运用人机工程学的必要性，并从噪声控制、人体测量数据、维修性设计、外观设计四个方面分析了人机工程学在坑道钻机设计中的应用，力求设计出高效、安全、可靠的坑道钻机，更好的为煤矿开采和煤矿安全服务。

【关键词】坑道钻机；人机工程学；应用

0 引言

煤炭在我国能源结构中一直都占有非常大的比重，因此煤矿安全生产问题就变得尤为重要。煤矿井下坑道钻机作为瓦斯抽采钻孔施工的重要设备，在瓦斯抽采、降低瓦斯事故方面起到非常重要的作用。人机工程学是运用系统工程的观点，通过分析人的身体和心理特征，研究人、机、环境三者之间的相互作用关系，使机械和环境适应于人，使人、机、环境的配合达到最佳状态，获得最佳的经济效益和社会效益[1]。目前坑道钻机已由20世纪90年代的分体式钻机慢慢转变为目前的履带式钻机，随着履带式钻机用量的增多，产品的人性化要求也逐渐提高，使用的便捷性与舒适性日益受到用户关注。因此，研究人机工程学在煤矿井下坑道钻机设计使用中的应用十分有意义。

1 坑道钻机运用人机工程学的必要性

坑道钻机产品使用的环境特殊，主要用于煤矿井下钻孔施工，工作环境非常恶劣。坑道钻机需要长时间在噪音、粉尘、油污、振动、腐蚀等不利因素的作用下作业，操作人员容易产生松懈和疲劳，因此要保证施工的正确性和高效率，并不是一件容易的事情。以往坑道钻机在大家印象中一直都是笨、重、脏的形象，还存在着外观粗糙、操作不够人性化等问题。因此只有通过加强人机工程学在坑道钻机产品中的应用，尽量解决坑道钻机在使用过程中受到的人和环境的影响因素，使坑道钻机更好的适应煤矿井下的作业环境，适应操作人员的生理和心里特征，为操作人员提供安全、高效、舒适的作业条件，使人、机、环境达到协调统一，才能提高作业效率，使坑道钻机发挥出更大的性能。

2 人机工程学在坑道钻机设计中的应用

2.1 坑道钻机噪声控制

坑道钻机在使用过程中会产生明显的噪声，包括电机、泵、马达、齿轮等运转时都会产生噪声。噪声会导致人的注意力下降，容易使人产生烦躁的情绪，并且会影响人的正常交谈，这些都会影响工作效率，严重时可能会因为工作失误导致安全事故的发生。钻机发生故障时产生的不正常声响也可能因为被噪声掩盖而不能被及时发现。长时间在高噪声的环境中工作，可能会造成听力受损，甚至损坏人的身体健康。因此在坑道钻机设计时，需要考虑到噪声控制问题。

坑道钻机的噪声可以从噪声源和噪声的传播两方面进行控制。噪声源方面，泵、马达、电机可以通过合适的选型以及减振处理减少噪声。齿轮可以从设计、加工等方面进行噪声控制，通过合理的设计及技术要求保证齿轮参数的正确；加工时保证尺寸公差、表面粗糙度等满足设计要求。噪声的转播方面，可以选用吸音材料设计专用的隔音罩，在适当的位置安装消声器，减少噪声向外传播。

2.2 人体测量数据在坑道钻机设计中的应用

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[2]。坑道钻机在设计初期时就应参考人的构造尺寸和功能尺寸，保证操作者在使用钻机时具备舒适性和安全性。

（1）操作台及座椅的位置和高度设计

坑道钻机的操作者基本上都是男性，所以应收集男性的数据来进行设计参考。操作装置的位置应在人的双臂可及的范围之内，且应满足人在操作时的视线能观察到执行机构的运动情况。由于钻孔施工过程中，可能会发生瓦斯、煤粉或水的涌出，因此操作台位置应尽量远离钻孔的位置，保证作业的安全。操作台操作部件的高度应尽量与人的双臂舒适操作的高度相符合，使人减少疲劳感，提高工作效率。在满足条件的情况下，应尽量为操作人员设计座椅，座椅的结构尺寸应根据人体下肢、背部的尺寸相符，使人在坐下后产生舒适感。

（2）各操作手柄设计

操作手柄的运动方向应符合执行机构的运动方向，比如手柄前推时，执行机构也应向前运动；操作手柄的推拉力应设计在合适的范围内，避免增加操作人员的劳动强度；操作手柄的大小应适应人手尺寸，使操作人员在操作时获得舒适的握持感受。

2.3 坑道钻机中维修性人机工程学设计

维修性设计的目的是设备发生故障时，维修人员可以快速的发现故障原因，并安全、经济、高效的将设备修理好[3]。根据经验积累，目前坑道钻机主要维修方面包括结构件和密封件两大部分，结构件上，主要有箱体轴承、平移导轨及衬板、销轴等；密封件上，主要有胶管、接头、骨架油封、油缸密封等。对上述两方面的维修性人机工程学设计，主要体现在：

（1）方便维修人员维修

首先，坑道钻机的设计需要具备可达性。可达性是指产品发生故障后，维修人员可以方便的观察并接近到故障位置，且维修时具有足够的操作空间。比如在钻机适当的部位安装观察窗、预留装配维修空间是实现钻机产品可达性的重要途径。其次，应保证零部件拆装方便。比如在满足性能的要求下尽量选择易拆装定位的连接形式，易损件采用快速拆装结构，需拆卸部件尽量设计成可使用通用工具拆卸等。

（2）维修的安全性

维修的安全性是指在维修人员维修时不会受到机械损伤、电击或其他伤害。坑道钻机设计时，维修人员维修过程中身体容易接触的部件应消除棱角和锐边，避免受伤。

2.4 坑道钻机外观设计

研究表明来自外界的信息有80～90%是通过人的眼睛获得的。为了使设计的产品能更好的吸引人，外观设计在满足性能要求的同时，还要考虑美观性。煤矿井下是黑色的，长时间呆在井下工作会让人产生压抑感，影响操作者的工作效率和操作安全。好的产品外观可以使人心情愉悦，有利于提高工作效率，减少安全事故的发生，因此坑道钻机产品外观的美观性非常重要。坑道钻机的美观性设计可以从外形结构和颜色两方面入手。外形结构方面，应将液压胶管整理分类，使用护罩保护部分部件，应尽量采用圆角和曲面的设计，增加视觉的美观感和作业的安全性。颜色方面，由于煤矿井下比较昏暗，因此应当尽量选用红、白、黄等鲜艳、明亮的颜色，使操作者容易分辨，有利于缓解操作者的视觉疲劳。

3 结语

人机工程学理论目前已广泛的应用于各个行业，取得了良好的经济效益。随着科技的发展、社会的进步，煤矿井下坑道钻机产品对人性化设计的需求越来越多，将人机工程学理论更多的应用于坑道钻机产品中，设计出操作简单、高效率、高性能、舒适、安全、可靠的坑道钻机对煤矿开采技术进步、减少煤矿安全生产事故具有重要的意义。

【参考文献】

[1]李建中，任卫红，何定东.人机工程学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2000.

[2]李洪刚.人机工程学在煤矿机械产品中的应用研究[J].机电产品开发与创新，2013，26（4）：60-61，69.

[3]张旭晨，高世杰，李敏.机械的维修性人机工程学设计[J].黑龙江科技信息，2007（24）：21.