人机工程学在薄煤层液压支架搬运车中的应用_郭爱军.pdf

煤矿机械Coal Mine MachineryVol.44 No.5May.2023第44卷第5期2023年5月doi:10.13436/j.mkjx.2023050620引言煤炭属于不可再生能源，随着我国煤炭资源的日益减少，中厚煤层煤炭储量大幅降低甚至枯竭。因此，国内各矿井开始对薄煤层煤炭资源进行开采。在薄煤层工作面进行搬家作业的过程中，支架搬运车驾驶员的视野极差，且掺杂着粉尘、噪声等恶劣环境因素，若没有较舒适的驾驶环境，难免因紧张、疲惫而形成操作失误，导致井下事故的发生。随着我国煤矿机械的不断发展，在设计过程中加强对人机工程学的运用，仿真模拟驾驶员的操作姿态，提高产品的舒适度和人性化设计水平具有重要意义。1薄煤层支架搬运车简介薄煤层综采工作面的巷道空间小、通风能力有限，柴油机支架搬运车在工作面作业时的尾气排放不易扩散，限制了其使用数量，必然会影响矿井辅运效率，增加工作接续时间。而蓄电池式支架搬运车因其低噪声、零排放的特点，开始受到用户的青睐。现有的蓄电池式薄煤层支架搬运车主要有2种类型：框架式支架搬运车和铲板式支架搬运车。框架式支架搬运车适用于支架的长距离运输，其主体结构如图1所示。整车最大高度小于1.6 m，长度约10 m。在低矮驾驶室范围完成座椅、操作机构的布置，保证驾驶员的良好视野及驾驶舒适性是本文研究的重点。图1框架式支架搬运车结构示意图1.前机架2.中机架3.液压支架2人体模型的建立由于井下作业设备操纵人员以男性居多，根据GB 10000-1988中国成年人人体尺寸，选用第95*中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项重点项目（2020-2-TD-ZD004；2021-TD-ZD2008）人机工程学在薄煤层液压支架搬运车中的应用*郭爱军1，薛喆2，3，王丽威2，3（1国能神东煤炭集团有限责任公司，陕西 榆林719315；2中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司，太原030006；3.煤矿采掘机械装备国家工程实验室，太原030006)摘要：为提高某薄煤层支架搬运车驾驶舒适性和安全性，构建了95百分位的中国人体模型。计算了座椅、操纵机构、脚踏板、仪表盘等关键件尺寸，完成了薄煤层支架搬运车驾驶室的整体排布。通过人机工程学模型，分别对驾驶员的操作舒适性、视野舒适性和坐姿舒适性进行了人机工程学仿真，结果表明：在长时间的正常驾驶模式下，驾驶员的整体姿态处在较高的舒适度范围，对提高辅助运输装备的驾驶舒适性和安全性具有较高的参考价值。关键词：煤矿辅助运输；液压支架搬运车；人机工程；虚拟仿真中图分类号：TD525文献标志码：B文章编号：1003 0794（2023）05 0202 04Application of Ergonomics on Hydraulic Support Carrier in Thin CoalSeamGuo Aijun1，Xue Zhe2，3，Wang Liwei2，3(1.CHN Energy Shendong Coal Group Co.,Ltd.,Yulin 719315,China；2.CCTEG Taiyuan Research Institute Co.,Ltd.,Taiyuan 030006,China；3.National Engineering Laboratory for Coal Mining Machinery,Taiyuan 030006,China)Abstract:In order to improve the driving comfort and safety of a hydraulic support carrier,a Chinesehuman body model was constructed based on the 95th percentile.The dimensions of key componentssuch as the seat,operating mechanism,pedals and instrument panel were calculated,and the overalllayout of the cab of the thin coal seam support carrier was completed.Through ergonomics module,carried out ergonomic simulations on the driver operating comfort,visual field comfort and sittingcomfort.The results show that the driver posture is maintained in a high comfort range in long-termnormal driving mode,which has a high reference value for improving the driving comfort and safety ofthin coal seam auxiliary transportation equipment.Key words:coal mine auxiliary transportation；hydraulic support carrier；ergonomics；virtual simulation123202百分位中国人体尺寸作为设计参照；身高1 794.3 mm，坐 高958.4 mm，坐 姿 眼 高841.6 mm，坐 姿 膝 高532.5 mm，坐姿肘高298 mm。在三维建模软件中构建人体模型，对上述尺寸进行设定，如图2所示。图2人体模型3基于人机工程学的驾驶室设计（1）最优H点计算H点是人体躯干和大腿的联接点，是与坐姿舒适性和操纵方便性密切相关的车内装置尺寸基准点。H点的确定通常以点（AHP）为基准，可根据下肢关节角度确定H点坐标（HX、HZ），有HXL10cos（180-a1-a）+L4cos（180-a1-a3）+L3cos a2HZL10sin（180-a1-a）+L4sin（180-a1-a3）+L3sin a2式中a固定值；a1脚掌与地面的夹角；a3膝关节夹角；a2大腿与座椅间夹角，为减轻座椅表面对驾驶员大腿的压力，令a25；L10踝关节点至AHP点距离；L4膝关节至踝关节长度；L3膝关节至H点距离。根据文献选取95百分位中国男性的约束条件，如表1所示。最优H点区域坐标值范围如图3所示。表1最优H点区域数学模型约束条件图3最优H点区域坐标值范围1.HX2.HZ（2）操纵机构的布置确定H点后，通过上述计算方法确定了座椅参考点（SgRP）、方向盘中点、操作机构参考点等关键点，完成了薄煤层支架搬运车驾驶室关键元部件的布置，如图4所示。支架搬运车驾驶室面板设置于前玻璃下方，保证不会遮挡驾驶人员的正向视野；驾驶室面板装有显示屏、仪表组件、手操手柄等。电操手柄布置在驾驶员左前侧，用于控制车辆的行走与灯光系统；手柄组1布置在仪表盘左侧，用于控制电池升降与装卸；手柄组2布置在仪表盘右侧，用于控制工作机构。图4驾驶室关键元部件定位1.电操手柄2.手柄组1 3.手柄组2 4.脚踏板组（3）全封闭驾驶室设计驾驶室选用了可拆卸的全封闭式结构，如图5所示。驾驶室侧部和后部可分别通过螺栓与前机架联接。全封闭式结构的优点是减弱了驾驶室内的噪声及减少有害气体的进入，为驾驶员提供更舒适的驾驶环境；驾驶室窗体配有可拆卸的防弹玻璃，增强驾驶员安全性的同时，进一步隔绝了室外噪声的进入，提高了驾驶员的驾驶舒适性。图5封闭驾驶室模型4人机工程学仿真（1）操纵域仿真利用人机工程学中的Manikin Tools分析工具对正常驾驶状态下的操纵台可达性进行仿真分析，通过将驾驶员模型进行装配，调整到正常坐姿下（双手握住方向盘），在此状态下对驾驶员双手可达性进行仿真模拟，描绘出驾驶员手部的最大可触及范围，如图6所示。图6驾驶员操纵域第44卷第5期Vol.44 No.5人机工程学在薄煤层液压支架搬运车中的应用郭爱军，等变量值L10/mm105L4/mm403L3/mm403a1/（）35a2/（）5a3/（）114.5135121234115120a3/（）长度/mm800700600500400300200100125130135践重203仿真结果表明：在正常驾驶模式中，驾驶员的左手可到达区域包含了左下部的电操手柄和左上部的工作机构操纵杆，右手可到达区域覆盖了所有操纵组件。驾驶员需要进行的所有操作无需多次姿态变换即可完成，避免了长时间变换姿态带来的肌肉疲劳，提高了驾驶员的操纵舒适性。（2）视野仿真为了保证薄煤层工作面作业的安全高效性和驾驶员在各方向上拥有良好的视野，运用人机工程模块中的视野(vision)工具对司机的动态视野进行模拟与仿真，结果如图7所示。图7中透明部分为双眼可见区域，深色部分代表司机无法看见的区域。（a）前向视野（b）后向视野（c）左侧55视野（d）低头12视野图7驾驶员视野仿真图7（a）表明：驾驶员平视时可清晰看到车辆前方视野，电池箱体及仪表盘组对前部视野遮挡较少。图7（b）表明：驾驶员后方可看到车体侧后方及部分U形框架，但无法看到支架搬运车封底铲板，拉运支架时需到车辆后方用专用手操手柄对车辆进行操控，保证车辆作业的安全性；针对右侧后车轮、后铲板中下部等视野盲区，在驾驶室侧方加装后视镜可扩大驾驶员的后向视野范围。图7（c）表明：电池箱体在最大离地角时，左侧方电池箱体并不会遮挡驾驶员视野；右侧视野良好，无其他障碍物遮挡。图7（d）表明：在低头12时，仪表盘视野完整，虽然方向盘对屏幕有部分遮挡，但不宜缩小方向盘尺寸，因为较大的方向盘减小了驾驶员的操纵用力，使得转向操控更加轻松。5驾驶员舒适度分析及评价运用姿势得分分析工具对驾驶员各操纵姿态进行舒适度分析。为简化评估过程，将人体各关节扭转的首选角度分为舒适区域、较舒适区域和不舒服区域，各区域对应的分值、颜色及含义如表2所示。表2舒适度定义通过人机工程学理论完成了人体模型各关节（腰部、背部、颈部、大腿、小腿、大臂、小臂）的舒适度范围设定，如表3所示。表3人体模型关节舒适度范围设定以颈部舒适度分析为例，定义动作范围-82为最舒适范围（100分），213、-158为较舒适范围（80分），其余区域为不舒适范围（60分），如图8所示。图8驾驶员颈部关节舒适度划分姿势评估前，需定义要评估的身体各关节自由度的首选角度和舒适度分值。姿态评估时，三维仿真工具会根据当前姿势下各关节所处的角度及其分值进行运算，得出最终的评估分数。通过对颈部、背部、腰椎、大臂、小臂、大腿、小腿、踝关节等部分进行舒适度计算，结果如图9所示。结果表明，驾驶员在常规驾驶姿势下总体得分接近90分，仅有右侧脚踝与腰椎部分数低于80分，其余人体各关节部位舒适度得分均高于80分。说明薄煤层支架搬运车驾驶员的各关节扭转均接近舒适角度范围，人体作业舒适度较高。经过分析，驾驶员右侧脚踝舒适度较低的原因是脚踏板离H点过近，区域舒适区域较舒适区域不舒适区域分值1008060颜色绿色蓝色黄色部位背部颈部大腿小腿大臂前臂动作前倾后倾左转右转前倾后倾低头仰头前弯后弯前弯后弯前弯后弯弯曲伸展舒适区域/（）51500-8-285100115130-60-30-60-30较舒适区域/（）-1051525-250025-250025-15-8213458510010513014590115-80-60-30-15-80-60-30-15不舒适区域/（）-20-102535-50-252550-50-252550-35-15133010451051251451607090-100-80-15-5-100-80-15-5-20（41.0%）821324（25.6%）第44卷第5期Vol.44 No.5人机工程学在薄煤层液压支架搬运车中的应用郭爱军，等腰部204适当调整踏板至踵点（AHP）距离和踏板角度有助于改善右脚踝舒适度；适当调节座椅靠背角度有助于提高驾驶员腰部舒适性。根据以上思路对驾驶室进行重新布置，驾驶员右脚踝和腰椎舒适度得到了改善。图9各关节舒适度计算得分6结语目前国内针对薄煤层支架搬运车的人机工程研究较少。为推进该方面研究的深入性，同时适应越来越高的人机体验需求，提出采用人机工程技术进行驾驶室人机仿真分析和辅助设计的方法。通过模拟支架搬运车驾驶员实际使用姿态，对驾驶室进行了人机工程设计，并对驾驶员的人体姿态进行了定性校核和定量评价。分析结果表明：驾驶员在操作支架搬运车时视野良好且各关节处在较舒适的范围值。发现并改进了设计中的不足，对提高驾驶员作业的舒适性、减缓操作疲劳、提升井下作业的舒适性和安全性具有参考价值。参考文献：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张青花.人机工程在煤矿机械设计中的应用J.机械管理开发,2018，33(2):101114.3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):150-151.4王步康,金江,袁晓明.矿用电动无轨运输车辆发展现状与关键技术J.煤炭科学技术,2015.43(1):74-76133.5王烁.煤矿用无轨胶轮车发展现状与展望 J煤炭与化工,2016,39(5):22-24.6李付星,孙健.人机工程中人体尺寸的修正与重建方法研究J.机械设计,2015,32(4):116-120.7秦沛阳.基于CATIA的舰载显控台人机工程研究 J.机械设计,2017,34(10):105-109.8赵树椿.装载机驾驶室关键参数设计及人机工程仿真D.济南：山东大学,2010.9辛运胜，张亚伶，徐格宁.基于CATIA的桥式起重机司机室人机工程设计J.起重运输机械,2020(3):51-57.作者简介：郭爱军（1970-），内蒙古包头人，教授级高级工程师，现从事煤矿机电科研管理工作，电子信箱：.责任编辑：刘宝胜收稿日期：20220606第44卷第5期Vol.44 No.5人机工程学在薄煤层液压支架搬运车中的应用郭爱军，等10 20030 40 50 60 70 80 90100LRLRLRLRLRLRAll（all DOF）AllSelectedFavoriteOtherLumbar（Spine）NeckThighLegFootToesArmForearm205