喬 杉

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引 言

我國(guó)是全球最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)，全液壓履帶鉆機(jī)在我國(guó)煤田地質(zhì)勘探及煤礦開(kāi)采方面使用廣泛，在探礦工程中發(fā)揮著極其重要的作用，肩負(fù)著煤礦的瓦斯抽放、地質(zhì)勘探、探放水及注漿等工作。

第一代全液壓履帶鉆機(jī)操縱選用的是立姿，但在目標(biāo)群體調(diào)查中發(fā)現(xiàn)井下的工人實(shí)際處于長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度的工作狀態(tài)，這種工作狀態(tài)會(huì)加重操縱者的負(fù)擔(dān)，增加煤礦事故的發(fā)生率。而在后續(xù)的產(chǎn)品中增加了座椅，但與人機(jī)工程學(xué)的結(jié)合較少。所以筆者主要通過(guò)對(duì)目標(biāo)群體實(shí)際使用情況進(jìn)行研究，改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，使鉆機(jī)達(dá)到可坐、可立的兩種操縱模式[1]，從而減輕腿部肌肉負(fù)擔(dān)，提高舒適度，緩解疲勞，從而提高工作效率及安全性[2]。

1 座椅設(shè)計(jì)參數(shù)

(1) 座椅高度 舒適的座椅應(yīng)使使用者的大腿部位趨于水平狀，小腿自然垂直放置，腳部有著力點(diǎn)。座椅的高度設(shè)計(jì)與人體尺寸密切相關(guān)，其中與人的小腿長(zhǎng)度及腳部長(zhǎng)度都有直接的關(guān)系，按照中國(guó)成年男子的小腿部位加足部長(zhǎng)度為372～463 mm，選取第95百分位的數(shù)據(jù)[3]，再增加30mm專(zhuān)用靴鞋跟高的功能修正量，最終座椅的高度確定為478 mm。

(2) 座椅寬度 依據(jù)人體臀部的寬度來(lái)確定，選取大尺寸作為上限，適當(dāng)增加寬度，以便于操縱者調(diào)整坐姿狀態(tài)。由于井下人員都要在腰間佩戴約為177 mm(長(zhǎng))×96 mm(寬)×227 mm(高)的自救器，綜合運(yùn)輸、操縱部件的限制，以及自救器的功能修正量100 mm后，確定座椅的寬度為455 mm。

(3) 座椅坐深 坐深的確立能使操縱者方便舒適的靠在椅背上，更好的支持腰椎，即臀部到膝腘部位長(zhǎng)度較長(zhǎng)和較短的人應(yīng)最大限度涵蓋，即中國(guó)成年男子坐深中第5百分位數(shù)據(jù)，再加上衣服的功能修正量，最后確定坐深為422 mm。

(4) 座椅傾角 該部分主要包含兩部分，即座椅平面與水平面之間的夾角和座椅平面與座椅靠背之間的夾角。

座位椅面的傾斜設(shè)計(jì)首先要有利于操縱者重心穩(wěn)固，與椅背產(chǎn)生相互的作用力，可減少背部肌肉彎曲的壓力。其次是人打鉆過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，傾斜設(shè)計(jì)能有效防止工作人員在操縱中從座椅前段滑出，造成傷亡等事故，同時(shí)要兼顧實(shí)時(shí)觀測(cè)儀表界面[4]。所以綜合以上因素，最終選取椅面傾角為3°。

座位椅背的傾角設(shè)計(jì)與脊椎形態(tài)有關(guān)，但考慮到操縱者觀測(cè)操縱界面和使用手柄的實(shí)際情況，若過(guò)于傾斜，會(huì)造成盲區(qū)，妨礙數(shù)據(jù)讀取，增加手臂肌肉的酸痛[5]，合理的減小椅背的傾角使身體盡可能的直立，綜合以上因素后確定椅背的傾角為102°[6]。

(5) 座椅靠背 該高度是由操縱者的坐高決定的，在操縱鉆機(jī)時(shí)由于工作的特殊性，手要操縱手柄，所以肩胛骨部位基本上是不靠在椅背上的，肩胛骨部位的靠點(diǎn)設(shè)計(jì)只是用于在工作間隙休息時(shí)臨時(shí)的依靠，選取高度范圍在539～659 mm，再加上衣服的功能修正量3 mm，確定座椅的靠背高度為644 mm。

寬度是由操縱者的肩部寬度決定的，中國(guó)成年男子的肩部寬度范圍為330～415 mm，最大肩寬范圍為383～486 mm?？紤]到實(shí)際操縱中需要手臂和肩部的運(yùn)動(dòng)空間，以及衣服的功能修正量，確定靠背寬度為455 mm。

2 座椅優(yōu)化及模型建立

結(jié)合座椅工作環(huán)境及實(shí)際應(yīng)用情況，為滿足最廣泛人群對(duì)座椅的需求，將座椅配置為可調(diào)節(jié)的滑軌設(shè)計(jì)，滑軌行程130 mm。在座椅表面沖壓直徑8 mm圓孔，即可透氣、減重，同時(shí)也便于煤粉通過(guò)圓孔掉落，除增加使用者的舒適感外，還能起到一定美化作用。在材質(zhì)上選取普通碳素鋼Q235，便于外協(xié)加工及成本控制[7]。結(jié)合以上各部分?jǐn)?shù)據(jù)，建立座椅模型如圖1所示。

圖1 座椅模型

3 整體設(shè)計(jì)部件對(duì)比分析調(diào)整

(1) 優(yōu)化設(shè)計(jì)前

座椅是安裝于踏板上，踏板雖然能夠承受座椅及操作人員的承重，但在距離尺寸上很牽強(qiáng)。初步模型為圖2所示。

圖2 座椅初步模擬圖 圖3 座椅安放尺寸分析圖

當(dāng)座椅滑向最后位時(shí)，座位邊緣距離鉆機(jī)機(jī)身尺寸為168 mm，空間范圍偏小，不能滿足人體站姿與坐姿交替操作的條件。如圖3所示。

(2) 優(yōu)化設(shè)計(jì)后

由于運(yùn)輸尺寸限制，踏板450 mm已為最大寬度。對(duì)座椅方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，將座椅安放在L型支架上，另一端與機(jī)身機(jī)架相連接。即能保證座椅的承重受力及人機(jī)尺寸的問(wèn)題，還能使操縱者實(shí)現(xiàn)坐立交替工作[7]，對(duì)井下的環(huán)境也能更好的適應(yīng)，最大限度的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。此外還賦予L型支架左右旋轉(zhuǎn)的功能，便于觀測(cè)操縱臺(tái)及顯示屏。優(yōu)化設(shè)計(jì)后尺寸如圖4所示，最終效果如圖5所示。

圖4 改進(jìn)座椅安放尺寸圖 圖5 座椅旋轉(zhuǎn)圖

4 設(shè)計(jì)應(yīng)用效果

此款座椅經(jīng)過(guò)型式試驗(yàn)、工業(yè)性試驗(yàn)后被運(yùn)用到ZDY6000LD(F)、ZDY4000LD(B)、ZDY4000LD(C)等型號(hào)鉆機(jī)中，并在河南陳四樓礦、淮南張集礦、謝橋礦等礦區(qū)投入使用。通過(guò)井下作業(yè)人員反饋，鉆機(jī)座椅操作舒適、安全、運(yùn)輸便利，可實(shí)現(xiàn)坐立兩種操縱方式，操縱者疲勞感降低，提升了作業(yè)效率。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于人機(jī)工程學(xué)對(duì)全液壓履帶鉆機(jī)的座椅部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以人體數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)參數(shù)，并運(yùn)用UG軟件建立三維模型，通過(guò)建模對(duì)座椅的整體空間進(jìn)行改進(jìn)，得出了座椅的合理尺寸，并結(jié)合樣機(jī)的試驗(yàn)和應(yīng)用，進(jìn)一步論證了全液壓履帶鉆機(jī)座椅的優(yōu)化合理性，改善了單調(diào)的操縱姿勢(shì)，提升了操縱者的舒適性及適用性，另一方面也提高了煤礦井下作業(yè)的安全性，為鉆機(jī)產(chǎn)品的人性化設(shè)計(jì)及模塊設(shè)計(jì)提供了思路[8]。