人機工程學在礦機產(chǎn)品設(shè)計中的應用

人機工程學在礦機產(chǎn)品設(shè)計中的應用

隨著社會的發(fā)展和科學技術(shù)的進步，人們對產(chǎn)品的要求不僅限于對其基本功能的滿足，還注重產(chǎn)品的適應性、安全性和美學。現(xiàn)在，僅僅滿足功能要求的產(chǎn)品在市場上越來越缺乏競爭力，而采用現(xiàn)代設(shè)計思想和方法設(shè)計的既功能完善、使用可靠又注重外觀造型、具有一定美感和人性化的產(chǎn)品越來越受到人們的青睞。產(chǎn)品和環(huán)境的設(shè)計要更好地適應和滿足人類的生理和心理的特點的觀念已逐漸在產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)者和消費者中形成共識。這就要求設(shè)計師不能單純的為了生產(chǎn)制造而設(shè)計，而應該切實地以人為主體，充分考慮人、產(chǎn)品、環(huán)境之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。礦山機械產(chǎn)品在我國使用廣泛，在礦業(yè)開發(fā)和礦山生產(chǎn)中發(fā)揮著極其重要的作用。經(jīng)過多年努力，我國礦山機械行業(yè)取得了長足進步和發(fā)展，但與國外同類產(chǎn)品相比，仍然存在著相當大的差距。這種差距不僅體現(xiàn)在產(chǎn)品質(zhì)量和核心技術(shù)的應用上，還體現(xiàn)在對人—機—環(huán)境協(xié)調(diào)關(guān)系的研究、處理上。礦山機械工作環(huán)境惡劣，工作負荷大，工作對象具有較大的不確定性，這些因素都將對使用者和機器產(chǎn)生極為不利的影響。礦機產(chǎn)品的這些特點使得人—機—環(huán)境關(guān)系的相互協(xié)調(diào)顯得尤為重要。國外在20世紀90年代初就已開始研究礦山機械設(shè)計中的人機工程問題，并將礦山機械的人機工程學評價結(jié)果作為其能否應用于礦山生產(chǎn)的重要指標。因此，針對礦山機械在井下多塵、潮濕以及通風不良等惡劣環(huán)境下的作業(yè)狀況，從人機工程學角度出發(fā)，開展礦山機械中人—機—環(huán)境的系統(tǒng)化研究，實現(xiàn)三者之間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一和系統(tǒng)整體性能的最優(yōu)化，對礦山機械行業(yè)的發(fā)展和現(xiàn)代礦山生產(chǎn)都具有積極的意義。1生活環(huán)境和社會生活中的和諧環(huán)境概念國際人類功效學學會(IEA)給人機工程學(ManMachineEngineering)所下的定義是:人機工程學是研究人在某種工作環(huán)境中的解剖學、生理學和心理學等方面的各種因素;研究人和機器及環(huán)境的相互作用;研究在工作中、家庭生活中和休假時怎樣統(tǒng)一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問題的學科。雖然人機工程學有多種定義，但它們所揭示的本質(zhì)內(nèi)容卻是一致的：人機工程學運用多學科(生理學、心理學、人體測量學、生物力學、工程學等)的研究方法和手段，綜合考量人體結(jié)構(gòu)、功能、心理及力學等問題；以人的因素為主體研究機器使用過程中的高效性、安全性、舒適性等，以設(shè)計出使操作者能發(fā)揮最大效能的機械、儀器和控制裝置，并研究控制臺上各個儀表的最適位置；強調(diào)人—機器—環(huán)境的相互作用，注重三者協(xié)調(diào)關(guān)系的研究和處理。以人為本，從人的機體特性出發(fā)，將人、機及作業(yè)環(huán)境視為一個系統(tǒng)整體進行分析研究，是人機工程學獨有的研究方式。2產(chǎn)品的舒適性、方便性、安全性在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中,設(shè)計者運用人機工程學進行系統(tǒng)分析,從而使設(shè)計的產(chǎn)品最大限度地滿足作業(yè)時的舒適性、方便性、安全性。本文以下將從色彩設(shè)計、造型設(shè)計和人機界面設(shè)計3方面來討論和分析礦機產(chǎn)品設(shè)計中涉及的人機工程學問題以及人機工程學在其中的具體應用。2.1采煤機的色彩處理有關(guān)實驗研究表明，在產(chǎn)品給人的第一印象中，色彩占80%，造型占20%，在熟悉產(chǎn)品之后則是兩者各占50%。由于礦山機械產(chǎn)品的使用環(huán)境惡劣，人們往往只注重其功能的完善以及提高強度和可靠性等方面，對于產(chǎn)品的外觀色彩則不夠重視。一些調(diào)查資料表明，有相當部分的礦山安全事故與產(chǎn)品的色彩設(shè)計不當，從而導致視讀不清，出現(xiàn)誤操作有關(guān)。不同的色彩對人的生理和心理有不同的影響作用。針對不同的使用者、不同的產(chǎn)品、不同的工作環(huán)境，運用色彩的生理學、心理學理論，科學地選擇色彩，充分發(fā)揮色彩的視覺心理作用，創(chuàng)造良好的色彩環(huán)境，將有助于提高人們的工作效率，保障人的健康和生產(chǎn)安全。掘進、采礦和裝運等大型設(shè)備的使用環(huán)境大都灰暗潮濕，處在這種環(huán)境中，人的視覺機能受到影響，視距受到限制，視覺清晰度下降。因此設(shè)備外觀的主色調(diào)應該與環(huán)境的顏色區(qū)別開來，形成對比，以增強設(shè)備的識別性。如果設(shè)備采用與環(huán)境相近的色彩，一方面影響人的視覺判別，另一方面長時間處于這樣的環(huán)境中，會令人感到冷漠、壓抑，使人產(chǎn)生煩躁情緒。相反，若能充分利用色彩的特性和功能則能調(diào)動人的情緒，提高勞動效率，保障生產(chǎn)安全。為了讓采煤機的色彩與環(huán)境區(qū)別開來，同時給工人以安全、穩(wěn)定、舒適的感覺，可采用兩色配合和套色處理。上部施以明度高的輕感色(如淺綠色、淡黃色、乳白色)，以區(qū)別于環(huán)境的灰暗色調(diào)，同時不會對操作者產(chǎn)生不良視覺刺激，讓人感到明朗、清晰、容易辨認，下部則施以明度低的重感色(如深綠色、黑色)，以增強采煤機的穩(wěn)定感(見圖1)。在確定設(shè)備的主體色調(diào)的基礎(chǔ)上，對于設(shè)備的一些重要部位，可采用高純度的色彩加以點綴，加強色彩的對比效果，突出重要部位，同時可以起到調(diào)節(jié)設(shè)備整體外觀的效果，使其更有生氣。如在長臂鏟、牙輪鉆機的上下部選用不同的主色調(diào)，而在長臂和鉆槳上涂上明快活潑的輕感色彩，以減少兩個部位給人的不穩(wěn)定感。這樣的處理既可以降低由于色彩單一引起的煩悶情緒，又能避免色彩過于鮮艷多變加劇人的疲勞。又如在機器上的齒輪、皮帶輪、飛輪、機械手柄、刀桿等外露并帶有危險性的部分，涂以紅色等刺激性色彩,以起到警戒作用。礦山機械大多為大功率的機電液一體化產(chǎn)品，其體積龐大、結(jié)構(gòu)復雜，一直以來都給人以傻、大、笨、粗的形象。同時由于處在特殊的工作環(huán)境之中，加之產(chǎn)品帶有較多的棱角，都使得礦機產(chǎn)品給人以壓迫感，使人難以接近。要改變礦機產(chǎn)品的形象，使其具有藝術(shù)的美感，以及更好的宜人性，在進行造型設(shè)計時就必須遵照“以人為本”的設(shè)計準則，研究礦機產(chǎn)品的使用對象和環(huán)境，從人的生理、心理、工效、安全、健康等因素保證產(chǎn)品的適應性，處理好礦山機械的結(jié)構(gòu)、功能、材料、工藝、宜人性與造型的關(guān)系。近年來，一些礦山機械(主要是工程機械)的外形開始從有棱有角的直線形體向具有“大圓角”，“大弧面”的曲線形體發(fā)展，其外觀造型更加符合人機工程學原理，給人以強勁快捷、安全舒適的感覺，令人耳目一新。產(chǎn)品的外部造型既要滿足功能實現(xiàn)的要求，又要符合人機原理，同時各部件之間要做到協(xié)調(diào)、統(tǒng)一。潛孔鉆機的機頭在工作時做旋轉(zhuǎn)運動，將主機支座上部外形設(shè)計成半圓形，與擺線針輪減速器以及電機的圓柱形結(jié)構(gòu)形成統(tǒng)一。由槽鋼焊接而成的跑道上端的連接支腿向后向外向下伸展開，與底座構(gòu)成三點支撐，具有穩(wěn)定性。配重塊在跑道下面兩側(cè)對稱安裝，盡量接近地面，體現(xiàn)出安全性(見圖2)。作為鉆機工作時的主體元素，圓柱形結(jié)構(gòu)的主機與圓形鉆桿既相互對比又相互依存，協(xié)調(diào)呼應。鏟運機等井下運動設(shè)備的造型還需考慮其對駕駛員視線的影響：駕駛室的布置位置應保證駕駛員有良好的前方視線；引擎蓋和輪胎擋板的高度應盡可能降低，以免駕駛員的視線存在太多的盲區(qū)；鏟斗的尺寸以及運動范圍要與機身尺寸相協(xié)調(diào)。2.3互相傳遞信息的媒介人機界面是指人與機器進行交互的方式，是用戶與機器互相傳遞信息的媒介，它包括信息的輸入和輸出(見圖3)。人機界面的設(shè)計直接關(guān)系到人機關(guān)系的合理性，其研究對象主要包括顯示裝置和操縱裝置兩部分。2.3.1視覺顯示裝置顯示形式及其匹配條件選擇顯示裝置是機器和設(shè)備中用來向人表達機器和設(shè)備的性能參數(shù)、運轉(zhuǎn)狀態(tài)、工作指令，以及其他信息的裝置。在人機系統(tǒng)中，根據(jù)人接受信息的感覺通道的不同，顯示裝置可分為視覺顯示裝置(如各種儀表、信號燈、熒光屏)、聽覺顯示裝置(如蜂鳴器、鈴、警報器)、觸覺顯示裝置(利用人的皮膚受到觸壓或運動刺激后產(chǎn)生的感覺傳遞信息)，其中前兩種較為常用。視覺顯示裝置在礦山機械產(chǎn)品有著廣泛的應用,如運載設(shè)備中的各種顯示儀表、提升機控制室里的指示裝置以及生產(chǎn)現(xiàn)場的各種信號燈。在進行視覺顯示裝置設(shè)計時需要考慮的人機工程學問題有:操作者與顯示裝置之間的觀察距離；操作者所處的位置及顯示裝置相對于操作者的最佳布置區(qū)域；顯示裝置顯示形式及其匹配條件的選擇。根據(jù)人機工程學對人體生理特性的研究，人在進行操作時的視距范圍在38～76cm之間，雙眼的視野范圍在左右60°、上下30°的區(qū)域里(見圖4)。在此范圍內(nèi)，人眼不需要頻繁的轉(zhuǎn)動就能看清物體，不容易引起視覺疲勞。因此，各種儀表宜設(shè)置在操作者眼睛左右60°、視平線上下30°的正面視野內(nèi)，視距控制在40～55cm內(nèi)。重要儀表如提升機深度指示器必須布置在30°視角內(nèi)，布置高度大致與眼睛相平，以略低于視平線為最佳。在布置有多個儀表或信號燈的區(qū)域里，儀表的排布應與司機的觀看順序一致，從左至右或由上到下排列，且各個儀表正常位置變化所對應的指針方向應該相同。信號燈是視覺顯示裝置另一種重要形式，它廣泛應用于礦山現(xiàn)場作業(yè)設(shè)備的操控和監(jiān)視臺以及井下環(huán)境中。操控臺上的信號燈主要用于指示設(shè)備的工作狀態(tài)，如運行信號燈亮表示機器正在運行；警戒信號燈亮則表明設(shè)備存在某種不安全因素。一般情況下，一種信號只用來指示一種狀態(tài)或情況。巷道中的交通指示信號燈，采用人們熟知的紅色和綠色燈光信號，信號燈的亮度至少要兩倍于背景亮度，但井下環(huán)境較為灰暗，信號燈不宜過亮，以免造成炫目。另外由于井下環(huán)境中富含瓦斯氣體，所有信號燈都應進行防爆性設(shè)計。2.3.2提升機操縱臺系統(tǒng)設(shè)計操縱裝置也是人機交互界面信息轉(zhuǎn)換的工具，與顯示裝置不同的是，操縱裝置是由人將信息傳遞給機器。操縱裝置設(shè)計得是否合理，將對操作者的效率以及機器的宜人性產(chǎn)生重要影響。在礦山機械中不論是井下的采掘設(shè)備，連接井下與井上的提升設(shè)備，還是各種井上裝載、運輸設(shè)備，都無一例外地要通過人對操縱裝置的操作進行工作。操縱裝置設(shè)計的基本原則是應使操作簡便、連貫、協(xié)調(diào)和省力。這里以提升機操縱臺為例來說明操縱裝置設(shè)計中應考慮的人機工程學問題。提升機控制室是一個典型的人機系統(tǒng)(見圖5)，人、機、環(huán)境的相互作用在其中都得以體現(xiàn)。提升機操縱臺是礦井提升設(shè)備的控制中樞，其外部造型多為直柜斜面式，操作者采用坐姿操作。操縱臺的各種控制裝置，如制動手把、操縱手把、按鈕開關(guān)、旋鈕開關(guān)都布置在水平臺面上，而電壓表、壓力表、信號燈、深度指示器則安裝在傾斜臺面上。人在坐姿作業(yè)時，雙手動作的適宜區(qū)域是兩手左右各側(cè)30°，常用的操作部件應集中布置在這個便于操作的范圍內(nèi)。設(shè)計操作裝置時，既要考慮面板配置和空間分配的合理性，同時要注意各個操作部件之間的組合和相互關(guān)系，避免造成干涉，并應與部件的操縱順序相一致。操縱裝置的設(shè)計主要是確定其形狀和尺寸，使其符合人的生理特性。普通按鈕以手指進行操作，應以指尖尺寸為依據(jù)，而象急停按鈕等需要手指手掌共同操作，則應以掌心尺寸為依據(jù)。旋鈕的設(shè)計除要注意旋鈕直徑和旋轉(zhuǎn)角度外，還應在鈕帽部分加上齒紋或做成多邊形，以增強手的握持力，旋鈕的控制方向與相應的儀表的顯示應協(xié)調(diào)一致，使其具有運動的相合性。操縱手把和制動手把不宜設(shè)計成球形或類球形,這樣形狀的手把容易使手掌產(chǎn)生疲勞,長期使用還可能引起手掌痙攣,影響操作者的效率和操作準確性。宜采用上大下小的柱形手柄,在操作時手把應具有一定的摩擦、彈性和慣性等阻力,并且制動手把的操作用力應相對較大一些,這樣能增強操縱的直接感,提高操作的準確性。對于由腳來控制的動力制動踏板,設(shè)計時應有一個啟動阻力,避免由于操作者的無意碰移產(chǎn)生誤操作。進行制動時,腳的設(shè)計蹬力應不大于300N,且腳踏板表面應設(shè)計成齒紋形,避免腳在用力時滑落。3基于人機工程學的礦機產(chǎn)品系礦山生產(chǎn)的現(xiàn)實需要和機械產(chǎn)品發(fā)展的未來趨勢都要求我們在進行礦機產(chǎn)品設(shè)計時必須考慮人—機—環(huán)境的協(xié)調(diào)關(guān)系，重視人機工程學原理在礦機產(chǎn)品中的研究和應用。人機工程學研究在飛機、汽車、機床等行業(yè)中應用的成功經(jīng)驗告訴我們：在礦機產(chǎn)品設(shè)計中引入人機工程學設(shè)計思想，設(shè)計出更加高效、宜人、安全可靠的產(chǎn)品，對于提升我國礦山機械產(chǎn)品的市場競爭力，改善礦山生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，充分發(fā)揮人機效能，提高企業(yè)經(jīng)濟效益都將發(fā)揮重要作用。2.2形式追溯功能產(chǎn)品的造型不是單純的外觀形式,而是功能、材料、結(jié)構(gòu)、人機關(guān)系以及生產(chǎn)工藝等因素的綜合表現(xiàn)。對于技術(shù)性能和生產(chǎn)制造工藝已經(jīng)較為成熟的產(chǎn)品，人—機—環(huán)境的協(xié)調(diào)關(guān)系已成為造型設(shè)計的主要因素。