人机工程在工程机械设计中的应用

引言

工程机械作为现代工程建设的核心装备，其设计水平直接影响工程施工的效率、质量与安全性。近年来，随着基础设施建设规模的不断扩大以及工程施工难度的日益提升，工程机械正朝着大型化、自动化和智能化方向快速发展。操作人员长时间处于复杂、恶劣的作业环境中，极易产生疲劳与误操作，不仅降低了工作效率，还可能引发严重的安全事故。

一、人机工程学相关理论分析

1.1 人机系统的构成与分类

人机系统由人、机、环境三个基本要素构成，三者相互作用、相互依存，共同完成特定任务。按自动化程度，可分为手工操作系统、半自动化系统和自动化系统。手工操作系统中，人承担主要工作任务，如传统的手工挖掘作业。半自动化系统里，人和机器协同作业，人负责监控与部分操作，机器执行主要工作，常见于部分老式工程机械。

1.2 人机系统的设计原则

人机系统应遵循相应的原则，才能为实现系统高效、安全、舒适运转服务。功能原则，设计过程中应重视人机环境功能相匹配，针对系统完成的任务来合理分工，将重复性强且精度高、强度高的人力工作分配给机器来完成，把灵活的决策和监控交给人来做，例如在大型工程车辆的工况下，完成工作，将部分高精度、高难度的重复性工作任务分配给机器，交给人来完成高难度、高强度的决策和监控工作。

1.3 人体心理特性参数

人的心理特性参数作用于人机系统的设计当中。在工程机械使用当中，人的情绪会对工作效率以及安全生产产生不同程度的影响。人的心理特性参数主要包括认知特性、情感特性、意志特性等。人的感知、记忆力以及思维能力代表着感知、记忆以及理解机器提供的信息并做出决策的能力，因此，工程机械显示器设计需要满足人类的思维特性，防止过于冗余而造成认知方面的混乱。人的认知特性会影响人们对工程机械的感受程度以及使用的欲望，色彩柔和、造型给人亲和力的机械设备给人们带来良好的情绪感受，从而缓解工作压力。

二、工程机械设计中的人机工程问题分析

2.1 操作界面设计问题

工程机械操控界面显示器件和控制器方面同样存在较多与人机工程学相违背的设计缺陷。很多工程机械的操作界面上显示信息杂乱无序，出现显示信息冗余问题，显示屏分辨率低且调光器功能不足，因此在强光环境下显示内容看不清楚或者在暗光环境下无法看清显示内容，增加驾驶员误操作的概率。控制器方面常见的情况是操作力、行程设计不合理。

2.2 作业空间设计问题

作业空间设计不合理严重影响了工程机械操作者的作业舒适性和作业效率。例如驾驶室空间设计中，一些重卡式起重机的驾驶室空间小，座椅的调节角度和范围也小，身材高大的操作者很难找到舒适的坐姿，长时期的作业往往会感到疲劳。另外，操作人员操作过程中，控制台与座椅的距离和角度设置不合理，即需要操作者不断弯腰、转头进行操作，不光增加了操作人员身体的负荷，也存在视野受到阻碍的安全隐患。

2.3 工作环境设计问题

操作人员作业环境的设计决定着其身心感受和工作情绪。最典型的问题是噪声和振动问题，比如混凝土搅拌机工作时产生的大量噪声，当操作人员长期暴露在这种环境下，不仅会耳膜受损听力下降，还会削弱他们对于工程机械异常声音的分辨能力，容易留下安全隐患。工程机械本身在工作过程中产生的振动会在座椅、操纵杆上传输给操作人员，进而导致身体受到伤害，影响其操作安全性。除此之外，还需考虑作业环境温度和湿度的问题。高温环境下，部分工程机械设备散热性不好，驾驶室内部温度高，容易造成操作人员中暑、思想开小差等现象；潮湿情况下，工程机械设备内部的电气元件容易受潮，加之潮湿的空气会使操作人员感觉黏乎乎的，不利情绪蔓延，严重影响工作情绪和工作效率。

三、人机工程在工程机械设计中的具体应用

3.1 操作界面的人机工程设计优化

对于显示界面进行优化设计，在显示屏幕的布局设计上，侧重信息可视性和获取信息便捷性，采取分层级信息布局，把整车运行中的发动机运行状况、作业状况等重要信息均设置在屏幕中间显要部位，并把运行中的设备保养信息等次要信息设置在显示界面的边缘部位，信息采用不同的颜色、图形符号和闪烁灯等元素进行标识区分，例如通过红色对存在设备异常做出提示，采用绿色对设备运行正常做出提示；在控制开关的布局设计上，根据人的手部受力和受压特征设计操作柄。

3.2 作业空间的人机工程设计优化

工作环境和区域主要就是为了能够营造适宜操作的工作环境，从驾驶员的设计考量，根据人体尺寸统计数据对坐席和驾驶台以及仪表板的布置关系进行合理设计，使得司机在驾驶过程中，不需要伸拉扭曲就能够接近并操作到所有的控制点。并且座椅支持坐席的人体可调节功能和支撑人体脊柱的外形，有利于减轻长时间的劳动强度。从维护作业工作面考虑，工程机械设计中的预留必要的工作作业空间，以及核心关键维修零件的模块化设计，使得它的维护作业非常容易、方便拆装。另外预留出一定的可视性维修标识以及方便工作所需的工具位置，方便维修作业和提高安全性。

3.3 工作环境的人机工程设计优化

工况优化是以保证操作人员舒适性为前提的。噪声和振动工况主要在发动机舱添加多层隔音材料，在重要部位加装减振器和柔性连接，减小振动传递，降低噪声。对内部机械结构进行优化，减小摩擦振动噪声。温度和湿度工况主要是智能温控空调和高效通风扇，自动调节驾驶室内部温度和湿度。另外增加空气净化功能，过滤有毒有害气体和灰尘，为操作人员提供更加健康、舒适的作业环境。

3.4 基于人机工程的工程机械外观设计

工业设计并不是单纯追求外形上的美观，更多的是考虑外在形式对于操作者的心理及行为的影响，因此，通过对形体的处理以及边线的光滑处理，可以使设备表面的凹凸尽量减少，从而减轻对操作者的心理负担；将色彩运用考虑在前，例如使外观设计在满足安全高可视性的前提下，突出主体外观、突出操作部分，通过其鲜艳、醒目的色彩可以引起人们对外部视觉的警觉、吸引人们的注意力，提高操作者的外在识别度；并对设备使用时的情境进行了形象考虑，使设备能够与环境和谐融合，从而减轻操作者的视觉疲劳。

结语

人机工程在工程机械设计中的应用有效解决了传统设计中的诸多问题，显著提升了操作效率、安全性与舒适性。随着科技发展，智能化、数字化技术将与人机工程深度融合，期待更多研究与实践，推动工程机械设计向更高效、智能、人性化方向迈进，助力行业高质量发展。

参考文献

[1]刘永锋.人机工程在机械设备中的应用[J].黑龙江科技信息,2014,(11):85.

[2]张驰.人机工程在煤矿机械设计中的应用探讨[J].化工管理,2018,(11):163.