基于人机工程学理论的盾构机操作室优化设计探析

基于人机工程学理论的盾构机操作室优化设计探析

楚兴华1，2，张莲洁1，刘路路1，孟庆军1

（1.东北林业大学； 2.珠海大横琴股份有限公司）

摘要：随着我国城市地下空间高效开发利用，盾构机作为地下工程专用工程机械，也被确定为振兴我国装备制造业16个重点领域之一。从当前国内外盾构机研发现状来看，重点还在于对盾构机适用性、自动控制技术应用等设备性能方面的研究，并未针对性的结合人机工程学理论对盾构机进行系统研究。因此基于人机工程学理论对盾构机操作室的设计进行优化探究，希望能为工程机械高质量发展提供一定的借鉴参考。

关键词：人机工程学；盾构机操控室；优化设计

我国盾构机的研发开始于20世纪60年代，发展于20世纪90年代，适用于城市地铁、引水隧洞、地下综合管廊等各种隧道工程。由于作业环境特殊，随着社会发展，盾构机操作人员除关注设备安全性、可靠性和自动化程度外，无疑对操作室的人性化设计提出更高要求。

0引言

近年来随着我国地下工程的高速发展，地下交通工程及城市综合管廊施工里程逐年攀升，地铁运营里程更是高居世界第一。盾构机作为地下隧道施工的专用工程机械，属于机械领域的高端成套装备，具有研发周期时间长、技术工艺复杂、施工风险大等特点，是国家重大地下隧道工程施工的“大国重器”。

人机工程学通过研究“人-机-环境”系统运行情况来分析工作环境、工作台布置和工作姿态等因素对人生理、心理及工效指标的影响结果，从而实现人机系统的改善。从当前国内外盾构机研发现状来看，重点还在于对盾构机适用性、自动控制技术应用等设备性能方面的研究，并未针对性的结合人机工程学理论对盾构机操作室进行系统研究。盾构机操作人员必须面临空间狭小、高温高湿、噪音很大的作业环境，长时间作业时间将严重影响操作人员的身体健康和工作质量。

本文以常用的Ф6280mm圆形盾构机为例，通过介绍盾构机操作室功能需求，对盾构机操作室设计情况进行分析，梳理操作室内人机工程设计研究的主要内容和方向，提出优化设计思路和建议。

1盾构机操作室设计现状

盾构机是一种隧道掘进的专用工程机械，集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。盾构机操作室主要包括操作室壳体、观察窗、电气控制柜、操作控制台、监控显示屏等部分组成。

盾构机操作室暂无相关设计标准或技术规范，因此不同厂家在操作室布局等设计方面都会略有不同。目前市场上盾构机操作室主要存在以下几方面不足：（1）操作室空间狭小，而操作面板区域较大，无法实现多人操作；（2）大部分小直径盾构机型未设置操作控制台，而且操作平台过高，需要操作人员长时间站立操作；（3）操作室一般固定安装在盾构机后配套台车上，无法根据实际情况进行移动；（4）盾构机施工过程中会产生非常大的噪音，由于操作室隔音效果较差，易造成操作人员疲劳、眩晕等情况，甚至对听力造成损伤，遗留下职业病等情况。

图1盾构机操作室

2基于人机工程的设计优化方向

工程机械中劳动者的地位日渐受到重视，因此改善恶劣的工作条件能够大幅度提高劳动者的工作舒适度，提高劳动者生理与心理的舒适需求，能有效减少劳动者的疲劳损伤，使操作人员与工程机械在协调有序的环境下实现“人-机-环境”和谐发展。

工程机械操作室人机工程学的研究能进一步拓展人机工程的应用范围和领域，提升工程机械的开发水平，提高工程机械设备的工作效率。工程机械可借鉴目前较成熟的人机工程学的汽车设计方法，不断加强人机工程学在工程机械领域的深入应用。通过充分调查研究，在盾构机操作室设计研究方面，现阶段应重点从以下几个方面考虑和尝试应用：

（1）空间布局：通过合理调整盾构机操作室布局，有效释放和增大作业空间，设计满足中国劳动人群体型特点的机械设备操作空间，提高工作效率；

（2）噪音控制：通过调整操作室壳体结构，增设有效的阻尼降噪材料，以达到降低振动和噪音的作用，维护操作室内处于低分贝值的噪音环境；

（3）智能监控：通过增设智能化监控系统，取代原有人工监视显示屏，提高操作人员实时监控效率和精准度；

（4）舒适度：在原有机械设计理念的基础上提升“人-机-环境”中人的重要性，一方面通过优化操作控制台的布局，简化操作流程；另一方面则通过调整操作控制台的高度，设置可调节操作座椅，减轻操作人员的工作强度等。

3盾构机操作室设计优化思路及建议

3.1 盾构机操作室空间优化思路

盾构机操作室一般设置于盾构机后配套台车上，由于空间受限，操作室壳体外尺寸约为3.0m（长）×1.2m（宽）×2.3m（高），除设置在壳体内的控制柜、操作控制台、监控显示屏等，还有设置于壳体上的前门和进线口，以及设于壳体侧面的观察窗等，总体空间狭小受限。

通过研究设备结构图纸，发现1#台车在操作室长度方向具有一定的拓展空间，因此考虑将控制柜等单独设置在一端，而不占用操作室侧面空间，因此可有效提高操作室的净宽度；有效利用操作室的底部和顶部空间，设置空调送风和进线空间等，最大程度营造大空间的操作室。

3.2 盾构机操作室降噪优化思路

盾构机在施工过程中，由于刀盘转动在掘进切削前方土体时，特别是在硬岩中掘进，刀盘转动产生的振动和噪音较大，加之盾构机内部大功率设备运转等共同作用，在封闭的地下环境下会产生非常大的噪音，如果仅仅只是通过增强操作室的壳体密封性或简单设置吸声板的方式，很难有效降低振动和噪音。

通过实践工作经验和试验验证，操作室采用“多层复合板材+双层中空钢化玻璃”的壳体结构，将有效提高操作室的隔振降噪性能。多层复合板材主要由外壳金属板、水溶性阻尼层、聚氨酯泡沫层、内层金属板组成。其中水溶性阻尼层无毒、无气味，能够大幅度降低钢板振动，以达到降低噪音效果；聚氨酯泡沫层则起到吸音和隔绝保温的作用；内层金属板主要采用不锈钢钢板，美观大方，清理方便。双层中空钢化玻璃则用作壳体上观察窗口的设置，在便于操作人员观察外部环境的同时，提高密封隔音的作用。

3.3 提高操作舒适度的改进措施

（1）操作室空间通过优化调整，可以将操作控制台设置于监控显示系统（屏）的下方，并设置可升降移动的操作座椅，便于设备操作和状态监控。操作台的设置则应利用RAMSIS等人机工程软件进行校核与设计，确保在满足人机工程学要求的前提下，提高操作人员的作业舒适度。

（2）操作室壳体底部设置工字钢支座，通过螺栓连接安装在盾构机导轨上，实现操作室可根据实际情况移动位置。

（3）操作室内设置良好的降温通风、照明和网络系统，营造良好的操作和工作环境，在提升操作舒适度的同时，从而提升操作的安全性和准确性。

图2操作室空间优化后的岗位作业示意图

4结语

随着《中国制造2025》的实施和“一带一路”国家战略的稳步推进，以盾构机为主的全断面隧道掘进机市场将迎来重要的发展机遇。而随着机械装备行业日趋激烈的竞争环境，如何更好的利用人机工程学来审视产品设计，改善操作人员的作业环境，使产品赋予人性化，这就要求设计人员充分了解设备功能特征及其发展趋势，将人机工程学的相关理论应用到盾构机研发设计中去，实现“人-机-环境”系统的和谐发展。

参考文献

[ 1 ]茅益花,范宏誉,田保珍. 基于人机工程学转载机驾驶室设计研究[J]. 工程机械,2021第11期总第577期:48-53.

[ 2 ]武煜爽. 工程机械驾驶室人机工程学发展现状及趋势[J]. 现代制造技术与装备,2020第12期总第289期:214-215.

[ 3 ]王吉.基于人机工程学的工程机械驾驶室优化设计[D].石家庄:石家庄铁道大学,2016.

[ 4 ]胡锦强.基于人机工程学的装甲车驾驶室优化设计研究[D].西安:长安大学,2017.