黃洪波，李 靜，程斯一，陳碧海，康濤，王玉丹，姚 鄒，賀 鑫，文國軍

(1.中國地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司，北京 100016；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢 430074；3.湖北省智能地質(zhì)裝備工程技術(shù)研究中心，武漢 430074)

0 引言

司鉆室是巖心鉆機(jī)控制與顯示系統(tǒng)的核心部件和控制中樞，也是巖心鉆機(jī)的“駕駛室”和“心臟”[1]。作為鉆機(jī)控制中心，司鉆室在巖心鉆機(jī)上具有非常重要的作用,司鉆人員可在司鉆室內(nèi)控制整個井場的鉆井作業(yè)。一個舒適、美觀、人性化的司鉆室對于保證司鉆安全、降低司鉆勞動強(qiáng)度、方便鉆井監(jiān)督人員作業(yè)、提高鉆井質(zhì)量和效率、規(guī)范鉆井作業(yè)等方面都具有重要的意義。

用于5000 m巖心鉆機(jī)的高質(zhì)量司鉆室需配備人性化的座椅、視覺裝置、操縱裝置等，并集手動控制、電動控制、半自動化控制等于一身，還包括按鈕式、手柄式、集成式等多種類型的操縱裝置，同時采取有效的防爆、防火、防腐、防震、隔熱、隔音措施，可抵抗強(qiáng)光、紫外線照射及外力沖擊，使操作人員的操作更為舒適、更為人性化[2]。因此，本文介紹了5000 m巖心鉆機(jī)智能化、集成化司鉆室的設(shè)計，總體設(shè)計系統(tǒng)圖見圖1。

圖1 5000 m巖心鉆機(jī)司鉆室設(shè)計系統(tǒng)圖

1 司鉆室H點(diǎn)、眼橢圓計算及確定

H點(diǎn)位于人體軀干與大腿的鉸接點(diǎn)，即跨點(diǎn)，是汽車設(shè)計中布置駕駛室的設(shè)計基準(zhǔn)點(diǎn)，其位置直接影響到駕駛員的操縱方便性和乘坐舒適性[3]。巖心鉆機(jī)司鉆姿勢與汽車駕駛員的駕駛姿勢相似。人體尺寸百分位表示具有某一人體尺寸和小于該尺寸的人占統(tǒng)計對象總?cè)藬?shù)的百分比,以人體身高為例，P1、P5、P10為小個頭，P90、P95、P99為大個頭[4]。本文選擇P95=1775 mm作為人體尺寸的設(shè)計基準(zhǔn)，結(jié)合CATIA軟件的建模以及人機(jī)工程學(xué)設(shè)計的人體尺寸，可得出其H點(diǎn)位置區(qū)域水平移動距離220 mm，豎直移動距離180 mm[5]。

眼橢圓是描述眼睛在空間上相對空間內(nèi)部參考點(diǎn)位置的一種統(tǒng)計表示法。在巖心鉆機(jī)司鉆過程中，人眼在三維立體方面會有垂直視野影像范圍和水平視野影像范圍。圖2為司鉆人員垂直視野示意和水平視野示意。

圖2 司鉆人員視野圖

結(jié)合人眼視野和各操作過程所需要的距離關(guān)系選擇最佳的視野和視距，見表1。

表1 5000 m巖心鉆機(jī)工作任務(wù)視距推薦值

巖心鉆機(jī)的司鉆人員可以通過眼橢圓來校核巖心鉆機(jī)的視野范圍和儀表臺設(shè)計，從而確定監(jiān)控的位置、安裝角度以及如何處于最佳的井口觀測角度，便于高效司鉆。

2 司鉆室座椅、儀表臺、顯示屏及操縱裝置設(shè)計

2.1 司鉆室座椅設(shè)計

根據(jù)P95男性司鉆人員在司鉆室放松坐姿的H點(diǎn)可以確定司鉆室座椅的參考點(diǎn)，從而確定座椅的調(diào)節(jié)尺寸。座椅到地面的高度470 mm，座椅寬度520 mm，椅面的最大寬度470 mm，座椅最前端到座椅靠背處的距離440 mm，座椅靠背高度710 mm，座椅靠背傾角為0°～10°；座椅可以前后移動，移動距離選擇80 mm；座椅底座可以旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。

將人體三維模型和座椅模型進(jìn)行裝配，如圖3所示，可以看出所設(shè)計的座椅滿足司鉆人員的操作需求，而且背部貼合緊密，不會對頸部造成傷害。此外還增加了水杯和手機(jī)托架設(shè)計，更加方便司鉆人員進(jìn)行司鉆操作。

圖3 司鉆人員乘坐座椅圖

2.2 司鉆室儀表臺及顯示屏設(shè)計

根據(jù)H點(diǎn)和眼橢圓的計算即可對儀表臺進(jìn)行設(shè)計。司鉆人員依據(jù)儀表臺的信息可以及時對現(xiàn)場司鉆狀況進(jìn)行調(diào)整操作，同時儀表臺不能阻擋司鉆人員前方以及側(cè)方視野，故將儀表臺設(shè)計在座椅扶手前方。儀表臺長×寬尺寸為200 mm×300 mm，具有視覺舒適性，外部結(jié)構(gòu)采用不銹鋼材料，防止碰撞，顯示界面角度可傾斜，外觀采用幾何圖形設(shè)計，簡潔明了。

設(shè)計兩個電腦顯示屏對5000 m巖心鉆機(jī)的儀表信息進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。顯示器設(shè)置在單獨(dú)的底座上，方便應(yīng)對各種現(xiàn)場布置狀況以及司鉆場景的選擇。其尺寸為500 mm×300 mm，離地高度為710 mm，整體可以移動布置，適用于各類人群和各類場景。儀表臺與人體H點(diǎn)距離為710 mm，人體頸部左右轉(zhuǎn)動15°即可看到兩側(cè)儀表臺。儀表臺和顯示屏整體三維模型如圖4所示。

圖4 儀表盤和顯示屏整體展示

2.3 司鉆室操縱裝置設(shè)計

通過手柄控制5000 m巖心鉆機(jī)頂驅(qū)裝置的轉(zhuǎn)速和絞車送鉆速度，泥漿泵壓力調(diào)節(jié)采用旋鈕。井口關(guān)鍵設(shè)備中的立根作業(yè)和單根作業(yè)需要一鍵式作業(yè)，一鍵完成起下鉆作業(yè)中的提吊、擰卸、擺放以及加單根作業(yè)中的貓道機(jī)輸送。

設(shè)計兩個手柄，手柄尺寸均為75 mm×120 mm×24 mm，左側(cè)手柄為絞車操控，右側(cè)手柄為頂驅(qū)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。左側(cè)設(shè)計六個按鈕，按鈕直徑均為25 mm，厚度均為15 mm，按鈕功能分別為絞車、頂驅(qū)、泥漿泵緊急制動，貓道機(jī)控制，立根作業(yè)和單根作業(yè)一鍵操作。右側(cè)設(shè)計兩個旋鈕，旋鈕直徑25 mm、長度50 mm、厚度15 mm，上方旋鈕為司鉆室控制系統(tǒng)啟動運(yùn)行旋鈕，下方為井口關(guān)鍵設(shè)備啟動按鈕。操縱裝置整體布置如圖5所示。

圖5 操縱裝置整體布置圖

3 司鉆室空間布局設(shè)計

3.1 司鉆室外觀設(shè)計

司鉆室整體外型設(shè)計基于人機(jī)工程學(xué)理論。一方面在不超過最大外輪廓尺寸的前提下，盡可能擴(kuò)大司鉆室空間；另一方面，司鉆室內(nèi)部布置應(yīng)緊湊且不造成空間資源的浪費(fèi)，方便司鉆室的升級改造。對司鉆室房體轉(zhuǎn)折處進(jìn)行橢圓化、透明化處理，解決房體轉(zhuǎn)折處遮擋視線問題，還安裝了吊環(huán)、空調(diào)、節(jié)能燈等功能性配件。在保證人機(jī)工程學(xué)的合理性和適應(yīng)性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)造型的美觀。

3.2 輔助裝置設(shè)計

由于司鉆現(xiàn)場的布局很容易影響司鉆視野，造成司鉆視野(司鉆人員對井口的實(shí)時觀測)不足，并由此導(dǎo)致司鉆過程中司鉆人員對井口情況的判斷失誤，從而造成誤操作，故增加旋轉(zhuǎn)輔助裝置。通過旋轉(zhuǎn)司鉆室上部，調(diào)整司鉆人員對井口的視角，可以在司鉆室處于不同布局的情況下，保證司鉆人員的井口視野。此外，對鉆機(jī)司鉆室底座增加平衡裝置來應(yīng)對各種惡劣的環(huán)境和工況，保證司鉆人員操作的安全穩(wěn)定以及平衡。旋轉(zhuǎn)輔助裝置和平衡裝置均利用電機(jī)和減速機(jī)配合來驅(qū)動。

3.3 司鉆室整體布局方案

5000 m巖心鉆機(jī)的司鉆室內(nèi)一般安排主司鉆和副司鉆兩名司鉆人員。主司鉆人員負(fù)責(zé)司鉆的整體操作和控制，副司鉆人員負(fù)責(zé)協(xié)助和輔助主司鉆人員對儀表盤數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控等進(jìn)行監(jiān)督，防止誤操作。根據(jù)主、副司鉆的功能和職位，有以下三種司鉆室布局方式。

第一種布局是組合式布局，房體為邊長3500 mm的六邊形，高度2700 mm。司鉆室內(nèi)設(shè)計兩套操縱裝置，主司鉆人員進(jìn)行鉆機(jī)鉆進(jìn)裝置的控制和操作，與此同時，副司鉆人員利用另一套虛擬操縱裝置在司鉆室內(nèi)對監(jiān)控平臺進(jìn)行觀測，如圖6(a)所示。這種布局的缺點(diǎn)是司鉆室的設(shè)計尺寸與同類型的石油鉆機(jī)司鉆室體積等同，司鉆室占地面積過大，不方便搬運(yùn)和吊接。

圖6 司鉆室整體布局

第二種是一體式布局，房體為邊長2000 mm的六邊形，高度2700 mm。該布局在組合式布局的基礎(chǔ)上去除副司鉆操作臺，同時將顯示器設(shè)置在主司鉆臺背面，副司鉆監(jiān)控功能集成設(shè)置在主司鉆臺上面，背面留有空間放置便攜式座椅，如圖6(b)所示。

第三種是分布式布局，房體尺寸為2000 mm×2000 mm×2600 mm。該布局在一體式布局的基礎(chǔ)上增添視頻學(xué)習(xí)和虛擬操作功能，同時對主司鉆人員的司鉆操作進(jìn)行劃分，使操作空間更加緊湊，體積更小，同時增加了移動裝置。司鉆可以不受場地限制，如圖6(c)所示，但缺乏主副司鉆現(xiàn)場人員的交流。

利用人機(jī)環(huán)境原則對比三種布局方案，第一種方案為最舒適司鉆室，第二種方案為舒適司鉆室，第三種方案過于超前，不太現(xiàn)實(shí)，但可以作為小功率巖心鉆機(jī)司鉆室方案。經(jīng)過對比分析，第二種一體式布局方案在滿足人機(jī)工程設(shè)計的基礎(chǔ)上，更加符合現(xiàn)場工作環(huán)境和要求。三種方案對比見表2。

表2 三種司鉆室設(shè)計方案對比

4 結(jié)論

本文針對5000 m智能地質(zhì)巖心鉆機(jī)設(shè)計了符合人機(jī)工程學(xué)理論的司鉆室，利用H點(diǎn)和眼橢圓人機(jī)工程學(xué)理論和人機(jī)工程學(xué)等設(shè)計原則完成了對司鉆室座椅、儀表臺、顯示器、操縱裝置的布置設(shè)計，提出了組合式、一體式、分布式三種人機(jī)工程學(xué)布置方式，在一定程度上解決了現(xiàn)有司鉆室存在的布局影響視角、操縱和顯示裝置數(shù)量過多等問題，減少了司鉆人員的誤操作，對實(shí)際應(yīng)用意義重大。為了更好地實(shí)現(xiàn)司鉆室控制系統(tǒng)信息化與智能化，操作系統(tǒng)電氣化與人性化，同時滿足更大深度巖心鉆探在鉆深能力、風(fēng)險監(jiān)控、集中操控等方面的發(fā)展需求，兼顧新興科技、芯片等高集成度、模塊化定制的巖心鉆機(jī)司鉆室有了光明的發(fā)展前景。依據(jù)各種各樣的人機(jī)工程環(huán)境，選擇適合的控制方式和操縱形式，同時對司鉆室進(jìn)行模塊化的人機(jī)工程學(xué)定制，已成為大勢所趨。