□ 錢學鑫

(大連風神物流有限公司 作業(yè)管理部,遼寧 大連 116600)

1 概述

目前，我國對于轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架焊接主要采取自動焊接技術(shù)，但是由于技術(shù)原因，仍然會有企業(yè)采用人工焊接，人工焊接就會對作業(yè)人員的身心帶來很大的傷害。所以，需要對轉(zhuǎn)向架焊接作業(yè)進行人機工效分析，提出改善措施，保證人員作業(yè)安全。

2 焊接作業(yè)虛擬環(huán)境建立

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是由側(cè)梁以及橫梁組成，本課題主要是研究構(gòu)架側(cè)梁的焊接。

2.1 側(cè)梁建模

轉(zhuǎn)向架側(cè)梁是由上、下蓋板、前、后立板等部件組成。側(cè)梁的建模主要應(yīng)用SolidWorks軟件中的拉伸，曲面切除、掃描、抽樣、放樣等特征繪制而成。

2.2 數(shù)字人的建立

本課題需要創(chuàng)建三個百分位數(shù)的中國男性數(shù)字人作為研究對象，選取常用的第五、五十、九十五百分位數(shù)的人體尺寸，分別代表矮小的身材、正常身材以及身材高大。

建立后將數(shù)字人的作業(yè)姿勢進行調(diào)整，將作業(yè)姿勢調(diào)整為最極限的作業(yè)姿勢—蹲姿作業(yè)。

2.3 虛擬焊接環(huán)境建立

將側(cè)梁導入后，對其位置進行調(diào)整，創(chuàng)建的虛擬環(huán)境如圖1焊接虛擬環(huán)境所示。

圖1 焊接虛擬環(huán)境

3 焊接作業(yè)人機工效分析

采取極限的焊接作業(yè)姿勢，會對作業(yè)人員身體造成嚴重的損傷，長期的靜態(tài)作業(yè)會對背部、膝蓋等關(guān)節(jié)造成傷害，具體的傷害情況需要進行下背部、靜態(tài)強度、工作姿勢以及新陳代謝分析。

3.1 下背部分析

下背部分析可以分析出特定環(huán)境下人體脊椎的受力對下背部的影響。通過該工具判斷仿真工作任務(wù)是否符合【NIOSH】的標準以及是否會令工人下背部的受傷概率增加。三個百分位數(shù)的分析結(jié)果是P5下背部受力為1088N，P50下背部受力為1259N，P95下背部受力為1430N。

把上述三個百分位數(shù)數(shù)字人之間相比較，可以發(fā)現(xiàn)當數(shù)字人的百分位數(shù)越大時，其背部受到的壓力值就越來越接近于給定的標準值。長期豎脊肌受力會造成豎脊肌的勞損，背部僵硬。三者相比較，這個作業(yè)姿勢更加的不適合人體尺寸較大的作業(yè)人員進行作業(yè)。

3.2 靜態(tài)強度預(yù)測

靜態(tài)強度預(yù)測可以從動力學角度評估有多少百分比的人能夠保持任務(wù)中的某一姿勢進行工作，從而證明工人是否運用了合適的姿勢進行工作。

根據(jù)三個百分位數(shù)人的分析結(jié)果來看，采取蹲姿進行焊接時對于任何百分位數(shù)的人都會對手腕、臀部以及膝蓋都會造成損傷，手腕處能夠完成的百分比從90%降到77%。臀部是從95%降到87%，膝蓋與臀部是相同的，人體尺寸越大，能在不受傷害的情況下完成這個動作的人就越少，也就意味著他們受到傷害的機率就越大。在后來進行作業(yè)姿勢優(yōu)化的時候應(yīng)該多加考慮身體尺寸大的作業(yè)人員，避免對其產(chǎn)生傷害。

3.3 新陳代謝分析

新陳代謝可以對工人生理及任務(wù)情況進行描述，然后分析得出任務(wù)新陳代謝需要消耗的能量。根據(jù)焊縫的長度以及焊接規(guī)定速度，計算出循環(huán)時間，循環(huán)次數(shù)，對焊接任務(wù)進行描述。三個百分位數(shù)的分析新陳代謝分析結(jié)果是P5耗能為2.677kcal/min，P50耗能為2.990kcal/min，P95耗能為3.445kcal/min。

三個分析結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)在維持身體彎曲消耗的能量是最多的，并且隨著人體尺寸的變大，能量消耗也是越來越大，第五十和九十五百分位數(shù)的作業(yè)人員能量消耗已經(jīng)超出標準值，超出作業(yè)負荷，會產(chǎn)生作業(yè)疲勞。

疲勞是影響安全生產(chǎn)的一個重要影響因素。疲勞對于安全生產(chǎn)的影響因素分為以下幾種：反應(yīng)遲鈍、判斷不準確、操作錯誤、注意力分散等。

3.4 作業(yè)姿勢分析

作業(yè)姿勢可以快速檢查工作姿勢，評級基于背部、手臂和腿負載要求的工作姿勢的不適度。

三個百分位數(shù)的作業(yè)姿勢分析等級均為第三級，級別3屬于姿態(tài)有不良影響，應(yīng)該盡快糾正。不良的作業(yè)姿勢會就會對作業(yè)人員的健康產(chǎn)生影響，危害到作業(yè)者的健康，所以，必須加以修改。

4 優(yōu)化方案

從仿真分析結(jié)果得出，蹲姿焊接作業(yè)對于身材高大的作業(yè)人員更加不利。所以，需要針對身材高大的作業(yè)人員進行設(shè)計，采取較舒適的站姿進行工作，設(shè)計操作平臺放置轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，在平臺上進行焊接作業(yè)。

4.1 操作平臺高度

設(shè)計參數(shù)為第九十五百分位數(shù)男性肘高X95=1096mm，鞋高修正系數(shù)△f=25mm，人站立時工作時較舒適的工作面高度比站立肘關(guān)節(jié)低1～10cm，在這里我們將取低h=5cm，根據(jù)上述數(shù)據(jù)進行計算，操作臺面的高度為1071mm。

4.2 操作平臺寬度

作業(yè)面是用來放置轉(zhuǎn)向架的，所以工作面的寬度應(yīng)該根據(jù)轉(zhuǎn)向架的寬度而定，轉(zhuǎn)向架的寬度為750mm，人站立時，正?；蛘呤孢m作業(yè)范圍是半徑為300mm左右的圓弧，但由于作業(yè)人員需要手低于肘高50mm左右范圍活動，那么手到身體距離約為200mm,雙面工作，所以，將工作面寬度設(shè)置為1150mm。

4.3 臺階高度

臺階是為了滿足低百分位數(shù)的作業(yè)人員可以夠到操作平臺而設(shè)計。具體設(shè)計參數(shù)為H=1071mm，X5=979mm，臺階高度為102mm。

4.4 臺階寬度

根據(jù)足長以及安全空間制定臺階的寬度為500mm。

設(shè)計后的平臺，將平臺導入Jack軟件，得到新的焊接作業(yè)環(huán)境如圖2改善后虛擬焊接作業(yè)環(huán)境所示。

圖2 改善后焊接作業(yè)環(huán)境

5 改善后方案仿真

操作平臺是針對身材高大的作業(yè)人員進行設(shè)計的，并且改善前高百分位數(shù)的數(shù)字人更容易產(chǎn)生傷害，改善后只需對高百分數(shù)的作業(yè)人員進行分析比較。

5.1 下背部分析

改善前受力最大的是第九十五百分位數(shù)的作業(yè)人員，從1430N降到了960N，改善后高百分數(shù)的作業(yè)人員下背部受力值才僅是原來低百分位數(shù)受力值，所以說，改善后的結(jié)果對高百分數(shù)的作業(yè)人員還是有所幫助的，改善效果比較顯著。

5.2 靜態(tài)強度預(yù)測

改善后不論低百分位數(shù)還是高百分位數(shù)在這三個關(guān)節(jié)上均不產(chǎn)生傷害，所以說，對比改善前，改善效果顯著。并且這個姿勢可以滿足任何人體尺寸。

5.3 新陳代謝分析

第九十五百分位數(shù)新陳代謝為2.549kcal/min,改善后的新陳代謝結(jié)果均在標準值的范圍之內(nèi)，那么就意味著在焊接時并沒有超過工作負荷，焊接作業(yè)人員屬于正常作業(yè)。

5.4 工作姿勢分析

根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化后的作業(yè)姿勢從級別3：姿態(tài)不良需要盡快糾正轉(zhuǎn)變成級別1：姿勢正常的，沒有需要糾正的必要性，所以說，改善后的作業(yè)姿勢相對改善前的作業(yè)姿勢有了很大的提升，作業(yè)姿勢不再危害人體的健康。

6 結(jié)束語

通過改善后的焊接作業(yè)情況如下：

①站立時下背部受力最大還是身材高大的作業(yè)人員。但是其下背部受力已經(jīng)降為960N，豎脊肌不再產(chǎn)生較大的作用力，所以，對于下背部的受力得到了很大的改善，不會再產(chǎn)生豎脊肌勞損。

②改善后的各關(guān)節(jié)完成人數(shù)的比例均大于99%，對個關(guān)節(jié)不再產(chǎn)生威脅。

③新陳代謝分析方面，三個值均為在標準值內(nèi)，不會產(chǎn)生的疲勞。

④改善后的作業(yè)姿勢由原來的3級作業(yè)姿勢，轉(zhuǎn)變成作業(yè)姿勢為1級，從必須進行改善到不需要改善。

改善后的作業(yè)環(huán)境已得到提升，對于改善前存在的問題都得到了改善，但是仍然存在一些問題需要改善和提高。

首先，站姿作業(yè)雖然可以降低這些方面的損害，但是時間的進行站姿作業(yè)，同樣會對腿部產(chǎn)生靜脈曲張的危害，所以，在這方面仍然需要改善。

其次，本文雖然對作業(yè)環(huán)境進行了改善，但是仍然不全面，以后需要繼續(xù)再全面的改善。