郭美玲，王棟，付建林，宋福田，楊代靜

(1. 西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031；2. 中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島 266111)

0 引言

為預(yù)防和控制作業(yè)人員在搬運(yùn)、提舉操作中勞動(dòng)舒適度過(guò)低的職業(yè)性肌肉骨骼損傷(work-related musculoskeletal disorders, WMSD)，需對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中操作人員的作業(yè)姿勢(shì)和受力情況進(jìn)行人機(jī)工效分析。在該研究領(lǐng)域，美國(guó)利寶互助安全與衛(wèi)生研究中心通過(guò)對(duì)人群的心理物理學(xué)試驗(yàn)，評(píng)估了實(shí)際工作被接受的程度，并減少了操作員能力與工作要求之間的不匹配[1]。密歇根大學(xué)人體工程學(xué)中心開(kāi)發(fā)的三維靜態(tài)力預(yù)測(cè)程序，用于處理搬運(yùn)、提舉、推拉動(dòng)作的靜態(tài)力學(xué)分析[2]。肖國(guó)兵等考慮到國(guó)內(nèi)人群與西方人群的工作能力和耐受力差異，對(duì)NIOSH公式進(jìn)行了修正[3]。劉堅(jiān)等針對(duì)搬運(yùn)、提舉作業(yè)研究了基于復(fù)合搬運(yùn)、提舉指數(shù)的人因量化評(píng)估和改進(jìn)方法[4]。劉濤等從人體靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)方面說(shuō)明了數(shù)控車(chē)床各單元部件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)[5]。為解決汽車(chē)前蓋裝配過(guò)程中的人機(jī)工效問(wèn)題，張麗珍從改進(jìn)工裝工藝的角度提出了一種綜合評(píng)價(jià)改進(jìn)方法，并輔以仿真平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證[6]。

上述研究為手工作業(yè)的人機(jī)工程學(xué)分析提供了指導(dǎo)，但沒(méi)有詳細(xì)針對(duì)每個(gè)作業(yè)過(guò)程進(jìn)行分析，存在仿真粒度不夠細(xì)，不能真實(shí)反映實(shí)際裝配過(guò)程的問(wèn)題。鑒于此，本文基于DELMIA人機(jī)工效分析的方法將牽引拉桿裝配的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)了裝配中存在的勞動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大、勞動(dòng)舒適度過(guò)低的問(wèn)題，提出了一種針對(duì)牽引拉桿裝配作業(yè)的綜合評(píng)價(jià)改進(jìn)方案并進(jìn)行了優(yōu)化。

1 牽引拉桿裝配作業(yè)人機(jī)工效方案的綜合評(píng)價(jià)與改進(jìn)

DELMIA中的人機(jī)工效分析工具包括快速上肢分析(RULA)、舉高/放低分析(Lift-Lower Analysis)、推拉分析(Pull-Push Analysis)、搬運(yùn)分析(Carry Analysis)和生物力學(xué)分析(Biomechanics Single Action Analysis)。針對(duì)牽引拉桿裝配過(guò)程中的人機(jī)工效問(wèn)題，本文綜合利用DELMIA中的快速上肢分析法、舉高/放低分析中的提舉方程分析法以及推拉搬運(yùn)分析中的Snook & Ciriello表分析法對(duì)該過(guò)程進(jìn)行人機(jī)工效評(píng)價(jià)，并提出改進(jìn)方案。

1.1 快速上肢分析法

快速上肢分析法(Rapid Upper Limb Assessment, RULA)主要用于對(duì)工作場(chǎng)合中工人的軀干和上肢等的姿勢(shì)、用力情況以及肌肉的功能狀況進(jìn)行評(píng)估[7]。DELMIA中的人體行為分析(Human Action Anlysis, HAA)模塊集成了該方法，可直接對(duì)工人姿勢(shì)進(jìn)行分析。該分析法的評(píng)估分?jǐn)?shù)與結(jié)果分析如表1所示。

表1 RULA的評(píng)估分?jǐn)?shù)與結(jié)果分析

1.2 提舉方程分析法

提舉方程分析法(National Institute of Occupational Safety and Health, NIOSH)用于預(yù)估手中提舉重物負(fù)荷限制范圍來(lái)評(píng)估脊柱損傷風(fēng)險(xiǎn)[8]。在DELMIA中設(shè)置提舉任務(wù)中的起始姿勢(shì)和終止姿勢(shì)即可進(jìn)行分析，通過(guò)分析結(jié)果顯示的同等勞動(dòng)強(qiáng)度下提舉指數(shù)(Lifting Index，LI)進(jìn)行預(yù)測(cè)，LI用來(lái)評(píng)估操作人員進(jìn)行相應(yīng)提舉任務(wù)時(shí)可能產(chǎn)生下背痛(Low back pain，LBP；一種肌肉骨骼損傷，多與職業(yè)因素相關(guān)[9])的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)應(yīng)指數(shù)LI劃分分?jǐn)?shù)與結(jié)果分析如表2[3]所示。

表2 LI劃分分?jǐn)?shù)與結(jié)果分析

1.3 Snook & Ciriello表分析法

Snook & Ciriello表可找出工人能夠持續(xù)進(jìn)行提舉、降低、推拉、搬運(yùn)等運(yùn)動(dòng)所能夠承受最大負(fù)荷[10]。在DELMIA中通過(guò)設(shè)置動(dòng)作節(jié)拍、動(dòng)作維持距離、人員采樣即可得到相應(yīng)數(shù)據(jù)。

1.4 牽引拉桿裝配作業(yè)的綜合評(píng)價(jià)改進(jìn)方法

單動(dòng)作任務(wù)是單個(gè)提舉、搬運(yùn)等任務(wù)的總稱(chēng)，多動(dòng)作任務(wù)是連貫的包含多個(gè)單動(dòng)作的任務(wù)，實(shí)際作業(yè)過(guò)程往往是多任務(wù)過(guò)程。對(duì)比上述三種評(píng)價(jià)方法，RULA適用于分析靜態(tài)姿勢(shì)，NIOSH適用于分析提舉任務(wù)，Snook & Ciriello表適用于分析推拉搬運(yùn)任務(wù)，三種方法均無(wú)法全面評(píng)估作業(yè)過(guò)程，鑒于此，針對(duì)多動(dòng)作任務(wù)往往需要先劃分為單動(dòng)作任務(wù)再進(jìn)行評(píng)估。

牽引拉桿裝配作業(yè)為多任務(wù)過(guò)程，結(jié)合三種評(píng)價(jià)方法的綜合評(píng)價(jià)改進(jìn)方案流程具體如下：在CATIA中創(chuàng)建裝配過(guò)程中所需的所有產(chǎn)品資源模型，將模型導(dǎo)入DELMIA，根據(jù)實(shí)際車(chē)間布局情況完成裝配環(huán)境的構(gòu)建，根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況對(duì)裝配過(guò)程仿真。進(jìn)入HAA模塊，將多動(dòng)作任務(wù)劃分為單動(dòng)作任務(wù)，根據(jù)各單動(dòng)作任務(wù)選取適宜方法分析對(duì)應(yīng)作業(yè)姿勢(shì)，并根據(jù)分析結(jié)果改進(jìn)工藝以及工裝等資源模型。對(duì)改進(jìn)后的作業(yè)情況進(jìn)行仿真分析，判斷是否達(dá)到目標(biāo)要求。綜合評(píng)價(jià)改進(jìn)方案的流程圖如圖1所示。

圖1 綜合評(píng)價(jià)改進(jìn)方案流程

2 牽引拉桿原裝配過(guò)程仿真

2.1 建立原裝配作業(yè)仿真模型

原裝配作業(yè)仿真模型的建立原則是在虛擬環(huán)境中最大程度還原原裝配作業(yè)環(huán)境。首先利用CATIA完成仿真過(guò)程所需的所有資源的建立，并根據(jù)實(shí)際布局情況完成裝配環(huán)境的構(gòu)建。創(chuàng)建的牽引拉桿裝配作業(yè)環(huán)境如圖2所示。然后在DLEMIA中利用DPM-Assembly Process Simulation模塊和Human Task Simulation模塊完成原裝配過(guò)程的仿真。牽引拉桿裝配作業(yè)由兩位操作工人完成，工人A完成牽引拉桿提舉搬運(yùn)作業(yè)，工人B輔助A提舉并完成螺栓的擰緊工作，本文重點(diǎn)分析工人A的作業(yè)情況。A的作業(yè)過(guò)程為多任務(wù)過(guò)程，可分為如下幾個(gè)單任務(wù)過(guò)程：①蹲下姿勢(shì)：在牽引拉桿儲(chǔ)存位置蹲下并輔助吊具給牽引拉桿套上吊繩；②行走動(dòng)作：走到裝配工位旁牽引拉桿放置處；③提舉動(dòng)作：在工人B的輔助下將牽引拉桿提舉至肩上；④蹲移動(dòng)作：肩扛牽引拉桿蹲移至待裝配位置下方；⑤蹲舉動(dòng)作：肩扛牽引拉桿蹲舉至待裝位置。具體裝配仿真過(guò)程如圖3所示。

圖2 牽引拉桿裝配作業(yè)環(huán)境

(a) 蹲下姿勢(shì) (b) 提舉動(dòng)作

(c) 蹲移動(dòng)作 (d) 蹲舉動(dòng)作圖3 牽引拉桿的裝配仿真過(guò)程

2.2 原裝配過(guò)程評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)單任務(wù)過(guò)程各動(dòng)作特點(diǎn)選取相應(yīng)的分析方法，如圖4所示。

圖4 分析方法的選擇

分別對(duì)蹲下姿勢(shì)、提舉動(dòng)作、蹲舉動(dòng)作進(jìn)行RULA分析，對(duì)提舉動(dòng)作、蹲舉動(dòng)作進(jìn)行NIOSH分析，對(duì)蹲移動(dòng)作進(jìn)行Snook & Ciriello表分析。原裝配過(guò)程各動(dòng)作綜合評(píng)價(jià)分析結(jié)果如表3所示。

表3 原裝配過(guò)程各動(dòng)作綜合評(píng)價(jià)分析結(jié)果

分析結(jié)果表明，在蹲下動(dòng)作中RULA綜合得分為3分，對(duì)比表1知可以進(jìn)一步優(yōu)化該姿勢(shì)；在提舉、蹲舉動(dòng)作中，RULA的綜合得分均為7分，LI得分分別為5.6分、4.2分，對(duì)比表1、表2可知提舉、蹲舉動(dòng)作需盡快進(jìn)行調(diào)整；在蹲移動(dòng)作中，負(fù)荷超重，表明該姿勢(shì)需要盡快進(jìn)行調(diào)整。

3 原方案的改進(jìn)與分析

3.1 改進(jìn)方案

根據(jù)上述仿真結(jié)果，分析出在牽引拉桿的整個(gè)裝配過(guò)程中工人A都存在一定程度的姿勢(shì)不當(dāng)，下面分別從以下幾個(gè)方面給出改進(jìn)建議。

3.1.1 增加物料放置臺(tái)

在蹲下動(dòng)作中需要操作人員蹲下彎腰作業(yè)，根據(jù)動(dòng)作經(jīng)濟(jì)原則之縮短動(dòng)作的距離[11]，應(yīng)盡可能避免彎腰下蹲動(dòng)作，可通過(guò)增加物料放置臺(tái)來(lái)避免。根據(jù)參考文獻(xiàn)[12]可知我國(guó)男性的平均肘高為1024mm，而作業(yè)面高度一般在肘部以下50～100mm[12]，又牽引拉桿的中軸線到放置臺(tái)面的距離為130mm，故設(shè)計(jì)的物料放置臺(tái)的高度約為820mm，見(jiàn)圖5。

圖5 物料放置臺(tái)

3.1.2 增加吊具與轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)

根據(jù)2.2節(jié)的分析結(jié)果，指出提舉蹲移作業(yè)過(guò)程需要進(jìn)行改進(jìn)，以避免過(guò)重的物料導(dǎo)致工人發(fā)生LBP。為此，結(jié)合考慮現(xiàn)場(chǎng)已有資源，可在該裝配過(guò)程中增加吊具的使用，以及增加轉(zhuǎn)移小車(chē)來(lái)搬運(yùn)牽引拉桿，以減輕工人作業(yè)過(guò)程中承受的載荷，見(jiàn)圖6。

圖6 吊具(左)，牽引拉桿轉(zhuǎn)移小車(chē)(右)

3.1.3 升高構(gòu)架放置工裝高度

在蹲舉動(dòng)作中需要工作人員長(zhǎng)時(shí)間維持彎腰曲背的姿勢(shì)，同樣根據(jù)動(dòng)作經(jīng)濟(jì)原則之縮短動(dòng)作的距離[11]，可以通過(guò)升高構(gòu)架放置工裝的高度來(lái)避免。根據(jù)參考文獻(xiàn)[12]可知我國(guó)男性的平均眼高為1568mm，取工作平面高度為直立姿勢(shì)眼高，工作平面與轉(zhuǎn)向架和工裝接觸面距離為457.5mm，故改進(jìn)后構(gòu)架放置工裝高度約為2020mm，見(jiàn)圖7。

圖7 構(gòu)架放置工裝改進(jìn)前后對(duì)比

3.2 改進(jìn)后評(píng)價(jià)結(jié)果

改進(jìn)后，蹲下姿勢(shì)變?yōu)榱苏玖⒆藙?shì)，提舉、蹲移動(dòng)作變?yōu)榱送菩≤?chē)動(dòng)作，蹲舉動(dòng)作變?yōu)榱苏玖?dòng)作，工人A的作業(yè)過(guò)程仍為多任務(wù)過(guò)程，具體可分為如下幾個(gè)單任務(wù)：①站立姿勢(shì)：在放置臺(tái)旁輔助吊具給牽引拉桿套上吊繩；②推小車(chē)動(dòng)作：推轉(zhuǎn)移小車(chē)至待裝位置下方；③站立動(dòng)作：輔助吊具裝配牽引拉桿。改進(jìn)后的仿真過(guò)程如圖8所示，各動(dòng)作綜合評(píng)價(jià)分析結(jié)果如表4所示。

(a) 站立姿勢(shì) (b) 推小車(chē)動(dòng)作

(c) 站立動(dòng)作 圖8 牽引拉桿的仿真過(guò)程

表4 改進(jìn)后裝配過(guò)程綜合評(píng)價(jià)分析結(jié)果

分析結(jié)果表明，在各動(dòng)作中RULA綜合得分均得到大幅提高，采用物料放置臺(tái)、吊具后無(wú)需進(jìn)行提舉動(dòng)作，升高構(gòu)架放置工裝高度后無(wú)需彎腰屈膝，采用轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)后在轉(zhuǎn)移牽引拉桿過(guò)程中工人所受載荷大大減小。將改進(jìn)前后分析結(jié)果進(jìn)行匯總對(duì)比，如表5所示，可以明顯對(duì)比出改進(jìn)后工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和勞動(dòng)舒適度得到了大幅改善，從而降低了工人罹患職業(yè)性肌肉骨骼損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

表5 改進(jìn)前后分析結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

本文總結(jié)了一套針對(duì)轉(zhuǎn)向架牽引拉桿裝配作業(yè)過(guò)程人機(jī)工效的仿真綜合評(píng)價(jià)改進(jìn)方法，通過(guò)利用DELMIA中的RULA分析、NIOSH分析和Snook & Ciriello表分析，對(duì)原裝配過(guò)程的多任務(wù)過(guò)程進(jìn)行分解評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果中工人勞動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大、勞動(dòng)舒適度過(guò)低的問(wèn)題，結(jié)合工業(yè)工程、人機(jī)工程學(xué)等方面的知識(shí)，分別采用增加物料放置臺(tái)、增加吊具與轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)、升高構(gòu)架放置工裝高度的方式對(duì)原裝配作業(yè)過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)改進(jìn)前后的對(duì)比，可以顯明看出改進(jìn)后的方案確實(shí)降低了工人的作業(yè)疲勞度，降低了工人罹患職業(yè)性肌肉骨骼損傷的風(fēng)險(xiǎn)。