黃瓊,劉何清,唐炫,米立華,朱凱穎

(湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭,411201)

工業(yè)工程是一門綜合性工程學(xué)科,核心是降低成本、提高質(zhì)量和生產(chǎn)率。因此,在工業(yè)工程技術(shù)廣泛應(yīng)用的生產(chǎn)線上的研究基本都是圍繞如何提高產(chǎn)品生產(chǎn)率和公司效益展開。目前,關(guān)于生產(chǎn)線的研究主要集中在對生產(chǎn)線的合理布局,優(yōu)化工藝流程減少浪費(fèi),提高生產(chǎn)線的平衡,最后提高生產(chǎn)率。如,顧麗[1]等運(yùn)用工業(yè)工程的相關(guān)理論,優(yōu)化了壓縮機(jī)生產(chǎn)線的生產(chǎn)方式及生產(chǎn)線布局,提升了生產(chǎn)線總體效益;鄭躍君[2]等應(yīng)用工業(yè)工程的取消、合并、調(diào)整、簡化原則,減少了注塑機(jī)底箱裝配生產(chǎn)線的浪費(fèi),提高了生產(chǎn)線效率。部分研究主要集中在工序?qū)Ξa(chǎn)品質(zhì)量的影響。張明文[3]等通過測定葉絲干燥工序前后游離氨基酸含量發(fā)現(xiàn),經(jīng)過葉絲干燥工序后游離氨基酸含量下降,降低了卷煙的刺激性,提升了卷煙整體品質(zhì)。在對工序研究的基礎(chǔ)上,有少量文獻(xiàn)主要研究如何合理安排工序順序。段淵[4]針對各工序之間復(fù)雜的銜接關(guān)系,認(rèn)真分析研究其數(shù)字規(guī)律,在工序條形圖解決辦法的基礎(chǔ)上進(jìn)行解法創(chuàng)新,建立了“數(shù)字分析法解法”,提高了工作效率。這些研究都是追求更低的成本和時(shí)間,達(dá)到更高的效率和效益,對調(diào)整后操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度或能量消耗值是否會增加的關(guān)注則較少。關(guān)于人體能量消耗的研究,國外最早是在十九世紀(jì)九十年代,通過直接測量熱量的原理得出熱量數(shù)值。在二十世紀(jì)初,人們通過雙標(biāo)水法和氣體交換法等間接方法測量運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量消耗值[5]?，F(xiàn)在關(guān)于人體能量消耗研究常用的方法有直接測熱法、間接測熱法、雙標(biāo)水法、心率監(jiān)測法、公式預(yù)測法和膳食調(diào)查法等[6–8]。其中,間接測熱法被認(rèn)為是精度比較高的測試方法,其關(guān)鍵是如何有效收集人體的呼出氣體,分析呼出氣體中氧氣和二氧化碳的含量,并換算成熱量[9–10]。

本文作者根據(jù)自己切身經(jīng)歷及相關(guān)生產(chǎn)工序的調(diào)研發(fā)現(xiàn),許多廠家打印機(jī)零部件生產(chǎn)工序存在元器件布局及作業(yè)工序設(shè)計(jì)不合理的現(xiàn)象,致使生產(chǎn)耗時(shí)長,效率低,但相關(guān)的研究卻很少。因此,本文運(yùn)用基礎(chǔ)工業(yè)工程相關(guān)理論,調(diào)整打印機(jī)零部件的生產(chǎn)工序,通過間接測熱法測定人體的能量消耗值,開展不同作業(yè)工序的能量消耗研究。然后,分析能量消耗的變化特征,以期掌握工序改進(jìn)前后人體能量消耗值的變化規(guī)律,指導(dǎo)生產(chǎn)線操作方式的改進(jìn),并為制定高效率、低能耗的操作方式提供參考。

1 打印機(jī)零部件生產(chǎn)工序的優(yōu)化

1.1 改進(jìn)前的打印機(jī)零部件生產(chǎn)工序簡介

本文以某電子有限公司組裝車間中的打印機(jī)零部件生產(chǎn)工序?yàn)檠芯繉ο?。工序?yàn)閱稳耸止そM裝工序,即操作者不用借助機(jī)器設(shè)備便可獨(dú)自完成組裝過程。工序成品由灰輪、黑輪、沖壓件和E型環(huán)4個(gè)部分組裝而成。正式作業(yè)前,黑輪和灰輪放置在操作臺左側(cè),沖壓件和卡刀放置在中間,裝有E型環(huán)的底座放置在操作臺右上角,如圖1所示。常規(guī)作業(yè)程序:操作者首先拿取沖壓件至操作臺指定區(qū)域,后依次將黑輪和灰輪組裝于沖壓件,再用卡刀從底座上取E型環(huán)后卡于組裝件,最后將成品移至操作臺右下側(cè)成品區(qū)。具體操作情況如圖2所示。

對該工序現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查分析發(fā)現(xiàn):常規(guī)作業(yè)工序耗時(shí)較長。主要的問題有:第一,拿取黑輪和灰輪時(shí),存在單手操作的情況。第二,拿取灰輪和黑輪后,組裝灰輪和黑輪前,存在將灰輪和黑輪換手拿取的無效動(dòng)作。第三,操作臺上各組裝件擺放較零散,所占范圍較大,導(dǎo)致操作者雙手動(dòng)作幅度較大。

圖1 改進(jìn)前工作臺布局

1.2 改進(jìn)后的打印機(jī)零部件生產(chǎn)工序

基于動(dòng)作經(jīng)濟(jì)原則、“5W1H”提問技術(shù)和“ECRS”原則對工序進(jìn)行作業(yè)分析和動(dòng)作分析。針對工序現(xiàn)存問題,具體改進(jìn)內(nèi)容如下:

(1)工作臺布局的改進(jìn)(圖3)。

第一步,將灰輪放置在工人右手邊,黑輪放置在工人左手邊。改進(jìn)后操作者可雙手同時(shí)拿取灰輪和黑輪,從而改進(jìn)單手操作的情況。第二步,調(diào)整沖壓件和成品的擺放位置,縮短工人伸手的距離,減小動(dòng)作幅度。第三步,將卡刀放置于工人右手邊,便于拿取。

(2)作業(yè)工序的改進(jìn)(圖4)。

圖2 改進(jìn)前雙手作業(yè)分析圖

該工序操作方式改進(jìn)方案為:第一,將單手操作改為雙手操作,即在左手取黑輪時(shí)右手拿灰輪,并同時(shí)持輪至指定區(qū)域。第二,取消將黑輪和灰輪從左手放置于右手的無效動(dòng)作。

1.3 改進(jìn)后打印機(jī)零部件生產(chǎn)工序的優(yōu)勢

(1)通過調(diào)整灰輪和黑輪的擺放位置,改進(jìn)了拿取灰輪和黑輪時(shí)的單手操作情況。

(2)取消了將黑輪和灰輪從左手放置于右手的無效動(dòng)作。

(3)調(diào)整卡刀放置位置,便于操作者拿取。

(4)對沖壓件和成品的擺放位置進(jìn)行調(diào)整,縮短了操作者伸手的距離,減小了動(dòng)作幅度。

通過對工序的調(diào)整改進(jìn),操作者動(dòng)作幅度明顯減小,成品生產(chǎn)時(shí)間縮短,生產(chǎn)線效率得到了提高。但這僅為定性感官上的一種感覺,不能確定具體變化值,因此,本文開展了成品作業(yè)工序能耗值、耗工時(shí)及生產(chǎn)效率的實(shí)驗(yàn)研究。

圖3 改進(jìn)后工作臺布局

2 作業(yè)工序能量消耗與生產(chǎn)效率

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)共聘請受試者16名,其中男性8名,女性8名。通過儀器測量得出受試者的基本情況,如表1所示。

根據(jù)工廠實(shí)際情況相關(guān)參數(shù)設(shè)定為:溫度22～26℃;濕度50%～55%;風(fēng)速不超過0.05 m/s。環(huán)境參數(shù)由湖南科技大學(xué)人工環(huán)境氣候艙實(shí)現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)主要測定參數(shù)為作業(yè)總時(shí)長和操作時(shí)受試者呼出氣體中氧氣和二氧化碳的含量。作業(yè)時(shí)長通過秒表測得,操作時(shí)受試者呼出氣體中氧氣含量采用CYCK-201綜合氣體分析儀測得。

CYCK-201綜合氣體分析儀可用于氧氣和二氧化碳含量的測定以及溫度和濕度的測定,本實(shí)驗(yàn)主要測量氧氣含量。氧氣含量測量范圍0～25%(Vol)(最大30%),分辨率0.01%,滿量程測量精度±0.1%。儀器主要采用芬蘭維薩拉CO2傳感器測定二氧化碳含量,測量范圍0～10%,分辨率0.01%,滿量程測量精度為±0.1%。

實(shí)驗(yàn)過程如下:

(1)用型號為IPR-scale 02身高體重測量儀,測量受試者身高、體重和體重指數(shù)BMI。

(2)用CYCK-201綜合氣體分析儀抽取環(huán)境中的空氣,測量其氧氣濃度。

(3)受試者進(jìn)入環(huán)境艙,戴上呼吸口罩準(zhǔn)備試驗(yàn)。

(4)受試者向口罩中呼出氣體,測量其靜息狀態(tài)下呼出氣體中氧氣濃度。

(5)受試者按改進(jìn)前工序的操作要求進(jìn)行操作,完成10個(gè)成品后結(jié)束操作。并用CYCK-01綜合氣體分析儀測得改進(jìn)前受試者呼出氣體中氧氣的含量,用秒表測得改進(jìn)前作業(yè)時(shí)長,并記錄下呼吸頻率(次/min)。

(6)休息10 min后,再按改進(jìn)后的工序操作要求進(jìn)行操作,完成10個(gè)成品。同樣測得改進(jìn)后的作業(yè)時(shí)長,受試者呼出氣體中氧氣的含量和呼吸頻率(次/min)。

數(shù)據(jù)處理:

(1)由呼吸頻率與潮氣量(500 mL)的乘積得到每分鐘通氣量。

(2)用環(huán)境中的氧氣濃度值減去受試者在操作時(shí)呼出氣體中氧氣的濃度值,得氧氣濃度的變化值。氧氣濃度變化值乘以受試者每分鐘通氣量得到耗氧量。

圖4 改進(jìn)后雙手作業(yè)分析圖

表1 受試者基本情況(±s)

表1 受試者基本情況(±s)

性別 年齡/歲 身高/c m 體重/k g B MI/(k g·m-2)男 2 3.4±0.9 1 7 3.4±3.9 6 4.4±7.9 2 1.4±1.9女 2 2.5±0.8 1 6 0.7±5.2 5 1.5±7.6 1 9.8±2.3

(3)相對耗氧量是指單位體重單位時(shí)間的耗氧值,由耗氧量除以體重得。

(4)由耗氧量和二氧化碳生成量得呼吸商,根據(jù)不同呼吸商的氧熱價(jià)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的能量消耗值[11]。

(5)1代謝當(dāng)量(MET)被定義為每公斤體重每分鐘消耗3.5 mL氧氣,大概相當(dāng)于一個(gè)人在安靜狀態(tài)下坐著, 沒有任何活動(dòng)時(shí)每分鐘的氧氣消耗量[代謝當(dāng)量=VO2(mL·kg-1·min-1)/3.5(mL·kg-1·min-1)]。

(6)生產(chǎn)率是生產(chǎn)過程的投入與商品或勞務(wù)的產(chǎn)出之間的關(guān)系。生產(chǎn)率是一個(gè)相對指標(biāo),可根據(jù)單一投入或兩種以上投入來度量,即單要素生產(chǎn)率及多要素產(chǎn)率,生產(chǎn)管理中常采用單要素度量法,并根據(jù)不同的生產(chǎn)工作類型而不同[13],如對該工序而言,生產(chǎn)率可根據(jù)作業(yè)總耗時(shí)和產(chǎn)出產(chǎn)品數(shù)量得到。

(7)為表征能量消耗與生產(chǎn)率的關(guān)系,本文引入生產(chǎn)效率的概念,它表示單位體重每消耗單位能量生產(chǎn)出的產(chǎn)品數(shù)量,單位為件·kg·J-1,生產(chǎn)效率=生產(chǎn)率÷能量消耗。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采用Microsoft EXCEL 2003建立數(shù)據(jù)庫,采用IBM SPSS Statistics 24統(tǒng)計(jì)分析,定量資料符合正態(tài)分布用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。改進(jìn)前后耗氧量、相對耗氧量、能量消耗、生產(chǎn)率和生產(chǎn)效率的比較采用成對樣本t檢驗(yàn)。男女比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn),當(dāng)兩性差異明顯時(shí),男女分別比較。最后,除特別說明外,檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。

(1)表2為兩性之間總作業(yè)時(shí)長和生產(chǎn)率的比較。由表2可知,兩性間總作業(yè)時(shí)長和生產(chǎn)率存在明顯差異,因此,比較改進(jìn)前后總作業(yè)時(shí)長和生產(chǎn)率時(shí)分開比較。

從兩性角度看,改進(jìn)前后男性總作業(yè)時(shí)長明顯高于女性,生產(chǎn)率明顯低于女性。從總體角度看,改進(jìn)后總作業(yè)時(shí)長明顯縮短(P=0.002<0.05,t=4.966),總耗時(shí)縮短約29.1%。改進(jìn)后生產(chǎn)率明顯提高(P=0.000<0.05,t=-7.641),每分鐘生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量增加約39.6%。

表2 兩性間改進(jìn)前后總作業(yè)時(shí)長和生產(chǎn)率的比較

(2) 表3為改進(jìn)前后耗氧量和能量消耗的比較。由實(shí)驗(yàn)測試可得受試者靜息狀態(tài)和作業(yè)時(shí)的耗氧量,對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到相對耗氧量,代謝當(dāng)量和能量消耗值(見表3)。由表3可知,改進(jìn)后人體耗氧量(P=0.001<0.05,t=-5.889)和相對耗氧量(P=0.001<0.05,t=-5.582)都明顯增加,每分鐘分別增加約13.2%和13.6%;改進(jìn)前后能量消耗差異明顯(P=0.001<0.05,t=-5.505),改進(jìn)后人體每分鐘多消耗約13.5%能量。換而言之,改進(jìn)后人體耗氧量、相對耗氧量和能量消耗都明顯增加,且具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

據(jù)美國疾控中心和運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)會1995年推薦標(biāo)準(zhǔn)[14]:能量消耗小于3個(gè)代謝當(dāng)量為低強(qiáng)度體力活動(dòng),能量消耗3～6個(gè)代謝當(dāng)量為中等強(qiáng)度體力活動(dòng),能量消耗大于6個(gè)代謝當(dāng)量為高強(qiáng)度體力活動(dòng),對所測體力活動(dòng)進(jìn)行強(qiáng)度分級。該工序改進(jìn)后代謝當(dāng)量為(2.13±0.36)METs仍低于3 METs,屬于低強(qiáng)度體力活動(dòng)。

表3 受試者各狀態(tài)下耗氧量和能量消耗值

(3) 表4為改進(jìn)前后生產(chǎn)效率的比較。由表4可知,根據(jù)能量消耗值和生產(chǎn)率得到生產(chǎn)效率。改進(jìn)后生產(chǎn)效率明顯增加(P=0.000<0.05,t=-6.700),單位體重每消耗一單位能量增加約10.0%的產(chǎn)量。改進(jìn)后人體能量消耗和工序的生產(chǎn)率都明顯增加,但相較于原工序而言,生產(chǎn)率增幅更大,因此改進(jìn)后生產(chǎn)效率增大。

表4 試者各狀態(tài)下能量消耗和生產(chǎn)效率值

3 結(jié)論

(1)工序調(diào)整后,打印機(jī)零部件生產(chǎn)工序的總時(shí)長縮短。每生產(chǎn)10個(gè)打印機(jī)零部件的總時(shí)長由原來的4.05 min縮短為2.86 min,總耗時(shí)縮短約29.1%。工序生產(chǎn)率明顯提高,操作者勞動(dòng)時(shí)間縮短。

(2)改進(jìn)后單位時(shí)間內(nèi)人體能量消耗值增大。改進(jìn)后人體能量消耗值由原來的137.35 J·(kg·min)-1上升到155.87 J·(kg·min)-1,單位體重每分鐘多消耗約13.5%能量。但改進(jìn)后代謝當(dāng)量為(2.13±0.36)MET小于3 MET,仍屬于低強(qiáng)度體力活動(dòng)。換而言之,改進(jìn)后操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度沒有顯著變化。

(3)改進(jìn)后生產(chǎn)效率得到了提高。改進(jìn)后生產(chǎn)效率由0.020件·kg·J-1上升為0.022件·kg·J-1,單位體重每消耗一單位能量增加約10.0%的產(chǎn)量。因此,改進(jìn)后操作者消耗相同能量時(shí)可組裝更多產(chǎn)品,提高了生產(chǎn)功效。