李 良，肖 軍，劉芷言，李路云

(西南交通大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，四川 成都 610031)

鑄造產(chǎn)業(yè)在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中擁有不可替代的地位，但經(jīng)過多年的發(fā)展，鑄造工廠依然存在工作環(huán)境差、勞動強(qiáng)度大等問題。2012年的報(bào)告顯示，我國共有120萬鑄造從業(yè)人員，其中打磨人員約占12%，從業(yè)人員眾多[1]。調(diào)查顯示，鑄造打磨工人的骨骼肌肉疾患非常嚴(yán)重，多個(gè)部位的年患病率超過60%，其中腰部的年患病率高達(dá)90%[2]。而不科學(xué)的工作姿勢是導(dǎo)致骨骼肌肉疾患的主要危險(xiǎn)因素[3-4]，對工作姿勢進(jìn)行科學(xué)分析并針對分析結(jié)果進(jìn)行改善是減輕員工姿勢負(fù)荷的一個(gè)重要途徑[5-6]。

OWAS(Ovako working posture analysis system)是由芬蘭Ovako鋼鐵公司在1974年提出的觀察工作時(shí)身體姿勢的方法，用于評估不同姿勢對人體骨骼肌肉系統(tǒng)的傷害程度[7]。OWAS使用簡單的抽樣技術(shù)提供可靠和有效的分析結(jié)果，使姿勢負(fù)荷的評估標(biāo)準(zhǔn)化，有助于改進(jìn)或重新設(shè)計(jì)工作空間[8-10]。隨著OWAS的推廣，研究者發(fā)現(xiàn)，使用攝像機(jī)在工作現(xiàn)場錄制視頻，再利用計(jì)算機(jī)輔助分析工作姿勢更加高效和準(zhǔn)確。借助視頻的分析對現(xiàn)場作業(yè)人員的干擾很小，結(jié)果更可靠。這不僅可以識別危險(xiǎn)姿勢，還可以識別導(dǎo)致危險(xiǎn)姿勢的因素[11]。

國內(nèi)的研究人員運(yùn)用OWAS研究選煤工人、公交車司機(jī)和建筑工人等群體的作業(yè)姿勢[12-14]，但很少有人針對分析結(jié)果給出完善的解決方案，也沒有關(guān)于鑄件打磨工人工作姿勢負(fù)荷的研究。因此，有必要對打磨工作進(jìn)行分析，并采取改進(jìn)措施以減輕打磨工人的肌肉骨骼疾患。

為減輕打磨工人的工作負(fù)荷，本文采用OWAS分析打磨作業(yè)姿勢，結(jié)合人體尺寸數(shù)據(jù)和打磨作業(yè)的現(xiàn)實(shí)約束條件設(shè)計(jì)適用于打磨作業(yè)的工作平臺，并采用Jack軟件對其進(jìn)行驗(yàn)證。

1 打磨作業(yè)姿勢分析

1.1 OWAS簡介

OWAS基于大量的工程實(shí)踐，將身體分為背部、上肢和下肢三大部位，每個(gè)部位又分為若干姿勢，同時(shí)考慮工作時(shí)的物理負(fù)荷量。各身體部位的編碼及具體編碼規(guī)則如圖1所示。例如，編碼4241表示的姿勢為背部彎曲及扭轉(zhuǎn)，上肢單臂高于雙肩，下肢雙腳站立且腿彎曲，物理負(fù)荷<10 kg，該姿勢為AC4級。

圖 1 姿勢編碼示意圖Figure 1 Schematic diagram of postural coding

對作業(yè)人員工作姿勢觀察后按圖1所示的規(guī)則編碼，再對照圖2進(jìn)行危險(xiǎn)性評估，評估結(jié)果按其嚴(yán)重程度分為AC1~AC4 4個(gè)等級。

圖 2 姿勢等級對照圖Figure 2 Posture level comparison diagram

1.2 分析對象及工具

打磨工作由工人手持砂輪機(jī)完成。打磨1個(gè)鑄件一般分為4個(gè)階段。1) 準(zhǔn)備階段。調(diào)整工具和用錘子去除氣眼針等容易去掉的部分，用時(shí)10 ~ 30 s。2) 大砂輪機(jī)打磨。主要階段，占50%以上時(shí)間。3) 用小砂輪機(jī)進(jìn)行局部打磨。4) 用小磨頭對要求較高的部位精磨。各階段操作過程中會進(jìn)行工具更換等輔助性工作。

選擇男性和女性打磨工人各2人，年齡為30 ~40歲，工齡≥3年，打磨對象為H鑄造廠靜壓車間的4個(gè)代表性產(chǎn)品。由經(jīng)過培訓(xùn)的基層管理人員在工作現(xiàn)場使用數(shù)碼攝像機(jī)錄制視頻，在4天內(nèi)分別對4個(gè)產(chǎn)品連續(xù)記錄2次打磨過程，錄像總時(shí)長為67 min。

基于視頻的姿勢分析，采用不大于10 s的采樣間隔[15]。因此，本文每隔5 s截取1張工作姿勢，共取得788張姿勢圖片。去除畫面模糊及無人作業(yè)等無效圖片，共獲得745張有效姿勢圖片，逐一按規(guī)則進(jìn)行編碼、記錄，經(jīng)整理后使用Excel電子表格進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.3 分析結(jié)果

1.3.1 姿勢編碼分析

對745張姿勢圖片中的工作姿勢進(jìn)行編碼，共出現(xiàn)14個(gè)不同的姿勢編碼，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。雖然工人在打磨時(shí)會不停地移動和變換姿勢，但打磨的姿勢分布很集中，背部彎曲及雙腳站立且彎曲的214x類姿勢達(dá)到了70%，對身體損傷更嚴(yán)重的背部彎曲且扭轉(zhuǎn)及雙腳站立且彎曲的414x類姿勢占比為16%。對每個(gè)姿勢編碼進(jìn)行評級，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。AC3級(引起明顯勞累)占比最多，達(dá)到了70%；其次是AC4級(明顯能引起高度勞累)，占比為16%；正常的AC1級姿勢僅占3%。統(tǒng)計(jì)分析顯示打磨工作的姿勢負(fù)荷極高。打磨工作典型的姿勢如圖5所示。

各身體部位及負(fù)荷的編碼分布如圖6所示。背部編碼為1(站立)31個(gè)，2(彎曲)595個(gè)，4(彎曲及扭轉(zhuǎn))119個(gè)。在現(xiàn)有作業(yè)條件下，打磨工作中95%的背部姿勢均存在彎曲，且50%以上姿勢的彎腰幅度會超過90°，易造成工人腰背部嚴(yán)重受損。下肢編碼1(坐姿)2個(gè)，2(站立)85個(gè)，4(雙腳站立且腿彎曲)645個(gè)，7(走動)13個(gè)。與背部姿勢分析類似，打磨工作中86%的下肢姿勢為雙腿站立且彎曲，呈現(xiàn)類似扎馬步的姿勢，也有部分為雙腿下蹲，易造成工人膝部嚴(yán)重受損。

圖 3 姿勢編碼數(shù)量分布Figure 3 Distribution of postural coding quantity

圖 4 姿勢等級分布Figure 4 Distribution of the posture levels

圖 5 典型姿勢示例Figure 5 Typical posture examples

圖 6 各身體部位及負(fù)荷編碼分布Figure 6 Distribution of body parts coding

1.3.2 打磨過程分析

按打磨鑄件的時(shí)間順序識別出每一項(xiàng)操作，并記錄對應(yīng)姿勢，經(jīng)分析后有以下發(fā)現(xiàn)：1) 90%的AC1級姿勢出現(xiàn)在準(zhǔn)備階段和工作轉(zhuǎn)換階段；2) 50%的AC2級姿勢出現(xiàn)在不用打磨機(jī)的工作中，另外50%出現(xiàn)在大砂輪機(jī)作業(yè)階段不進(jìn)行打磨時(shí)；3) 用設(shè)備打磨階段的姿勢超過90%為AC3或AC4級；4) 負(fù)荷大于10 kg的姿勢均出現(xiàn)在大砂輪機(jī)打磨階段；5) 超過20 kg的負(fù)荷都可以采取簡單措施避免；6) 地面凹凸不平會導(dǎo)致鑄件不穩(wěn)定，打磨過程中用腳踩鑄件保持鑄件穩(wěn)定會導(dǎo)致姿勢負(fù)荷提升至AC4級；7) 缺少合適的工作平臺，更換砂輪片等輔助性工作也須以AC3級姿勢完成。

2 工作平臺設(shè)計(jì)

姿勢分析顯示，214x和414x這2類負(fù)荷等級高的姿勢占比高達(dá)86%。消除這2類姿勢，就能大幅降低打磨工作的姿勢負(fù)荷。背部應(yīng)盡量減少彎曲和扭轉(zhuǎn)姿勢，對于無法避免的背部彎曲，應(yīng)控制彎曲的幅度。為減輕膝部受到的壓力，腿部應(yīng)消除站立且彎曲的姿勢，或采取坐姿讓腿部肌肉得到緩解。各打磨階段分析出的問題也應(yīng)考慮。本文根據(jù)以上改善目標(biāo)，設(shè)計(jì)適用于打磨工作的平臺。該平臺能使打磨工人以雙腿直立，背部不彎曲或彎曲幅度較小的姿勢完成打磨工作，以此來減輕打磨工作的姿勢負(fù)荷。

2.1 工作平臺高度確定

2.1.1 人體測量數(shù)據(jù)

工作平臺符合作業(yè)人員的個(gè)體特征才能使其在工作時(shí)處于最佳狀態(tài)，因此設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮不同個(gè)體的人體尺寸。本文需重點(diǎn)考慮的人體測量數(shù)據(jù)為我國成年人人體主要尺寸和立姿人體尺寸，數(shù)據(jù)來源于GB 10000—1988[16]。本節(jié)取GB 10000—1988中成年男性身高第50百分位數(shù)(P50)，即身高為1 686 mm的男性作業(yè)者為對象(下文簡稱男性P50)，設(shè)計(jì)適用于打磨工人的工作平臺。

2.1.2 立姿作業(yè)時(shí)手高度確定

確定工作平臺高度需先確定個(gè)體采用立姿打磨時(shí)手的高度。舒適的立姿工作姿勢通常為上臂自然懸垂，肘彎曲成90°且前臂與地面平行[17]。工作面太高會導(dǎo)致手肘長時(shí)間上抬而快速疲勞，太低時(shí)會顯著增加頸部負(fù)荷。在處理不同工作任務(wù)時(shí)，人體的用力分布不同，應(yīng)根據(jù)工作任務(wù)調(diào)整作業(yè)面高度。需要向下用力的立姿工作，手的最佳工作高度為91 cm，重體力作業(yè)時(shí)手的最佳工作高度應(yīng)下降至約76 cm[18]。打磨作業(yè)屬于重體力工作，工作時(shí)用力方向?yàn)橄蛳录跋蚯?，但其勞動?qiáng)度是由長時(shí)間的重復(fù)性動作造成的，因此立姿工作時(shí)手的高度不宜過低，其高度應(yīng)在76~91 cm。

使用砂輪機(jī)工作時(shí)，為保證安全，手持砂輪機(jī)須與身體保持一定距離。為避免手臂長時(shí)間抬舉導(dǎo)致上肢疲勞，身體須前傾一定角度。因此，打磨作業(yè)時(shí)的立姿應(yīng)采取下肢直立且上體向前傾15°~30°的姿勢為宜[17,19,20]。打磨的工作性質(zhì)決定了采用水平工作面更好。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及制造商提示的注意事項(xiàng)，打磨時(shí)砂輪片不能平貼鑄件，砂輪片與打磨面應(yīng)該有15°~30°傾角，相應(yīng)地，手臂與水平面角度也為15°~30°。

根據(jù)分析的結(jié)果，結(jié)合人體尺寸數(shù)據(jù)確定了立姿打磨時(shí)的工作姿勢示意圖，如圖7所示。圖7中，H1為下肢長，H2為上體長，H3為肩到肘底部的距離，H4為肘部到手功能區(qū)的距離，α1為背部與垂直線角度，α2為小臂與水平線角度，H為手的最佳工作高度。H1= 大腿長+脛骨點(diǎn)高，H2= 肩高?H1，H3= 肩高?肘高，H4= 肘高?手功能高；α1為15°~30°；α2為15°~30°。各名詞具體解釋見國標(biāo)GB 10000?1988。

圖 7 打磨基準(zhǔn)作業(yè)姿勢Figure 7 The basic position of the grinding operation

根據(jù)幾何關(guān)系，得出立姿打磨時(shí)手的最佳工作高度計(jì)算公式為

經(jīng)計(jì)算，在裸足時(shí)，男性P50工人立姿打磨時(shí)手的最佳工作高度如表1所示。

表 1 打磨作業(yè)手的最佳工作高度Table 1 The optimum working height of the hand in grinding operationmm

2.1.3 打磨工作平臺相對高度確定

工作平臺高度的確定還應(yīng)考慮以下因素。1) 增加l1= 25 mm的鞋底高度；2) 減去砂輪機(jī)手持部位與鑄件表面的距離l2，當(dāng)砂輪片與打磨面角度為15°時(shí)，l2最小，經(jīng)測量，l2min=140 mm；砂輪片與打磨面角度為30°時(shí)，l2最大，l2max= 190 mm；3) 減去鑄件最低高度l3=150 mm。

考慮上述3項(xiàng)因素后，工作平臺高度為

經(jīng)計(jì)算，平臺高度尺寸如表2所示，設(shè)計(jì)取Lmin為平臺高度。ΔL為在同一位置站立打磨時(shí)的操作范圍。

表 2 工作平臺最佳高度Table 2 The optimum height of the tablemm

2.2 工作平臺平面布置

為了使工作平臺能適應(yīng)不同高度、形狀的鑄件和不同身高的工人，本文設(shè)計(jì)了如圖8所示的工作平臺表面，圖中外圍的虛線僅用于區(qū)分2個(gè)工作區(qū)。

圖 8 工作平臺平面布置圖Figure 8 Layout of the working platform

第1作業(yè)區(qū)包括打磨區(qū)域左側(cè)及周圍A1~A33個(gè)站立操作區(qū)。第1作業(yè)區(qū)的打磨面(左側(cè)陰影)尺寸為500 mm×750 mm，適用于打磨高度為150~300 mm的鑄件，其中，A3取地面高度，設(shè)為A3= 0 mm，其余高度以A3為基準(zhǔn)。第2作業(yè)區(qū)包括打磨區(qū)域右側(cè)及周圍B1~B33個(gè)站立操作區(qū)。第2作業(yè)區(qū)的打磨面(右側(cè)陰影)尺寸為700 mm×750 mm，適用于打磨高度為300~450 mm的鑄件。站立區(qū)域A1~B3區(qū)的寬度均為500 mm，各區(qū)域高度如表3所示。

平臺還需要考慮以下問題：1) 各操作邊預(yù)留100 mm伸腳空間，平臺面板的厚度取100 mm；2) 平臺表面需留縫隙以便鐵屑下漏回收；3) 作業(yè)面能方便地變換鑄件位置；4) 平臺的表面須平整、穩(wěn)定。為了滿足上述4個(gè)要求，平臺的表面四周采用寬100 mm的鐵板，中心空的部位采用固定的?40圓鋼，如圖9所示。

表 3 工作平臺高度及操作區(qū)高度Table 3 The platform height and operating area heightmm

圖 9 工作平臺尺寸圖Figure 9 The size diagram of the working platform

3 座椅設(shè)計(jì)

工作臺第1作業(yè)區(qū)工作平臺表面以上150 mm和第2作業(yè)區(qū)工作平臺表面以上300 mm不宜采用立姿工作，但這些較低的位置也有鑄件部位需要局部打磨或者用小打磨機(jī)及小磨頭精磨。這些部位采用坐姿更合適，本文設(shè)計(jì)了與工作平臺配套使用的椅子。

A1/B1區(qū)域由于站立面較高，此區(qū)域僅采用立姿進(jìn)行打磨。正常坐姿時(shí)上臂自然下垂，肘彎曲成90°，前臂與需打磨的工作面最上端相平即為舒適的姿勢[15]。將第2作業(yè)區(qū)的B2/B3區(qū)在0~300 mm高度分為0~150 mm段(下部)和150~300 mm段(上部)，分別配置座椅。經(jīng)計(jì)算得出各區(qū)域所需座椅的尺寸如表4所示。

正常男性鞋子長度為240~270 mm，在B2、B3區(qū)采用坐姿時(shí)，為使工人雙腿能舒適地自然下垂，需從2個(gè)方面對平臺進(jìn)一步完善。具體措施如下。1) 將B2、B3區(qū)對應(yīng)的平臺支撐墻體(圖10陰影部分)的一部分后移，虛線部位即為改進(jìn)后留出的空間；2)B2和B3站立區(qū)域兩側(cè)留出容腳空間，具體尺寸如圖10所示。

表 4 椅子高度表Table 4 The chair height

圖 10 工作平臺底面布局Figure 10 The bottom layout of the work Platform

4 方案驗(yàn)證

通過Rhino 6.0建立工作平臺三維模型，并將其導(dǎo)入Jack 8.2軟件進(jìn)行改善后的作業(yè)姿勢驗(yàn)證，模型如圖11所示。由于涉及單位隱私，且單個(gè)產(chǎn)品也無法集中所有特征，在驗(yàn)證時(shí)本文虛擬了1個(gè)能概括地示意所有需要操作的產(chǎn)品模型，模型如圖12所示。操作人員選擇中國男性P50，作業(yè)工具根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品尺寸建模。小磨頭與小砂輪機(jī)在外形和操作方面類似，在驗(yàn)證時(shí)將這2種工具視作1種。

選擇在A3區(qū)驗(yàn)證大砂輪機(jī)立姿打磨產(chǎn)品a面(高度150 mm)、b面(高度200 mm)的作業(yè)姿勢；在A3區(qū)和B2區(qū)驗(yàn)證大砂輪機(jī)坐姿打磨產(chǎn)品c面(高度30 mm)的作業(yè)姿勢，在A3區(qū)和B2區(qū)驗(yàn)證小磨頭坐姿打磨c面、d面(高度180 mm)的作業(yè)姿勢。

驗(yàn)證結(jié)果如下。1)立姿手持大砂輪機(jī)作業(yè)時(shí)，約80%的姿勢編碼為2121或2122(AC2)，20%輔助姿勢為1121(AC1)；2)坐姿手持大砂輪機(jī)作業(yè)時(shí)，約85%的姿勢編碼為2111(AC2)，15%為1111(AC1)；3)使用小型機(jī)械作業(yè)時(shí)，約80%的姿勢編碼為1111(AC1)，剩余20%為2111(AC2)。

結(jié)合第1節(jié)視頻分析中具體的打磨對象，每個(gè)產(chǎn)品分析1次打磨過程，分階段統(tǒng)計(jì)分析，改善前后各階段的姿勢分布如表5所示。改善前，引起明顯勞累的AC3和明顯引起高度勞累的AC4級的姿勢合計(jì)占83.72%；改善后，正常的AC1級姿勢占42.33%，引起勞累的AC2級姿勢占57.67%，消除了AC3和AC4級姿勢。

圖 11 模型展示Figure 11 Model display

圖 12 虛擬產(chǎn)品尺寸示意圖Figure 12 The size diagram of the virtual product

表 5 打磨作業(yè)分階段姿勢統(tǒng)計(jì)表Table 5 The phased postures of grinding operation

5 結(jié)束語

生產(chǎn)實(shí)踐中很多習(xí)以為常的操作習(xí)慣、方法都存在很強(qiáng)的姿勢負(fù)荷。本文運(yùn)用OWAS分析了打磨作業(yè)的姿勢負(fù)荷，并設(shè)計(jì)了適用于打磨工人的工作平臺。該工作平臺使原占比83.72%的AC3、AC4級姿勢降低至0，大幅改善鑄造工人的姿勢負(fù)荷，這對生產(chǎn)實(shí)踐有積極的意義。