基于人機工程學的雙殼貝類自動開殼設備設計

高喜銀+吳紅雷

摘要：為了用戶能方便、舒適、安全地操作雙殼貝類開殼設備，需要運用人機工程學的原理，將其置于“人—機—環(huán)境”系統(tǒng)中充分考慮。選擇合適的材料和加工方式，設計合理的結構，有效地防止海水對設備的腐蝕;根據(jù)作業(yè)性質，合理選擇作業(yè)姿勢;根據(jù)坐姿人體尺寸，確定最佳工作面高度，并進行合理的作業(yè)空間布置。在延長設備使用壽命、提高安全性和可靠性的同時，作業(yè)者能更方便、快捷、高效地作業(yè)，達到高度的人機協(xié)調。

關鍵詞：雙殼貝類;自動開殼設備;人機工程學;防腐;安全技術

中圖分類號： TS254.3 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）04-0378-03

收稿日期：2014-06-27

基金項目：河北省科技計劃（編號：14455304D）;河北農業(yè)大學理工基金（編號：LG20130201）。

作者簡介：高喜銀（1978—），女，河北衡水人，碩士，副教授，主要從事工業(yè)設計、人機工程學研究。E-mail：gaoxiyin@163.com。

我國是貝類生產和出口大國，在促進我國沿海經濟發(fā)展、增加沿海農民收入方面發(fā)揮著越來越大的作用。雙殼貝類開殼設備是自動化雙殼貝類取肉生產線的一部分，主要的工作是將保鮮狀態(tài)下的貝類開殼，供后續(xù)設備進行取肉。該生產線的研制解決了開殼取肉困難、生產效率低、勞動強度大的難題。為了使雙殼貝類開殼設備的設計更趨于成熟，在提高雙殼貝類的開殼品質的同時，使用戶在方便、舒適的條件下安全操作，則需要運用人機工程學的原理，將其置于“人—機—環(huán)境”這個綜合系統(tǒng)中充分考慮。

1 雙殼貝類自動開殼設備工作原理

雙殼貝類自動開殼設備主要由機架、鏈帶傳動機構、位置傳感器、隨動噴淋裝置、蒸汽發(fā)生器和開殼器構成（圖1）。

進行開殼工作時，需要人工將貝類按一定的姿態(tài)擺放在仿形槽體內。放置好的貝類在電機1的驅動下勻速向前運動，當固定在機架上的位置傳感器檢測到仿形槽體的信號，信號經由PLC處理，PLC控制隨動噴淋裝置的電機2，實現(xiàn)滑臺

在導軌上隨仿形槽體運動，蒸汽發(fā)生器提供蒸汽使得位于貝類正上方的噴淋管實現(xiàn)對貝類的蒸汽處理。當位置傳感器檢測到第2個仿形槽體時，電機2驅動滑臺迅速復位并跟隨第2仿形槽體運動，實現(xiàn)對第2個貝類的蒸汽處理。經由某一溫度蒸汽處理后的貝類由閉合狀態(tài)變?yōu)橛幸欢ㄩ_口狀態(tài)，其組織與上壁分離。開口狀態(tài)的貝類經過開殼器時，開殼器的底端壓緊貝類下殼，其楔形角使得上殼張開的角度越來越大，直至上殼與下殼分離，貝柱和裙帶組織則可由開殼器中心位置的通槽處順利通過。至此，雙殼貝類的開殼工作完成，開殼的貝類將輸送到取肉設備上完成取肉工作。

2 雙殼貝類自動開殼設備設計人機工程學問題

人機工程學就是研究與解決“人—機—環(huán)境”三者協(xié)調統(tǒng)一，使人機系統(tǒng)和諧的學科。其中的人指機器作業(yè)者以及有可能受到機器工作影響的其他人，而系統(tǒng)中所指的環(huán)境則是指作業(yè)者、機器和被影響人所共同擁有的環(huán)境[1]，其中既有受機器影響的作業(yè)者的工作環(huán)境，又有機器工作所處的環(huán)境。將雙殼貝類自動開殼設備置于“人—機—環(huán)境”系統(tǒng)中，主要從防腐蝕設計、操作方式和安全防護3個方面討論人機工程學設計問題。

3 雙殼貝類自動開殼設備防腐蝕設計

雙殼貝類自動開殼專用設備是專門用來加工食品的，必須滿足食品加工的專門要求，即保持食品的色、香、味，保證衛(wèi)生要求等，因而其設計要求是非常嚴格、苛刻的。為保證貝肉質量，雙殼貝類需要在保鮮情況下進行傳輸、開殼，殼內攜帶的海水會對設備造成腐蝕，降低設備的使用壽命，也會導致食品污染并危害人體健康[2]。雙殼貝類自動開殼設備首先要注意防腐蝕設計。一方面，該設備的加工材料應該選擇耐腐蝕材料，特別是與食品介質直接接觸的零部件，既要耐腐蝕，又要不污染食品;另一方面，該設備的結構設計應該合理，避免不合理的加工制作方式或不合理的結構形成腐蝕條件。

3.1 防腐蝕加工材料的選取

材料的合理與否直接影響機械的性能和食品的加工質量。海水與金屬腐蝕有關的物理化學參數(shù)主要有鹽度、氯度、pH值、含氧量等[3]。已有試驗證明，不銹鋼在海水中的腐蝕率較低，但容易發(fā)生點蝕、縫隙腐蝕等局部腐蝕，不銹鋼的晶間腐蝕和應力腐蝕在海水中不常見[3]。304不銹鋼為國家認可的食品級不銹鋼，對食品沒有腐蝕，表面美觀、耐蝕性良好、低溫強度和機械性能好，且沖壓、彎曲等熱加工性能好，著色工藝比較成熟，加工方便、費用較低，非常符合海產品加工設備對材料的要求，綜合考慮各方面因素選304不銹鋼為設備的加工材料[4]。

3.2 防腐蝕結構設計

雙殼貝類開殼設備的防腐蝕結構設計的目的是將設備的零部件最優(yōu)化地組合起來，滿足產品的功能性、可靠性、經濟性。為防止電偶腐蝕，設備中的鏈條、鏈板輸送帶、機殼、支架、連接部件等都可選用304不銹鋼制品。機器支架采用鉚接結構，鉚接用件也采用304不銹鋼制品。海水滲透性很強，會發(fā)生縫隙腐蝕性，為防止縫隙腐蝕，延長設備使用壽命，不能鉚接的地方采用焊接結構，各焊縫必須滿焊[5]。雙殼貝類開殼設備中所需要的2個電機，均選擇防水防腐蝕步進電機，經過特殊工藝處理的防水防腐蝕步進電機能有效防止水及油的滲入，適合在濕度大、有腐蝕性的惡劣環(huán)境中使用。

4 雙殼貝類自動開殼設備的操作方式設計

作業(yè)者的主要工作是開啟機器，調節(jié)蒸汽發(fā)生器的操作按鈕，將貝類按一定的姿態(tài)擺放在仿形槽體內，其中擺放貝類是最主要的操作動作。作業(yè)姿勢、仿形槽體的高度和形狀、作業(yè)空間布置對作業(yè)者的舒適操作要求有重要的影響。為保證雙殼貝類開殼設備的效能、可靠性、安全性達到最優(yōu)化，應合理選擇作業(yè)姿勢、仿形槽體的高度（最佳工作面高度），進行合理的作業(yè)空間布置。

4.1 作業(yè)姿勢的選擇endprint

在開殼工作正常進行中，作業(yè)者需要定時將貝類放置在以3.29 cm/s速度運行的仿形槽體內，作業(yè)者放置一個貝類的時間為

T=（B+L）/v

。

（1）

其中：鏈板輸送帶的傳送速度v是3.29 cm/s，鏈板的寬度B為10 cm，鏈板間距L為15.2 cm，即T=（10+15.2）/3.29，操作人員放置1個貝類的時間為7.6 s，1 min約放置8個。由于作業(yè)負荷較小，機器上潛在的危險因素較小，不需要高度的警惕性，作業(yè)持續(xù)時間較長，在工作中需要集中精力，精確放置貝類，根據(jù)人機工程學原理選擇坐姿作業(yè)姿勢[6]。

4.2 仿形槽體高度（最佳工作面高度）的確定

為了使作業(yè)者在舒適的狀態(tài)和適宜的環(huán)境中工作，在設計中必須充分考慮人體的尺度和人體處于坐姿作業(yè)姿勢下的有力工作區(qū)域和工作方向。仿形槽體的形狀、高度要根據(jù)作業(yè)者的作業(yè)姿勢、手握特征和工作效率來設計。由表1可得，仿形槽體的高度應不超過人體坐姿肘高和小腿加足高的總和。雙殼貝類自動開殼設備屬于成年男、女通用的一般工業(yè)產品，依據(jù)人體尺寸百分位數(shù)選擇原則，應選用男性的P99、P95或P90作為尺寸上限值的依據(jù)，選用女性的P1、P5或P10作為尺寸下限值的依據(jù)[6]。因此，可以選擇坐姿的最佳工作面高度為57.3～73.0 cm之間。

表1 坐姿人體尺寸

分組 百分位數(shù)

（%） 坐姿肘高

（mm） 小腿加足高

（mm）

男（18～55歲） 1 214 372

5 228 383

10 235 389

50 263 413

90 291 439

95 298 448

99 312 463

女（18～55歲） 1 201 331

5 215 342

10 223 350

50 251 382

90 277 399

95 284 405

99 299 417

從圖2可以看出，以5%的人體尺寸為例，人體坐姿工作的抓握最佳尺度范圍是以肩關節(jié)為圓心的直臂抓握半徑：男性為65 cm，女性為58 cm。在垂直方向的抓握高度（離地面）最小值為38 cm[6]，可以將待加工貝類調節(jié)到38 cm的高度上，利于作業(yè)者抓取貝類，從而能保證作業(yè)者具有較大的穩(wěn)定度和較好的平衡度，減少人體疲勞和能量的消耗，提高工作效率。

4.3 作業(yè)空間布置

作業(yè)者右手操作頻率較高，需要手眼配合協(xié)調地將貝類準備放置到仿形槽體內。同時，需要不定時注意觀察蒸汽發(fā)生器的控制面板。作業(yè)空間的布置設計， 最關鍵的是將最佳

工作面和顯示控制面板布置到作業(yè)者的手眼協(xié)調區(qū)域。由推薦的控制臺作業(yè)面布置圖（圖3）得知，圖中陰影區(qū)是女性的P2.5的手眼協(xié)調區(qū)域，可以將操作面、控制顯示面板放置到這個區(qū)域。

考慮到作業(yè)者的操作方便性和手眼協(xié)調區(qū)域，將工位設計在開殼設備的側面，作業(yè)者的左前面是蒸汽發(fā)生器的控制面板，右前側面是工作面，右面放置待加工材料方便抓取。作業(yè)空間布置平面示意圖如圖4所示。

5 雙殼貝類開殼設備安全防護設計

雙殼貝類開殼設備采用鏈條、鏈輪傳動將貝類輸送到蒸汽噴淋管進行蒸汽開殼，運動中的鏈條、鏈輪嚙合部位存在將人手夾傷的危險，需要安裝防護裝置避免危險的發(fā)生[1]，考慮到設備的危險程度和維修需要，選擇固定封閉式防護裝置防止操作工觸及機械傳動機構的危險區(qū)[6]，如圖5所示。

從安全性角度考慮，應能保證當作業(yè)者的手誤伸入護罩時而不受傷害。如圖5-b所示，Sd是護罩邊緣到鏈條的水

平距離，a是護罩邊緣到鏈條的垂直距離，Sd和a的尺寸的選擇需要滿足手指誤進時的安全尺寸。從表2穿越柵欄狀（條形）縫隙可及安全距離Sd數(shù)據(jù)和實際生產情況可以確定Sd為1.8 cm，a為0.6 cm。

表2 穿越柵欄狀（條形）縫隙可及安全距離Sd

上肢部位 縫隙寬度

a（mm） 安全距離

Sd（mm） 圖示

指尖 4 ≥15

6 結論

在人機工程學理論的指導下，雙殼貝類自動化開殼設備從“人-機-環(huán)境”系統(tǒng)理論角度綜合考慮材料的防腐蝕性，選擇合理的加工材料和結構設計解決了防腐蝕問題，提高了設備的使用壽命;選擇合適的工作姿勢，進行合理的作業(yè)空間布置，確定固定封閉式防護裝置，并進行安全尺寸計算。作業(yè)者可以有序、自如地作業(yè)，基本上達到人機的協(xié)調。目前，該設備已進入物理樣機試制階段，其加工方式、結構設計的合理性需要進一步的驗證。

參考文獻：

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