孫林輝，呂瑩

(西安科技大學(xué) 管理學(xué)院,西安 710054)

1 引言

隨著計算機科學(xué)的發(fā)展，汽車零配件生產(chǎn)中自動化程度越來越高，但由于自動化引入成本、零件自身工藝等因素限制，產(chǎn)線中許多預(yù)裝配作業(yè)和中間作業(yè)仍需手工操作來完成，這說明了人是生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)線不可或缺的一部分，極大影響工廠生產(chǎn)的效率。在汽車零部件生產(chǎn)中，為平衡自動化生產(chǎn)節(jié)拍，手工裝配工人通常要進行高頻率，重復(fù)性的操作，日積月累，逐漸暴露出以上肢，腰部，頸部為主要部位的職業(yè)性肌肉骨骼損傷WMSDs(Work-related Musculoskeletal Disorders，WMSDs)。職業(yè)性肌肉骨骼損傷不適癥與其他諸如塵肺病等職業(yè)病不同，它不會立即對人的生命健康產(chǎn)生致命危害，而是在日積月累的不良工作環(huán)境中對人造成潛移默化的身體損傷，不僅影響工人的勞動能力和身體健康，而且會導(dǎo)致缺勤和工傷事故造成經(jīng)濟損失[1-3]。究其根本，引發(fā)WMSDs的因素來自兩大機理：“人—機”耦合設(shè)計不合理和“人—工作任務(wù)”制定不協(xié)調(diào)。

已有文獻關(guān)于WMSDs的研究主要從3方面展開：①問卷調(diào)查法?？焖俦┞稒z查表(Quick Exposure Check,QEC)[4]、北歐標(biāo)準化肌肉骨骼癥狀分析調(diào)查表(Nordic Museuloskeletal Questionnaire,NMQ)[5]，該方法成本低，最方便，但主觀性較強，數(shù)據(jù)準確性較低。②實驗法。蔡敏等設(shè)計了基于腦電分析和動作研究相結(jié)合的實驗，研究生產(chǎn)線的易疲勞工位并對其進行改善，驗證了組合方法的優(yōu)越性[6]。該方法的實施需要操作工人佩戴相關(guān)儀器設(shè)備，會影響工人的正常操作，在制造業(yè)中的實際應(yīng)用效果不佳 。③量表評估法。其中NIOSH提舉法在手工搬運場所運用較多[7]，上肢快速評估RULA(Rapid Upper Limb Assessment，RULA)和全身快速評估REBA(Rapid Entire Body Assessment，REBA)兩種量表在國內(nèi)外工效學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)得到可靠性驗證[8-9]。該方法的優(yōu)勢是可以在不影響工人正常作業(yè)的情況下進行評估，所得結(jié)果客觀且容易實現(xiàn)。這三方面研究方式常結(jié)合使用，主觀與客觀并行展開，取得的研究結(jié)果也比較可觀。

目前，在汽車領(lǐng)域?qū)W者們主要是對整車廠的大型裝配場所進行研究，較少涉及零配件生產(chǎn)中的工人的操作臺。物料裝配工序和工作臺設(shè)置基本決定了工人的操作姿勢，本研究運用模特排時法(MOD)和上肢快速評估法(RULA)，從作業(yè)流程，作業(yè)姿勢，作業(yè)環(huán)境三方面對碳罐電磁閥ST25裝配工位工人的作業(yè)姿勢進行損傷部位和風(fēng)險等級統(tǒng)計評估，并對容易引發(fā)WMSDs的逆人機工效學(xué)操作臺進行改善，減少作業(yè)疲勞，降低工人患WMSDs的風(fēng)險。

2 對象及方法

2.1 研究對象

為減少汽車零配件生產(chǎn)裝配工人肌肉骨骼損傷，保障生產(chǎn)線平衡，提高整體生產(chǎn)效率。本研究選取了LD汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)碳罐電磁閥ST25工位為研究對象進行工效學(xué)分析及改善，該工位屬于典型的坐姿作業(yè)。

2.2 研究方法及人因分析

2.2.1 MOD法操作分析

模特排時法(MOD)通過大量的人體工程學(xué)實驗研究，將動作分為四大類：移動動作、終止動作、身體動作、其他動作[10]。ST25工位是由工人手動完成碳罐電磁閥中磁組和外殼的裝配工作。運用模特排時法，構(gòu)建工人組裝磁阻和外殼的裝配過程，整個操作次數(shù)均為1，MOD 分析見表1，根據(jù)人體工效學(xué)和疲勞研究的結(jié)果,以能量消耗最小的動作的時間消耗作為動作的時間單位,1mod-0.129 s[11]。該工位MOD值為45。

表1 改善前ST25操作MOD 分析表

生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，該工位平均每班生產(chǎn)3 600件，節(jié)拍為6 s，即工人每班重復(fù)同一標(biāo)準作業(yè)數(shù)3 600次。ST20工位是ST25工位的前道工序，為ST25工位提供磁阻，生產(chǎn)節(jié)拍為12 s，為平衡產(chǎn)線節(jié)拍，在ST25工位左右兩側(cè)分別設(shè)置磁阻生產(chǎn)工位，命名為ST20.1和ST20.2，形成“兩個流”供料，這就迫使工人在操作中反復(fù)更迭左右臂向兩側(cè)伸展才能取到磁阻，即供料系統(tǒng)存在高頻率重復(fù)性雙側(cè)抓取的強迫體位，使相對應(yīng)的肌肉持續(xù)受力，易引發(fā)工人手臂疲勞酸痛感；每次取料工人都需在大腦中對拿取方向進行預(yù)判，增加了工人的勞動強度；由于現(xiàn)場布局限制，右側(cè)磁阻料道與工裝臺不在水平位置，低于組裝臺8.3 cm，工人在右側(cè)料道拿取一次需伸展14 cm，且需輔以眼睛動作才能進行有效拿取，不符合動作經(jīng)濟原則，在拿取過程中，兩個料道的物料容易因雙手拿取方向失調(diào)而產(chǎn)生錯誤，影響線平衡，造成產(chǎn)品質(zhì)量隱患。當(dāng)前外殼料箱水平放置在操作臺上，一旦倉庫來料，POU上料人員就會將外殼放至水平容器中，對容器內(nèi)的數(shù)量沒有控制,經(jīng)常會出現(xiàn)換型時容器中仍有數(shù)量不明的余料需要處理，增加了操作人員則非增值動作。

2.2.2 RULA作業(yè)姿勢評估

RULA法由諾丁漢大學(xué)的Lynn Mc Atammey 和Nigel Corlett 兩位教授于1993 年首次提出。通過分析人體6個部位的姿勢、用力情況和肌肉的使用情況，來分析、評估人體上肢肌肉骨骼損傷風(fēng)險，該方法在國外已經(jīng)應(yīng)用的十分成熟。由于導(dǎo)致肌肉骨骼損傷的因素眾多，為確保研究的有效性，經(jīng)過調(diào)查，確定所研究的工人均無外科手術(shù)史。首先，對ST25工位操作工人進行8 h/班的作業(yè)現(xiàn)場錄像，拍攝時長7 560 mins，在數(shù)據(jù)處理上，每隔15 mins從中截取一張作業(yè)姿勢截圖(如圖1所示)，共取得504張樣本。利用函數(shù)式將RULA評估標(biāo)準設(shè)定在Excel中，在評估中輸入每個部位的姿勢角度，即可自動輸出WMSDs風(fēng)險等級，實現(xiàn)快速評估。其次，采用RULA對每張樣本進行損傷風(fēng)險等級評估(如表2所示)，其中包括工人上臂，下臂，腕部，頸部，軀體和腿部動作進行評分，匯總后得到最終評分結(jié)果，根據(jù)評分結(jié)果劃定其風(fēng)險等級。用SPSS 22.0統(tǒng)計出得分最高的損傷部位，同時對該工位的工人進行訪談。

圖1 裝配姿勢圖

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，該工位最終RULA評分為5分,導(dǎo)致工人肌肉骨骼損傷等級為中度損傷風(fēng)險，其中得分最高的部位為手臂和下肢，為患WMSDs的潛在風(fēng)險部位。這也符合在訪談中工人反映的由于手臂頻繁伸展(每裝配一件伸展一次,7次/min)拿取物料的強迫姿勢引發(fā)的疲勞感，在當(dāng)班7 h工作時間內(nèi)，下肢長時間靜態(tài)彎曲，無法找到一個恰當(dāng)體位，人的行為慣性導(dǎo)致腿部交叉現(xiàn)象頻繁伸展受阻，引發(fā)腿部血液流通不暢，經(jīng)常出現(xiàn)酸痛發(fā)麻的疲勞感。

表2 操作姿勢RULA評估表

2.2.3 作業(yè)環(huán)境分析

本研究采用ILO《工效學(xué)檢查表》對該工位進行作業(yè)環(huán)境分析，共包括132項檢查要點，物料存放和運輸、工作臺、生產(chǎn)設(shè)備的安全、危險物質(zhì)的控制、照明、輔助設(shè)施、廠房、勞動組織等8個方面的內(nèi)容，統(tǒng)計結(jié)果表明，該工位不涉及危險物質(zhì)控制項，除上文已分析出的問題外，該工位照明缺陷突出。

ST25工位中單個磁阻直徑為2.5 cm，對磁阻特定位置進行橡膠支撐和外殼組裝屬于精細程度較高的作業(yè)，在組裝中需進行三次目檢：(1)零件裝配是否完整(2)橡膠支撐型號是否正確(3)外殼口部是否有損傷，該工位操作臺無照明裝置支持。一方面，工人需要反復(fù)努力辨認，易使視覺疲勞，工作無法持久，降低工作效率，甚至引發(fā)安全事故[12]；另一方面，在組裝中工人由于光線不足會不自覺的需要軀干前傾，當(dāng)腰椎和頸椎的自然彎曲弧線發(fā)生改變后,人體處于強迫體位,腰背肌肉處于緊張狀態(tài),引發(fā)腰背肌肉疲勞,最終導(dǎo)致肌肉骨骼損傷，據(jù)過去6個月統(tǒng)計，因橡膠支撐和外殼卡扣處裝配不當(dāng)引發(fā)的不良品有3起，通過跟工人溝通，發(fā)現(xiàn)裝配過程中因視疲勞會導(dǎo)致零件方向顛倒，目檢效果不佳，此種產(chǎn)品缺陷與照明不足有極大關(guān)系。

3 操作臺人因改善設(shè)計

通過對ST25工位操作人員的動作分析和RULA評估,發(fā)現(xiàn)磁阻的物料供給系統(tǒng)不合理且操作臺不符合人機工程學(xué)要求是導(dǎo)致身體強迫姿勢和疲勞感產(chǎn)生的主要原因,另外，無照明裝置引發(fā)的視疲勞和工人無意識的頸部前傾。為了確保改善措施的有效性，必須優(yōu)先考慮導(dǎo)致WMSDs風(fēng)險的根本點，國際勞動組織專家認為，與具有事故傾向的工人相比，工位設(shè)計、布局和保養(yǎng)維護不善的工作環(huán)境更容易誘發(fā)事故[13]，此次改善依據(jù)人機工程和工業(yè)工程的相關(guān)理論及規(guī)范，對該工位進行針對性改善。

3.1 物料供給系統(tǒng)改善

磁組組裝工位ST20為ST25工位的前道工序，料道分至ST25工位的兩側(cè)，不符合精益生產(chǎn)中工序間“一個流”的生產(chǎn)原則，這極大影響了工人操作步驟和作業(yè)姿勢，增加了工人的勞動強度。一般工作臺的操作過程可劃分為“取料及上料、控制及裝配加工、下料及傳輸、” 三個部分，該工位除“控制及裝配加工”過程外，其他兩個過程都由于右側(cè)料道設(shè)計不合理而不符合人機操作標(biāo)準。

首先，運用動作經(jīng)濟原則重新設(shè)計ST25的物料供給方式，將 ST20.2工位轉(zhuǎn)移至左側(cè)，使其與ST20.1料道串聯(lián)，在料道左側(cè)和上側(cè)分別設(shè)置上料口，如圖2所示，工人只需左手在左側(cè)拿取磁阻，無需在腦中預(yù)判方向，減少了思考動作，取消了右手的拿取動作，縮短了拿取距離，且左側(cè)拿取時間較以前的右側(cè)拿取時間短，按照過去六個月的平均產(chǎn)量統(tǒng)計，按照過去六個月的平均產(chǎn)量統(tǒng)計，ST25工位實行每天三班倒生產(chǎn)，平均每班生產(chǎn)3 600件，在均衡生產(chǎn)下，每班次內(nèi)左右手平均分別伸展1 800次，工人在右側(cè)料道拿取一次物料需伸展14 cm，從左側(cè)料道拿取一次物料需伸展10 cm，故而改善后在拿取次數(shù)不變的情況下，左右兩側(cè)取料變?yōu)橹粡淖髠?cè)取料，可節(jié)約右側(cè)單次伸展(14-10)*2 cm，綜上，計算出每班減少上肢伸展距離(14-10)*1 800*2=14 400 cm,即144 m。

圖2 工位轉(zhuǎn)移示意圖表2 改善后左右手MOD 分析表

左手分析動作描述分析式時間MOD值右手分析動作描述分析式從清潔機構(gòu)左側(cè)料道拿磁阻M3G36空閑BD將磁阻放到工裝上M3P5 8空閑BD拿一個橡膠支撐M3G1 4拿一個橡膠支撐M3G1將橡膠支撐裝在磁阻上M3P03將橡膠支撐裝在磁阻上M3P0從5cm處料盒中拿取外殼 M2G35將磁阻從工裝中取出M2G1將磁阻正確的放入外殼中 M1P23將磁阻正確的放入外殼中M1P2空閑BD5將裝配好的組件放入料道M3P2合計 343918

其次，調(diào)整外殼上料方式，取消原來的工作臺水平容器，改用定量周轉(zhuǎn)箱放置外殼，根據(jù)外殼的最小包裝量和體積，計算出每箱應(yīng)放置180個，周轉(zhuǎn)箱尺寸為600×400×220，單位mm。為便于取料，周轉(zhuǎn)箱應(yīng)置于斜面上，斜面角度以便于操作人員觀察余料為宜。已知生產(chǎn)線桌高固定為80cm，記為H0，座椅距操作臺的距離可根據(jù)需要調(diào)整。參照GB 10000-88人體尺寸表，斜面角度應(yīng)滿足第5百分位的男性坐姿作業(yè)時的視覺可達域，定義其他身體相關(guān)參數(shù):坐姿眼高為749 mm，記為H1;人的垂直視野向下最大可達70°，記為E1；周轉(zhuǎn)箱前端距軀干距離，記為H2；周轉(zhuǎn)箱末端距桌面的距離，記為H3，周轉(zhuǎn)箱前端距桌邊距離，記為H4；經(jīng)推理，周轉(zhuǎn)箱的斜面角度A計算如公式(1)：

(1)

簡化后得公式(2)：

(2)

通過現(xiàn)場測量，分別得到H2= 350 mm，H4=120 mm，計算得出最佳傾角α1約為30゜，如圖3所示。

圖3 人-周轉(zhuǎn)箱操作臺示意圖

改善后該工位MOD值為39(見表2)可以便于操作者觀察余料，縮短了作業(yè)者從最遠處拿取外殼的距離，降低操作者疲勞，使操作者的勞動緊張程度適當(dāng)，每次換型，無需再清理周轉(zhuǎn)箱內(nèi)零件，可直接搬離，減少了清理動作，提高工作效率。

3.2 增加腳踏板及照明裝置

以手工操作為主的工作臺可分為坐姿、可坐可站、站姿3種類型，該工位為典型的坐姿作業(yè)，操作臺高度不可調(diào)節(jié)且操作者都為男性。

根據(jù)人因工程學(xué)中關(guān)于坐姿作業(yè)者操作環(huán)境的相關(guān)理論，小腿向前伸時，大腿、小腿與腳面之間保持合適的夾角可獲得舒適的腿部坐姿，舒適的腿部坐姿應(yīng)保證大腿與小腿夾角在95°～120°之間，小腿與腳掌之間夾角應(yīng)達到85°～95°之間，從而保障上體通向腳部的血管不受壓迫，保持血液正常循環(huán)，達到舒適的腿部坐姿狀態(tài)。

為實現(xiàn)上述設(shè)計原則，保證大腿、小腿和腳掌之間夾角達到相性的舒適度數(shù)范圍內(nèi)，需解決腳面與小腿的角度,大腿與小腿角度兩點問題。當(dāng)大腿與小腿之間的角度為120°時，小腿與腳掌之間夾角為95°時，腳踏板斜角應(yīng)為25°，故應(yīng)安裝傾斜角為25°的腳踏板，不同身高的工人可通過調(diào)整座椅與工作臺的距離，使自己達到下肢舒適體態(tài)，減緩工人腿部疲勞。

確定角度后，則需確定腳踏板的高度，經(jīng)測量該工位座椅高度為75 cm,工鞋厚度為4 cm,根據(jù)公式(3)可得[13]：

腳踏板高度最大=最大坐高-(男性第5百分位小腿與腳的長度+鞋高×cos30°

(3)

=67.8-(38.3+4)cos30°=20 cm

故腳踏板的最大高度為20 cm。改善后，工人在長時間作業(yè)中可以保持下肢自然伸展，且下肢姿勢符合工效學(xué)角度要求，避免肌體疲勞。

ST25工位屬于精細程度較高的作業(yè)，針對ST25工位光線較暗的情況，應(yīng)安裝獨立照明。照度過高或過低都會影響作業(yè)者的工作效率和軀干彎曲程度，根據(jù)《建筑照明設(shè)計標(biāo)準》(GB50034-2013)，結(jié)合LD公司生產(chǎn)部門的標(biāo)準，在距操作臺面90cm處安裝了500lx的獨立照明，整體改善后作業(yè)姿勢如圖4所示。

圖4 改善后作業(yè)姿勢

4 討論

在第三節(jié)中對該工位操作臺進行人因改善后，取得了以下成效：重新調(diào)整物料供給方式，使工人取料方式從“雙邊取料”變成“單邊取料”，降低大腦負荷，縮短了拿取距離和時間；調(diào)整外殼上料方式，使用定量周轉(zhuǎn)箱放置外殼，減少了余料清理動作，設(shè)定物料箱擺放角度，便于操作者觀察余料，減少周轉(zhuǎn)箱余料清理環(huán)節(jié)，使生產(chǎn)系統(tǒng)更加順暢；增加腳踏板和照明裝置，改善下肢的強迫體位，合理充足的照明避免頸部長時間處于前傾姿勢的潛在職業(yè)性肌骨損傷風(fēng)險。

5 結(jié)語

操作臺的工效學(xué)合理性是汽車零部件生產(chǎn)工人職業(yè)健康和工作效率的重要影響因素，本文以LD公司ST25工位實際生產(chǎn)場所為研究點，應(yīng)用MOD法和RULA評估法對該工位進行WMSDs風(fēng)險評估分析，并從三方面對其進行改善。改善后，縮短了物料抓取距離，防止因設(shè)計不合理而導(dǎo)致的不良作業(yè)姿勢，減少了工人的勞動負荷，降低工人患WMSDs的風(fēng)險。當(dāng)今汽車零配件生產(chǎn)企業(yè)中半自動化產(chǎn)線是中國制造2025的發(fā)展道路中的典型過渡階段，加強手工操作工位設(shè)計過程中的人機工程考慮，可以提高工人的操作效率和安全性、以及自身的滿意度，提供符合工效學(xué)標(biāo)準的工位對零配件生產(chǎn)作業(yè)者的職業(yè)健康意義重大?！叭恕獧C—環(huán)”協(xié)調(diào)統(tǒng)一的工作環(huán)境是為了保證操作人員的舒適度，實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定工作的前提，以后設(shè)計制造操作臺及設(shè)備時應(yīng)盡量予以滿足。