牽引拉桿裝配作業(yè)人機工效仿真與改進*

郭美玲，王棟，付建林，宋福田，楊代靜

(1. 西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，成都 610031；2. 中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

0 引言

為預(yù)防和控制作業(yè)人員在搬運、提舉操作中勞動舒適度過低的職業(yè)性肌肉骨骼損傷(work-related musculoskeletal disorders, WMSD)，需對實際生產(chǎn)過程中操作人員的作業(yè)姿勢和受力情況進行人機工效分析。在該研究領(lǐng)域，美國利寶互助安全與衛(wèi)生研究中心通過對人群的心理物理學(xué)試驗，評估了實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)中心開發(fā)的三維靜態(tài)力預(yù)測程序，用于處理搬運、提舉、推拉動作的靜態(tài)力學(xué)分析[2]。肖國兵等考慮到國內(nèi)人群與西方人群的工作能力和耐受力差異，對NIOSH公式進行了修正[3]。劉堅等針對搬運、提舉作業(yè)研究了基于復(fù)合搬運、提舉指數(shù)的人因量化評估和改進方法[4]。劉濤等從人體靜態(tài)以及動態(tài)數(shù)據(jù)方面說明了數(shù)控車床各單元部件的設(shè)計要點[5]。為解決汽車前蓋裝配過程中的人機工效問題，張麗珍從改進工裝工藝的角度提出了一種綜合評價改進方法，并輔以仿真平臺進行驗證[6]。

上述研究為手工作業(yè)的人機工程學(xué)分析提供了指導(dǎo)，但沒有詳細針對每個作業(yè)過程進行分析，存在仿真粒度不夠細，不能真實反映實際裝配過程的問題。鑒于此，本文基于DELMIA人機工效分析的方法將牽引拉桿裝配的整個過程進行了分析，發(fā)現(xiàn)了裝配中存在的勞動強度過大、勞動舒適度過低的問題，提出了一種針對牽引拉桿裝配作業(yè)的綜合評價改進方案并進行了優(yōu)化。

1 牽引拉桿裝配作業(yè)人機工效方案的綜合評價與改進

DELMIA中的人機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)、搬運分析(Carry Analysis)和生物力學(xué)分析(Biomechanics Single Action Analysis)。針對牽引拉桿裝配過程中的人機工效問題，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分析中的Snook & Ciriello表分析法對該過程進行人機工效評價，并提出改進方案。

1.1 快速上肢分析法

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

表1 RULA的評估分數(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)估手中提舉重物負荷限制范圍來評估脊柱損傷風(fēng)險[8]。在DELMIA中設(shè)置提舉任務(wù)中的起始姿勢和終止姿勢即可進行分析，通過分析結(jié)果顯示的同等勞動強度下提舉指數(shù)(Lifting Index，LI)進行預(yù)測，LI用來評估操作人員進行相應(yīng)提舉任務(wù)時可能產(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，對應(yīng)指數(shù)LI劃分分數(shù)與結(jié)果分析如表2[3]所示。

表2 LI劃分分數(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)進行提舉、降低、推拉、搬運等運動所能夠承受最大負荷[10]。在DELMIA中通過設(shè)置動作節(jié)拍、動作維持距離、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)的綜合評價改進方法

單動作任務(wù)是單個提舉、搬運等任務(wù)的總稱，多動作任務(wù)是連貫的包含多個單動作的任務(wù)，實際作業(yè)過程往往是多任務(wù)過程。對比上述三種評價方法，RULA適用于分析靜態(tài)姿勢，NIOSH適用于分析提舉任務(wù)，Snook & Ciriello表適用于分析推拉搬運任務(wù)，三種方法均無法全面評估作業(yè)過程，鑒于此，針對多動作任務(wù)往往需要先劃分為單動作任務(wù)再進行評估。

牽引拉桿裝配作業(yè)為多任務(wù)過程，結(jié)合三種評價方法的綜合評價改進方案流程具體如下：在CATIA中創(chuàng)建裝配過程中所需的所有產(chǎn)品資源模型，將模型導(dǎo)入DELMIA，根據(jù)實際車間布局情況完成裝配環(huán)境的構(gòu)建，根據(jù)實際作業(yè)情況對裝配過程仿真。進入HAA模塊，將多動作任務(wù)劃分為單動作任務(wù)，根據(jù)各單動作任務(wù)選取適宜方法分析對應(yīng)作業(yè)姿勢，并根據(jù)分析結(jié)果改進工藝以及工裝等資源模型。對改進后的作業(yè)情況進行仿真分析，判斷是否達到目標要求。綜合評價改進方案的流程圖如圖1所示。

圖1 綜合評價改進方案流程

2 牽引拉桿原裝配過程仿真

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完成仿真過程所需的所有資源的建立，并根據(jù)實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，本文重點分析工人A的作業(yè)情況。A的作業(yè)過程為多任務(wù)過程，可分為如下幾個單任務(wù)過程：①蹲下姿勢：在牽引拉桿儲存位置蹲下并輔助吊具給牽引拉桿套上吊繩；②行走動作：走到裝配工位旁牽引拉桿放置處；③提舉動作：在工人B的輔助下將牽引拉桿提舉至肩上；④蹲移動作：肩扛牽引拉桿蹲移至待裝配位置下方；⑤蹲舉動作：肩扛牽引拉桿蹲舉至待裝位置。具體裝配仿真過程如圖3所示。

圖2 牽引拉桿裝配作業(yè)環(huán)境

(a) 蹲下姿勢 (b) 提舉動作

(c) 蹲移動作 (d) 蹲舉動作圖3 牽引拉桿的裝配仿真過程

2.2 原裝配過程評價結(jié)果

根據(jù)單任務(wù)過程各動作特點選取相應(yīng)的分析方法，如圖4所示。

圖4 分析方法的選擇

分別對蹲下姿勢、提舉動作、蹲舉動作進行RULA分析，對提舉動作、蹲舉動作進行NIOSH分析，對蹲移動作進行Snook & Ciriello表分析。原裝配過程各動作綜合評價分析結(jié)果如表3所示。

表3 原裝配過程各動作綜合評價分析結(jié)果

分析結(jié)果表明，在蹲下動作中RULA綜合得分為3分，對比表1知可以進一步優(yōu)化該姿勢；在提舉、蹲舉動作中，RULA的綜合得分均為7分，LI得分分別為5.6分、4.2分，對比表1、表2可知提舉、蹲舉動作需盡快進行調(diào)整；在蹲移動作中，負荷超重，表明該姿勢需要盡快進行調(diào)整。

3 原方案的改進與分析

3.1 改進方案

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

3.1.1 增加物料放置臺

在蹲下動作中需要操作人員蹲下彎腰作業(yè)，根據(jù)動作經(jīng)濟原則之縮短動作的距離[11]，應(yīng)盡可能避免彎腰下蹲動作，可通過增加物料放置臺來避免。根據(jù)參考文獻[12]可知我國男性的平均肘高為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面的距離為130mm，故設(shè)計的物料放置臺的高度約為820mm，見圖5。

圖5 物料放置臺

3.1.2 增加吊具與轉(zhuǎn)運小車

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

圖6 吊具(左)，牽引拉桿轉(zhuǎn)移小車(右)

3.1.3 升高構(gòu)架放置工裝高度

在蹲舉動作中需要工作人員長時間維持彎腰曲背的姿勢，同樣根據(jù)動作經(jīng)濟原則之縮短動作的距離[11]，可以通過升高構(gòu)架放置工裝的高度來避免。根據(jù)參考文獻[12]可知我國男性的平均眼高為1568mm，取工作平面高度為直立姿勢眼高，工作平面與轉(zhuǎn)向架和工裝接觸面距離為457.5mm，故改進后構(gòu)架放置工裝高度約為2020mm，見圖7。

圖7 構(gòu)架放置工裝改進前后對比

3.2 改進后評價結(jié)果

改進后，蹲下姿勢變?yōu)榱苏玖⒆藙?，提舉、蹲移動作變?yōu)榱送菩≤噭幼?，蹲舉動作變?yōu)榱苏玖幼鳎と薃的作業(yè)過程仍為多任務(wù)過程，具體可分為如下幾個單任務(wù)：①站立姿勢：在放置臺旁輔助吊具給牽引拉桿套上吊繩；②推小車動作：推轉(zhuǎn)移小車至待裝位置下方；③站立動作：輔助吊具裝配牽引拉桿。改進后的仿真過程如圖8所示，各動作綜合評價分析結(jié)果如表4所示。

(a) 站立姿勢 (b) 推小車動作

(c) 站立動作 圖8 牽引拉桿的仿真過程

表4 改進后裝配過程綜合評價分析結(jié)果

分析結(jié)果表明，在各動作中RULA綜合得分均得到大幅提高，采用物料放置臺、吊具后無需進行提舉動作，升高構(gòu)架放置工裝高度后無需彎腰屈膝，采用轉(zhuǎn)運小車后在轉(zhuǎn)移牽引拉桿過程中工人所受載荷大大減小。將改進前后分析結(jié)果進行匯總對比，如表5所示，可以明顯對比出改進后工人的勞動強度和勞動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。

表5 改進前后分析結(jié)果對比

4 結(jié)論

本文總結(jié)了一套針對轉(zhuǎn)向架牽引拉桿裝配作業(yè)過程人機工效的仿真綜合評價改進方法，通過利用DELMIA中的RULA分析、NIOSH分析和Snook & Ciriello表分析，對原裝配過程的多任務(wù)過程進行分解評估，根據(jù)評估結(jié)果中工人勞動強度過大、勞動舒適度過低的問題，結(jié)合工業(yè)工程、人機工程學(xué)等方面的知識，分別采用增加物料放置臺、增加吊具與轉(zhuǎn)運小車、升高構(gòu)架放置工裝高度的方式對原裝配作業(yè)過程進行改進。通過改進前后的對比，可以顯明看出改進后的方案確實降低了工人的作業(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。