人機工程研究在高速列車虛擬裝配中的應用

熊 晶，楊 龍

（1.華中科技大學 機械科學與工程學院，湖北 武漢 430074；2.南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

隨著社會的進步與科學技術的日新月異，人們對生活和工作環境的要求越來越高。人機工程學理論逐漸滲透到產品設計及制造過程中，其研究與應用得到越來越廣泛的關注。在人機工程學的研究中，“人—機—環境”系統，被視為一個統一的整體，對該系統整體進行研究和改善，使“人—機—環境”達到最佳匹配狀態，以保證人安全、高效并舒適地工作、學習和生活。

目前，大型機械產品裝配的自動化程度很低，其大部分的裝配過程是靠手工完成的。那么，人機系統設計不合理、零件堆放位置不合理、操作者的動作不符合動作經濟原則等因素，都會影響工人的身體健康及企業的生產效率。

此外，傳統的人機工程學分析評價是在工人已經出現不適或職業傷害已經發生的前提下進行的，而理想的人機工程學分析評價方法，應當盡可能在傷害發生之前，就能分析判斷其可能發生的情況。

因此，越來越多的企業選擇在虛擬環境中，進行人機工程學分析評價。通過在計算機上創建近乎實際的虛擬環境，用虛擬產品代替傳統設計中的物理樣機，能夠方便地對產品的裝配過程進行模擬與分析。在產品的虛擬裝配中引入人的因素，并分析人在工作時的舒適度以及人對工作負荷的適應能力，以便及時消除無效勞動，減輕疲勞，合理利用人力和設備，提高工效。

對產品虛擬裝配過程進行人機工程分析時，要考慮以下問題：

（1）不同的人機工程問題，應采取何種分析方法；

（2）分析結果是否符合實際；

（3）采取改善措施后，人機工程問題是否確有改善。

針對這些問題，本文旨在職業傷害發生前，有效地判斷傷害發生的原因，并及時改善。為此，在DELMIA 軟件的Human Task Simulation 模塊中，模擬產品裝配過程，并在Human Activity Analysis 模塊中，對人體的狀態進行分析，驗證分析結果的可靠性，最終實現在虛擬環境下完成人機分析及改善。

1 舒適度及抬舉勞動強度分析方法

1.1 舒適度分析

作業空間狹小或作業位置的特殊要求，會造成工人裝配操作舒適度降低，引發身體不適。DELMIA的Human Activity Analysis 模塊，提供了一種人體舒適度分析工具RULA（Rapid Upper Limb Assessment），RULA 分析通過對工人的某個整體姿態以及身體各部位姿態打分，從而判斷該姿勢是否可以被接受。RULA 分析整體得分情況如表1，身體各部分得分情況及對應的顏色如表2。

表1 RULA 分析整體得分含義表

表2 身體各部位得分范圍[1]

1.2 勞動強度分析

勞動強度是指生產過程中的繁重和緊張程度，也是勞動力消耗的密集程度。DELMIA 的Human Activity Analysis 模塊，提供了抬舉勞動強度分析、推拉勞動強度分析、搬運勞動強度分析等工具，以用于不同裝配作業人機勞動強度分析的要求。

NIOSH 理論是American National Institute for Occupational Safety and Health 機構發表的人體雙手提舉分析理論，用于分析操作過程中雙手抓舉任務[2]。目前，有兩套分析評價方法：NIOSH81 和NIOSH91，分別用于分析人體雙手對稱提舉負荷問題與雙手不對稱提舉的問題。運用NIOSH 理論對人體雙手提舉進行分析，旨在減少與手工操作相關的腰痛或者別的肌肉骨骼紊亂，同時滿足生物力學極限、生理學極限以及心理學極限。

（1）進行NIOSH 分析需要輸入的參數。在DELMIA 的環境下，對人體進行NIOSH 分析時，需要輸入的參數有：

一是提舉開始與提舉結束時的人體姿態；

二是提舉頻率及持續時間；

三是提舉負荷物時人體的舒適度；

四是負荷物的總質量。

（2）NIOSH81 輸出的結果。分析結束后，NIOSH81 輸出的結果如下：

一是動作極限（Action Limit），即99%的男性工人和5%的女性工人能夠承受的重量；

二是最大允許極限（Maximum Permissible Limit），僅25%的男性工人和1%的女性工人能夠承受的重量[3]。

（3）NIOSH91 分析輸出的結果。進行NIOSH91分析后，輸出下列結果：

一是起始姿態和終止姿態的推薦重量極限（Recommended Weight Limit），即健康工人在無危險情況下的負荷量；

二是起始姿態和終止姿態的提舉指數（Limit Index），即描述物理壓力水平的相關評價參數。

2 改善原則

為提高工人操作時的舒適程度，操作過程應遵循動作經濟原則。動作經濟原則注重在生產制造中使用省力裝置，推進機械化的實施，從而減少人工勞動，將操作者用在更智能或非用人不可的工位上，改善工作環境，實施合理化的作業方法，改善作業中的不合理、不穩定因素和浪費，充分發揮人的潛力[4]。

2.1 動作經濟原則的四條基本原則

動作經濟原則有如下4 條基本原則：

（1）減少動作的數量；

（2）雙手同時進行動作；

（3）縮短動作的距離；

（4）輕松動作。

2.2 手握式工具的設計原則

為改善不良設計工具對人體造成的傷害，應采取適當的設計原則。手握式工具的設計原則如下：

（1）避免靜肌負荷。當使用工具時，手臂上舉或長時間抓握，會使肩、臂及手部肌肉承受靜負荷，導致疲勞，降低作業效率。

（2）使組織壓迫較小。設計手握式工具時，應盡量分散力量，例如加大手與工具的接觸面積，以減少對血管和神經的壓力。

（3）保持手腕伸直。

（4）減少手指的重復活動。

3 案例分析

3.1 案例的選取

目前，高速列車裝配過程，包括塞拉門安裝、前擋風安裝等數十個安裝工藝，而國內的機車行業尚未對其安裝過程進行人機工程問題的評價與分析。因此，選取典型的案例進行分析與改善，有著十分重要的意義。

對高速列車裝配過程進行調研、分析，并對若干個關鍵工序裝配工作中存在的人機工程學問題進行統計、篩選。最終選取人機工程學問題最多的制動管安裝作為典型案例。

3.2 現場的評估

制動管安裝于列車底部。制動管安裝工序的人機工程學現場評估中，工人反映有上肢酸痛的問題。具體分析，造成工人上肢酸痛的原因如下：

（1）雙手搬運、抬舉管排。在安裝管排時，工人將管排（約20 kg）搬運至車底，舉起管排至車底定位處，保持雙手抬舉動作，另兩個工人固定管排。在此過程中，雙手舉過肩這一動作，難度較高，極易產生疲勞[5]，該動作對肩部斜方肌和肌腱有很大損害[6]。這是使工人產生上肢肌肉酸痛的原因之一。

（2）工具設計不符合人機工程學理論。工人用開口扳手鎖緊管排螺母及EO 接頭時，需將手臂上舉再施力。這一重復性的工作姿態，也是使工人產生上肢肌肉酸痛的原因之一。

3.3 任務的仿真

利用DELMIA 的仿真過程如下：

一是數據采集。獲得裝配現場各種資源的相關數據。

二是構建虛擬廠房環境，搭建仿真環境。

三是引入虛擬人體。我國不同地區的人體尺寸差異較大，各地區的成年人（18～60周歲）人體尺寸如表3 所列。

表3 我國各地區的人體尺寸表[7]

制動管安裝現場的工人均為華北成年男性，故人體模型身高設置為1 693 mm，并選擇percentile 為50，即1 693 mm 為平均身高。

（1）任務仿真。在DELMIA 的Human Task Simulation 模塊中，對PPR 樹中設置資源、產品與工藝之間的關聯后，即可進行操作仿真。制動管安裝的操作仿真如圖1 所示。

圖1 制動管安裝仿真操作

（2）仿真分析。下面是應用DELMIA 仿真軟件得出的仿真結果及分析，針對不同的問題，采取不同的分析方法，如圖2。

圖2 分析方法選擇圖

3.4 RULA 分析

分別對管排的搬運、抬舉以及緊固螺母的動作進行RULA 分析。

（1）對工人搬運管排及舉起管排的姿態，進行RULA 分析，得到的結果如圖3 所示。

圖3 搬運、抬舉管排時的RULA 分析

由圖3 可知，工人搬運管排時RULA 分析總分得4 分，表明該動作有待進一步研究。

工人將管排抬舉至車底時，RULA 分析總體得分為7 分，表明該動作應急需改善。

（2）當螺母的軸線與車底關系不同時（平行或垂直），工人緊固螺母的姿態也會不同。對這兩種情況進行RULA 分析的結果如圖4 所示。從分析結果可知，這兩種動作的得分相當，總體得分均為7，表明該動作應急需改善。

圖4 擰螺母時的RULA 分析

3.5 NIOSH 分析

現對抬舉管排至車底定位處的姿態做NIOSH91分析。分析結果如圖5。

圖5 抬舉管排的NIOSH 分析

在實際操作中，人體負載總質量為10 kg，大于推薦的負載質量極限（8.3 kg），故這種工作狀態，不利于人體健康與安全，應當進行改善。

3.6 改善措施

為改善搬運、抬舉管排動作的舒適度，應遵循動作經濟原則，可利用現有的設備與資源，來替代人手操作；為避免工人上舉手臂擰緊螺母的動作對人體的傷害，應對工具進行改善。

（1）改善方案。對雙手抬舉管排以及使用不良設計的工具，改善方案具體如下：

第一，為改善雙手抬舉管排的不良動作，可分別采用管排小車和液壓升降平臺，來替代人工搬運及抬舉管排。

第二，扳手設計的改善方案：根據螺母軸線與車底平面的關系而采取手柄改善，如圖6 所示。此兩種情況均對扳手手柄進行改善，所需材料可采用制動管安裝時的廢棄管。

圖6 工具改造

（2）改善后任務仿真與比較。將提出的改善方案在DELMIA 環境中進行仿真，檢驗該方案的可行性。改善后的仿真過程如圖7 所示。

圖7 改善后仿真操作

第一，改善后，搬運、抬舉管模塊的動作變為推車、調整管排位置的動作（如圖7(b)、(e)）。對改善后姿態進行RULA 分析的結果如圖8。

圖8 改善后姿態的RULA 分析

從改善后的結果可知，用推車代替人工搬運，上臂和前臂及整體姿態舒適度均有改善。用液壓升降平臺代替人工抬舉管排，人的上臂、肌肉以及扭曲程度均有較大的改善。

第二，使用改造后的工具進行緊固螺母動作的RULA 分析如圖9 所示。

圖9 改善后緊固螺母動作的RULA 分析

從圖9 中可知，工具改善后，分體在緊固螺母時上臂無需高高抬起，故上臂得分改善明顯。

第三，使用液壓升降平臺后，無需進行抬舉管排的動作。

第四，對制動管安裝工序相關人機工程學因素進行改善，前后對比情況總結如表4。

表4 改善前后對比分析

其中抬舉管模塊和緊固螺栓動作在改善后，前臂的舒適度均有較大的改善；改善后無需進行抬舉管排的動作，解放了人力，勞動強度也大大降低。

4 結束語

通過對制動管安裝現場的人機工程評估，提出了造成工人上肢肌肉不適的原因，包括：人工搬運、抬舉重物以及使用設計不良的工具等。

高速列車制動管安裝過程的現場人機評估結果與DELM IA 仿真評估結果一致，因此可認為DELM IA 仿真人機評估結果的可靠性高，可在傷害發生之前，就能分析判斷其可能發生的情況。

對制動管安裝過程的人機工程問題提出改善措施，并再次進行仿真、分析，驗證了改善方案可行，且效果明顯。

[1]鄭 午.人因工程設計[M].北京：化學工業出版社，2005.

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[4] 徐明芳，蔣祖華，胥志峰. 轎車前縱梁總成工序的人機工程研究[J].人類工效學，2006，12(4)：21-23．

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[6] Sporrong H，Sandsj觟L，Kadefors R，et a1. Assessment of workload and arm position during different work sequences: a Study w ith portable devices on construction workers[J]．Applied Ergonomics，1999，(30)：495-503．

[7] 郭 伏，錢省三. 人因工程學[M]. 北京：機械工業出版社，2005.