廢舊產品拆卸領域人機工程學的發展與應用*

翟棒棒,周自強,戴國洪*

(1.蘇州大學機電工程學院,江蘇蘇州 215021;2.江蘇省機電產品循環利用技術重點建設實驗室,江蘇常熟 215500; 3.常熟理工學院機械工程學院,江蘇常熟 215500)

廢舊產品拆卸領域人機工程學的發展與應用*

翟棒棒1,2,周自強2,3,戴國洪*2,3

(1.蘇州大學機電工程學院,江蘇蘇州 215021;2.江蘇省機電產品循環利用技術重點建設實驗室,江蘇常熟 215500; 3.常熟理工學院機械工程學院,江蘇常熟 215500)

為了實現廢舊產品的規模化和集約化的拆解與回收,目前簡單粗放的工作模式迫切需要改變。必須從人機工程學的角度來設計和布置拆解設備、拆解線的總體結構。從廢舊產品拆卸過程中的工作環境、拆解線布局、拆卸工具、工作姿勢等方面分析了人機工程學在產品拆卸領域中的發展和研究現狀,并在此基礎上討論了產品拆卸中人機工程學研究存在的問題。

人機工程學;產品拆卸;工作姿勢

0 引 言

大量的廢舊產品對我國的環境造成了嚴重威脅,同時生產產品消耗大量資源,廢棄帶來巨大的資源浪費,產品的報廢、回收已經成為我們必須面對的社會問題。目前,國內報廢產品拆卸回收行業整體粗放低效,企業在拆卸回收過程中無法兼顧人與機器設備、經濟效益與生態環境的協調發展。人機工程學是按照人的特性設計和改善人-機器-環境系統的科學[1]。以人為本,注重安全、效率、環保、方便和舒適的人機工程學的引入,無疑會改善報廢產品的拆卸回收過程,使工人作業過程安全而高效,資源得到充分利用,環境問題得到充分的考慮。

1 人機工程學在產品拆卸領域中的發展與應用分析

工作環境是作業基礎,機器工具是人作業的主要幫手,因而對拆卸作業工作環境、機器工具和人本身特性及其相互關系的研究非常必要,近年來的研究也取得了一定成果。主要分析人機工程學在產品拆卸工作環境、拆解線布局、拆卸工具、工作姿勢等方面的發展和研究情況,并指出進一步研究的方向。

1.1 工作環境設計

根據以往的經驗,工作環境好的工廠其產量要超過工作環境差的工廠,同時改善工作環境需要額外的投資。工作環境影響因素很多,如溫度、照明、噪聲、振動、色彩,同時還要考慮到人的心理和生理條件。結合經濟性分析,在產品拆卸作業中需要著重研究的因素主要包括溫度、照明和色彩。

(1)作業環境溫度。在工業生產中,有利于工作的環境溫度是17～31℃,20℃被認為是工作效率最高且相對差錯率最低的溫度值。此外,作業環境的通風[2]和濕度會對最佳溫度有較大影響。高溫環境下安全事故率升高而工作效率降低,低溫環境下工作效率也會受到影響。但同時很早之前McIntyre D A就通過研究指出,中性溫度環境下工作效率并不一定能夠達到最高[3]。產品拆卸時,對于手工拆卸操作的靈敏性有一定要求,同時也要避免高溫作業存在的安全隱患,微熱環境就顯得更為適宜。目前,對于微熱環境溫度的具體量化和調節還有待進一步研究。

(2)車間照明。在不良的采光環境中,作業者不能準確迅速地接受外界信息,易使視覺疲勞,事故頻發;在對產品情況有較高辨識要求的的工序工位,也需要高質量照明。但是,一刀切的普遍高質量照明顯然會帶來較高能耗。實踐表明一般照明與局部照明的良好結合,能夠節省電能,又能滿足照明要求,其1∶5左右的比例也能避免因亮度分布不均而影響視覺功能的弊端[1]。在一定照明范圍內,再考慮工人的年齡、任務的反射率、操作的速度和精度以確定照明水平。高勞動強度的產品拆卸作業還要研究通過不同時段的照明度調節來協調疲勞恢復和效率。

(3)工作空間配色。一般工廠除安全警示外,整體配色都顯得較為灰暗。環境的色彩對視覺具有很強的影響力,如通過單色設計,然后將其它顏色作為冗余編碼信息以提供信息。色彩除去辨識和安全的作用,還具有非常重要的心理暗示作用。心理學研究[4]表明,色彩的純度越高,對人的刺激就越大,就越易疲勞。暖色可引起瞳孔放大,心臟跳動加快、心情興奮、擴張炎熱的感覺;冷色可引起眼睛的淡漠感覺,心臟、脈搏跳動平穩,給人冷靜、收縮和寒冷的感覺;中間色處于興奮和冷靜之間,眼睛不疲勞,給人寧靜、柔和與舒適的感覺。故在設計中,顏色不宜過多,純度不宜過高。能夠激發工作熱情的色彩也同時促使人更易疲勞,如何配色以協調兩者需更多的實踐和研究。

1.2 拆解線布局

報廢產品拆解回收的一般流程如圖1所示,其中預處理主要包括除去產品所包含的有毒或是易造成污染的物質和必要的產品清洗。預處理后,拆卸產品中可重用或可修復零部件和具有回收需求的金屬或非金屬材料,殘余物則破碎分選有回收價值的材料,最后剩下的殘渣則一般填埋處理。

圖1 產品拆解回收一般流程

針對產品的情況,制定拆解的一般流程,再對產品拆解線的影響因素分析,在此基礎上,研究產品拆解線的平衡問題,以確定較為理想的拆解線布局方案。盡管研究拆卸時,研究者會把拆卸類比作為裝配的逆過程,但是由于拆卸的對象存在零部件缺失、更換和連接失效等情況,所以即使是同一型號的產品仍然存在差異性,這就使得拆解線的平衡問題和裝配線相比更為復雜。廠房設施的布置不論采取哪種布局形式,都應減少迂回、停頓及搬運,使得物流順暢。在拆卸行業目前多使用的是在裝配線得到廣泛使用串行式生產線。Karolina Kazmierczak等[5]通過串行式報廢汽車拆解線(CRS)試驗和研究發現,串行拆解流水線和平行拆解系統相比,在提高生產率和產品質量等方面更具潛力,不足的是串行流生產線的肌肉骨骼疾病的危險有所提高。其主要原因即,串行拆解流水線運轉速較快,工序之間的約束性在提高效率的同時也帶來持續的高強度勞動負荷。從人機工程學角度看,拆解線平衡問題的目標不應僅僅是效率,還要兼顧勞動強度,適度的勞動強度也有助于維持拆解線的較高速運轉和高質量作業。

CRS試驗[5]中還發現,由于拆解線布局沒有充分考慮拆解對象(汽車)、存放容器(盛放零部件和材料)和非計劃范圍內零部件的空間需求,實際作業中工具取放和操作者之間的交流成本都大于預期,較大程度的影響了拆卸效率和拆解線周轉速度。所以在布局拆解線時,充分考慮拆卸目標零件時可能出現情況,盛放零部件的容器和拆卸工具盒的布置,保證不堵塞的同時盡可能布置緊湊,提高整體效率。

1.3 拆卸工具的設計和選用

據2005年美國對手工作業行業的傷殘事故調查顯示,在使用手握式工具進行作業時,每年有2、3萬人患腕管綜合癥,每年醫藥費和傷殘費達1.15～2.3億美元[6]。在產品拆卸研究中,一些學者致力于研發自動化工具以期降低作業強度,如報廢汽車拆解中的汽車拆解中輪胎螺母拆解機、全自動輪胎拆解機、報廢汽車擋風玻璃自動化切割機等工具。考慮到報廢產品拆卸回收回報率較低以及實際拆卸過程中存在很多不確定性因素,因而在產品拆卸的多數工序工位上仍然主要依仗手工工具拆卸,主要使用通用工具和一些專門設計的拆卸工具。通用工具包括扳手、鉗子、螺絲刀及一些電動工具。通用工具由于對象不確定,主要是通過系列化設計來滿足需要,優化研究的重點在于工具與使用者的關系。在不影響功能的情況下,工具外觀設計主要考慮安全提醒、容易識別功用、心理舒適等因素。手柄設計尤為重要,手持工具必須配合人手的輪廓形狀,在握持時必須保持適當的腕部和身體姿勢,配合用力方向與力度,達到減輕身體荷載的效果。此外手柄處包裹的材料也可以根據熱導性、減震性、彈性等性能選取。專用拆卸工具由于對象明確,和通用工具相比需要重點研究工具-產品之間的關系,目的是通過優化設計使拆卸工具易于操作,工作可靠,省工省力,避免操作者受傷,減少目標零部件受損。需要特別指出,工具設計中必須考慮使用人群的區域差異,國外的先進工具也必須經過改良繼承才能得到良好的應用。

1.4 工作姿勢優化

在拆卸作業中,作業者的姿勢主要受到待拆產品、工作臺、拆卸工具、作業者本身操作習慣等因素影響。總體來說,為了優化工作姿勢,高效操作,減輕操作者負擔,采取的手段可以歸納為調整產品姿態位置和調整操作者自身。

(1)調整產品位置姿態。產品體積相對較小時,如手機、電視機、電腦等,一般在工作臺上拆卸;產品體積相對較大時,如各種機動車,則不需要工作臺或是采用高度較低的工作臺。為了減少大角度彎腰等負荷較大且效率較低的工作姿勢,借助機械設備來實現產品的提升和旋轉等操作顯得非常必要。目前通用起重機應用其中的同時,針對具體拆卸對象的專用翻轉機、旋轉平臺、提升機等設備也成為近年來的研究熱點。如何高效將笨重產品在翻轉機、提升機等設備間轉移,以及在可升降工作臺基礎上實現更大范圍及角度調整產品姿態都需要投入更多的研究。

(2)調整拆卸操作者。操作者在拆卸作業中的姿勢,可以劃分為坐姿和非坐姿。顯然假如條件許可,優先考慮坐姿作業。實際上,在拆卸體積相對較小的回收物,操作機器及空閑等待時間,操作者一般坐在座椅上,因而舒適且能滿足高效作業姿勢的座椅設計非常必要。國內廣泛調研發現目前工廠使用的座椅大多數穩定性能不夠好,如座椅搖動、椅面光滑、容易傾斜等。工人長期坐姿作業易出現腰酸、腰痛,并且有半數以上的人員休息后癥狀也得不到緩解[7]。早期,對于座椅的研究,主要是根據人體尺寸來確定適合的座高、座寬和座面傾角等椅子關鍵尺寸,對于乘坐者的舒適性關注不夠。近年來,研究重心轉移到座椅舒適性的測量和舒適性評價模型的研究[8],在舒適性基礎上設計最優的腰靠曲線和座面及腰靠支撐力分布,以保證坐姿舒適性。浙江大學[9]在座椅的舒適性研究中,提出了一種新的自適應自動調節底盤設計方法。當然,需要明確,在拆卸作業中舒適性也是一個相對概念。由于拆卸作業要求,拆卸時操作者的姿勢是前傾的,然而后傾時人更舒適。因而,對于拆卸作業用座椅的研究需要兼顧舒適和效率,最大限度地降低疲勞程度,實現相對舒適。在一些情況,如處理大體積產品時,操作者只得站立作業。站立拆卸作業時,操作者若長時間彎腰工作,靜載荷會引起腰部疼痛,而且短時間內很難恢復。合理選用輔助工具配合拆卸工具使用可以減小彎腰幅度,作業者采用多種姿勢來完成操作也有利于避免局部疲勞。此外,定期變換工作內容或工作崗位也有利于避免長時間某種作業方式帶來的職業病。

2 人機工程學在產品拆卸中存在的問題

基于追逐效率、安全、舒適等目標,人機工程學在產品拆卸領域得到一定程度的應用和發展,仍有一些問題值得關注和進一步研究。

人體測量數據尚不完備。人體測量數據包括靜態數據(結構尺寸)與動態數據(功能尺寸),人體測量數據的目的是讓機器工具更加適合人體,忽略不同國家或是不同地域的數據差異而直接通用很可能最終影響工作效率,并帶來安全隱患。

對人的習慣性缺乏重視。對于人身體的各項數據我們統計的相對完備,然而看不見的習慣則容易被忽視。事實上,人對操作、機器儀表方向、指示或提醒音、坐姿、握姿等都具有一定程度上的習慣性,在設計時忽略這些習慣性,讓操作者完全或部分放棄本身習慣遵從另外設計的規則,不僅帶來不必要的培訓及適應時間,而且這些習慣性對于拆卸過程能否安全作業也具有不可忽視的影響。

3 結 語

人機工程學在改善產品拆卸工作環境,降低疲勞強度,提高作業效率,增強工作安全可靠性等方面也將扮演更為重要的角色。著重從工作環境、拆解線布局、拆卸工具、工作姿勢等方面論述了人機工程學在產品拆卸領域中的發展和應用現狀,以期為相關研究打下基礎。

[1]張宇紅.人機工程與工業設計[M].北京:中國水利水電出版社,2011.

[2]崔惟霖,歐陽沁.相同熱感覺條件下不同環境溫度與風速組合對人體舒適性及工作效率的影響[J].暖通空調,2013(7):68-72.

[3]McIntyre D A.Indoor Climate[M].London:Applied Science Publishers LTD,1980.

[4]楊 靜.基于人機工程學的實驗室環境色彩設計研究[J].科技創新與應用,2012(34):274.

[5]Karolina Kazmierczak W.Patrick Neumann.A Case Study of Serial -Flow Car Disassembly:Ergonomics,Productivity and Potential System Performance[J].Human Factors and Ergonomics in Manufacturing,2007,17(4):331-351.

[6]朱 強,泳 元.人體工程學與電動工具[J].電動工具,2005 (2):1-10.

[7]何麗華,王 生.部分行業工作座椅調查研究[J].人類工效學,2005,11(2):37-39.

[8]周 敏.座椅舒適度的評價方法與應用[J].人類工效學,2011 (3):64-65+53.

[9]羅仕鑒,何 基,王 健.面向舒適性的自適應自動調節座椅底盤設計[J].機械設計,2013(11):97-100.

Development and Application of Ergonom ics in the Disassembly Field for W aste Product

ZHAIBang-bang1,2,ZHOU Zi-qiang2,3,DAIGuo-hong2,3
(1.School ofMechatronic Engineering,Soochow University,Suzhou Jiangsu 215021,China; 2.Jiangsu Laboratory of Recycling and Reuse Technology forMechanical and Electronic Products,Changshu Jiangsu 215500,China;3.School ofMechanical Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu Jiangsu 215500,China)

In order to employ intensive and large scale approach in the domain of disassembly and recycling of end of life (EOL)product,the currentused simple and extensiveworkingmode should be changed.It is important to design and arrange the overall structure of disassembly equipment and disassembly line in perspective of ergonomic.In this paper,the development and status of ergonomics in the domain of EOL product recycling are introduced and discussed from the perspective of working environment,layout of disassembly line,dismantle tools and working posture.Several problems which needed to be solved also discussed in the paper.

ergonomics;disassembly;working posture

TB18

A

1007-4414(2015)06-0189-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.073

2015-10-16

江蘇省科技支撐計劃(工業部分)項目資助(編號:BE2013060);蘇州市科技計劃項目資助(編號:SGZ2013124)

翟棒棒(1990-),男,江蘇連云港人,碩士研究生,研究方向:裝備優化設計與分析仿真。

戴國洪(1966-),男,江蘇吳江人,教授,工學博士,研究方向:數字化制造技術與裝備。