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—環境”系統中充分考慮。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;根據作業性質，合理選擇作業姿勢;根據坐姿人體尺寸，確定最佳工作面高度，并進行合理的作業空間布置。在延長設備使用壽命、提高安全性和可靠性的同時，作業者能更方便、快捷、高效地作業，達到高度的人機協調。

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展、增加沿海農民收入方面發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下的貝類開殼，供后續設備進行取肉。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—環境”這個綜合系統中充分考慮。

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，實現滑臺

在導軌上隨仿形槽體運動，蒸汽發生器提供蒸汽使得位于貝類正上方的噴淋管實現對貝類的蒸汽處理。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變為有一定開口狀態，其組織與上壁分離。開口狀態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—環境”三者協調統一，使人機系統和諧的學科。其中的人指機器作業者以及有可能受到機器工作影響的其他人，而系統中所指的環境則是指作業者、機器和被影響人所共同擁有的環境[1]，其中既有受機器影響的作業者的工作環境，又有機器工作所處的環境。將雙殼貝類自動開殼設備置于“人—機—環境”系統中，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、有腐蝕性的惡劣環境中使用。

4 雙殼貝類自動開殼設備的操作方式設計

作業者的主要工作是開啟機器，調節蒸汽發生器的操作按鈕，將貝類按一定的姿態擺放在仿形槽體內，其中擺放貝類是最主要的操作動作。作業姿勢、仿形槽體的高度和形狀、作業空間布置對作業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、安全性達到最優化，應合理選擇作業姿勢、仿形槽體的高度（最佳工作面高度），進行合理的作業空間布置。

4.1 作業姿勢的選擇endprint

在開殼工作正常進行中，作業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，作業持續時間較長，在工作中需要集中精力，精確放置貝類，根據人機工程學原理選擇坐姿作業姿勢[6]。

4.2 仿形槽體高度（最佳工作面高度）的確定

為了使作業者在舒適的狀態和適宜的環境中工作，在設計中必須充分考慮人體的尺度和人體處于坐姿作業姿勢下的有力工作區域和工作方向。仿形槽體的形狀、高度要根據作業者的作業姿勢、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、女通用的一般工業產品，依據人體尺寸百分位數選擇原則，應選用男性的P99、P95或P90作為尺寸上限值的依據，選用女性的P1、P5或P10作為尺寸下限值的依據[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

（%） 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到38 cm的高度上，利于作業者抓取貝類，從而能保證作業者具有較大的穩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 作業空間布置

作業者右手操作頻率較高，需要手眼配合協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生器的控制面板。作業空間的布置設計， 最關鍵的是將最佳

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

考慮到作業者的操作方便性和手眼協調區域，將工位設計在開殼設備的側面，作業者的左前面是蒸汽發生器的控制面板，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[6]，如圖5所示。

從安全性角度考慮，應能保證當作業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數據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-環境”系統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。作業者可以有序、自如地作業，基本上達到人機的協調。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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