基于Jack的轉向架焊接作業人機工效分析研究

□ 錢學鑫

(大連風神物流有限公司 作業管理部,遼寧 大連 116600)

1 概述

目前，我國對于轉向架的構架焊接主要采取自動焊接技術，但是由于技術原因，仍然會有企業采用人工焊接，人工焊接就會對作業人員的身心帶來很大的傷害。所以，需要對轉向架焊接作業進行人機工效分析，提出改善措施，保證人員作業安全。

2 焊接作業虛擬環境建立

轉向架構架是由側梁以及橫梁組成，本課題主要是研究構架側梁的焊接。

2.1 側梁建模

轉向架側梁是由上、下蓋板、前、后立板等部件組成。側梁的建模主要應用SolidWorks軟件中的拉伸，曲面切除、掃描、抽樣、放樣等特征繪制而成。

2.2 數字人的建立

本課題需要創建三個百分位數的中國男性數字人作為研究對象，選取常用的第五、五十、九十五百分位數的人體尺寸，分別代表矮小的身材、正常身材以及身材高大。

建立后將數字人的作業姿勢進行調整，將作業姿勢調整為最極限的作業姿勢—蹲姿作業。

2.3 虛擬焊接環境建立

將側梁導入后，對其位置進行調整，創建的虛擬環境如圖1焊接虛擬環境所示。

圖1 焊接虛擬環境

3 焊接作業人機工效分析

采取極限的焊接作業姿勢，會對作業人員身體造成嚴重的損傷，長期的靜態作業會對背部、膝蓋等關節造成傷害，具體的傷害情況需要進行下背部、靜態強度、工作姿勢以及新陳代謝分析。

3.1 下背部分析

下背部分析可以分析出特定環境下人體脊椎的受力對下背部的影響。通過該工具判斷仿真工作任務是否符合【NIOSH】的標準以及是否會令工人下背部的受傷概率增加。三個百分位數的分析結果是P5下背部受力為1088N，P50下背部受力為1259N，P95下背部受力為1430N。

把上述三個百分位數數字人之間相比較，可以發現當數字人的百分位數越大時，其背部受到的壓力值就越來越接近于給定的標準值。長期豎脊肌受力會造成豎脊肌的勞損，背部僵硬。三者相比較，這個作業姿勢更加的不適合人體尺寸較大的作業人員進行作業。

3.2 靜態強度預測

靜態強度預測可以從動力學角度評估有多少百分比的人能夠保持任務中的某一姿勢進行工作，從而證明工人是否運用了合適的姿勢進行工作。

根據三個百分位數人的分析結果來看，采取蹲姿進行焊接時對于任何百分位數的人都會對手腕、臀部以及膝蓋都會造成損傷，手腕處能夠完成的百分比從90%降到77%。臀部是從95%降到87%，膝蓋與臀部是相同的，人體尺寸越大，能在不受傷害的情況下完成這個動作的人就越少，也就意味著他們受到傷害的機率就越大。在后來進行作業姿勢優化的時候應該多加考慮身體尺寸大的作業人員，避免對其產生傷害。

3.3 新陳代謝分析

新陳代謝可以對工人生理及任務情況進行描述，然后分析得出任務新陳代謝需要消耗的能量。根據焊縫的長度以及焊接規定速度，計算出循環時間，循環次數，對焊接任務進行描述。三個百分位數的分析新陳代謝分析結果是P5耗能為2.677kcal/min，P50耗能為2.990kcal/min，P95耗能為3.445kcal/min。

三個分析結果比較，發現在維持身體彎曲消耗的能量是最多的，并且隨著人體尺寸的變大，能量消耗也是越來越大，第五十和九十五百分位數的作業人員能量消耗已經超出標準值，超出作業負荷，會產生作業疲勞。

疲勞是影響安全生產的一個重要影響因素。疲勞對于安全生產的影響因素分為以下幾種：反應遲鈍、判斷不準確、操作錯誤、注意力分散等。

3.4 作業姿勢分析

作業姿勢可以快速檢查工作姿勢，評級基于背部、手臂和腿負載要求的工作姿勢的不適度。

三個百分位數的作業姿勢分析等級均為第三級，級別3屬于姿態有不良影響，應該盡快糾正。不良的作業姿勢會就會對作業人員的健康產生影響，危害到作業者的健康，所以，必須加以修改。

4 優化方案

從仿真分析結果得出，蹲姿焊接作業對于身材高大的作業人員更加不利。所以，需要針對身材高大的作業人員進行設計，采取較舒適的站姿進行工作，設計操作平臺放置轉向架構架，在平臺上進行焊接作業。

4.1 操作平臺高度

設計參數為第九十五百分位數男性肘高X95=1096mm，鞋高修正系數△f=25mm，人站立時工作時較舒適的工作面高度比站立肘關節低1～10cm，在這里我們將取低h=5cm，根據上述數據進行計算，操作臺面的高度為1071mm。

4.2 操作平臺寬度

作業面是用來放置轉向架的，所以工作面的寬度應該根據轉向架的寬度而定，轉向架的寬度為750mm，人站立時，正常或者舒適作業范圍是半徑為300mm左右的圓弧，但由于作業人員需要手低于肘高50mm左右范圍活動，那么手到身體距離約為200mm,雙面工作，所以，將工作面寬度設置為1150mm。

4.3 臺階高度

臺階是為了滿足低百分位數的作業人員可以夠到操作平臺而設計。具體設計參數為H=1071mm，X5=979mm，臺階高度為102mm。

4.4 臺階寬度

根據足長以及安全空間制定臺階的寬度為500mm。

設計后的平臺，將平臺導入Jack軟件，得到新的焊接作業環境如圖2改善后虛擬焊接作業環境所示。

圖2 改善后焊接作業環境

5 改善后方案仿真

操作平臺是針對身材高大的作業人員進行設計的，并且改善前高百分位數的數字人更容易產生傷害，改善后只需對高百分數的作業人員進行分析比較。

5.1 下背部分析

改善前受力最大的是第九十五百分位數的作業人員，從1430N降到了960N，改善后高百分數的作業人員下背部受力值才僅是原來低百分位數受力值，所以說，改善后的結果對高百分數的作業人員還是有所幫助的，改善效果比較顯著。

5.2 靜態強度預測

改善后不論低百分位數還是高百分位數在這三個關節上均不產生傷害，所以說，對比改善前，改善效果顯著。并且這個姿勢可以滿足任何人體尺寸。

5.3 新陳代謝分析

第九十五百分位數新陳代謝為2.549kcal/min,改善后的新陳代謝結果均在標準值的范圍之內，那么就意味著在焊接時并沒有超過工作負荷，焊接作業人員屬于正常作業。

5.4 工作姿勢分析

根據分析結果優化后的作業姿勢從級別3：姿態不良需要盡快糾正轉變成級別1：姿勢正常的，沒有需要糾正的必要性，所以說，改善后的作業姿勢相對改善前的作業姿勢有了很大的提升，作業姿勢不再危害人體的健康。

6 結束語

通過改善后的焊接作業情況如下：

①站立時下背部受力最大還是身材高大的作業人員。但是其下背部受力已經降為960N，豎脊肌不再產生較大的作用力，所以，對于下背部的受力得到了很大的改善，不會再產生豎脊肌勞損。

②改善后的各關節完成人數的比例均大于99%，對個關節不再產生威脅。

③新陳代謝分析方面，三個值均為在標準值內，不會產生的疲勞。

④改善后的作業姿勢由原來的3級作業姿勢，轉變成作業姿勢為1級，從必須進行改善到不需要改善。

改善后的作業環境已得到提升，對于改善前存在的問題都得到了改善，但是仍然存在一些問題需要改善和提高。

首先，站姿作業雖然可以降低這些方面的損害，但是時間的進行站姿作業，同樣會對腿部產生靜脈曲張的危害，所以，在這方面仍然需要改善。

其次，本文雖然對作業環境進行了改善，但是仍然不全面，以后需要繼續再全面的改善。