基于人因工程的船用脫硫塔安裝工藝優(yōu)化分析

盧逸飛

（江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

船用脫硫塔中存在大量的零件，這些零件形狀特殊、類別多樣且安裝結構復雜，同時脫硫塔新增分段中存在大量管部件和框類零部件，船用脫硫塔的安裝通常還需要其他專用工具的輔助。由于以上原因，船用脫硫塔在實際安配過程中，常常由于零部件安裝順序不同、操作空間預留不夠和輔助工具準備不當而使某些零部件難以安裝，這種種原因使得脫硫塔安裝工作復雜和繁瑣。同時由于市場客觀原因，船用脫硫塔改造項目工期緊張，讓脫硫塔的安裝質量和效率難以保證[1]。本文就脫硫塔安裝過程中，主、副塔連接安裝螺絲組的案例進行分析，通過與監(jiān)造工程師交流訪談、工作人員的工作總結和作業(yè)現場觀察，發(fā)現船用脫硫塔安裝作業(yè)的工藝設計和操作空間上可能存在潛在的作業(yè)問題： 脫硫塔主副塔連接處有80 個螺栓，安裝過程中存在大量重復動作；脫硫塔主副塔連接處空間復雜，可能會對安裝人員的操作姿勢形成限制，導致工藝設計不能滿足作業(yè)需求或者易引起作業(yè)者肌肉勞損等問題。

針對上述問題，本文將對船用脫硫塔安裝的過程進行建模仿真，然后驗證人使用安裝工具時的可達性、操作空間的開放性，分析工作人員在該操作環(huán)境中的動作姿態(tài)、肌肉負荷、身體舒適度等。不僅優(yōu)化工作人員的工作環(huán)境，保障工作人員的身心健康，而且可以進一步優(yōu)化操作步驟和安裝工藝設計。脫硫塔安裝的特殊性和安裝過程的復雜性說明了在船用脫硫塔的安裝過程中采用人因工程方法進行具體的研究分析具有重要的意義，這將會對船用脫硫塔安裝工藝設計起到很大的指導作用，也可以降低產品設計的開發(fā)費用和企業(yè)成本，幫助企業(yè)解決難題。

1 船用脫硫塔安裝工程中對人的分析

1.1 人員作業(yè)的人因分析方法

目前人因工程學評估方法中比較有效且可靠的分析工具是快速上肢評估法(R ULA，Rapid Upper Limb Assessment)[3]。R ULA 主要是評估施工人員四肢在某作業(yè)姿勢下的肌肉受力狀態(tài)和肌肉使用狀態(tài)，用評估得到的分數來分析肌肉可能勞損或受傷的風險。

R ULA 的評分方法如下[4]: 首先是四肢評分，將上臂、下臂、手腕和四肢肌肉的扭轉進行綜合評分，然后綜合得出四肢部分基礎評分。其次是考慮肌肉的負荷狀態(tài)，如果負荷不到2 kg 則忽略，如果是負荷2-10 kg并做間歇動作記1 分，如果在負荷2-10 kg 情況下做維持動作或者多次重復動作則記2 分，如果負荷達到10 kg 以上則記3 分[4]。然后是評估肌肉發(fā)力狀態(tài)的得分，如果是靜態(tài)動作且維持時間超過1min 或者每分鐘重復較多則記1 分。最后將三項評分相加即可得到該操作姿勢的動作評分[5]。

2 基于 CATIA 的虛擬作業(yè)場景搭建

2.1 人體模型的建立

如圖1 所示，CATIA V5 軟件具有人機工程學設計與分析功能，可以使用其中的人體模型測量編輯（Human Measurements Editor）模塊來生成自定義的工作人員人體模型，這樣可以使仿真結果更加貼切于真實情況。

2.2 裝配對象模型—船用脫硫塔

在實際建立脫硫塔過程中，需要將實習所得的紙質資料，結合監(jiān)造工程師的訪談和船用脫硫塔安裝維修手冊，利用CATIA V5軟件建模，建立船用脫硫塔三維模型。具體模型如圖2 所示。

3 作業(yè)空間仿真與分析

在CATIA V5 的人機工程學設計與分析模塊中，可以打開人體模型的視野，通過視野可以判斷能否無阻礙地看到目標零部件、操作工具以及自己的操作動作，以此可判斷視覺可達是否滿足要求[5]。

3.1 三種作業(yè)姿勢的R ULA 評估

如圖所示，船用脫硫塔周邊空間零部件繁雜，可能對工作人員的作業(yè)姿勢形成阻礙，同時，在重復使用扭力扳手對螺栓組進行操作時，可能會導致身體某些部位勞損以及安裝效率降低。船用脫硫塔主副塔連接處螺栓組的安裝作業(yè)姿勢可以歸納為蹲立安裝，站立安裝和蹲坐安裝三種。故采用R ULA 對作業(yè)姿勢進行評估，對作業(yè)中可能發(fā)生MSD 的身體部位進行分析，進而可以提出對應的預防措施。

圖4 所示為安裝人員蹲立安裝作業(yè)姿勢左右側R ULA 分析，由評估可知，安裝人員的手腕、手臂、腿部和頸部評分均較高，說明使用扭力扳手操作時手腕是易受傷點，可以采用保護器具來避免勞損和受傷；右前臂是另一處風險較高的部分，其肌肉負荷較大，負荷主要來源于扭力扳手的重量，可以采用將扭力扳手間歇懸掛，從而降低肌肉負荷；同時蹲立姿勢對于腿部和腰部的負擔也比較大，主要原因為該姿勢長時間的動作，導致腰部和腿部容易勞損和受傷，可以結合調節(jié)工作時間或者作業(yè)間休息來降低該部位的風險。使用R ULA分析改進后的操作姿勢，如圖5，結果表明脆弱部位的評估分數降低，可以證明優(yōu)化改進的措施是行之有效的。

4 結語

本文針對船用脫硫塔安裝作業(yè)這一復雜空間內的人工作業(yè)，使用CATIA V5 軟件對船用脫硫塔及其分段模型進行搭建，然后加入人體模型并擺出對應的作業(yè)姿勢；評估了站立安裝、蹲立安裝和蹲坐安裝三種作業(yè)姿勢，最終經優(yōu)化與驗證后可形成易傷風險警示與預防、零部件障礙物設計修正建議等成果。希望本文的相關探討能夠為脫硫塔安裝工作人員提供一個更安全舒適的工作環(huán)境。