基于人機(jī)工程學(xué)的雙殼貝類(lèi)自動(dòng)開(kāi)殼設(shè)備設(shè)計(jì)

高喜銀+吳紅雷

摘要：為了用戶(hù)能方便、舒適、安全地操作雙殼貝類(lèi)開(kāi)殼設(shè)備，需要運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)的原理，將其置于“人—機(jī)—環(huán)境”系統(tǒng)中充分考慮。選擇合適的材料和加工方式，設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)，有效地防止海水對(duì)設(shè)備的腐蝕;根據(jù)作業(yè)性質(zhì)，合理選擇作業(yè)姿勢(shì);根據(jù)坐姿人體尺寸，確定最佳工作面高度，并進(jìn)行合理的作業(yè)空間布置。在延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命、提高安全性和可靠性的同時(shí)，作業(yè)者能更方便、快捷、高效地作業(yè)，達(dá)到高度的人機(jī)協(xié)調(diào)。

關(guān)鍵詞：雙殼貝類(lèi);自動(dòng)開(kāi)殼設(shè)備;人機(jī)工程學(xué);防腐;安全技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)： TS254.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2015）04-0378-03

收稿日期：2014-06-27

基金項(xiàng)目：河北省科技計(jì)劃（編號(hào)：14455304D）;河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理工基金（編號(hào)：LG20130201）。

作者簡(jiǎn)介：高喜銀（1978—），女，河北衡水人，碩士，副教授，主要從事工業(yè)設(shè)計(jì)、人機(jī)工程學(xué)研究。E-mail：gaoxiyin@163.com。

我國(guó)是貝類(lèi)生產(chǎn)和出口大國(guó)，在促進(jìn)我國(guó)沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)展、增加沿海農(nóng)民收入方面發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。雙殼貝類(lèi)開(kāi)殼設(shè)備是自動(dòng)化雙殼貝類(lèi)取肉生產(chǎn)線(xiàn)的一部分，主要的工作是將保鮮狀態(tài)下的貝類(lèi)開(kāi)殼，供后續(xù)設(shè)備進(jìn)行取肉。該生產(chǎn)線(xiàn)的研制解決了開(kāi)殼取肉困難、生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大的難題。為了使雙殼貝類(lèi)開(kāi)殼設(shè)備的設(shè)計(jì)更趨于成熟，在提高雙殼貝類(lèi)的開(kāi)殼品質(zhì)的同時(shí)，使用戶(hù)在方便、舒適的條件下安全操作，則需要運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)的原理，將其置于“人—機(jī)—環(huán)境”這個(gè)綜合系統(tǒng)中充分考慮。

1 雙殼貝類(lèi)自動(dòng)開(kāi)殼設(shè)備工作原理

雙殼貝類(lèi)自動(dòng)開(kāi)殼設(shè)備主要由機(jī)架、鏈帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、位置傳感器、隨動(dòng)噴淋裝置、蒸汽發(fā)生器和開(kāi)殼器構(gòu)成（圖1）。

進(jìn)行開(kāi)殼工作時(shí)，需要人工將貝類(lèi)按一定的姿態(tài)擺放在仿形槽體內(nèi)。放置好的貝類(lèi)在電機(jī)1的驅(qū)動(dòng)下勻速向前運(yùn)動(dòng)，當(dāng)固定在機(jī)架上的位置傳感器檢測(cè)到仿形槽體的信號(hào)，信號(hào)經(jīng)由PLC處理，PLC控制隨動(dòng)噴淋裝置的電機(jī)2，實(shí)現(xiàn)滑臺(tái)

在導(dǎo)軌上隨仿形槽體運(yùn)動(dòng)，蒸汽發(fā)生器提供蒸汽使得位于貝類(lèi)正上方的噴淋管實(shí)現(xiàn)對(duì)貝類(lèi)的蒸汽處理。當(dāng)位置傳感器檢測(cè)到第2個(gè)仿形槽體時(shí)，電機(jī)2驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)迅速?gòu)?fù)位并跟隨第2仿形槽體運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)第2個(gè)貝類(lèi)的蒸汽處理。經(jīng)由某一溫度蒸汽處理后的貝類(lèi)由閉合狀態(tài)變?yōu)橛幸欢ㄩ_(kāi)口狀態(tài)，其組織與上壁分離。開(kāi)口狀態(tài)的貝類(lèi)經(jīng)過(guò)開(kāi)殼器時(shí)，開(kāi)殼器的底端壓緊貝類(lèi)下殼，其楔形角使得上殼張開(kāi)的角度越來(lái)越大，直至上殼與下殼分離，貝柱和裙帶組織則可由開(kāi)殼器中心位置的通槽處順利通過(guò)。至此，雙殼貝類(lèi)的開(kāi)殼工作完成，開(kāi)殼的貝類(lèi)將輸送到取肉設(shè)備上完成取肉工作。

2 雙殼貝類(lèi)自動(dòng)開(kāi)殼設(shè)備設(shè)計(jì)人機(jī)工程學(xué)問(wèn)題

人機(jī)工程學(xué)就是研究與解決“人—機(jī)—環(huán)境”三者協(xié)調(diào)統(tǒng)一，使人機(jī)系統(tǒng)和諧的學(xué)科。其中的人指機(jī)器作業(yè)者以及有可能受到機(jī)器工作影響的其他人，而系統(tǒng)中所指的環(huán)境則是指作業(yè)者、機(jī)器和被影響人所共同擁有的環(huán)境[1]，其中既有受機(jī)器影響的作業(yè)者的工作環(huán)境，又有機(jī)器工作所處的環(huán)境。將雙殼貝類(lèi)自動(dòng)開(kāi)殼設(shè)備置于“人—機(jī)—環(huán)境”系統(tǒng)中，主要從防腐蝕設(shè)計(jì)、操作方式和安全防護(hù)3個(gè)方面討論人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)問(wèn)題。

3 雙殼貝類(lèi)自動(dòng)開(kāi)殼設(shè)備防腐蝕設(shè)計(jì)

雙殼貝類(lèi)自動(dòng)開(kāi)殼專(zhuān)用設(shè)備是專(zhuān)門(mén)用來(lái)加工食品的，必須滿(mǎn)足食品加工的專(zhuān)門(mén)要求，即保持食品的色、香、味，保證衛(wèi)生要求等，因而其設(shè)計(jì)要求是非常嚴(yán)格、苛刻的。為保證貝肉質(zhì)量，雙殼貝類(lèi)需要在保鮮情況下進(jìn)行傳輸、開(kāi)殼，殼內(nèi)攜帶的海水會(huì)對(duì)設(shè)備造成腐蝕，降低設(shè)備的使用壽命，也會(huì)導(dǎo)致食品污染并危害人體健康[2]。雙殼貝類(lèi)自動(dòng)開(kāi)殼設(shè)備首先要注意防腐蝕設(shè)計(jì)。一方面，該設(shè)備的加工材料應(yīng)該選擇耐腐蝕材料，特別是與食品介質(zhì)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(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該合理，避免不合理的加工制作方式或不合理的結(jié)構(gòu)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(jī)械的性能和食品的加工質(zhì)量。海水與金屬腐蝕有關(guān)的物理化學(xué)參數(shù)主要有鹽度、氯度、pH值、含氧量等[3]。已有試驗(yàn)證明，不銹鋼在海水中的腐蝕率較低，但容易發(fā)生點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕等局部腐蝕，不銹鋼的晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕在海水中不常見(jiàn)[3]。304不銹鋼為國(guó)家認(rèn)可的食品級(jí)不銹鋼，對(duì)食品沒(méi)有腐蝕，表面美觀、耐蝕性良好、低溫強(qiáng)度和機(jī)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(fèi)用較低，非常符合海產(chǎn)品加工設(shè)備對(duì)材料的要求，綜合考慮各方面因素選304不銹鋼為設(shè)備的加工材料[4]。

3.2 防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙殼貝類(lèi)開(kāi)殼設(shè)備的防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是將設(shè)備的零部件最優(yōu)化地組合起來(lái)，滿(mǎn)足產(chǎn)品的功能性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性。為防止電偶腐蝕，設(shè)備中的鏈條、鏈板輸送帶、機(jī)殼、支架、連接部件等都可選用304不銹鋼制品。機(jī)器支架采用鉚接結(jié)構(gòu)，鉚接用件也采用304不銹鋼制品。海水滲透性很強(qiáng)，會(huì)發(fā)生縫隙腐蝕性，為防止縫隙腐蝕，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，不能鉚接的地方采用焊接結(jié)構(gòu)，各焊縫必須滿(mǎn)焊[5]。雙殼貝類(lèi)開(kāi)殼設(shè)備中所需要的2個(gè)電機(jī)，均選擇防水防腐蝕步進(jìn)電機(jī)，經(jīng)過(guò)特殊工藝處理的防水防腐蝕步進(jìn)電機(jī)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(huán)境中使用。

4 雙殼貝類(lèi)自動(dòng)開(kāi)殼設(shè)備的操作方式設(shè)計(jì)

作業(yè)者的主要工作是開(kāi)啟機(jī)器，調(diào)節(jié)蒸汽發(fā)生器的操作按鈕，將貝類(lèi)按一定的姿態(tài)擺放在仿形槽體內(nèi)，其中擺放貝類(lèi)是最主要的操作動(dòng)作。作業(yè)姿勢(shì)、仿形槽體的高度和形狀、作業(yè)空間布置對(duì)作業(yè)者的舒適操作要求有重要的影響。為保證雙殼貝類(lèi)開(kāi)殼設(shè)備的效能、可靠性、安全性達(dá)到最優(yōu)化，應(yīng)合理選擇作業(yè)姿勢(shì)、仿形槽體的高度（最佳工作面高度），進(jìn)行合理的作業(yè)空間布置。

4.1 作業(yè)姿勢(shì)的選擇endprint

在開(kāi)殼工作正常進(jìn)行中，作業(yè)者需要定時(shí)將貝類(lèi)放置在以3.29 cm/s速度運(yùn)行的仿形槽體內(nèi)，作業(yè)者放置一個(gè)貝類(lèi)的時(shí)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(gè)貝類(lèi)的時(shí)間為7.6 s，1 min約放置8個(gè)。由于作業(yè)負(fù)荷較小，機(jī)器上潛在的危險(xiǎn)因素較小，不需要高度的警惕性，作業(yè)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，在工作中需要集中精力，精確放置貝類(lèi)，根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理選擇坐姿作業(yè)姿勢(shì)[6]。

4.2 仿形槽體高度（最佳工作面高度）的確定

為了使作業(yè)者在舒適的狀態(tài)和適宜的環(huán)境中工作，在設(shè)計(jì)中必須充分考慮人體的尺度和人體處于坐姿作業(yè)姿勢(shì)下的有力工作區(qū)域和工作方向。仿形槽體的形狀、高度要根據(jù)作業(yè)者的作業(yè)姿勢(shì)、手握特征和工作效率來(lái)設(shè)計(jì)。由表1可得，仿形槽體的高度應(yīng)不超過(guò)人體坐姿肘高和小腿加足高的總和。雙殼貝類(lèi)自動(dòng)開(kāi)殼設(shè)備屬于成年男、女通用的一般工業(yè)產(chǎn)品，依據(jù)人體尺寸百分位數(shù)選擇原則，應(yīng)選用男性的P99、P95或P90作為尺寸上限值的依據(jù)，選用女性的P1、P5或P10作為尺寸下限值的依據(jù)[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(shù)

（%） 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(guān)節(jié)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(lèi)調(diào)節(jié)到38 cm的高度上，利于作業(yè)者抓取貝類(lèi)，從而能保證作業(yè)者具有較大的穩(wěn)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(yè)空間布置

作業(yè)者右手操作頻率較高，需要手眼配合協(xié)調(diào)地將貝類(lèi)準(zhǔn)備放置到仿形槽體內(nèi)。同時(shí)，需要不定時(shí)注意觀察蒸汽發(fā)生器的控制面板。作業(yè)空間的布置設(shè)計(jì)， 最關(guān)鍵的是將最佳

工作面和顯示控制面板布置到作業(yè)者的手眼協(xié)調(diào)區(qū)域。由推薦的控制臺(tái)作業(yè)面布置圖（圖3）得知，圖中陰影區(qū)是女性的P2.5的手眼協(xié)調(diào)區(qū)域，可以將操作面、控制顯示面板放置到這個(gè)區(qū)域。

考慮到作業(yè)者的操作方便性和手眼協(xié)調(diào)區(qū)域，將工位設(shè)計(jì)在開(kāi)殼設(shè)備的側(cè)面，作業(yè)者的左前面是蒸汽發(fā)生器的控制面板，右前側(cè)面是工作面，右面放置待加工材料方便抓取。作業(yè)空間布置平面示意圖如圖4所示。

5 雙殼貝類(lèi)開(kāi)殼設(shè)備安全防護(hù)設(shè)計(jì)

雙殼貝類(lèi)開(kāi)殼設(shè)備采用鏈條、鏈輪傳動(dòng)將貝類(lèi)輸送到蒸汽噴淋管進(jìn)行蒸汽開(kāi)殼，運(yùn)動(dòng)中的鏈條、鏈輪嚙合部位存在將人手夾傷的危險(xiǎn)，需要安裝防護(hù)裝置避免危險(xiǎn)的發(fā)生[1]，考慮到設(shè)備的危險(xiǎn)程度和維修需要，選擇固定封閉式防護(hù)裝置防止操作工觸及機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的危險(xiǎn)區(qū)[6]，如圖5所示。

從安全性角度考慮，應(yīng)能保證當(dāng)作業(yè)者的手誤伸入護(hù)罩時(shí)而不受傷害。如圖5-b所示，Sd是護(hù)罩邊緣到鏈條的水

平距離，a是護(hù)罩邊緣到鏈條的垂直距離，Sd和a的尺寸的選擇需要滿(mǎn)足手指誤進(jìn)時(shí)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(shù)據(jù)和實(shí)際生產(chǎn)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(jié)論

在人機(jī)工程學(xué)理論的指導(dǎo)下，雙殼貝類(lèi)自動(dòng)化開(kāi)殼設(shè)備從“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決了防腐蝕問(wèn)題，提高了設(shè)備的使用壽命;選擇合適的工作姿勢(shì)，進(jìn)行合理的作業(yè)空間布置，確定固定封閉式防護(hù)裝置，并進(jìn)行安全尺寸計(jì)算。作業(yè)者可以有序、自如地作業(yè)，基本上達(dá)到人機(jī)的協(xié)調(diào)。目前，該設(shè)備已進(jìn)入物理樣機(jī)試制階段，其加工方式、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。

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