人體工程學(xué)在船舶管系生產(chǎn)設(shè)計中的應(yīng)用

翟亞軍，張懷宇

(中遠(yuǎn)海運重工有限公司，上海210000)

0 引言

船舶管系的生產(chǎn)設(shè)計，關(guān)乎到船舶設(shè)備使用的功能性、安全性、經(jīng)濟性要求。自20世紀(jì)40年代至今，計算機技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到各個領(lǐng)域。隨著計算機虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，將“人機”工程引入到產(chǎn)品設(shè)計，考核人-機間的匹配性已在技術(shù)先進(jìn)國家的國防、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域廣泛運用，并由此發(fā)展了“人體工程學(xué)”的相關(guān)理論。在船舶設(shè)計上，通過引入人體工程學(xué)，進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)計時能及時把握船級社的相關(guān)規(guī)范，關(guān)注施工操作和船員操作時人體肢體操作的需求，使管路系統(tǒng)更加符合滿足生產(chǎn)施工和船員操作的人性化要求，降低施工人員的操作難度，為船員操作帶來便利。相關(guān)研究已在美、英、法等國的航母與大型軍艦的建造中得到應(yīng)用。雖然將人體工程學(xué)引入船舶生產(chǎn)設(shè)計在我國起步較晚，但近些年，我國的船舶設(shè)計人員已將靜態(tài)人體工程學(xué)引入到船舶舾裝生產(chǎn)設(shè)計之中，為滿足船員操作提供了設(shè)計質(zhì)量的保證。隨著數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的進(jìn)步和船舶市場競爭的增強，我國船舶設(shè)計人員正在逐步將目光從靜態(tài)人體工學(xué)轉(zhuǎn)化到設(shè)計全流程的動態(tài)人體工學(xué)[1]，以降低一線工人的勞動強度，提高船舶舾裝生產(chǎn)效率。

本文根據(jù)船舶生產(chǎn)設(shè)計的基本要求，分析施工姿態(tài)、施工強度和可伸及區(qū)域，確定放樣原則，以期能夠把握生產(chǎn)設(shè)計的質(zhì)量，滿足人們安裝操作要求及對設(shè)備運行功能性、安全性和經(jīng)濟性的需要。

1 船舶管系生產(chǎn)設(shè)計的基本要求

(1)管系設(shè)計除應(yīng)滿足船級社相關(guān)規(guī)范和國際公約的有關(guān)具體要求，以及管系和所服務(wù)系統(tǒng)的功能性、安全性和經(jīng)濟性要求外，還要簡潔美觀，便于安裝調(diào)試人員和船員的操作、檢查及維修，同時在分段建造過程中還應(yīng)預(yù)裝、最大化單元組裝以盡量減少船上舾裝工作量[2]。

(2)管系布置應(yīng)以先大直徑管系后小直徑管系的順序為原則，整齊平直地排列，以便于安裝調(diào)試時管系的固定和拆解以及檢修和維護，同時還應(yīng)盡量縮短管系長度和減少彎頭數(shù)量，避免管道中的氣囊、積水等現(xiàn)象發(fā)生。如不可避免地需要布置長距離管系和放置彎頭，則還應(yīng)設(shè)置保證管系安全和功能的附件，如放氣閥等。

(3)管系生產(chǎn)設(shè)計要保證其主通道凈高度小于或等于2 050 mm，寬度小于或等于600 mm(徳國海員同業(yè)工會“SBG”要求寬度應(yīng)小于或等于700 mm)；門最小開啟角度不能小于或等于90°；逃生艙口或人孔通道內(nèi)空間小于或等于600 mm×600 mm。為了保證生產(chǎn)設(shè)計的規(guī)范化，對狹小通道，應(yīng)事先設(shè)計出規(guī)范圖形，如圖1所示。

2 船舶管系生產(chǎn)設(shè)計中的動作姿態(tài)研究

2.1 施工姿態(tài)分析

施工姿態(tài)是指施工人員在施工過程中長時間身體軀干處于相對靜止所表現(xiàn)出的身體位置狀態(tài)，它可能會導(dǎo)致人體的生理疲勞。特別是在船舶機艙的底部區(qū)域，由于大量設(shè)備的放置和管路的密集分布，導(dǎo)致船舶機艙底部的施工空間狹小。長時間且相對靜止的施工姿態(tài)會使施工人員的身體軀干部分舒適度降低，所以有效合理地評估施工人員的施工姿態(tài)可以提高施工人員的施工工作效率，降低施工人員因長期工作疲勞所患的各種職業(yè)病的概率[2]。在船舶生產(chǎn)制造領(lǐng)域，及時、有效、合理地評估施工人員的施工姿態(tài)有著極大的實際意義。

圖1 管系布置通道空間示意圖(單位：mm)

在船舶機艙管路及其附屬設(shè)備的裝配過程中，施工人員的基本操作姿態(tài)包含如下：

(1)屈曲(伸展)：減小(增加)身體上下間夾角的動作。

(2)內(nèi)收(外展)：肢體移向(遠(yuǎn)離)身體中線的動作。

(3)旋轉(zhuǎn)：身體沿著身體的縱向軸轉(zhuǎn)動。

(4)側(cè)偏：身體向著身體中線的兩側(cè)偏離。

將人體工學(xué)的基本理論引入船舶機艙的管系裝配過程中可知，人體基本姿態(tài)的變化均依靠人體關(guān)節(jié)角度的變化來實現(xiàn)。本文以施工人員關(guān)節(jié)的舒展角度的變化范圍為研究對象。

表1列舉了健康成年人身體主要關(guān)節(jié)的活動方式和關(guān)節(jié)的角度變化范圍，以及各個關(guān)節(jié)角度變化過程中所對應(yīng)的相對舒適角度的范圍。在船舶設(shè)計和建造過程中，設(shè)計人員可通過分析船舶施工人員的各關(guān)節(jié)角度變化范圍的合理性以評估施工人員在該姿態(tài)下所對應(yīng)的舒適程度。

在仿真軟件中，通過分析施工人員作業(yè)時各關(guān)節(jié)的角度變化的合理程度來定量分析虛擬人姿態(tài)的合理性。

首先，根據(jù)表1中列出的參數(shù)設(shè)定虛擬人的各個關(guān)節(jié)活動角度范圍的極限。其次，在各關(guān)節(jié)的角度范圍的極限中根據(jù)人體所感受的舒適度劃分不同的舒適程度區(qū)間。圖2為人體以肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)為軸的4個最主要關(guān)節(jié)位姿狀態(tài)下的舒適度區(qū)域設(shè)定，其中的舒適區(qū)域、次舒適區(qū)域、不舒適區(qū)域已經(jīng)通過不同顏色深度表示，并且將其得分依次設(shè)置為：灰色90分、黑色80分、淺灰色60分。最后，利用統(tǒng)計工具得出船舶管路裝配過程中各工位施工人員的舒適度得分，并對施工人員的姿態(tài)進(jìn)行舒適性評價。

表1健康成年人身體主要關(guān)節(jié)的活動方式和角度變化范圍(°)

關(guān)節(jié)身體部位活動方式最大角度最大活動范圍最舒適角度頸關(guān)節(jié)頭至軀干低頭、仰頭+25～-2550+12～-10左歪、右歪+14～-14280左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)+18～-18360腰關(guān)節(jié)腰部前彎、后彎+69～-17860～20左彎、右彎+50～-501000左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)+50～-501000髖關(guān)節(jié)大腿至臀部外轉(zhuǎn)、內(nèi)轉(zhuǎn)+45～-45900～+15外擺、內(nèi)擺+45～-30750前擺、后擺+113～-181310膝關(guān)節(jié)小腿相對大腿前擺、后擺0～-1351350肩關(guān)節(jié)上臂至軀干外轉(zhuǎn)、內(nèi)轉(zhuǎn)+97～-201170外擺、內(nèi)擺+80～-18980前擺、后擺+170～-60230+40～+90肘關(guān)節(jié)下臂至上臂彎曲、伸展+140～0145+85～+110外轉(zhuǎn)、內(nèi)轉(zhuǎn)+160～0160+85～+120腕關(guān)節(jié)手至前臂外擺、內(nèi)擺+30～-20500彎曲、伸展+80～-701550

圖2中：a)以人體軀干為軸線，以肩關(guān)節(jié)為軸，向前或向后擺臂的姿態(tài)舒適性設(shè)定評判；b)以手臂前伸，肘關(guān)節(jié)為軸，前臂彎曲作業(yè)過程中前臂的姿態(tài)舒適性設(shè)定評判；c)直立狀態(tài)下，以膝關(guān)節(jié)為軸，小腿彎曲不同的位姿舒適性設(shè)定評判；d)以人體直立狀態(tài)為軸線，以髖關(guān)節(jié)為軸，大腿前后擺動不同位姿舒適性設(shè)定評判。

圖2 虛擬人各主要關(guān)節(jié)舒適度設(shè)定

2.2 施工強度分析

施工強度分析主要分析在施工過程中施工人員動態(tài)施力所累積的繁重程度，所分析的動態(tài)施力活動包括：抬舉、搬運。由于常見的民用貨船艉部管系舾裝零部件較為復(fù)雜，傳統(tǒng)機械搬運設(shè)備無法正常使用，因而導(dǎo)致許多管路、法蘭、管支架和管夾等零件及其附屬配件等都需要通過人力搬運。長時間的抬舉和搬運動作極其容易造成施工人員腰部和脊椎肌肉的疲勞性損傷，進(jìn)而導(dǎo)致下背痛(Low Back Pain，LBP)。所以在施工強度分析的過程中，抬舉和搬運的強度檢驗是船舶管路施工強度分析中最重要的組成部分。

本文通過使用NIOSH (National Institute for Occupational Safety and Health)分析施工人員的抬舉和搬運動作。NIOSH分析法由美國國家職業(yè)安全與衛(wèi)生研究院(CDC)提出，通過分析施工人員抬舉和搬運動作可計算出身體條件正常且健康成年人在一定時間內(nèi)完成一系列的抬舉、搬運動作而不會產(chǎn)生身體疲勞性傷害的推薦負(fù)載值[3]IRWL。其計算公式為：

IRWL=ILCIAMICMIDMIFMIHMIVM=23(1-

0.003 2A)ICM(0.82+4.5/D)IFM(25/H)(1-

0.003|V-75|)

公式中的各因子及參數(shù)的含義分別見表2、表3。

操作者的操作視野與操作者的姿態(tài)相關(guān)，立姿、傾姿及蹲姿對操作者的視野影響各不相同，如圖3所示。根據(jù)人體工程學(xué)，人體扭轉(zhuǎn)最大適宜角度為60°，人體的視角范圍通常也為60°。因此，在設(shè)計船舶儀器面板時應(yīng)充分考慮到人體的扭轉(zhuǎn)與視角的范圍[3]。

表2 IRWL公式中各因子的含義

表3 IRWL代入公式中的參數(shù)含義

圖3 立姿、傾姿和蹲姿位圖(單位：mm)

施工人員作業(yè)的可達(dá)性與被裝配的零部件是否處于基于人體工學(xué)的操作范圍之內(nèi)以及施工人員作業(yè)的難易程度相關(guān)。本文基于斯夸爾斯水平操作可伸及區(qū)域和其改進(jìn)區(qū)域，提出了施工人員在裝配船舶舾裝件過程中上肢的可伸及區(qū)域[6]。圖4為身高170 cm的健康成年男子的手臂作業(yè)區(qū)域，其中人體最合理的作業(yè)區(qū)域為人體肩關(guān)節(jié)到人體手部的區(qū)域(圖4中為陰影部分所示)。

圖4 斯夸爾斯上肢伸及域(單位：mm)

2.3 可伸及區(qū)域分析

通過在工具仿真軟件中使用虛擬人，便捷地勾勒出虛擬人上肢的可伸及區(qū)域，船舶的生產(chǎn)設(shè)計人員可通過在工具仿真軟件中檢測虛擬的船舶機艙環(huán)境中所需的裝配零部件與虛擬人可伸及區(qū)域的關(guān)系，便捷地判斷出施工人員在施工過程中作業(yè)的可達(dá)性，盡可能地使施工人員的裝配操作集中在圖5所示的陰影處。

圖5 帶有虛擬人的分析軟件中虛擬人上肢可伸及區(qū)域

3 船舶管系生產(chǎn)設(shè)計中的放樣原則

在船舶管系的生產(chǎn)設(shè)計過程中，在保證船舶管系有效工作的前提下，應(yīng)充分考慮操作人員與船員操作的安全性和便捷性。基于人體工程學(xué)的操作性思考，在船舶管系的設(shè)計過程中應(yīng)盡可能遵循以下原則。

(1)船舶管系的生產(chǎn)設(shè)計過程中，管路及附件布置的位置應(yīng)保證操作者安全性，同時不應(yīng)妨礙其他管系、閥件、船舶設(shè)備和其附屬的拆裝、調(diào)試設(shè)備的操作，如圖6所示。為保證船舶整體的安全以及操作人員和船員的安全，在主要通道、檢查通道，尤其是安全逃生通道內(nèi)不可設(shè)置閥件。

(2)為保證各個閥件操作與檢修的方便性，當(dāng)兩個或多個閥件布置在并列位置時，各個閥件手輪間的最小間距為40 mm；機艙花鋼板以下的閥件手輪應(yīng)在水平方向布置，并且其閥件的手輪在開啟狀態(tài)下，距花鋼板的最小距離為30 mm；對于手柄型式的閥門，應(yīng)盡量避免布置在花鋼板下或其他狹窄位置；對于機械處所的應(yīng)急艙底水吸入閥，閥桿應(yīng)做適當(dāng)延伸設(shè)計，以使手輪至少高出花鋼板上壁450 mm；在生活區(qū)的復(fù)合棉、絕緣層之內(nèi)以及天花板內(nèi)不準(zhǔn)布置任何閥門；公用閥門不能布置在船員房間[4]。

(3)在船舶管系的布置中，截止閥手輪位置朝向、球閥安裝方向及進(jìn)出口均可任意，但閘閥開關(guān)指示應(yīng)以便于操作人員和船員的觀察為原則；中心型蝶閥的進(jìn)出口可任意選擇，但應(yīng)保持閥板軸心位置的水平安裝以防止雜質(zhì)進(jìn)入中心型蝶閥軸的根部。升降式止回閥、舉起式止回閥和截止止回閥的安裝方向應(yīng)保證閥桿垂直向上。對于旋啟式止回閥的安裝，閥瓣與管路軸心線可呈近似90°的安裝。減壓閥應(yīng)直立安裝在水平管道上振動較小的位置，以保證減壓效果同時便于操作。

圖6 閥門、旋塞等布置示意圖(單位：mm)

(4)對于輸送特殊介質(zhì)的管路系統(tǒng)，安全閥的位置應(yīng)該遠(yuǎn)離波動源，與此同時確保泄放出的介質(zhì)不能傷及操作人員，且不污染周圍環(huán)境；管路上的安全閥應(yīng)該與水平面保持垂直；壓縮空氣管路的安全閥排出管可以直接排向大氣；海水、淡水管路的安全閥應(yīng)該安裝于花鋼板以上且易于觀察的位置，排出管應(yīng)該就近設(shè)置于艙底或甲板上；安全閥的出口管應(yīng)從上面或者側(cè)面進(jìn)入集合口管，不可以從下面進(jìn)入；如果安全閥出口管必須由下向上，則應(yīng)在安全閥出口管或安全閥空腔引出一根排泄管，并安裝截止閥，用于排放積存于管內(nèi)的殘留液體，消除背壓[5]。

(5)壓力表應(yīng)該垂直安裝于設(shè)備和管路附近振動較小且便于觀察的位置；如果安裝位置的振動無法避免，應(yīng)為壓力表加裝減振器；壓力閥排氣口的朝向應(yīng)該盡量避開操作者和電氣設(shè)備；壓力表取壓點不應(yīng)布置于管道的彎頭、閥門、介質(zhì)流束為旋渦狀態(tài)的位置，應(yīng)布置于介質(zhì)流束為直線的管段處，且與介質(zhì)的流動方向保持垂直；測量液體壓力時取壓點應(yīng)該選擇在管道的下部或側(cè)部，測量氣體壓力時取壓點應(yīng)選擇管道上部。

(6)溫度測量儀表設(shè)計安裝時，其測量點最好位于管路的拐彎處；感溫元件應(yīng)迎著介質(zhì)流向或者至少與被測介質(zhì)流向成90°方向，盡量避開熱輻射或?qū)Ω袦卦挠绊懀荛_介質(zhì)感溫的死角；感溫元件應(yīng)該全部插入被測介質(zhì)中。壓力式指示溫度計安裝時，感溫元件(溫包)與指示部分應(yīng)該盡可能布置于同一水平高度上，以減少由于液體靜壓引起的測量誤差。水銀及其他液體的溫度計，應(yīng)垂直向上安裝；如果不可能，則可沿逆流方向與垂直管道中心線成35°或與水平管道中心線成45°安裝，但不可向下或水平安裝[6]。

4 結(jié)語

船舶管路系統(tǒng)構(gòu)成了船舶機體自身的血管與中樞，這些機體血管與中樞需要船員的操作與維護。同樣，這些血管與中樞在船舶建造中也需要工人安裝與調(diào)試，只有將這些血管與中樞設(shè)計在滿足合理的人體工程學(xué)的范圍內(nèi)，才能為船舶建造人員的施工帶來便利，同時也能夠滿足船員對設(shè)備運行功能性、安全性和經(jīng)濟性的需要，為日后的運營維護帶來便利。