人體工效學在一種翻轉吊具優化設計中的應用

郭凌岑， 劉文川

（1.南充職業技術學院 機電工程系，四川 南充637131；2.南充市輝煌模具有限公司，四川 南充637131）

0 引 言

人體工效學，又稱人體工程學，在歐洲通稱人類工效學。其以人體測量學、生理學、心理學和生物力學等作為研究手段和方法，綜合地進行人體結構、功能、心理及力學等問題研究的學科。該學科近三四十年來發展迅速，在交通工具、工業產品設計及服裝、鞋、帽等生活用品設計等方面已得到廣泛應用。

近幾年來，筆者及所在團隊將人體工效學[1]、績效理論及美學等[2-4]新理論、新理念，較好地應用于機械制造業，尤其是在較多的鑄造生產方面的工裝設計中，取得了良好的技術、經濟效果，所設計的鑄造工裝、工位器具等深受相關生產操作者、工裝制作和工廠管理者的好評。在此，將將人體工效學、績效理論等新理論、新理念用于一種砂箱翻轉吊具優化設計所取得的技術經濟效果作以簡單總結，供同行參考。

1 傳統簡單翻轉吊具存在的缺點和不足

在中小鑄造廠的生產中，非流水線鑄造生產的廠家常用一種砂箱（型）翻轉吊具，在設計制作工裝、模具的過程中，國內少數大型鑄造廠及一些專業鑄造模具公司，采用一些傳統理念、應用一些傳統方法[5-6]，去指導這種翻轉吊具的設計制作及生產應用。圖1所示為傳統簡單吊具結構。為討論方便，本文以鑄造生產中應用較多的、適用于砂箱內腔尺寸大致為1200 mm×800 mm×350 mm的翻轉吊具為典型案例進行評述。

圖1 傳統簡單翻轉吊具結構圖

圖2 新型靈巧翻轉吊具結構圖

圖1所示的傳統簡單吊具結構大致情況是:用直徑φ1為50～55 mm的優質碳鋼做橫梁（吊臂）3，用直徑φ2為20～25 mm的優質碳鋼做封閉式吊環1、吊耳2、吊環I固定條5、吊架4、吊環6。其工作過程是：吊具的封閉式吊環I 置于天車、電葫蘆及其它類起重設備的起重鉤上，起重設備的起重鉤升起至封閉式吊環II的末端與起吊及翻轉對象砂箱、有箱砂型、箱體類工裝之吊軸相匹配的高度，吊環II與起吊及翻轉對象的吊軸“鏈結”，起重設備的起重鉤繼續升起將被調對象帶至適宜高度（通常為高于起吊對象的翻轉半徑10～20 cm左右），至此該吊具便實施了起吊及可翻轉的工藝要求。

圖1所示為傳統簡單吊具結構，其優點是結構簡化、材料用量少、設計與制作簡單；但經過我們分析研究認為該結構非優化結構，其存在的缺點遠大于優點。其主要的缺點和不足有如下幾個方面：

1）靈活度低、平衡性差。圖1所示的傳統簡單吊具結構，封閉式吊環I與吊臂的接觸、兩端的吊環II與吊耳的接觸及吊環II的末端與起吊及翻轉對象工裝之吊軸之間的接觸皆為硬性接觸，即整個吊具的3組（5個）需要運動的摩擦副均為滑動摩擦，故而圖1所示的傳統簡單吊具結構的靈活度低、平衡性差且操作性差。

2）可靠性差、安全性低。圖1所示的傳統簡單吊具結構，其吊環II（兩端各一個）、吊耳（兩端各一個）、吊架、吊環I等零件皆是φ20 mm 左右的碳鋼（或優質碳鋼）的硬性聯結，幾個零件在長期的重力作用下，一方面因動作（運動）的靈敏性差，另一方面易產生疲勞斷裂，從而使得整個吊具的可靠性差、安全性低。

3）操作者勞動強度大。圖1所示的傳統簡單吊具結構，除整個吊具的3組（5個）需要運動的摩擦副均為滑動摩擦（靈活性低）外，又因翻轉對象的翻轉過程完全靠人工強力實施翻轉，尤其是翻轉對象的吊軸在吊環II中的運動是滑動摩擦運動。由此使得砂型的翻轉需要的人力多（通常需要4名工人操作）、操作者勞動強度大。

4）工作質量差。圖1所示的傳統簡單吊具結構，因其運動副均為滑動摩擦，除其靈活性低、動作生硬，生產中的操作用人多外，翻轉較重的砂型用的時間也很長，使得其工作效率低、工作質量差。生產操作者多不愿使用該種結構吊具。換句話說，圖1所示的傳統簡單吊具結構是一個不符合人體工效學、績效技術理念的設計制作方案。

2 新型靈巧翻轉吊具的結構及其特點

用人體工效學理論指導機械制造業中工裝翻轉吊具的設計,其原則大致是：一方面，使得其翻轉吊具結構盡可能優化、合理和工作高效，制作工藝盡可能簡單，以較低的成本投入實現較高的產出，或以同等的成本投入實現高價值的產出；另一方面，結合績效理論、美學理念的應用，使得其運動副具有適度靈活性，以降低生產操作者的勞動強度，使人的勞動效率盡可能提高，以最終獲得盡可能高的性價比。

將人體工效學理論、績效技術和美學作為當代新技術、新理念，用于機械制造業中工裝翻轉吊具的設計中,我們設計出圖2所示結構方案。其優勢體現在幾組運動副皆是滾動摩擦，設計較為巧妙，制作也較為簡單，用材較為合理。本文主要研究和探討這幾個較為重要的方面，其具體內容如下。

2.1 新型靈巧翻轉吊具的結構簡單實用

在工裝翻轉吊具的設計中，應用人體工效學理論、績效技術和美學及黃金分割原理作為指導理念, 我們設計出圖2所示結構方案，其局部結構如圖3和圖4所示。新型靈巧翻轉吊具結構主要包括吊具本體1、封閉式吊環2、吊軸3、六角頭螺栓4、螺母5、墊圈6、吊軸7、十字節8、墊圈9、吊軸10、滑輪11、鐵鏈12等組合而成，其總的特征是結構簡單實用。

新型靈巧翻轉吊具的工作過程是：吊具的封閉式吊環2置于天車、電葫蘆及其它類起重設備的起重鉤上，起重設備的起重鉤升起至鐵鏈12的末端與起吊及翻轉對象砂箱、有箱砂型、箱體類工裝之吊軸相匹配的高度，鐵鏈12與起吊及翻轉對象的吊軸“鏈結”，起重設備的起重鉤繼續升起至適宜高度（通常為高于起吊對象的翻轉半徑10～20 mm左右，從而實現了正常的起吊及至可翻轉的工藝要求。

2.2 新型靈巧翻轉吊具的特點

具體分析圖2～圖4所示吊具結構，其主要特點有如下幾個方面。

圖3 新型靈巧吊具—吊軸I 局部結構

1）靈活輕便。其新型結構方案除應用前述的新理論外，還采用了天平原理、滑輪技術，設計制作出3組滑輪機構構成吊具的運動結構，使翻轉吊具具有良好的靈活性。操作工效高和操作安全性高的封閉式吊環結構，一對運轉靈活度適宜的十字節滑輪結構，高剛性的雙層吊具本體結構及其滑輪、吊軸、吊環、十字節，與本體間的各自適宜間隙、操作性良好的鐵鏈式起吊連結方式等結構特點，使該吊具具有靈巧、輕便的優點。

圖2吊具結構中，其3組滑輪運動副結構的應用，主要采用了人體工效學和績效技術理念來指導其設計與制作，以使得其相關運動副既有良好的靈活性，又具有適度的靈敏性。

圖4 新型靈巧吊具之吊軸II及吊軸III的局部結構

2）穩定高效。一方面，其3組滑輪機構構成吊具運動副，既能有效地保證吊具的起吊、平衡及操作的靈活機動性，又能方便于起吊及翻轉對象砂箱、有箱 砂型、箱體類工裝和實物等平衡性操作；另一 方面，其一對十字節結構及滑輪 結構，能夠使得適當大小及適當強度的普通鐵鏈在其滑輪上的運動適度靈活，能縮短起吊對象及其翻轉的操作周期，以減輕操作者的勞動強度和提高其生產效率。因此，既減輕生產操作者的勞動工作量，又提高了工作效率。該特點也是較好地運用了績效技術理念來指導吊具結構的優化設計。

3）安全性高。新型靈巧翻轉吊具雙層吊具本體結構及其滑輪、吊軸、吊環、十字節與本體間各自的適宜大小尺寸及間隙，使得該吊具的封閉式吊環與吊軸I、十字節與吊軸II、滑輪吊軸III及滑輪與鐵鏈的各個運動關系合理高效；其滑輪、吊軸、吊環、十字節與本體間各自適度大小的間隙使得整個翻轉吊具靈活及靈敏適度，能夠很好地保證該吊具較高的安全性。

其良好的安全性結構，主要運用了績效技術理念來指導其相應的結構設計，以追求其良好穩定的綜合性，即總體性的良好性價比。

4）操作簡便。新型靈巧翻轉吊具的封閉式吊環結構，使得該輕便式砂箱類工裝翻轉吊具與天車、電葫蘆及其它類起重設備的起重鉤鏈結方便、可靠，其封閉式吊環附近（兩個鎖緊螺栓與吊軸I的中心距適宜）的兩個鎖緊螺栓結構還有平衡和限制吊環的活動范圍，有利于提高操作工效和操作者的安全性的作用，也使得該吊具操作簡便，使圖1結構吊具的4人大力翻轉砂型改進為2人輕松翻轉砂型。

新型靈巧翻轉吊具兩個鎖緊螺栓結構平衡和限制吊環的活動范圍的設計要點，亦是采用了人體工效學和績效技術理念來指導其設計與制作，以提高吊具相應的操作工效和操作者的安全性。

5）外型美觀大方。吊具本體結構看起來十分美觀，給人美的視覺感受。其主要運用了美學理念和黃金分割原理來指導吊具本體的結構視覺。比如吊具的主體結構的高度尺寸大致是長度尺寸的0.382倍（即黃金分割點的參數）；本體的挖空面積亦大致是本體外緣尺寸面積的0.382倍數（亦即面積方面的黃金分割點的參數）。

2.3 新型靈巧翻轉吊具的優點

該新型靈巧翻轉吊具的鐵鏈式起吊連結方式，其鐵鏈與滑輪的運動、鐵鏈與起吊對象的吊軸的運動既有適度的摩擦力，又有適度的靈敏性，使得生產操作安全可靠和靈活適度，能夠很好地提高其工作質量、生產效率及操作者的安全性。

2.4 新型靈巧翻轉吊具的應用范圍

具體分析圖2～圖4所示吊具結構，能很好地用于機械制造工廠、倉庫、碼頭的生產作業工裝及產品等的起吊和翻轉；尤其適用于鑄造生產廠的中型、較大型砂箱及箱體類工裝及產品等的起吊和翻轉，為鑄造生產提供一種結構合理、質量適宜、制作成本較低、操作靈活方便、工效較高及安全性高的新型靈巧翻轉吊具。

3 結 語

新型靈巧翻轉吊具結構較為簡單，運動部件質量輕便、動作適度靈活，相關零件的配合精度要求較低，潤滑要求亦較低，相關零件使用壽命較長，可很好地適合于機械制工廠、倉庫、碼頭的生產和作業工裝及產品等的起吊和翻轉，尤其適用于鑄造工廠的砂箱、有箱砂型、箱體類工裝及產品等起吊及翻轉的平衡性操作。

筆者認為，一個優秀的工裝設計者，既應當是一個相應行業的技術專家，同時又應該是一個美學工作者，及對人體工效學、績效技術和美學及黃金分割原理有深入的了解。不僅能夠設計制作出實用可靠、經濟的工裝、設施；而且也應當使其工裝、吊具的設計制作對象做到更好、更優化、更美觀，使所設計制作的工裝、吊具等既實用可靠,又安全高效。