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(xué) 船舶與海洋工程學(xué)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(lèi)別多樣且安裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)脫硫塔新增分段中存在大量管部件和框類(lèi)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(shí)際安配過(guò)程中，常常由于零部件安裝順序不同、操作空間預(yù)留不夠和輔助工具準(zhǔn)備不當(dāng)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(fù)雜和繁瑣。同時(shí)由于市場(chǎng)客觀原因，船用脫硫塔改造項(xiàng)目工期緊張，讓脫硫塔的安裝質(zhì)量和效率難以保證[1]。本文就脫硫塔安裝過(guò)程中，主、副塔連接安裝螺絲組的案例進(jìn)行分析，通過(guò)與監(jiān)造工程師交流訪談、工作人員的工作總結(jié)和作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)觀察，發(fā)現(xiàn)船用脫硫塔安裝作業(yè)的工藝設(shè)計(jì)和操作空間上可能存在潛在的作業(yè)問(wèn)題： 脫硫塔主副塔連接處有80 個(gè)螺栓，安裝過(guò)程中存在大量重復(fù)動(dòng)作；脫硫塔主副塔連接處空間復(fù)雜，可能會(huì)對(duì)安裝人員的操作姿勢(shì)形成限制，導(dǎo)致工藝設(shè)計(jì)不能滿足作業(yè)需求或者易引起作業(yè)者肌肉勞損等問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文將對(duì)船用脫硫塔安裝的過(guò)程進(jìn)行建模仿真，然后驗(yàn)證人使用安裝工具時(shí)的可達(dá)性、操作空間的開(kāi)放性，分析工作人員在該操作環(huán)境中的動(dòng)作姿態(tài)、肌肉負(fù)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(jìn)一步優(yōu)化操作步驟和安裝工藝設(shè)計(jì)。脫硫塔安裝的特殊性和安裝過(guò)程的復(fù)雜性說(shuō)明了在船用脫硫塔的安裝過(guò)程中采用人因工程方法進(jìn)行具體的研究分析具有重要的意義，這將會(huì)對(duì)船用脫硫塔安裝工藝設(shè)計(jì)起到很大的指導(dǎo)作用，也可以降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)費(fèi)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(duì)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(xué)評(píng)估方法中比較有效且可靠的分析工具是快速上肢評(píng)估法(R ULA，Rapid Upper Limb Assessment)[3]。R ULA 主要是評(píng)估施工人員四肢在某作業(yè)姿勢(shì)下的肌肉受力狀態(tài)和肌肉使用狀態(tài)，用評(píng)估得到的分?jǐn)?shù)來(lái)分析肌肉可能勞損或受傷的風(fēng)險(xiǎn)。

R ULA 的評(píng)分方法如下[4]: 首先是四肢評(píng)分，將上臂、下臂、手腕和四肢肌肉的扭轉(zhuǎn)進(jìn)行綜合評(píng)分，然后綜合得出四肢部分基礎(chǔ)評(píng)分。其次是考慮肌肉的負(fù)荷狀態(tài)，如果負(fù)荷不到2 kg 則忽略，如果是負(fù)荷2-10 kg并做間歇?jiǎng)幼饔? 分，如果在負(fù)荷2-10 kg 情況下做維持動(dòng)作或者多次重復(fù)動(dòng)作則記2 分，如果負(fù)荷達(dá)到10 kg 以上則記3 分[4]。然后是評(píng)估肌肉發(fā)力狀態(tài)的得分，如果是靜態(tài)動(dòng)作且維持時(shí)間超過(guò)1min 或者每分鐘重復(fù)較多則記1 分。最后將三項(xiàng)評(píng)分相加即可得到該操作姿勢(shì)的動(dòng)作評(píng)分[5]。

2 基于 CATIA 的虛擬作業(yè)場(chǎng)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(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)與分析功能，可以使用其中的人體模型測(cè)量編輯（Human Measurements Editor）模塊來(lái)生成自定義的工作人員人體模型，這樣可以使仿真結(jié)果更加貼切于真實(shí)情況。

2.2 裝配對(duì)象模型—船用脫硫塔

在實(shí)際建立脫硫塔過(guò)程中，需要將實(shí)習(xí)所得的紙質(zhì)資料，結(jié)合監(jiān)造工程師的訪談和船用脫硫塔安裝維修手冊(cè)，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(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)與分析模塊中，可以打開(kāi)人體模型的視野，通過(guò)視野可以判斷能否無(wú)阻礙地看到目標(biāo)零部件、操作工具以及自己的操作動(dòng)作，以此可判斷視覺(jué)可達(dá)是否滿足要求[5]。

3.1 三種作業(yè)姿勢(shì)的R ULA 評(píng)估

如圖所示，船用脫硫塔周邊空間零部件繁雜，可能對(duì)工作人員的作業(yè)姿勢(shì)形成阻礙，同時(shí)，在重復(fù)使用扭力扳手對(duì)螺栓組進(jìn)行操作時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)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(shì)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(duì)作業(yè)姿勢(shì)進(jìn)行評(píng)估，對(duì)作業(yè)中可能發(fā)生MSD 的身體部位進(jìn)行分析，進(jìn)而可以提出對(duì)應(yīng)的預(yù)防措施。

圖4 所示為安裝人員蹲立安裝作業(yè)姿勢(shì)左右側(cè)R ULA 分析，由評(píng)估可知，安裝人員的手腕、手臂、腿部和頸部評(píng)分均較高，說(shuō)明使用扭力扳手操作時(shí)手腕是易受傷點(diǎn)，可以采用保護(hù)器具來(lái)避免勞損和受傷；右前臂是另一處風(fēng)險(xiǎn)較高的部分，其肌肉負(fù)荷較大，負(fù)荷主要來(lái)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(fù)荷；同時(shí)蹲立姿勢(shì)對(duì)于腿部和腰部的負(fù)擔(dān)也比較大，主要原因?yàn)樵撟藙?shì)長(zhǎng)時(shí)間的動(dòng)作，導(dǎo)致腰部和腿部容易勞損和受傷，可以結(jié)合調(diào)節(jié)工作時(shí)間或者作業(yè)間休息來(lái)降低該部位的風(fēng)險(xiǎn)。使用R ULA分析改進(jìn)后的操作姿勢(shì)，如圖5，結(jié)果表明脆弱部位的評(píng)估分?jǐn)?shù)降低，可以證明優(yōu)化改進(jìn)的措施是行之有效的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)船用脫硫塔安裝作業(yè)這一復(fù)雜空間內(nèi)的人工作業(yè)，使用CATIA V5 軟件對(duì)船用脫硫塔及其分段模型進(jìn)行搭建，然后加入人體模型并擺出對(duì)應(yīng)的作業(yè)姿勢(shì)；評(píng)估了站立安裝、蹲立安裝和蹲坐安裝三種作業(yè)姿勢(shì)，最終經(jīng)優(yōu)化與驗(yàn)證后可形成易傷風(fēng)險(xiǎn)警示與預(yù)防、零部件障礙物設(shè)計(jì)修正建議等成果。希望本文的相關(guān)探討能夠?yàn)槊摿蛩惭b工作人員提供一個(gè)更安全舒適的工作環(huán)境。