牵引拉杆装配作业人机工效仿真与改进*

郭美玲，王栋，付建林，宋福田，杨代静

(1. 西南交通大学 机械工程学院，成都 610031；2. 中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111)

0 引言

为预防和控制作业人员在搬运、提举操作中劳动舒适度过低的职业性肌肉骨骼损伤(work-related musculoskeletal disorders, WMSD)，需对实际生产过程中操作人员的作业姿势和受力情况进行人机工效分析。在该研究领域，美国利宝互助安全与卫生研究中心通过对人群的心理物理学试验，评估了实际工作被接受的程度，并减少了操作员能力与工作要求之间的不匹配[1]。密歇根大学人体工程学中心开发的三维静态力预测程序，用于处理搬运、提举、推拉动作的静态力学分析[2]。肖国兵等考虑到国内人群与西方人群的工作能力和耐受力差异，对NIOSH公式进行了修正[3]。刘坚等针对搬运、提举作业研究了基于复合搬运、提举指数的人因量化评估和改进方法[4]。刘涛等从人体静态以及动态数据方面说明了数控车床各单元部件的设计要点[5]。为解决汽车前盖装配过程中的人机工效问题，张丽珍从改进工装工艺的角度提出了一种综合评价改进方法，并辅以仿真平台进行验证[6]。

上述研究为手工作业的人机工程学分析提供了指导，但没有详细针对每个作业过程进行分析，存在仿真粒度不够细，不能真实反映实际装配过程的问题。鉴于此，本文基于DELMIA人机工效分析的方法将牵引拉杆装配的整个过程进行了分析，发现了装配中存在的劳动强度过大、劳动舒适度过低的问题，提出了一种针对牵引拉杆装配作业的综合评价改进方案并进行了优化。

1 牵引拉杆装配作业人机工效方案的综合评价与改进

DELMIA中的人机工效分析工具包括快速上肢分析(RULA)、举高/放低分析(Lift-Lower Analysis)、推拉分析(Pull-Push Analysis)、搬运分析(Carry Analysis)和生物力学分析(Biomechanics Single Action Analysis)。针对牵引拉杆装配过程中的人机工效问题，本文综合利用DELMIA中的快速上肢分析法、举高/放低分析中的提举方程分析法以及推拉搬运分析中的Snook & Ciriello表分析法对该过程进行人机工效评价，并提出改进方案。

1.1 快速上肢分析法

快速上肢分析法(Rapid Upper Limb Assessment, RULA)主要用于对工作场合中工人的躯干和上肢等的姿势、用力情况以及肌肉的功能状况进行评估[7]。DELMIA中的人体行为分析(Human Action Anlysis, HAA)模块集成了该方法，可直接对工人姿势进行分析。该分析法的评估分数与结果分析如表1所示。

表1 RULA的评估分数与结果分析

1.2 提举方程分析法

提举方程分析法(National Institute of Occupational Safety and Health, NIOSH)用于预估手中提举重物负荷限制范围来评估脊柱损伤风险[8]。在DELMIA中设置提举任务中的起始姿势和终止姿势即可进行分析，通过分析结果显示的同等劳动强度下提举指数(Lifting Index，LI)进行预测，LI用来评估操作人员进行相应提举任务时可能产生下背痛(Low back pain，LBP；一种肌肉骨骼损伤，多与职业因素相关[9])的风险，对应指数LI划分分数与结果分析如表2[3]所示。

表2 LI划分分数与结果分析

1.3 Snook & Ciriello表分析法

Snook & Ciriello表可找出工人能够持续进行提举、降低、推拉、搬运等运动所能够承受最大负荷[10]。在DELMIA中通过设置动作节拍、动作维持距离、人员采样即可得到相应数据。

1.4 牵引拉杆装配作业的综合评价改进方法

单动作任务是单个提举、搬运等任务的总称，多动作任务是连贯的包含多个单动作的任务，实际作业过程往往是多任务过程。对比上述三种评价方法，RULA适用于分析静态姿势，NIOSH适用于分析提举任务，Snook & Ciriello表适用于分析推拉搬运任务，三种方法均无法全面评估作业过程，鉴于此，针对多动作任务往往需要先划分为单动作任务再进行评估。

牵引拉杆装配作业为多任务过程，结合三种评价方法的综合评价改进方案流程具体如下：在CATIA中创建装配过程中所需的所有产品资源模型，将模型导入DELMIA，根据实际车间布局情况完成装配环境的构建，根据实际作业情况对装配过程仿真。进入HAA模块，将多动作任务划分为单动作任务，根据各单动作任务选取适宜方法分析对应作业姿势，并根据分析结果改进工艺以及工装等资源模型。对改进后的作业情况进行仿真分析，判断是否达到目标要求。综合评价改进方案的流程图如图1所示。

图1 综合评价改进方案流程

2 牵引拉杆原装配过程仿真

2.1 建立原装配作业仿真模型

原装配作业仿真模型的建立原则是在虚拟环境中最大程度还原原装配作业环境。首先利用CATIA完成仿真过程所需的所有资源的建立，并根据实际布局情况完成装配环境的构建。创建的牵引拉杆装配作业环境如图2所示。然后在DLEMIA中利用DPM-Assembly Process Simulation模块和Human Task Simulation模块完成原装配过程的仿真。牵引拉杆装配作业由两位操作工人完成，工人A完成牵引拉杆提举搬运作业，工人B辅助A提举并完成螺栓的拧紧工作，本文重点分析工人A的作业情况。A的作业过程为多任务过程，可分为如下几个单任务过程：①蹲下姿势：在牵引拉杆储存位置蹲下并辅助吊具给牵引拉杆套上吊绳；②行走动作：走到装配工位旁牵引拉杆放置处；③提举动作：在工人B的辅助下将牵引拉杆提举至肩上；④蹲移动作：肩扛牵引拉杆蹲移至待装配位置下方；⑤蹲举动作：肩扛牵引拉杆蹲举至待装位置。具体装配仿真过程如图3所示。

图2 牵引拉杆装配作业环境

(a) 蹲下姿势 (b) 提举动作

(c) 蹲移动作 (d) 蹲举动作图3 牵引拉杆的装配仿真过程

2.2 原装配过程评价结果

根据单任务过程各动作特点选取相应的分析方法，如图4所示。

图4 分析方法的选择

分别对蹲下姿势、提举动作、蹲举动作进行RULA分析，对提举动作、蹲举动作进行NIOSH分析，对蹲移动作进行Snook & Ciriello表分析。原装配过程各动作综合评价分析结果如表3所示。

表3 原装配过程各动作综合评价分析结果

分析结果表明，在蹲下动作中RULA综合得分为3分，对比表1知可以进一步优化该姿势；在提举、蹲举动作中，RULA的综合得分均为7分，LI得分分别为5.6分、4.2分，对比表1、表2可知提举、蹲举动作需尽快进行调整；在蹲移动作中，负荷超重，表明该姿势需要尽快进行调整。

3 原方案的改进与分析

3.1 改进方案

根据上述仿真结果，分析出在牵引拉杆的整个装配过程中工人A都存在一定程度的姿势不当，下面分别从以下几个方面给出改进建议。

3.1.1 增加物料放置台

在蹲下动作中需要操作人员蹲下弯腰作业，根据动作经济原则之缩短动作的距离[11]，应尽可能避免弯腰下蹲动作，可通过增加物料放置台来避免。根据参考文献[12]可知我国男性的平均肘高为1024mm，而作业面高度一般在肘部以下50～100mm[12]，又牵引拉杆的中轴线到放置台面的距离为130mm，故设计的物料放置台的高度约为820mm，见图5。

图5 物料放置台

3.1.2 增加吊具与转运小车

根据2.2节的分析结果，指出提举蹲移作业过程需要进行改进，以避免过重的物料导致工人发生LBP。为此，结合考虑现场已有资源，可在该装配过程中增加吊具的使用，以及增加转移小车来搬运牵引拉杆，以减轻工人作业过程中承受的载荷，见图6。

图6 吊具(左)，牵引拉杆转移小车(右)

3.1.3 升高构架放置工装高度

在蹲举动作中需要工作人员长时间维持弯腰曲背的姿势，同样根据动作经济原则之缩短动作的距离[11]，可以通过升高构架放置工装的高度来避免。根据参考文献[12]可知我国男性的平均眼高为1568mm，取工作平面高度为直立姿势眼高，工作平面与转向架和工装接触面距离为457.5mm，故改进后构架放置工装高度约为2020mm，见图7。

图7 构架放置工装改进前后对比

3.2 改进后评价结果

改进后，蹲下姿势变为了站立姿势，提举、蹲移动作变为了推小车动作，蹲举动作变为了站立动作，工人A的作业过程仍为多任务过程，具体可分为如下几个单任务：①站立姿势：在放置台旁辅助吊具给牵引拉杆套上吊绳；②推小车动作：推转移小车至待装位置下方；③站立动作：辅助吊具装配牵引拉杆。改进后的仿真过程如图8所示，各动作综合评价分析结果如表4所示。

(a) 站立姿势 (b) 推小车动作

(c) 站立动作 图8 牵引拉杆的仿真过程

表4 改进后装配过程综合评价分析结果

分析结果表明，在各动作中RULA综合得分均得到大幅提高，采用物料放置台、吊具后无需进行提举动作，升高构架放置工装高度后无需弯腰屈膝，采用转运小车后在转移牵引拉杆过程中工人所受载荷大大减小。将改进前后分析结果进行汇总对比，如表5所示，可以明显对比出改进后工人的劳动强度和劳动舒适度得到了大幅改善，从而降低了工人罹患职业性肌肉骨骼损伤的风险。

表5 改进前后分析结果对比

4 结论

本文总结了一套针对转向架牵引拉杆装配作业过程人机工效的仿真综合评价改进方法，通过利用DELMIA中的RULA分析、NIOSH分析和Snook & Ciriello表分析，对原装配过程的多任务过程进行分解评估，根据评估结果中工人劳动强度过大、劳动舒适度过低的问题，结合工业工程、人机工程学等方面的知识，分别采用增加物料放置台、增加吊具与转运小车、升高构架放置工装高度的方式对原装配作业过程进行改进。通过改进前后的对比，可以显明看出改进后的方案确实降低了工人的作业疲劳度，降低了工人罹患职业性肌肉骨骼损伤的风险。