翟棒棒,周自强,戴国洪*

(1.苏州大学机电工程学院,江苏苏州 215021;2.江苏省机电产品循环利用技术重点建设实验室,江苏常熟 215500; 3.常熟理工学院机械工程学院,江苏常熟 215500)

废旧产品拆卸领域人机工程学的发展与应用*

翟棒棒1,2,周自强2,3,戴国洪*2,3

(1.苏州大学机电工程学院,江苏苏州 215021;2.江苏省机电产品循环利用技术重点建设实验室,江苏常熟 215500; 3.常熟理工学院机械工程学院,江苏常熟 215500)

为了实现废旧产品的规模化和集约化的拆解与回收,目前简单粗放的工作模式迫切需要改变。必须从人机工程学的角度来设计和布置拆解设备、拆解线的总体结构。从废旧产品拆卸过程中的工作环境、拆解线布局、拆卸工具、工作姿势等方面分析了人机工程学在产品拆卸领域中的发展和研究现状,并在此基础上讨论了产品拆卸中人机工程学研究存在的问题。

人机工程学;产品拆卸;工作姿势

0 引 言

大量的废旧产品对我国的环境造成了严重威胁,同时生产产品消耗大量资源,废弃带来巨大的资源浪费,产品的报废、回收已经成为我们必须面对的社会问题。目前,国内报废产品拆卸回收行业整体粗放低效,企业在拆卸回收过程中无法兼顾人与机器设备、经济效益与生态环境的协调发展。人机工程学是按照人的特性设计和改善人-机器-环境系统的科学[1]。以人为本,注重安全、效率、环保、方便和舒适的人机工程学的引入,无疑会改善报废产品的拆卸回收过程,使工人作业过程安全而高效,资源得到充分利用,环境问题得到充分的考虑。

1 人机工程学在产品拆卸领域中的发展与应用分析

工作环境是作业基础,机器工具是人作业的主要帮手,因而对拆卸作业工作环境、机器工具和人本身特性及其相互关系的研究非常必要,近年来的研究也取得了一定成果。主要分析人机工程学在产品拆卸工作环境、拆解线布局、拆卸工具、工作姿势等方面的发展和研究情况,并指出进一步研究的方向。

1.1 工作环境设计

根据以往的经验,工作环境好的工厂其产量要超过工作环境差的工厂,同时改善工作环境需要额外的投资。工作环境影响因素很多,如温度、照明、噪声、振动、色彩,同时还要考虑到人的心理和生理条件。结合经济性分析,在产品拆卸作业中需要着重研究的因素主要包括温度、照明和色彩。

(1)作业环境温度。在工业生产中,有利于工作的环境温度是17～31℃,20℃被认为是工作效率最高且相对差错率最低的温度值。此外,作业环境的通风[2]和湿度会对最佳温度有较大影响。高温环境下安全事故率升高而工作效率降低,低温环境下工作效率也会受到影响。但同时很早之前McIntyre D A就通过研究指出,中性温度环境下工作效率并不一定能够达到最高[3]。产品拆卸时,对于手工拆卸操作的灵敏性有一定要求,同时也要避免高温作业存在的安全隐患,微热环境就显得更为适宜。目前,对于微热环境温度的具体量化和调节还有待进一步研究。

(2)车间照明。在不良的采光环境中,作业者不能准确迅速地接受外界信息,易使视觉疲劳,事故频发;在对产品情况有较高辨识要求的的工序工位,也需要高质量照明。但是,一刀切的普遍高质量照明显然会带来较高能耗。实践表明一般照明与局部照明的良好结合,能够节省电能,又能满足照明要求,其1∶5左右的比例也能避免因亮度分布不均而影响视觉功能的弊端[1]。在一定照明范围内,再考虑工人的年龄、任务的反射率、操作的速度和精度以确定照明水平。高劳动强度的产品拆卸作业还要研究通过不同时段的照明度调节来协调疲劳恢复和效率。

(3)工作空间配色。一般工厂除安全警示外,整体配色都显得较为灰暗。环境的色彩对视觉具有很强的影响力,如通过单色设计,然后将其它颜色作为冗余编码信息以提供信息。色彩除去辨识和安全的作用,还具有非常重要的心理暗示作用。心理学研究[4]表明,色彩的纯度越高,对人的刺激就越大,就越易疲劳。暖色可引起瞳孔放大,心脏跳动加快、心情兴奋、扩张炎热的感觉;冷色可引起眼睛的淡漠感觉,心脏、脉搏跳动平稳,给人冷静、收缩和寒冷的感觉;中间色处于兴奋和冷静之间,眼睛不疲劳,给人宁静、柔和与舒适的感觉。故在设计中,颜色不宜过多,纯度不宜过高。能够激发工作热情的色彩也同时促使人更易疲劳,如何配色以协调两者需更多的实践和研究。

1.2 拆解线布局

报废产品拆解回收的一般流程如图1所示,其中预处理主要包括除去产品所包含的有毒或是易造成污染的物质和必要的产品清洗。预处理后,拆卸产品中可重用或可修复零部件和具有回收需求的金属或非金属材料,残余物则破碎分选有回收价值的材料,最后剩下的残渣则一般填埋处理。

图1 产品拆解回收一般流程

针对产品的情况,制定拆解的一般流程,再对产品拆解线的影响因素分析,在此基础上,研究产品拆解线的平衡问题,以确定较为理想的拆解线布局方案。尽管研究拆卸时,研究者会把拆卸类比作为装配的逆过程,但是由于拆卸的对象存在零部件缺失、更换和连接失效等情况,所以即使是同一型号的产品仍然存在差异性,这就使得拆解线的平衡问题和装配线相比更为复杂。厂房设施的布置不论采取哪种布局形式,都应减少迂回、停顿及搬运,使得物流顺畅。在拆卸行业目前多使用的是在装配线得到广泛使用串行式生产线。Karolina Kazmierczak等[5]通过串行式报废汽车拆解线(CRS)试验和研究发现,串行拆解流水线和平行拆解系统相比,在提高生产率和产品质量等方面更具潜力,不足的是串行流生产线的肌肉骨骼疾病的危险有所提高。其主要原因即,串行拆解流水线运转速较快,工序之间的约束性在提高效率的同时也带来持续的高强度劳动负荷。从人机工程学角度看,拆解线平衡问题的目标不应仅仅是效率,还要兼顾劳动强度,适度的劳动强度也有助于维持拆解线的较高速运转和高质量作业。

CRS试验[5]中还发现,由于拆解线布局没有充分考虑拆解对象(汽车)、存放容器(盛放零部件和材料)和非计划范围内零部件的空间需求,实际作业中工具取放和操作者之间的交流成本都大于预期,较大程度的影响了拆卸效率和拆解线周转速度。所以在布局拆解线时,充分考虑拆卸目标零件时可能出现情况,盛放零部件的容器和拆卸工具盒的布置,保证不堵塞的同时尽可能布置紧凑,提高整体效率。

1.3 拆卸工具的设计和选用

据2005年美国对手工作业行业的伤残事故调查显示,在使用手握式工具进行作业时,每年有2、3万人患腕管综合症,每年医药费和伤残费达1.15～2.3亿美元[6]。在产品拆卸研究中,一些学者致力于研发自动化工具以期降低作业强度,如报废汽车拆解中的汽车拆解中轮胎螺母拆解机、全自动轮胎拆解机、报废汽车挡风玻璃自动化切割机等工具。考虑到报废产品拆卸回收回报率较低以及实际拆卸过程中存在很多不确定性因素,因而在产品拆卸的多数工序工位上仍然主要依仗手工工具拆卸,主要使用通用工具和一些专门设计的拆卸工具。通用工具包括扳手、钳子、螺丝刀及一些电动工具。通用工具由于对象不确定,主要是通过系列化设计来满足需要,优化研究的重点在于工具与使用者的关系。在不影响功能的情况下,工具外观设计主要考虑安全提醒、容易识别功用、心理舒适等因素。手柄设计尤为重要,手持工具必须配合人手的轮廓形状,在握持时必须保持适当的腕部和身体姿势,配合用力方向与力度,达到减轻身体荷载的效果。此外手柄处包裹的材料也可以根据热导性、减震性、弹性等性能选取。专用拆卸工具由于对象明确,和通用工具相比需要重点研究工具-产品之间的关系,目的是通过优化设计使拆卸工具易于操作,工作可靠,省工省力,避免操作者受伤,减少目标零部件受损。需要特别指出,工具设计中必须考虑使用人群的区域差异,国外的先进工具也必须经过改良继承才能得到良好的应用。

1.4 工作姿势优化

在拆卸作业中,作业者的姿势主要受到待拆产品、工作台、拆卸工具、作业者本身操作习惯等因素影响。总体来说,为了优化工作姿势,高效操作,减轻操作者负担,采取的手段可以归纳为调整产品姿态位置和调整操作者自身。

(1)调整产品位置姿态。产品体积相对较小时,如手机、电视机、电脑等,一般在工作台上拆卸;产品体积相对较大时,如各种机动车,则不需要工作台或是采用高度较低的工作台。为了减少大角度弯腰等负荷较大且效率较低的工作姿势,借助机械设备来实现产品的提升和旋转等操作显得非常必要。目前通用起重机应用其中的同时,针对具体拆卸对象的专用翻转机、旋转平台、提升机等设备也成为近年来的研究热点。如何高效将笨重产品在翻转机、提升机等设备间转移,以及在可升降工作台基础上实现更大范围及角度调整产品姿态都需要投入更多的研究。

(2)调整拆卸操作者。操作者在拆卸作业中的姿势,可以划分为坐姿和非坐姿。显然假如条件许可,优先考虑坐姿作业。实际上,在拆卸体积相对较小的回收物,操作机器及空闲等待时间,操作者一般坐在座椅上,因而舒适且能满足高效作业姿势的座椅设计非常必要。国内广泛调研发现目前工厂使用的座椅大多数稳定性能不够好,如座椅摇动、椅面光滑、容易倾斜等。工人长期坐姿作业易出现腰酸、腰痛,并且有半数以上的人员休息后症状也得不到缓解[7]。早期,对于座椅的研究,主要是根据人体尺寸来确定适合的座高、座宽和座面倾角等椅子关键尺寸,对于乘坐者的舒适性关注不够。近年来,研究重心转移到座椅舒适性的测量和舒适性评价模型的研究[8],在舒适性基础上设计最优的腰靠曲线和座面及腰靠支撑力分布,以保证坐姿舒适性。浙江大学[9]在座椅的舒适性研究中,提出了一种新的自适应自动调节底盘设计方法。当然,需要明确,在拆卸作业中舒适性也是一个相对概念。由于拆卸作业要求,拆卸时操作者的姿势是前倾的,然而后倾时人更舒适。因而,对于拆卸作业用座椅的研究需要兼顾舒适和效率,最大限度地降低疲劳程度,实现相对舒适。在一些情况,如处理大体积产品时,操作者只得站立作业。站立拆卸作业时,操作者若长时间弯腰工作,静载荷会引起腰部疼痛,而且短时间内很难恢复。合理选用辅助工具配合拆卸工具使用可以减小弯腰幅度,作业者采用多种姿势来完成操作也有利于避免局部疲劳。此外,定期变换工作内容或工作岗位也有利于避免长时间某种作业方式带来的职业病。

2 人机工程学在产品拆卸中存在的问题

基于追逐效率、安全、舒适等目标,人机工程学在产品拆卸领域得到一定程度的应用和发展,仍有一些问题值得关注和进一步研究。

人体测量数据尚不完备。人体测量数据包括静态数据(结构尺寸)与动态数据(功能尺寸),人体测量数据的目的是让机器工具更加适合人体,忽略不同国家或是不同地域的数据差异而直接通用很可能最终影响工作效率,并带来安全隐患。

对人的习惯性缺乏重视。对于人身体的各项数据我们统计的相对完备,然而看不见的习惯则容易被忽视。事实上,人对操作、机器仪表方向、指示或提醒音、坐姿、握姿等都具有一定程度上的习惯性,在设计时忽略这些习惯性,让操作者完全或部分放弃本身习惯遵从另外设计的规则,不仅带来不必要的培训及适应时间,而且这些习惯性对于拆卸过程能否安全作业也具有不可忽视的影响。

3 结 语

人机工程学在改善产品拆卸工作环境,降低疲劳强度,提高作业效率,增强工作安全可靠性等方面也将扮演更为重要的角色。着重从工作环境、拆解线布局、拆卸工具、工作姿势等方面论述了人机工程学在产品拆卸领域中的发展和应用现状,以期为相关研究打下基础。

[1]张宇红.人机工程与工业设计[M].北京:中国水利水电出版社,2011.

[2]崔惟霖,欧阳沁.相同热感觉条件下不同环境温度与风速组合对人体舒适性及工作效率的影响[J].暖通空调,2013(7):68-72.

[3]McIntyre D A.Indoor Climate[M].London:Applied Science Publishers LTD,1980.

[4]杨 静.基于人机工程学的实验室环境色彩设计研究[J].科技创新与应用,2012(34):274.

[5]Karolina Kazmierczak W.Patrick Neumann.A Case Study of Serial -Flow Car Disassembly:Ergonomics,Productivity and Potential System Performance[J].Human Factors and Ergonomics in Manufacturing,2007,17(4):331-351.

[6]朱 强,泳 元.人体工程学与电动工具[J].电动工具,2005 (2):1-10.

[7]何丽华,王 生.部分行业工作座椅调查研究[J].人类工效学,2005,11(2):37-39.

[8]周 敏.座椅舒适度的评价方法与应用[J].人类工效学,2011 (3):64-65+53.

[9]罗仕鉴,何 基,王 健.面向舒适性的自适应自动调节座椅底盘设计[J].机械设计,2013(11):97-100.

Development and Application of Ergonom ics in the Disassembly Field for W aste Product

ZHAIBang-bang1,2,ZHOU Zi-qiang2,3,DAIGuo-hong2,3
(1.School ofMechatronic Engineering,Soochow University,Suzhou Jiangsu 215021,China; 2.Jiangsu Laboratory of Recycling and Reuse Technology forMechanical and Electronic Products,Changshu Jiangsu 215500,China;3.School ofMechanical Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu Jiangsu 215500,China)

In order to employ intensive and large scale approach in the domain of disassembly and recycling of end of life (EOL)product,the currentused simple and extensiveworkingmode should be changed.It is important to design and arrange the overall structure of disassembly equipment and disassembly line in perspective of ergonomic.In this paper,the development and status of ergonomics in the domain of EOL product recycling are introduced and discussed from the perspective of working environment,layout of disassembly line,dismantle tools and working posture.Several problems which needed to be solved also discussed in the paper.

ergonomics;disassembly;working posture

TB18

A

1007-4414(2015)06-0189-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.073

2015-10-16

江苏省科技支撑计划(工业部分)项目资助(编号:BE2013060);苏州市科技计划项目资助(编号:SGZ2013124)

翟棒棒(1990-),男,江苏连云港人,硕士研究生,研究方向:装备优化设计与分析仿真。

戴国洪(1966-),男,江苏吴江人,教授,工学博士,研究方向:数字化制造技术与装备。