廢舊產(chǎn)品拆卸領(lǐng)域人機(jī)工程學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用*

翟棒棒,周自強(qiáng),戴國洪*

(1.蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江蘇蘇州 215021;2.江蘇省機(jī)電產(chǎn)品循環(huán)利用技術(shù)重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室,江蘇常熟 215500; 3.常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,江蘇常熟 215500)

廢舊產(chǎn)品拆卸領(lǐng)域人機(jī)工程學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用*

翟棒棒1,2,周自強(qiáng)2,3,戴國洪*2,3

(1.蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江蘇蘇州 215021;2.江蘇省機(jī)電產(chǎn)品循環(huán)利用技術(shù)重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室,江蘇常熟 215500; 3.常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,江蘇常熟 215500)

為了實(shí)現(xiàn)廢舊產(chǎn)品的規(guī)模化和集約化的拆解與回收,目前簡單粗放的工作模式迫切需要改變。必須從人機(jī)工程學(xué)的角度來設(shè)計(jì)和布置拆解設(shè)備、拆解線的總體結(jié)構(gòu)。從廢舊產(chǎn)品拆卸過程中的工作環(huán)境、拆解線布局、拆卸工具、工作姿勢等方面分析了人機(jī)工程學(xué)在產(chǎn)品拆卸領(lǐng)域中的發(fā)展和研究現(xiàn)狀,并在此基礎(chǔ)上討論了產(chǎn)品拆卸中人機(jī)工程學(xué)研究存在的問題。

人機(jī)工程學(xué);產(chǎn)品拆卸;工作姿勢

0 引 言

大量的廢舊產(chǎn)品對我國的環(huán)境造成了嚴(yán)重威脅,同時生產(chǎn)產(chǎn)品消耗大量資源,廢棄帶來巨大的資源浪費(fèi),產(chǎn)品的報(bào)廢、回收已經(jīng)成為我們必須面對的社會問題。目前,國內(nèi)報(bào)廢產(chǎn)品拆卸回收行業(yè)整體粗放低效,企業(yè)在拆卸回收過程中無法兼顧人與機(jī)器設(shè)備、經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。人機(jī)工程學(xué)是按照人的特性設(shè)計(jì)和改善人-機(jī)器-環(huán)境系統(tǒng)的科學(xué)[1]。以人為本,注重安全、效率、環(huán)保、方便和舒適的人機(jī)工程學(xué)的引入,無疑會改善報(bào)廢產(chǎn)品的拆卸回收過程,使工人作業(yè)過程安全而高效,資源得到充分利用,環(huán)境問題得到充分的考慮。

1 人機(jī)工程學(xué)在產(chǎn)品拆卸領(lǐng)域中的發(fā)展與應(yīng)用分析

工作環(huán)境是作業(yè)基礎(chǔ),機(jī)器工具是人作業(yè)的主要幫手,因而對拆卸作業(yè)工作環(huán)境、機(jī)器工具和人本身特性及其相互關(guān)系的研究非常必要,近年來的研究也取得了一定成果。主要分析人機(jī)工程學(xué)在產(chǎn)品拆卸工作環(huán)境、拆解線布局、拆卸工具、工作姿勢等方面的發(fā)展和研究情況,并指出進(jìn)一步研究的方向。

1.1 工作環(huán)境設(shè)計(jì)

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn),工作環(huán)境好的工廠其產(chǎn)量要超過工作環(huán)境差的工廠,同時改善工作環(huán)境需要額外的投資。工作環(huán)境影響因素很多,如溫度、照明、噪聲、振動、色彩,同時還要考慮到人的心理和生理?xiàng)l件。結(jié)合經(jīng)濟(jì)性分析,在產(chǎn)品拆卸作業(yè)中需要著重研究的因素主要包括溫度、照明和色彩。

(1)作業(yè)環(huán)境溫度。在工業(yè)生產(chǎn)中,有利于工作的環(huán)境溫度是17～31℃,20℃被認(rèn)為是工作效率最高且相對差錯率最低的溫度值。此外,作業(yè)環(huán)境的通風(fēng)[2]和濕度會對最佳溫度有較大影響。高溫環(huán)境下安全事故率升高而工作效率降低,低溫環(huán)境下工作效率也會受到影響。但同時很早之前McIntyre D A就通過研究指出,中性溫度環(huán)境下工作效率并不一定能夠達(dá)到最高[3]。產(chǎn)品拆卸時,對于手工拆卸操作的靈敏性有一定要求,同時也要避免高溫作業(yè)存在的安全隱患,微熱環(huán)境就顯得更為適宜。目前,對于微熱環(huán)境溫度的具體量化和調(diào)節(jié)還有待進(jìn)一步研究。

(2)車間照明。在不良的采光環(huán)境中,作業(yè)者不能準(zhǔn)確迅速地接受外界信息,易使視覺疲勞,事故頻發(fā);在對產(chǎn)品情況有較高辨識要求的的工序工位,也需要高質(zhì)量照明。但是,一刀切的普遍高質(zhì)量照明顯然會帶來較高能耗。實(shí)踐表明一般照明與局部照明的良好結(jié)合,能夠節(jié)省電能,又能滿足照明要求,其1∶5左右的比例也能避免因亮度分布不均而影響視覺功能的弊端[1]。在一定照明范圍內(nèi),再考慮工人的年齡、任務(wù)的反射率、操作的速度和精度以確定照明水平。高勞動強(qiáng)度的產(chǎn)品拆卸作業(yè)還要研究通過不同時段的照明度調(diào)節(jié)來協(xié)調(diào)疲勞恢復(fù)和效率。

(3)工作空間配色。一般工廠除安全警示外,整體配色都顯得較為灰暗。環(huán)境的色彩對視覺具有很強(qiáng)的影響力,如通過單色設(shè)計(jì),然后將其它顏色作為冗余編碼信息以提供信息。色彩除去辨識和安全的作用,還具有非常重要的心理暗示作用。心理學(xué)研究[4]表明,色彩的純度越高,對人的刺激就越大,就越易疲勞。暖色可引起瞳孔放大,心臟跳動加快、心情興奮、擴(kuò)張炎熱的感覺;冷色可引起眼睛的淡漠感覺,心臟、脈搏跳動平穩(wěn),給人冷靜、收縮和寒冷的感覺;中間色處于興奮和冷靜之間,眼睛不疲勞,給人寧靜、柔和與舒適的感覺。故在設(shè)計(jì)中,顏色不宜過多,純度不宜過高。能夠激發(fā)工作熱情的色彩也同時促使人更易疲勞,如何配色以協(xié)調(diào)兩者需更多的實(shí)踐和研究。

1.2 拆解線布局

報(bào)廢產(chǎn)品拆解回收的一般流程如圖1所示,其中預(yù)處理主要包括除去產(chǎn)品所包含的有毒或是易造成污染的物質(zhì)和必要的產(chǎn)品清洗。預(yù)處理后,拆卸產(chǎn)品中可重用或可修復(fù)零部件和具有回收需求的金屬或非金屬材料,殘余物則破碎分選有回收價值的材料,最后剩下的殘?jiān)鼊t一般填埋處理。

圖1 產(chǎn)品拆解回收一般流程

針對產(chǎn)品的情況,制定拆解的一般流程,再對產(chǎn)品拆解線的影響因素分析,在此基礎(chǔ)上,研究產(chǎn)品拆解線的平衡問題,以確定較為理想的拆解線布局方案。盡管研究拆卸時,研究者會把拆卸類比作為裝配的逆過程,但是由于拆卸的對象存在零部件缺失、更換和連接失效等情況,所以即使是同一型號的產(chǎn)品仍然存在差異性,這就使得拆解線的平衡問題和裝配線相比更為復(fù)雜。廠房設(shè)施的布置不論采取哪種布局形式,都應(yīng)減少迂回、停頓及搬運(yùn),使得物流順暢。在拆卸行業(yè)目前多使用的是在裝配線得到廣泛使用串行式生產(chǎn)線。Karolina Kazmierczak等[5]通過串行式報(bào)廢汽車拆解線(CRS)試驗(yàn)和研究發(fā)現(xiàn),串行拆解流水線和平行拆解系統(tǒng)相比,在提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量等方面更具潛力,不足的是串行流生產(chǎn)線的肌肉骨骼疾病的危險(xiǎn)有所提高。其主要原因即,串行拆解流水線運(yùn)轉(zhuǎn)速較快,工序之間的約束性在提高效率的同時也帶來持續(xù)的高強(qiáng)度勞動負(fù)荷。從人機(jī)工程學(xué)角度看,拆解線平衡問題的目標(biāo)不應(yīng)僅僅是效率,還要兼顧勞動強(qiáng)度,適度的勞動強(qiáng)度也有助于維持拆解線的較高速運(yùn)轉(zhuǎn)和高質(zhì)量作業(yè)。

CRS試驗(yàn)[5]中還發(fā)現(xiàn),由于拆解線布局沒有充分考慮拆解對象(汽車)、存放容器(盛放零部件和材料)和非計(jì)劃范圍內(nèi)零部件的空間需求,實(shí)際作業(yè)中工具取放和操作者之間的交流成本都大于預(yù)期,較大程度的影響了拆卸效率和拆解線周轉(zhuǎn)速度。所以在布局拆解線時,充分考慮拆卸目標(biāo)零件時可能出現(xiàn)情況,盛放零部件的容器和拆卸工具盒的布置,保證不堵塞的同時盡可能布置緊湊,提高整體效率。

1.3 拆卸工具的設(shè)計(jì)和選用

據(jù)2005年美國對手工作業(yè)行業(yè)的傷殘事故調(diào)查顯示,在使用手握式工具進(jìn)行作業(yè)時,每年有2、3萬人患腕管綜合癥,每年醫(yī)藥費(fèi)和傷殘費(fèi)達(dá)1.15～2.3億美元[6]。在產(chǎn)品拆卸研究中,一些學(xué)者致力于研發(fā)自動化工具以期降低作業(yè)強(qiáng)度,如報(bào)廢汽車拆解中的汽車拆解中輪胎螺母拆解機(jī)、全自動輪胎拆解機(jī)、報(bào)廢汽車擋風(fēng)玻璃自動化切割機(jī)等工具?？紤]到報(bào)廢產(chǎn)品拆卸回收回報(bào)率較低以及實(shí)際拆卸過程中存在很多不確定性因素,因而在產(chǎn)品拆卸的多數(shù)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專門設(shè)計(jì)的拆卸工具。通用工具包括扳手、鉗子、螺絲刀及一些電動工具。通用工具由于對象不確定,主要是通過系列化設(shè)計(jì)來滿足需要,優(yōu)化研究的重點(diǎn)在于工具與使用者的關(guān)系。在不影響功能的情況下,工具外觀設(shè)計(jì)主要考慮安全提醒、容易識別功用、心理舒適等因素。手柄設(shè)計(jì)尤為重要,手持工具必須配合人手的輪廓形狀,在握持時必須保持適當(dāng)?shù)耐蟛亢蜕眢w姿勢,配合用力方向與力度,達(dá)到減輕身體荷載的效果。此外手柄處包裹的材料也可以根據(jù)熱導(dǎo)性、減震性、彈性等性能選取。專用拆卸工具由于對象明確,和通用工具相比需要重點(diǎn)研究工具-產(chǎn)品之間的關(guān)系,目的是通過優(yōu)化設(shè)計(jì)使拆卸工具易于操作,工作可靠,省工省力,避免操作者受傷,減少目標(biāo)零部件受損。需要特別指出,工具設(shè)計(jì)中必須考慮使用人群的區(qū)域差異,國外的先進(jìn)工具也必須經(jīng)過改良繼承才能得到良好的應(yīng)用。

1.4 工作姿勢優(yōu)化

在拆卸作業(yè)中,作業(yè)者的姿勢主要受到待拆產(chǎn)品、工作臺、拆卸工具、作業(yè)者本身操作習(xí)慣等因素影響。總體來說,為了優(yōu)化工作姿勢,高效操作,減輕操作者負(fù)擔(dān),采取的手段可以歸納為調(diào)整產(chǎn)品姿態(tài)位置和調(diào)整操作者自身。

(1)調(diào)整產(chǎn)品位置姿態(tài)。產(chǎn)品體積相對較小時,如手機(jī)、電視機(jī)、電腦等,一般在工作臺上拆卸;產(chǎn)品體積相對較大時,如各種機(jī)動車,則不需要工作臺或是采用高度較低的工作臺。為了減少大角度彎腰等負(fù)荷較大且效率較低的工作姿勢,借助機(jī)械設(shè)備來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的提升和旋轉(zhuǎn)等操作顯得非常必要。目前通用起重機(jī)應(yīng)用其中的同時,針對具體拆卸對象的專用翻轉(zhuǎn)機(jī)、旋轉(zhuǎn)平臺、提升機(jī)等設(shè)備也成為近年來的研究熱點(diǎn)。如何高效將笨重產(chǎn)品在翻轉(zhuǎn)機(jī)、提升機(jī)等設(shè)備間轉(zhuǎn)移,以及在可升降工作臺基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更大范圍及角度調(diào)整產(chǎn)品姿態(tài)都需要投入更多的研究。

(2)調(diào)整拆卸操作者。操作者在拆卸作業(yè)中的姿勢,可以劃分為坐姿和非坐姿。顯然假如條件許可,優(yōu)先考慮坐姿作業(yè)。實(shí)際上,在拆卸體積相對較小的回收物,操作機(jī)器及空閑等待時間,操作者一般坐在座椅上,因而舒適且能滿足高效作業(yè)姿勢的座椅設(shè)計(jì)非常必要。國內(nèi)廣泛調(diào)研發(fā)現(xiàn)目前工廠使用的座椅大多數(shù)穩(wěn)定性能不夠好,如座椅搖動、椅面光滑、容易傾斜等。工人長期坐姿作業(yè)易出現(xiàn)腰酸、腰痛,并且有半數(shù)以上的人員休息后癥狀也得不到緩解[7]。早期,對于座椅的研究,主要是根據(jù)人體尺寸來確定適合的座高、座寬和座面傾角等椅子關(guān)鍵尺寸,對于乘坐者的舒適性關(guān)注不夠。近年來,研究重心轉(zhuǎn)移到座椅舒適性的測量和舒適性評價模型的研究[8],在舒適性基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)最優(yōu)的腰靠曲線和座面及腰靠支撐力分布,以保證坐姿舒適性。浙江大學(xué)[9]在座椅的舒適性研究中,提出了一種新的自適應(yīng)自動調(diào)節(jié)底盤設(shè)計(jì)方法。當(dāng)然,需要明確,在拆卸作業(yè)中舒適性也是一個相對概念。由于拆卸作業(yè)要求,拆卸時操作者的姿勢是前傾的,然而后傾時人更舒適。因而,對于拆卸作業(yè)用座椅的研究需要兼顧舒適和效率,最大限度地降低疲勞程度,實(shí)現(xiàn)相對舒適。在一些情況,如處理大體積產(chǎn)品時,操作者只得站立作業(yè)。站立拆卸作業(yè)時,操作者若長時間彎腰工作,靜載荷會引起腰部疼痛,而且短時間內(nèi)很難恢復(fù)。合理選用輔助工具配合拆卸工具使用可以減小彎腰幅度,作業(yè)者采用多種姿勢來完成操作也有利于避免局部疲勞。此外,定期變換工作內(nèi)容或工作崗位也有利于避免長時間某種作業(yè)方式帶來的職業(yè)病。

2 人機(jī)工程學(xué)在產(chǎn)品拆卸中存在的問題

基于追逐效率、安全、舒適等目標(biāo),人機(jī)工程學(xué)在產(chǎn)品拆卸領(lǐng)域得到一定程度的應(yīng)用和發(fā)展,仍有一些問題值得關(guān)注和進(jìn)一步研究。

人體測量數(shù)據(jù)尚不完備。人體測量數(shù)據(jù)包括靜態(tài)數(shù)據(jù)(結(jié)構(gòu)尺寸)與動態(tài)數(shù)據(jù)(功能尺寸),人體測量數(shù)據(jù)的目的是讓機(jī)器工具更加適合人體,忽略不同國家或是不同地域的數(shù)據(jù)差異而直接通用很可能最終影響工作效率,并帶來安全隱患。

對人的習(xí)慣性缺乏重視。對于人身體的各項(xiàng)數(shù)據(jù)我們統(tǒng)計(jì)的相對完備,然而看不見的習(xí)慣則容易被忽視。事實(shí)上,人對操作、機(jī)器儀表方向、指示或提醒音、坐姿、握姿等都具有一定程度上的習(xí)慣性,在設(shè)計(jì)時忽略這些習(xí)慣性,讓操作者完全或部分放棄本身習(xí)慣遵從另外設(shè)計(jì)的規(guī)則,不僅帶來不必要的培訓(xùn)及適應(yīng)時間,而且這些習(xí)慣性對于拆卸過程能否安全作業(yè)也具有不可忽視的影響。

3 結(jié) 語

人機(jī)工程學(xué)在改善產(chǎn)品拆卸工作環(huán)境,降低疲勞強(qiáng)度,提高作業(yè)效率,增強(qiáng)工作安全可靠性等方面也將扮演更為重要的角色。著重從工作環(huán)境、拆解線布局、拆卸工具、工作姿勢等方面論述了人機(jī)工程學(xué)在產(chǎn)品拆卸領(lǐng)域中的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀,以期為相關(guān)研究打下基礎(chǔ)。

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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

江蘇省科技支撐計(jì)劃(工業(yè)部分)項(xiàng)目資助(編號:BE2013060);蘇州市科技計(jì)劃項(xiàng)目資助(編號:SGZ2013124)

翟棒棒(1990-),男,江蘇連云港人,碩士研究生,研究方向:裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析仿真。

戴國洪(1966-),男,江蘇吳江人,教授,工學(xué)博士,研究方向:數(shù)字化制造技術(shù)與裝備。