鑄件打磨工人姿勢分析及改善研究

李 良，肖 軍，劉芷言，李路云

(西南交通大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，四川 成都 610031)

鑄造產(chǎn)業(yè)在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中擁有不可替代的地位，但經(jīng)過多年的發(fā)展，鑄造工廠依然存在工作環(huán)境差、勞動強度大等問題。2012年的報告顯示，我國共有120萬鑄造從業(yè)人員，其中打磨人員約占12%，從業(yè)人員眾多[1]。調(diào)查顯示，鑄造打磨工人的骨骼肌肉疾患非常嚴(yán)重，多個部位的年患病率超過60%，其中腰部的年患病率高達(dá)90%[2]。而不科學(xué)的工作姿勢是導(dǎo)致骨骼肌肉疾患的主要危險因素[3-4]，對工作姿勢進(jìn)行科學(xué)分析并針對分析結(jié)果進(jìn)行改善是減輕員工姿勢負(fù)荷的一個重要途徑[5-6]。

OWAS(Ovako working posture analysis system)是由芬蘭Ovako鋼鐵公司在1974年提出的觀察工作時身體姿勢的方法，用于評估不同姿勢對人體骨骼肌肉系統(tǒng)的傷害程度[7]。OWAS使用簡單的抽樣技術(shù)提供可靠和有效的分析結(jié)果，使姿勢負(fù)荷的評估標(biāo)準(zhǔn)化，有助于改進(jìn)或重新設(shè)計工作空間[8-10]。隨著OWAS的推廣，研究者發(fā)現(xiàn)，使用攝像機在工作現(xiàn)場錄制視頻，再利用計算機輔助分析工作姿勢更加高效和準(zhǔn)確。借助視頻的分析對現(xiàn)場作業(yè)人員的干擾很小，結(jié)果更可靠。這不僅可以識別危險姿勢，還可以識別導(dǎo)致危險姿勢的因素[11]。

國內(nèi)的研究人員運用OWAS研究選煤工人、公交車司機和建筑工人等群體的作業(yè)姿勢[12-14]，但很少有人針對分析結(jié)果給出完善的解決方案，也沒有關(guān)于鑄件打磨工人工作姿勢負(fù)荷的研究。因此，有必要對打磨工作進(jìn)行分析，并采取改進(jìn)措施以減輕打磨工人的肌肉骨骼疾患。

為減輕打磨工人的工作負(fù)荷，本文采用OWAS分析打磨作業(yè)姿勢，結(jié)合人體尺寸數(shù)據(jù)和打磨作業(yè)的現(xiàn)實約束條件設(shè)計適用于打磨作業(yè)的工作平臺，并采用Jack軟件對其進(jìn)行驗證。

1 打磨作業(yè)姿勢分析

1.1 OWAS簡介

OWAS基于大量的工程實踐，將身體分為背部、上肢和下肢三大部位，每個部位又分為若干姿勢，同時考慮工作時的物理負(fù)荷量。各身體部位的編碼及具體編碼規(guī)則如圖1所示。例如，編碼4241表示的姿勢為背部彎曲及扭轉(zhuǎn)，上肢單臂高于雙肩，下肢雙腳站立且腿彎曲，物理負(fù)荷<10 kg，該姿勢為AC4級。

圖 1 姿勢編碼示意圖Figure 1 Schematic diagram of postural coding

對作業(yè)人員工作姿勢觀察后按圖1所示的規(guī)則編碼，再對照圖2進(jìn)行危險性評估，評估結(jié)果按其嚴(yán)重程度分為AC1~AC4 4個等級。

圖 2 姿勢等級對照圖Figure 2 Posture level comparison diagram

1.2 分析對象及工具

打磨工作由工人手持砂輪機完成。打磨1個鑄件一般分為4個階段。1) 準(zhǔn)備階段。調(diào)整工具和用錘子去除氣眼針等容易去掉的部分，用時10 ~ 30 s。2) 大砂輪機打磨。主要階段，占50%以上時間。3) 用小砂輪機進(jìn)行局部打磨。4) 用小磨頭對要求較高的部位精磨。各階段操作過程中會進(jìn)行工具更換等輔助性工作。

選擇男性和女性打磨工人各2人，年齡為30 ~40歲，工齡≥3年，打磨對象為H鑄造廠靜壓車間的4個代表性產(chǎn)品。由經(jīng)過培訓(xùn)的基層管理人員在工作現(xiàn)場使用數(shù)碼攝像機錄制視頻，在4天內(nèi)分別對4個產(chǎn)品連續(xù)記錄2次打磨過程，錄像總時長為67 min。

基于視頻的姿勢分析，采用不大于10 s的采樣間隔[15]。因此，本文每隔5 s截取1張工作姿勢，共取得788張姿勢圖片。去除畫面模糊及無人作業(yè)等無效圖片，共獲得745張有效姿勢圖片，逐一按規(guī)則進(jìn)行編碼、記錄，經(jīng)整理后使用Excel電子表格進(jìn)行統(tǒng)計分析。

1.3 分析結(jié)果

1.3.1 姿勢編碼分析

對745張姿勢圖片中的工作姿勢進(jìn)行編碼，共出現(xiàn)14個不同的姿勢編碼，統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示。雖然工人在打磨時會不停地移動和變換姿勢，但打磨的姿勢分布很集中，背部彎曲及雙腳站立且彎曲的214x類姿勢達(dá)到了70%，對身體損傷更嚴(yán)重的背部彎曲且扭轉(zhuǎn)及雙腳站立且彎曲的414x類姿勢占比為16%。對每個姿勢編碼進(jìn)行評級，統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示。AC3級(引起明顯勞累)占比最多，達(dá)到了70%；其次是AC4級(明顯能引起高度勞累)，占比為16%；正常的AC1級姿勢僅占3%。統(tǒng)計分析顯示打磨工作的姿勢負(fù)荷極高。打磨工作典型的姿勢如圖5所示。

各身體部位及負(fù)荷的編碼分布如圖6所示。背部編碼為1(站立)31個，2(彎曲)595個，4(彎曲及扭轉(zhuǎn))119個。在現(xiàn)有作業(yè)條件下，打磨工作中95%的背部姿勢均存在彎曲，且50%以上姿勢的彎腰幅度會超過90°，易造成工人腰背部嚴(yán)重受損。下肢編碼1(坐姿)2個，2(站立)85個，4(雙腳站立且腿彎曲)645個，7(走動)13個。與背部姿勢分析類似，打磨工作中86%的下肢姿勢為雙腿站立且彎曲，呈現(xiàn)類似扎馬步的姿勢，也有部分為雙腿下蹲，易造成工人膝部嚴(yán)重受損。

圖 3 姿勢編碼數(shù)量分布Figure 3 Distribution of postural coding quantity

圖 4 姿勢等級分布Figure 4 Distribution of the posture levels

圖 5 典型姿勢示例Figure 5 Typical posture examples

圖 6 各身體部位及負(fù)荷編碼分布Figure 6 Distribution of body parts coding

1.3.2 打磨過程分析

按打磨鑄件的時間順序識別出每一項操作，并記錄對應(yīng)姿勢，經(jīng)分析后有以下發(fā)現(xiàn)：1) 90%的AC1級姿勢出現(xiàn)在準(zhǔn)備階段和工作轉(zhuǎn)換階段；2) 50%的AC2級姿勢出現(xiàn)在不用打磨機的工作中，另外50%出現(xiàn)在大砂輪機作業(yè)階段不進(jìn)行打磨時；3) 用設(shè)備打磨階段的姿勢超過90%為AC3或AC4級；4) 負(fù)荷大于10 kg的姿勢均出現(xiàn)在大砂輪機打磨階段；5) 超過20 kg的負(fù)荷都可以采取簡單措施避免；6) 地面凹凸不平會導(dǎo)致鑄件不穩(wěn)定，打磨過程中用腳踩鑄件保持鑄件穩(wěn)定會導(dǎo)致姿勢負(fù)荷提升至AC4級；7) 缺少合適的工作平臺，更換砂輪片等輔助性工作也須以AC3級姿勢完成。

2 工作平臺設(shè)計

姿勢分析顯示，214x和414x這2類負(fù)荷等級高的姿勢占比高達(dá)86%。消除這2類姿勢，就能大幅降低打磨工作的姿勢負(fù)荷。背部應(yīng)盡量減少彎曲和扭轉(zhuǎn)姿勢，對于無法避免的背部彎曲，應(yīng)控制彎曲的幅度。為減輕膝部受到的壓力，腿部應(yīng)消除站立且彎曲的姿勢，或采取坐姿讓腿部肌肉得到緩解。各打磨階段分析出的問題也應(yīng)考慮。本文根據(jù)以上改善目標(biāo)，設(shè)計適用于打磨工作的平臺。該平臺能使打磨工人以雙腿直立，背部不彎曲或彎曲幅度較小的姿勢完成打磨工作，以此來減輕打磨工作的姿勢負(fù)荷。

2.1 工作平臺高度確定

2.1.1 人體測量數(shù)據(jù)

工作平臺符合作業(yè)人員的個體特征才能使其在工作時處于最佳狀態(tài)，因此設(shè)計時需充分考慮不同個體的人體尺寸。本文需重點考慮的人體測量數(shù)據(jù)為我國成年人人體主要尺寸和立姿人體尺寸，數(shù)據(jù)來源于GB 10000—1988[16]。本節(jié)取GB 10000—1988中成年男性身高第50百分位數(shù)(P50)，即身高為1 686 mm的男性作業(yè)者為對象(下文簡稱男性P50)，設(shè)計適用于打磨工人的工作平臺。

2.1.2 立姿作業(yè)時手高度確定

確定工作平臺高度需先確定個體采用立姿打磨時手的高度。舒適的立姿工作姿勢通常為上臂自然懸垂，肘彎曲成90°且前臂與地面平行[17]。工作面太高會導(dǎo)致手肘長時間上抬而快速疲勞，太低時會顯著增加頸部負(fù)荷。在處理不同工作任務(wù)時，人體的用力分布不同，應(yīng)根據(jù)工作任務(wù)調(diào)整作業(yè)面高度。需要向下用力的立姿工作，手的最佳工作高度為91 cm，重體力作業(yè)時手的最佳工作高度應(yīng)下降至約76 cm[18]。打磨作業(yè)屬于重體力工作，工作時用力方向為向下及向前，但其勞動強度是由長時間的重復(fù)性動作造成的，因此立姿工作時手的高度不宜過低，其高度應(yīng)在76~91 cm。

使用砂輪機工作時，為保證安全，手持砂輪機須與身體保持一定距離。為避免手臂長時間抬舉導(dǎo)致上肢疲勞，身體須前傾一定角度。因此，打磨作業(yè)時的立姿應(yīng)采取下肢直立且上體向前傾15°~30°的姿勢為宜[17,19,20]。打磨的工作性質(zhì)決定了采用水平工作面更好。根據(jù)實踐經(jīng)驗及制造商提示的注意事項，打磨時砂輪片不能平貼鑄件，砂輪片與打磨面應(yīng)該有15°~30°傾角，相應(yīng)地，手臂與水平面角度也為15°~30°。

根據(jù)分析的結(jié)果，結(jié)合人體尺寸數(shù)據(jù)確定了立姿打磨時的工作姿勢示意圖，如圖7所示。圖7中，H1為下肢長，H2為上體長，H3為肩到肘底部的距離，H4為肘部到手功能區(qū)的距離，α1為背部與垂直線角度，α2為小臂與水平線角度，H為手的最佳工作高度。H1= 大腿長+脛骨點高，H2= 肩高?H1，H3= 肩高?肘高，H4= 肘高?手功能高；α1為15°~30°；α2為15°~30°。各名詞具體解釋見國標(biāo)GB 10000?1988。

圖 7 打磨基準(zhǔn)作業(yè)姿勢Figure 7 The basic position of the grinding operation

根據(jù)幾何關(guān)系，得出立姿打磨時手的最佳工作高度計算公式為

經(jīng)計算，在裸足時，男性P50工人立姿打磨時手的最佳工作高度如表1所示。

表 1 打磨作業(yè)手的最佳工作高度Table 1 The optimum working height of the hand in grinding operationmm

2.1.3 打磨工作平臺相對高度確定

工作平臺高度的確定還應(yīng)考慮以下因素。1) 增加l1= 25 mm的鞋底高度；2) 減去砂輪機手持部位與鑄件表面的距離l2，當(dāng)砂輪片與打磨面角度為15°時，l2最小，經(jīng)測量，l2min=140 mm；砂輪片與打磨面角度為30°時，l2最大，l2max= 190 mm；3) 減去鑄件最低高度l3=150 mm。

考慮上述3項因素后，工作平臺高度為

經(jīng)計算，平臺高度尺寸如表2所示，設(shè)計取Lmin為平臺高度。ΔL為在同一位置站立打磨時的操作范圍。

表 2 工作平臺最佳高度Table 2 The optimum height of the tablemm

2.2 工作平臺平面布置

為了使工作平臺能適應(yīng)不同高度、形狀的鑄件和不同身高的工人，本文設(shè)計了如圖8所示的工作平臺表面，圖中外圍的虛線僅用于區(qū)分2個工作區(qū)。

圖 8 工作平臺平面布置圖Figure 8 Layout of the working platform

第1作業(yè)區(qū)包括打磨區(qū)域左側(cè)及周圍A1~A33個站立操作區(qū)。第1作業(yè)區(qū)的打磨面(左側(cè)陰影)尺寸為500 mm×750 mm，適用于打磨高度為150~300 mm的鑄件，其中，A3取地面高度，設(shè)為A3= 0 mm，其余高度以A3為基準(zhǔn)。第2作業(yè)區(qū)包括打磨區(qū)域右側(cè)及周圍B1~B33個站立操作區(qū)。第2作業(yè)區(qū)的打磨面(右側(cè)陰影)尺寸為700 mm×750 mm，適用于打磨高度為300~450 mm的鑄件。站立區(qū)域A1~B3區(qū)的寬度均為500 mm，各區(qū)域高度如表3所示。

平臺還需要考慮以下問題：1) 各操作邊預(yù)留100 mm伸腳空間，平臺面板的厚度取100 mm；2) 平臺表面需留縫隙以便鐵屑下漏回收；3) 作業(yè)面能方便地變換鑄件位置；4) 平臺的表面須平整、穩(wěn)定。為了滿足上述4個要求，平臺的表面四周采用寬100 mm的鐵板，中心空的部位采用固定的?40圓鋼，如圖9所示。

表 3 工作平臺高度及操作區(qū)高度Table 3 The platform height and operating area heightmm

圖 9 工作平臺尺寸圖Figure 9 The size diagram of the working platform

3 座椅設(shè)計

工作臺第1作業(yè)區(qū)工作平臺表面以上150 mm和第2作業(yè)區(qū)工作平臺表面以上300 mm不宜采用立姿工作，但這些較低的位置也有鑄件部位需要局部打磨或者用小打磨機及小磨頭精磨。這些部位采用坐姿更合適，本文設(shè)計了與工作平臺配套使用的椅子。

A1/B1區(qū)域由于站立面較高，此區(qū)域僅采用立姿進(jìn)行打磨。正常坐姿時上臂自然下垂，肘彎曲成90°，前臂與需打磨的工作面最上端相平即為舒適的姿勢[15]。將第2作業(yè)區(qū)的B2/B3區(qū)在0~300 mm高度分為0~150 mm段(下部)和150~300 mm段(上部)，分別配置座椅。經(jīng)計算得出各區(qū)域所需座椅的尺寸如表4所示。

正常男性鞋子長度為240~270 mm，在B2、B3區(qū)采用坐姿時，為使工人雙腿能舒適地自然下垂，需從2個方面對平臺進(jìn)一步完善。具體措施如下。1) 將B2、B3區(qū)對應(yīng)的平臺支撐墻體(圖10陰影部分)的一部分后移，虛線部位即為改進(jìn)后留出的空間；2)B2和B3站立區(qū)域兩側(cè)留出容腳空間，具體尺寸如圖10所示。

表 4 椅子高度表Table 4 The chair height

圖 10 工作平臺底面布局Figure 10 The bottom layout of the work Platform

4 方案驗證

通過Rhino 6.0建立工作平臺三維模型，并將其導(dǎo)入Jack 8.2軟件進(jìn)行改善后的作業(yè)姿勢驗證，模型如圖11所示。由于涉及單位隱私，且單個產(chǎn)品也無法集中所有特征，在驗證時本文虛擬了1個能概括地示意所有需要操作的產(chǎn)品模型，模型如圖12所示。操作人員選擇中國男性P50，作業(yè)工具根據(jù)實際產(chǎn)品尺寸建模。小磨頭與小砂輪機在外形和操作方面類似，在驗證時將這2種工具視作1種。

選擇在A3區(qū)驗證大砂輪機立姿打磨產(chǎn)品a面(高度150 mm)、b面(高度200 mm)的作業(yè)姿勢；在A3區(qū)和B2區(qū)驗證大砂輪機坐姿打磨產(chǎn)品c面(高度30 mm)的作業(yè)姿勢，在A3區(qū)和B2區(qū)驗證小磨頭坐姿打磨c面、d面(高度180 mm)的作業(yè)姿勢。

驗證結(jié)果如下。1)立姿手持大砂輪機作業(yè)時，約80%的姿勢編碼為2121或2122(AC2)，20%輔助姿勢為1121(AC1)；2)坐姿手持大砂輪機作業(yè)時，約85%的姿勢編碼為2111(AC2)，15%為1111(AC1)；3)使用小型機械作業(yè)時，約80%的姿勢編碼為1111(AC1)，剩余20%為2111(AC2)。

結(jié)合第1節(jié)視頻分析中具體的打磨對象，每個產(chǎn)品分析1次打磨過程，分階段統(tǒng)計分析，改善前后各階段的姿勢分布如表5所示。改善前，引起明顯勞累的AC3和明顯引起高度勞累的AC4級的姿勢合計占83.72%；改善后，正常的AC1級姿勢占42.33%，引起勞累的AC2級姿勢占57.67%，消除了AC3和AC4級姿勢。

圖 11 模型展示Figure 11 Model display

圖 12 虛擬產(chǎn)品尺寸示意圖Figure 12 The size diagram of the virtual product

表 5 打磨作業(yè)分階段姿勢統(tǒng)計表Table 5 The phased postures of grinding operation

5 結(jié)束語

生產(chǎn)實踐中很多習(xí)以為常的操作習(xí)慣、方法都存在很強的姿勢負(fù)荷。本文運用OWAS分析了打磨作業(yè)的姿勢負(fù)荷，并設(shè)計了適用于打磨工人的工作平臺。該工作平臺使原占比83.72%的AC3、AC4級姿勢降低至0，大幅改善鑄造工人的姿勢負(fù)荷，這對生產(chǎn)實踐有積極的意義。