海水總管螺栓組拆卸作業(yè)人因仿真與分析①

王春雨, 楊 振, 胡小才, 蔣祖華

(1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200240;2.上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

0 引 言

在船舶的日常運(yùn)營(yíng)中，海水總管因?yàn)楹Ｋ母g會(huì)發(fā)生滲漏，需要以五年為周期定期更換[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，允許在虛擬環(huán)境下對(duì)作業(yè)做事前模擬，而無(wú)需建造物理樣機(jī)或等待真實(shí)作業(yè)發(fā)生[2-3]。因此，船舶維修方希望在真實(shí)的更換作業(yè)實(shí)施之前，采用仿真的方法，對(duì)現(xiàn)有管系維修手冊(cè)上的作業(yè)流程進(jìn)行分析并改進(jìn)，并對(duì)作業(yè)空間加以改善。海水總管螺栓組的拆卸是整個(gè)更換作業(yè)的第一個(gè)步驟，通過(guò)與工程師交流和作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)察，發(fā)現(xiàn)可能影響拆卸作業(yè)的工作流程和空間上的潛在問(wèn)題：1)單對(duì)法蘭盤(pán)上一組螺栓數(shù)量可觀(guān)，拆卸一段海水總管至少要對(duì)兩對(duì)法蘭進(jìn)行操作，整個(gè)過(guò)程中存在大量重復(fù)動(dòng)作；2)前方有管路支架上有管路遮擋，可能影響螺栓拆除作業(yè)；3)海水總管與后方隔斷墻之間空間狹窄，可能會(huì)限制維修人員的姿勢(shì)，導(dǎo)致可視性和可達(dá)性不能滿(mǎn)足作業(yè)需求并且易引起作業(yè)者勞損。

針對(duì)上述三個(gè)潛在的問(wèn)題，運(yùn)用CATIAV5軟件，搭建了海水總管拆卸作業(yè)的虛擬場(chǎng)景，分析了拆卸作業(yè)的流程并進(jìn)行了工作時(shí)間改善。運(yùn)用人因工程學(xué)原理[4]的分析，改善了機(jī)艙內(nèi)拆卸現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)空間的遮擋問(wèn)題。使用快速上肢評(píng)估(RULA)對(duì)作業(yè)者的作業(yè)姿勢(shì)進(jìn)行分析打分，對(duì)潛在易傷要點(diǎn)給出警示和改進(jìn)建議。

1 人員作業(yè)的人因分析方法

1.1 MOD法

預(yù)定時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)法(Predetermined Time Standard，PTS)是制定時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)以預(yù)測(cè)工作時(shí)間的技術(shù)。它不是通過(guò)直接觀(guān)察和測(cè)定，而是利用預(yù)先為各種動(dòng)作制定的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定進(jìn)行各種操作所需要的時(shí)間。MOD法是一種常用的PTS方法，根據(jù)操作者的動(dòng)作部位、動(dòng)作距離、工作負(fù)荷等參數(shù)，借助作業(yè)對(duì)象模型、工作環(huán)境布置、操作指南等信息輔助，通過(guò)分析計(jì)算可以確定標(biāo)準(zhǔn)化的操作流程并預(yù)測(cè)完成作業(yè)所需時(shí)間[5]。

使用MOD法對(duì)作業(yè)流程進(jìn)行分析，需要將作業(yè)動(dòng)作分解為由21種人體基本動(dòng)作單元組成的動(dòng)作序列。MOD法中21種人體基本動(dòng)作符號(hào)與動(dòng)作時(shí)間關(guān)聯(lián)，動(dòng)作時(shí)間是MOD的整數(shù)倍，而MOD選取正常人的最低級(jí)、最快速、能耗最少的一次無(wú)負(fù)荷手指動(dòng)作(移動(dòng)2.5cm)耗時(shí)作為單位時(shí)間。因此在分析動(dòng)作序列的基礎(chǔ)上，實(shí)踐中根據(jù)操作者的差異性調(diào)整MOD值即可快速確定當(dāng)前作業(yè)的工作時(shí)間。文中分析取1MOD=0.129s作為基本動(dòng)作時(shí)間[6]。

1.2 快速上肢評(píng)估RULA

在狹窄的空間中進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、大負(fù)荷的手工作業(yè)，易引發(fā)肌肉骨骼損傷(MSD，musculoskeletal disorders)[7]。通過(guò)有效的人因?qū)W評(píng)估來(lái)降低工作過(guò)程中MSDs的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，是目前工作MSDs預(yù)防的一個(gè)主流研究方向，其中快速上肢評(píng)估法(RULA,RapidUpperLimbAssessment)已被證明是一種有效且可靠的評(píng)估分析工具[8]。RULA主要針對(duì)某一作業(yè)姿勢(shì)下的受力狀態(tài)和肌肉施力狀態(tài)進(jìn)行分析，以分?jǐn)?shù)評(píng)估上肢肌肉受傷的風(fēng)險(xiǎn)。

RULA將人體動(dòng)作組成要素分為兩大部分：手腕手臂部分、頸部以下部分，兩部分評(píng)分方法如下[9]：

1) 手腕手臂動(dòng)作評(píng)分：手臂的動(dòng)作要素可分解為上臂偏離中心位置角度與下臂偏離中心位置角度，手腕的動(dòng)作要素是手腕偏離中心位置角度和是否扭轉(zhuǎn)。首先，根據(jù)作業(yè)姿勢(shì)得出上臂、下臂和手腕評(píng)分，上臂評(píng)分、下臂評(píng)分、手腕評(píng)分和手腕扭轉(zhuǎn)評(píng)分綜合得到手腕手臂部分基礎(chǔ)評(píng)分。然后，考慮負(fù)荷狀態(tài)，負(fù)荷不到2 kg 忽略，2-10 kg 間歇?jiǎng)幼饔? 分/靜態(tài)維持或者多次重復(fù)記2 分，10 kg以上或者數(shù)次重復(fù)記3 分。 考慮肌肉施力狀態(tài)，動(dòng)作靜態(tài)持續(xù)時(shí)間超過(guò)1 min 或者每分鐘重復(fù)超過(guò)4 次，肌肉施力程度記1 分。將手腕和手臂姿勢(shì)、負(fù)荷狀態(tài)和肌肉施力程度三項(xiàng)評(píng)分相加即可得到手腕手臂動(dòng)作評(píng)分。

2) 頸部以下動(dòng)作評(píng)分：頸部以下動(dòng)作分解為頸部、軀干、腿部三個(gè)組成。頸部的動(dòng)作要素是頸部偏離中心位置角度，頸部前傾10°到豎直狀態(tài)記1分，前傾10°到20°記2分，前傾大于20°記3分，后仰記4分。軀干的動(dòng)作要素是軀干偏離中心位置的角度，豎直站立至后仰10°或有靠背坐姿后仰20°記1分，豎直站立至前傾20°或無(wú)靠背坐姿后仰20°記2 分，前傾20°至60°記3分，前傾大于60°記4分。腿部動(dòng)作要素是雙腿受力平衡性，雙腿受力平衡記1 分，不平衡記2 分。頸部、軀干和腿部評(píng)分綜合得頸部以下部分基礎(chǔ)評(píng)分。然后，考慮負(fù)荷狀態(tài)，負(fù)荷不到2 kg 忽略，2-10 kg 間歇?jiǎng)幼饔? 分/靜態(tài)維持或者多次重復(fù)記2 分，10 kg以上或者數(shù)次重復(fù)記3 分。 考慮肌肉施力狀態(tài)，動(dòng)作靜態(tài)持續(xù)時(shí)間超過(guò)1 min 或者每分鐘重復(fù)超過(guò)4 次，肌肉施力程度記1 分。將頸部以下部分基礎(chǔ)評(píng)分，負(fù)荷狀態(tài)和肌肉施力程度三項(xiàng)評(píng)分相加即為頸部以下部分動(dòng)作評(píng)分。

將兩大部分的評(píng)分匯總，從表1中可確定當(dāng)前作業(yè)姿勢(shì)的最終評(píng)分。CATIA中集成了基于人體模型的RULA自動(dòng)計(jì)算功能，并且可以展示上臂、下臂、手腕、頸部、軀干五部位的詳細(xì)評(píng)分，1～2分為可接受的，3～4分為需進(jìn)一步調(diào)查，5～6分為需進(jìn)一步調(diào)查并盡快改善，7分為需立即改善的。采用RULA對(duì)作業(yè)姿勢(shì)做靜態(tài)分析。

表1 作業(yè)姿勢(shì)最終評(píng)分表

2 基于CATIA的虛擬作業(yè)場(chǎng)景搭建

使用CATIA中的HumanBuilder功能，創(chuàng)建維修人員的全尺寸模型，生成具有精確結(jié)構(gòu)層次的數(shù)字人體模型，其中人體尺寸數(shù)據(jù)取自《中國(guó)成年人人體尺寸》(GB10000-88)。考慮到標(biāo)準(zhǔn)的采樣數(shù)據(jù)年代較早，因此采用較大百分位范圍(第95百分位)的人體尺寸值。

CATIA中人機(jī)工程學(xué)模塊和機(jī)械設(shè)計(jì)功能無(wú)縫集成，可以直接導(dǎo)入使用CATIA設(shè)計(jì)的三維模型搭建作業(yè)場(chǎng)景。且這些讀入的模型和源文件之間是強(qiáng)關(guān)聯(lián)的[10]，對(duì)模型源文件的修改可以自動(dòng)同步到場(chǎng)景模型中。搭建完成的場(chǎng)景三維渲染如圖1、2所示。

圖1 船艙底層海水總管及周邊管系場(chǎng)景模型渲染圖

圖2 海水總管法蘭部分視圖

3 拆卸作業(yè)的人因仿真與分析

3.1 工作時(shí)間分析

根據(jù)管系拆卸維修手冊(cè)要求，海水管系結(jié)構(gòu)圖，按海水總管拆卸步驟確定拆卸操作，螺栓組拆卸工序的基本步驟過(guò)程如下：

(1)移動(dòng)到作業(yè)平面；

(2)握取電動(dòng)扳手；

(3)定位螺栓；

(4)使用電動(dòng)工具；

(5)去除工具和螺釘；

(6)放置螺釘和螺帽；

(7)放下電動(dòng)扳手；

重復(fù)(1)～(7)。

海水總管間法蘭通過(guò)20對(duì)螺栓相連，圍繞法蘭一周，不同位置的螺栓操作條件差別很大，應(yīng)區(qū)別分析。因此，將拆卸螺栓的情景劃分為4個(gè)操作空間，對(duì)應(yīng)的操作對(duì)象(螺栓)所處位置如圖3所示

圖3 操作空間的劃分

拆卸1號(hào)空間位置的螺栓仿真截圖如圖4所示。

圖4 拆卸螺栓組的仿真模型

在實(shí)例中，電動(dòng)扳手工具重2.2kg，考慮重量因素L1×2；單對(duì)螺栓重量3.9kg，考慮重量因素L1，,放寬設(shè)定為20%。以1號(hào)操作空間為例，改進(jìn)前的單次拆卸螺栓的雙手MOD法分析如表2。

表2 單次拆卸螺栓MOD法分析表

由上表分析可知，一般維修人員采用正常速度進(jìn)行拆卸螺栓的動(dòng)作時(shí)間值為59MOD，即59×0.129=7.61s，考慮放寬20%為t1=9.13s?？紤]到每次操作使用反射動(dòng)作的次數(shù)略有不同，上述分析值也會(huì)有所差別，但浮動(dòng)值一般不超過(guò)0.5s。

維修人員在不同操作空間之間切換，需要移動(dòng)站位和更改姿勢(shì)，但不同的操作空間對(duì)操作時(shí)間的影響不大，因此只考慮移動(dòng)站位和更改姿勢(shì)帶來(lái)的時(shí)間增加。這種切換耗時(shí)受空間限制影響顯著，因此不適用MOD法，取四個(gè)操作空間切換時(shí)間的均值=60s。

綜上，可求得單組(20對(duì))螺栓拆卸作業(yè)耗時(shí)(T)為T(mén)=9.13×20+60×4=422.6s

3.2 工作時(shí)間改善

通過(guò)觀(guān)察，可以發(fā)現(xiàn)以上的作業(yè)流程存在兩個(gè)問(wèn)題：

1)電動(dòng)扳手重量較重，給每一步動(dòng)作都增加了重量因素L1*2；

2)單組螺栓有20對(duì)，考慮整合整組螺栓的操作動(dòng)作，減少一些往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

因此進(jìn)行如下改進(jìn)：

1)使用“伸縮繩”將電動(dòng)扳手懸掛起來(lái)，抵消電動(dòng)扳手帶來(lái)的重量因素L1*2，并減少了電動(dòng)扳手和對(duì)象螺栓之間的距離，可以降低單次拆卸螺栓抓取電動(dòng)扳手的大臂動(dòng)作M4為小臂動(dòng)作M3，如圖5所示；

圖5 使用伸縮繩懸掛的電動(dòng)扳手

2)整合整組螺栓的操作動(dòng)作，將“單次拆卸螺栓”作業(yè)分解為“擰松螺栓”和“擰下螺栓”兩步子作業(yè)，然后重復(fù)兩步子作業(yè)，兩步新動(dòng)作的MOD分析如表3所示，如此可減少拆卸整組螺栓移動(dòng)電動(dòng)扳手的總次數(shù)。

表3 “擰松螺栓”和“擰下螺栓”MOD法分析表

圖6 改進(jìn)前后動(dòng)作流程示意圖

3.3 作業(yè)空間仿真與分析

由于海水總管所處機(jī)艙底層，油路、水路、冷卻水路的管路集中于此，因此在海水總管周邊形成了遮擋，維修人員可活動(dòng)空間有限。為保障作業(yè)，需要拆除一些遮擋物、改進(jìn)工具布置，創(chuàng)造合適的作業(yè)空間，使維修人員可以對(duì)操作對(duì)象進(jìn)行良好觀(guān)察和充分活動(dòng)，稱(chēng)之為“可達(dá)性分析”。廣義上的“可達(dá)”包括三個(gè)方面的內(nèi)容：

1) 實(shí)體可達(dá)，維修人員應(yīng)能夠接觸目標(biāo)件。

2) 視覺(jué)可達(dá)，維修人員應(yīng)能夠看得到目標(biāo)件以及自己的操作動(dòng)作，如在目視情況下進(jìn)行的視覺(jué)定位動(dòng)作、連續(xù)動(dòng)作、逐次動(dòng)作和反復(fù)動(dòng)作等。

3) 作業(yè)空間可達(dá)，維修人員應(yīng)能夠有足夠的操作空間，根據(jù)人體尺寸設(shè)計(jì)，作業(yè)空間應(yīng)大于人體最小作業(yè)空間。

CATIAV5的人機(jī)工程學(xué)模塊中提供了實(shí)時(shí)生成虛擬人員視野的功能，用于判斷維修部位是否視覺(jué)可達(dá)；提供了可達(dá)包絡(luò)(Reach Envelope)的生成功能，用球狀面描述了人體上肢能觸及到的范圍，其中包含了碰撞檢測(cè)算法，可以精確判斷維修部位是否實(shí)體可達(dá)。

圖7所示是四種操作空間維修人員姿態(tài)的可視性分析，在現(xiàn)行作業(yè)姿勢(shì)下，視角可以覆蓋操作工具和操作對(duì)象，不構(gòu)成障礙。

圖7 四種操作空間的可視性分析

圖8所示是四種操作空間維修人員姿態(tài)的可達(dá)性，其中1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)操作空間維修工人活動(dòng)空間充足，站立原點(diǎn)四周空間大于人體最小作業(yè)空間，不會(huì)對(duì)拆卸作業(yè)構(gòu)成障礙。3號(hào)操作空間在滿(mǎn)足實(shí)體可達(dá)及視覺(jué)可達(dá)條件時(shí)，沒(méi)有合理的姿勢(shì)能夠保證作業(yè)空間可達(dá)，分析后認(rèn)為，可考慮拆除作業(yè)位置背側(cè)的一根管路支架，以改善作業(yè)空間大于人體最小作業(yè)空間。

圖8 四種操作空間的可達(dá)性

3.4 作業(yè)姿勢(shì)的RULA評(píng)估

海水總管周邊空間狹窄，如圖9，限制了作業(yè)者的作業(yè)姿勢(shì)，維修手持電動(dòng)扳手對(duì)螺栓組進(jìn)行操作時(shí)，身體部位疲勞積累易導(dǎo)致勞損和效率降低。采用RULA對(duì)作業(yè)姿勢(shì)進(jìn)行評(píng)估，預(yù)測(cè)作業(yè)中易發(fā)生MSD的脆弱點(diǎn)，針對(duì)性地提出預(yù)防措施。

圖9 應(yīng)用預(yù)防措施后預(yù)測(cè)RULA分析結(jié)果

拆卸螺栓組的作業(yè)姿勢(shì)可以歸納為站立拆卸和蹲坐拆卸兩種。圖10-a是維修人員站立拆卸姿勢(shì)的復(fù)現(xiàn)，圖10-b和圖10-c分別是左右側(cè)肢體RULA分析。由評(píng)估可知，維修人員兩側(cè)肢體中手腕評(píng)分均較高，說(shuō)明握持電動(dòng)扳手操作時(shí)手腕是脆弱點(diǎn)，應(yīng)避免手腕扭轉(zhuǎn)姿勢(shì)并使用保護(hù)器具；右前臂和肌肉負(fù)荷狀態(tài)是上肢部分另兩處風(fēng)險(xiǎn)較高的部分，主要因素為電動(dòng)扳手的重量帶來(lái)的負(fù)荷，采用3.2節(jié)中的方法將電動(dòng)扳手懸掛以分散重量影響，可以將肌肉負(fù)荷降低一個(gè)檔次；頸部以下部分評(píng)估需要注意，主要因素為該姿勢(shì)長(zhǎng)久靜態(tài)保持導(dǎo)致的脆弱，縮短工作時(shí)間配合作業(yè)間休息可有效降低該部位的風(fēng)險(xiǎn)。采取上述改進(jìn)后，再次進(jìn)行RULA分析，如圖11，顯著降低了各部位的評(píng)估，可以證明預(yù)防性措施的有效性。

圖10 站立拆卸作業(yè)姿勢(shì)與左右側(cè)RULA分析

圖11 海水總管與海水濾器連接法蘭

圖12-a是維修人員蹲坐拆卸姿勢(shì)的復(fù)現(xiàn)，圖12-b和圖12-c分別是左右側(cè)肢體RULA分析。由評(píng)估可知，蹲坐姿勢(shì)時(shí)的維修人員主要的易傷風(fēng)險(xiǎn)來(lái)自于肌肉負(fù)荷，因此將電動(dòng)扳手的重量分散配合作業(yè)間休息可有效削減MSD的風(fēng)險(xiǎn)，如圖13，肌肉負(fù)荷減輕后可以看到該作業(yè)姿勢(shì)下的脆弱顯著下降。

圖12 蹲坐拆卸作業(yè)姿勢(shì)與左右側(cè)RULA分析

圖13 應(yīng)用改進(jìn)措施后預(yù)測(cè)RULA分析結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)海水總管螺栓組拆卸作業(yè)這一狹窄空間內(nèi)的人工作業(yè)，首先通過(guò)對(duì)作業(yè)空間及空間內(nèi)設(shè)備的尺寸進(jìn)行測(cè)量，利用CATIA軟件搭建了工作場(chǎng)景的虛擬模型。在工作場(chǎng)景模型里加入人體模型，并據(jù)此對(duì)待分析作業(yè)進(jìn)行工作時(shí)間分析、作業(yè)空間仿真和作業(yè)姿勢(shì)評(píng)估，最終經(jīng)優(yōu)化與驗(yàn)證后可形成標(biāo)準(zhǔn)工作流程、結(jié)構(gòu)障礙物設(shè)計(jì)修正建議、易傷風(fēng)險(xiǎn)警示與預(yù)防等成果。上述工作可總結(jié)為拆卸作業(yè)人因工程學(xué)仿真和分析的一般流程，如圖14。

圖14 拆卸作業(yè)人因工程學(xué)仿真分析的一般流程

應(yīng)用人因工程學(xué)的原理和方法,結(jié)合工程師訪(fǎng)談和管系維修手冊(cè),對(duì)現(xiàn)行拆卸作業(yè)流程的工作時(shí)間進(jìn)行了分析，采用懸掛工具和重新排定動(dòng)作順序的方法，改善了作業(yè)時(shí)間。并利用CATIAV5軟件的人機(jī)工程學(xué)模塊，分析了作業(yè)空間的視覺(jué)可達(dá)性和空間可達(dá)性，評(píng)估了站立拆卸和蹲坐拆卸兩種作業(yè)姿勢(shì)。由于人體尺寸的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推出年代較早，依據(jù)該尺寸建立的人體模型只能做預(yù)測(cè)性的分析，如果在下一步的應(yīng)用中加入對(duì)目標(biāo)維修人員群體人體尺寸的考慮，可以提供更加準(zhǔn)確地改進(jìn)建議。