基于Jack的转向架焊接作业人机工效分析研究

□ 钱学鑫

(大连风神物流有限公司 作业管理部,辽宁 大连 116600)

1 概述

目前，我国对于转向架的构架焊接主要采取自动焊接技术，但是由于技术原因，仍然会有企业采用人工焊接，人工焊接就会对作业人员的身心带来很大的伤害。所以，需要对转向架焊接作业进行人机工效分析，提出改善措施，保证人员作业安全。

2 焊接作业虚拟环境建立

转向架构架是由侧梁以及横梁组成，本课题主要是研究构架侧梁的焊接。

2.1 侧梁建模

转向架侧梁是由上、下盖板、前、后立板等部件组成。侧梁的建模主要应用SolidWorks软件中的拉伸，曲面切除、扫描、抽样、放样等特征绘制而成。

2.2 数字人的建立

本课题需要创建三个百分位数的中国男性数字人作为研究对象，选取常用的第五、五十、九十五百分位数的人体尺寸，分别代表矮小的身材、正常身材以及身材高大。

建立后将数字人的作业姿势进行调整，将作业姿势调整为最极限的作业姿势—蹲姿作业。

2.3 虚拟焊接环境建立

将侧梁导入后，对其位置进行调整，创建的虚拟环境如图1焊接虚拟环境所示。

图1 焊接虚拟环境

3 焊接作业人机工效分析

采取极限的焊接作业姿势，会对作业人员身体造成严重的损伤，长期的静态作业会对背部、膝盖等关节造成伤害，具体的伤害情况需要进行下背部、静态强度、工作姿势以及新陈代谢分析。

3.1 下背部分析

下背部分析可以分析出特定环境下人体脊椎的受力对下背部的影响。通过该工具判断仿真工作任务是否符合【NIOSH】的标准以及是否会令工人下背部的受伤概率增加。三个百分位数的分析结果是P5下背部受力为1088N，P50下背部受力为1259N，P95下背部受力为1430N。

把上述三个百分位数数字人之间相比较，可以发现当数字人的百分位数越大时，其背部受到的压力值就越来越接近于给定的标准值。长期竖脊肌受力会造成竖脊肌的劳损，背部僵硬。三者相比较，这个作业姿势更加的不适合人体尺寸较大的作业人员进行作业。

3.2 静态强度预测

静态强度预测可以从动力学角度评估有多少百分比的人能够保持任务中的某一姿势进行工作，从而证明工人是否运用了合适的姿势进行工作。

根据三个百分位数人的分析结果来看，采取蹲姿进行焊接时对于任何百分位数的人都会对手腕、臀部以及膝盖都会造成损伤，手腕处能够完成的百分比从90%降到77%。臀部是从95%降到87%，膝盖与臀部是相同的，人体尺寸越大，能在不受伤害的情况下完成这个动作的人就越少，也就意味着他们受到伤害的机率就越大。在后来进行作业姿势优化的时候应该多加考虑身体尺寸大的作业人员，避免对其产生伤害。

3.3 新陈代谢分析

新陈代谢可以对工人生理及任务情况进行描述，然后分析得出任务新陈代谢需要消耗的能量。根据焊缝的长度以及焊接规定速度，计算出循环时间，循环次数，对焊接任务进行描述。三个百分位数的分析新陈代谢分析结果是P5耗能为2.677kcal/min，P50耗能为2.990kcal/min，P95耗能为3.445kcal/min。

三个分析结果比较，发现在维持身体弯曲消耗的能量是最多的，并且随着人体尺寸的变大，能量消耗也是越来越大，第五十和九十五百分位数的作业人员能量消耗已经超出标准值，超出作业负荷，会产生作业疲劳。

疲劳是影响安全生产的一个重要影响因素。疲劳对于安全生产的影响因素分为以下几种：反应迟钝、判断不准确、操作错误、注意力分散等。

3.4 作业姿势分析

作业姿势可以快速检查工作姿势，评级基于背部、手臂和腿负载要求的工作姿势的不适度。

三个百分位数的作业姿势分析等级均为第三级，级别3属于姿态有不良影响，应该尽快纠正。不良的作业姿势会就会对作业人员的健康产生影响，危害到作业者的健康，所以，必须加以修改。

4 优化方案

从仿真分析结果得出，蹲姿焊接作业对于身材高大的作业人员更加不利。所以，需要针对身材高大的作业人员进行设计，采取较舒适的站姿进行工作，设计操作平台放置转向架构架，在平台上进行焊接作业。

4.1 操作平台高度

设计参数为第九十五百分位数男性肘高X95=1096mm，鞋高修正系数△f=25mm，人站立时工作时较舒适的工作面高度比站立肘关节低1～10cm，在这里我们将取低h=5cm，根据上述数据进行计算，操作台面的高度为1071mm。

4.2 操作平台宽度

作业面是用来放置转向架的，所以工作面的宽度应该根据转向架的宽度而定，转向架的宽度为750mm，人站立时，正常或者舒适作业范围是半径为300mm左右的圆弧，但由于作业人员需要手低于肘高50mm左右范围活动，那么手到身体距离约为200mm,双面工作，所以，将工作面宽度设置为1150mm。

4.3 台阶高度

台阶是为了满足低百分位数的作业人员可以够到操作平台而设计。具体设计参数为H=1071mm，X5=979mm，台阶高度为102mm。

4.4 台阶宽度

根据足长以及安全空间制定台阶的宽度为500mm。

设计后的平台，将平台导入Jack软件，得到新的焊接作业环境如图2改善后虚拟焊接作业环境所示。

图2 改善后焊接作业环境

5 改善后方案仿真

操作平台是针对身材高大的作业人员进行设计的，并且改善前高百分位数的数字人更容易产生伤害，改善后只需对高百分数的作业人员进行分析比较。

5.1 下背部分析

改善前受力最大的是第九十五百分位数的作业人员，从1430N降到了960N，改善后高百分数的作业人员下背部受力值才仅是原来低百分位数受力值，所以说，改善后的结果对高百分数的作业人员还是有所帮助的，改善效果比较显著。

5.2 静态强度预测

改善后不论低百分位数还是高百分位数在这三个关节上均不产生伤害，所以说，对比改善前，改善效果显著。并且这个姿势可以满足任何人体尺寸。

5.3 新陈代谢分析

第九十五百分位数新陈代谢为2.549kcal/min,改善后的新陈代谢结果均在标准值的范围之内，那么就意味着在焊接时并没有超过工作负荷，焊接作业人员属于正常作业。

5.4 工作姿势分析

根据分析结果优化后的作业姿势从级别3：姿态不良需要尽快纠正转变成级别1：姿势正常的，没有需要纠正的必要性，所以说，改善后的作业姿势相对改善前的作业姿势有了很大的提升，作业姿势不再危害人体的健康。

6 结束语

通过改善后的焊接作业情况如下：

①站立时下背部受力最大还是身材高大的作业人员。但是其下背部受力已经降为960N，竖脊肌不再产生较大的作用力，所以，对于下背部的受力得到了很大的改善，不会再产生竖脊肌劳损。

②改善后的各关节完成人数的比例均大于99%，对个关节不再产生威胁。

③新陈代谢分析方面，三个值均为在标准值内，不会产生的疲劳。

④改善后的作业姿势由原来的3级作业姿势，转变成作业姿势为1级，从必须进行改善到不需要改善。

改善后的作业环境已得到提升，对于改善前存在的问题都得到了改善，但是仍然存在一些问题需要改善和提高。

首先，站姿作业虽然可以降低这些方面的损害，但是时间的进行站姿作业，同样会对腿部产生静脉曲张的危害，所以，在这方面仍然需要改善。

其次，本文虽然对作业环境进行了改善，但是仍然不全面，以后需要继续再全面的改善。