人因工程在封箱作业中的应用

吴桂良，张德迪，叶 蔚，赵鹏浩，宋 韬

（浙江中烟工业有限责任公司杭州卷烟厂，浙江杭州 310024）

1 装置概况

近年来，国内制造业发展迅速，正逐步转向自动化生产，并向智能化生产发展。在越来越多机械设备被应用在生产中的同时，人机交互的安全性、简易型、舒适性更多地被关注，人因工程正逐步渗入到机械设计、作业空间设计和生产加工中[1]。

浙江中烟杭州卷烟厂是全国500家最佳经济效益最大经营规模工业企业之一，创建于1949年10月，也是全国烟草行业36家重点工业企业之一和杭州市重点培育发展的26家大企业大集团之一。杭州卷烟厂在异地技改后，卷包车间配备有自动化程度较高的卷烟机、包装机、封箱机等设备组成的自动化卷烟生产线，装备水平达到国际先进水平，生产过程中严格施行6S管理（6S即整理SEIRI、整顿SEITON、清扫SEISO、清洁SEIKETSU、素养SHITSUKE、安全SECURITY），生产效率大幅提高，生产环境明显改善，员工工作强度也得到降低。但在长期的生产过程中部分车间生产人员身体上仍出现一定的劳动损伤，不仅会影响工作效率，还会对个人造成难以弥补的健康问题。本文从人因工程的角度对半自动封箱作业进行分析，对改善封箱机作业人员的劳动情况给出建议。

2 研究内容及方法

根据作者的现场观测，封箱机作业内容重复性极高，存在弯腰和搬取重物等作业动作，且很少进行人员轮换，容易造成作业人员的腰肌劳损和肩部损伤[2]。在调研期间，半数以上的封箱机作业人员表示从事该作业后出现腰部酸痛的情况。卷包车间的人员出勤数据显示，封箱机作业人员在生产任务紧张的工期中，请假和休假的比例明显高于其他工位的作业人员，这说明长时间的封箱作业会对身体造成一定的损伤。本文将使用人因工程和工业工程的理论及研究方法对封箱机的作业动作和作业空间进行研究，期望提出有效的改进方案，缓解封箱机作业人员的作业压力，提高作业效率。

2.1 模特法

模特法（即MOD法，是Modular Arrangement of Predetermined Time Standard的缩写）是工业工程中常用来判断工序作业时间和作业效率的工具，主要研究分析人在进行各种操作时的身体动作，以消除多余的动作、减轻小动强度，使操作简便更有效，从而制定出最佳的动作程序，调高作业效率[3]。其单位为MOD（表示用手指的第三个关节前的部分进行的动作，每动作一次时间值为1 MOD），本文中1 MOD按0.127 s计算。

2.2 OWAS工作姿势分析

OWAS（Ovako Working Posture Analysis System，工作姿势分析系统）工作姿势分析可用来判断工作姿势有害等级，识别某些工作姿势对作业人员带来的骨骼肌肉风险[4]，常用于工业生产[5-6]、机械设计[7]、作业空间布局设计[8]中，是对某一作业姿势依次根据背、手臂、脚和负重情况进行评价、分级，并最终编制出4位代码，并以此对作业姿势进行整体评价。作业姿势根据舒适程度共分为4个等级：第一级为正常作业姿势（AC1），不需要改进；第二级为轻微有害等级，引起劳累，需要阶段性改进（AC2）；第三级为有害作业姿势，引起明显劳累，需要尽快改进（AC3）；第四级为非常有害姿势，明显引起过度劳累，需要马上改进（AC4）。OWAS等级分类如图1所示。

图1 OWAS等级分类表

3 封箱机作业研究

3.1 封箱机作业人员的当前作业情况

目前，车间内封箱机有两种型号，一种是立式封箱机，另一种是卧式封箱机。两种机器封箱机操作人员，都需要弯腰将放置在托盘上的纸盒拿起放置在置物平台，其中卧式封箱机需要从右侧拿起纸箱走两步至卧式封箱机处，从机器左侧将纸盒放置在置物平台上，并确保箱纸放置平整（图2）。

图2 封箱机作业

3.2 作业分析

3.2.1 模特法双手动作分析

对封箱机人工加料作业进行观测和录像，对作业过程进行动作分解，并使用MOD法分析作业过程（表1）。

表1 改善前模特法分析表

3.2.2 OWAS分析

根据动作分析的结果，将单次作业过程分解为3个姿势，拿取姿势、过程（移动）姿势和放置姿势。

（1）抓取姿势中，作业人员背部弯曲，上肢双臂低于肩，下肢双脚站立腿弯曲，负荷为5～10 kg，姿势编码为2142，姿势等级为AC3。

（2）过程姿势中，作业人员背部直立，上肢双臂低于肩，下肢双脚走动，负荷为5～10 kg，姿势编码为1172，姿势等级为AC1。

（3）放置姿势中，作业人员背部扭转，上肢单臂高于肩，下肢单脚站立腿直立，负荷为5～10 kg，姿势编码为3232，姿势等级为AC1。

其中，抓取姿势为明显引起劳累的有害作业姿势，需要尽快进行改善。

3.3 5W1H分析

（1）为什么需要弯腰？是否可以取消？如何取消？

物料摆放位置较低，想要双手获取材料就需要弯腰，且随着物料的消耗，幅度会逐渐加大。调整物料摆放位置，可以减少或取消。

（2）为什么需要移动？是否可以取消？

距离较远，摆放材料的位置距放置台有一定距离，需要移动并调整姿势后将材料放置上去。调整位置，可以取消移动。

（3）为什么左右手的动作不同，是否会对身体产生影响？能否调整至双手一致？

从一侧加入物料，左右手位置不同，导致受力等程度不同。如果正前方放入可以保证双手动作一致，受力均匀。调整作业空间布局，能够做到。

（4）机器操作人员是否固定？是否针对操作者本人进行作业设计？

存在作业人员轮替的情况，最好是使用平均数据来进行作业空间设计，部分位置也可通过机械设计来动态调节。

图3 封箱机作业空间图

3.4 初步改进方案

3.4.1 调整作业现场人、机械、物料的相对位置

当前封箱机人机作业空间中，材料与封箱机储料平台距离较远，需要人员转身并进行移动，才能将物料放置在储料平台上。重新设计作业空间后，作业人员站立在储料平台正对面，物料放置在人员站立位的左侧。根据人因工程的理论，立姿水平作业时，工作人员正常或舒适的作业范围是半径约30 cm的圆弧，若身体前倾，半径可增加到40 cm[2]。因此，考虑到物料的形状大小，储料平台和物料放置区应当与作业人员相距20 cm（图4）。

图4 改进后封箱机作业区域设计图

3.4.2 调整人员站立高度和物料存放高度

（1）当前封箱机的储料平台位置较高，作业人员需要将手臂举过肩膀高度才能将物料放置在储料平台上。根据作业人员的平均身高数据，在作业区域放置脚踏板，增高作业人员站立高度，使得作业平台在作业人员直立时的舒适作业范围内，避免作业过程中手臂举过肩部。

（2）当前作业空间中，承装物料的托盘堆放在地面上，物料高度随使用逐渐下降，作业人员的弯腰幅度逐渐加大，作业效率逐渐下降，身体劳累度不断加重。在托盘下方放置提升装置将物料的存放高度保持在作业人员直立时最低作业的高度之上，能够取消弯腰动作，提高作业效率和减轻作业人员的劳累等级。

3.4.3 提升机的设计思路

提升机的设计原理与天枰相同，在左侧承重板上放置与单次托盘送料等重的配重，右侧承重板上放置物料，右侧承重板下连接弹簧，选取K值恰当的弹簧，使得物料始终处在工厂操作员的肩臂最佳工作范围——重合高度为109～136 cm[2，9]。提升机的简易图如图5所示。

图5 平衡提升机设计简图

3.5 改善后的模特法和OWAS姿势分析对比

3.5.1 改善后的模特法分析

改善后，左右手的模特值相同，各步骤的分析式也相同，左右手动作更加平衡，单次作业减少了27 MOD，即单次作业减少3.48 s，效率提升58.7%（表2）。

表2 改善后模特法分析表

3.5.2 改善后的OWAS姿势分析

（1）改善后，抓取姿势中，作业人员背部直立，上肢双臂低于肩，下肢双脚站立，负荷为5～10 kg，姿势编码为1122，姿势等级为AC1。

（2）过程动作中，作业人员背部直立，上肢双臂低于肩，下肢双脚移动（转身），负荷为5～10 kg，姿势编码为1127，姿势等级为AC1。

（3）放置动作中，作业人员背部直立，上肢双臂低于肩，下肢双脚站立，负荷为5～10 kg，姿势编码为1122，姿势等级为AC1。

（4）改善后，封箱作业过程中减少了弯腰和距离移动，缩短了物料放置距离，平衡了左右手的作业强度，改善后的姿势都属于正常姿势。

4 结论

本文以卷包车间封箱机的作业环境为背景，分析封箱机作业过程中存在的不舒适的作业环境，从人因的角度出发，5W1H和ECRS（Eliminate，Combine，Rearrange，Simplify，取消、合并、调整顺序、简化）原则对作业步骤进行分析，并提出改进的假设，对作业空间进行再设计，通过双手动作和动作姿势研究分析改进后的效果。从理论上分析，改善后单次作业时间减少3.48 s，效率提升58.7%，改善了一个有害作业姿势，有效降低作业人员身体受损伤的程度。