基于安全人機(jī)工程學(xué)鞭炮全自動化裝藥機(jī)的評價(jià)與改進(jìn)

肖高禮 熊兌韜

湖南科技大學(xué)能源與安全工程學(xué)院

煙花爆竹主要是利用煙火藥，通過燃燒或爆炸發(fā)出聲、光、色等效果，以供觀賞的火工娛樂產(chǎn)品，是中華民俗的重要組成部分。煙花爆竹產(chǎn)業(yè)具有三個典型特征：傳統(tǒng)文化娛樂產(chǎn)品、勞動密集型產(chǎn)業(yè)、高危險(xiǎn)性產(chǎn)業(yè)。我國是全球最大的煙花鞭炮生產(chǎn)國和出口國，煙花爆竹企業(yè)多，相對集中，但分布廣，是典型的粗放型產(chǎn)業(yè)，特別是爆竹產(chǎn)業(yè)，科技含量低，從業(yè)人員素質(zhì)低，工廠主要分布于農(nóng)村，且生產(chǎn)環(huán)境惡劣。

爆竹機(jī)械的起源是上個世紀(jì)的八十年代，首先是引線機(jī)和卷筒機(jī)的研發(fā)成功和運(yùn)用推廣，九十年代插引機(jī)、全自動結(jié)鞭機(jī)的出臺，近幾年隨著全自動結(jié)鞭——包裝機(jī)和全自動裝藥機(jī)的研究成功并獲得推廣使用，給煙花爆竹行業(yè)引發(fā)了一場新的劃時代的革命?，F(xiàn)在，絕大部分鞭炮生產(chǎn)企業(yè)都使用自動化生產(chǎn)機(jī)械。隨著鞭炮自動生產(chǎn)機(jī)械的普及，工人的作業(yè)負(fù)荷和危險(xiǎn)性大大降低，但是自動機(jī)械的設(shè)計(jì)與制造，主要促進(jìn)勞動效率提高和生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，并沒有在人機(jī)的角度來完善機(jī)械的設(shè)計(jì)，人機(jī)匹配不夠科學(xué)，人機(jī)界面有待優(yōu)化，在工人的作業(yè)舒適度方面還可以大大提高。

人機(jī)工程學(xué)是根據(jù)人的心理、生理和身體結(jié)構(gòu)等因素，研究系統(tǒng)中人、機(jī)械、環(huán)境相互間的合理關(guān)系，以保證人們安全、健康、舒適地工作，并取得滿意效果的一門學(xué)科。本文在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，根據(jù)安全人機(jī)工程的基本研究方法，主要結(jié)合人的生理心理、人體測量及生物力學(xué)和人的可靠性，對鞭炮自動裝藥機(jī)的人機(jī)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)、控制器、顯示器的設(shè)計(jì)作分析評價(jià)，從人機(jī)功能匹配、人機(jī)界面、作業(yè)環(huán)境等方面提出合理建議，使人機(jī)系統(tǒng)協(xié)調(diào)，保障安全健康和提高工作效率，促進(jìn)本質(zhì)安全化。特別是在鞭炮生產(chǎn)機(jī)械更新迅速和國家標(biāo)準(zhǔn)難以制定的情況下，能夠?yàn)楝F(xiàn)階段鞭炮機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的改進(jìn)提供參考。

1 裝藥工藝介紹與人機(jī)功能分配

全自動智能裝藥機(jī)安裝在危險(xiǎn)等級為A2級的裝藥車間，此自動機(jī)械一改傳統(tǒng)的裝藥工藝，由機(jī)器現(xiàn)場即時完成裝土、配藥、混合、裝藥余藥回收及輸送藥餅的全部工作，徹底改變了人工配藥，確保機(jī)器中的存藥量控制在一個相對安全范圍內(nèi)（藥量≤500克），大大降低裝藥作業(yè)高風(fēng)險(xiǎn)。

此機(jī)器安裝在相連的三個車間，四道工序，三人操作，相鄰車間實(shí)現(xiàn)互動作業(yè)，有裝藥間的PLC控制臺對其他兩個車間進(jìn)行視頻監(jiān)控。該自動裝藥系統(tǒng)包括傳送機(jī)構(gòu)、裝土機(jī)、混藥裝藥機(jī)、余藥收集機(jī)和PCL控制系統(tǒng)。

第一道工序（裝土）：一號工人負(fù)責(zé)將未上好藥的空餅放到鞭炮自動傳送機(jī)構(gòu)，由裝土機(jī)完成裝土工序，工人在放餅的過程中還要定時將用纖維袋包裝的黃土倒入裝土漏斗中。

第二道工序（混藥裝藥）：由混藥機(jī)完成，二號工人將四種原料添加到三個不同的混合斗中，機(jī)器把四種原料均勻混合，配置成火藥，經(jīng)過傳送帶運(yùn)輸?shù)窖b藥機(jī)。二號工人同時還要負(fù)責(zé)操作PCL控制臺。裝藥機(jī)將配置好的火藥定量均勻地分配給已經(jīng)裝好黃土的藥餅。

第三道工序（余藥收集）：余藥收集裝置把裝好黃土和火藥的藥餅進(jìn)行初步清掃，將藥餅表面的殘藥清除，收集到余藥裝置。

2 全自動裝藥機(jī)的人機(jī)分析與改進(jìn)

2.1 裝土機(jī)構(gòu)

2.1.1 對裝土機(jī)械漏斗的人機(jī)分析

裝土漏斗有兩個比較突出的問題，一是裝土漏斗的高度為120cm，在工人托舉20kg裝有黃土的纖維袋倒入到裝土漏斗中時，非常吃力，在長時間的工作中，完成此項(xiàng)工作比較難；二是裝土漏斗為鐵皮焊裝，棱角比較分明，易造成工人手臂劃傷。

2.1.2 評價(jià)依據(jù)與改進(jìn)設(shè)計(jì)

裝土工藝中往漏斗中倒20kg黃土?xí)r，每2分鐘就必須重復(fù)一次，根據(jù)表1中可以得出，工人在此項(xiàng)工作中，最大的提舉高度不能夠超過80cm，才能符合男性工人的工作負(fù)荷。漏斗除高度問題以外，其制作業(yè)相應(yīng)簡單，就是簡單的鐵皮焊接工藝，漏斗邊緣和四個角十分鋒利，雖經(jīng)過初磨，但足以劃破手臂和纖維袋。

對于漏斗過高，工作室超過工人負(fù)荷，采用制作一個高110cm×60cm×40cm的踏板，工人站在40cm高的踏板上再執(zhí)行倒土工作，則基本滿足最大可接受提舉重量。且在踏板斜坡上設(shè)置防滑設(shè)計(jì)，坡度為25°，防止工人腳步移動過快而產(chǎn)生腳底打滑，防止與機(jī)械產(chǎn)生碰撞。

對于漏斗邊緣和四角鋒利，現(xiàn)對四角進(jìn)行打磨成圓角狀，再在漏斗邊緣加裝保護(hù)塑料條，使得漏斗邊緣變寬，不再對手臂和化纖袋產(chǎn)生威脅而產(chǎn)生劃傷。

表1 男性不同頻率和高度時的最大可接受提舉重量

2.2 混藥機(jī)

2.2.1 對混藥機(jī)的人機(jī)分析

批刮第一遍膩?zhàn)訒r，大面用靠尺找平，陰陽角用方管靠直，等膩?zhàn)痈闪撕笤龠M(jìn)行下一道工序；第二遍膩?zhàn)优尾⒈砀珊螅?00#砂紙帶水打磨，打磨后需養(yǎng)護(hù)6h以上。批刮此膩?zhàn)映秸妫乐節(jié)B水外，還可以進(jìn)一步保證涂層不開裂。按石材面效果用美紋紙分格，再進(jìn)行下一道工序。

混藥機(jī)（圖1）的功能是通過攪拌裝置，把高氯酸鉀、硫磺、木炭、鋁銀粉均勻的攪拌后通過傳送帶把混合后的藥物均勻配送給每個裝好黃土的藥餅。此混機(jī)械有兩個缺點(diǎn)，第一是混藥漏斗明顯過高，不利于工人雙手托舉補(bǔ)充原料。第二是混藥過程中會產(chǎn)生大量揚(yáng)塵，混藥斗旁粉塵濃度最好，阻礙工人的視線；同時，混藥間比其他車間的粉塵明顯要多。

圖1 混藥機(jī)正視圖

圖2 改裝后的混藥機(jī)側(cè)視圖

表2 男性立姿人體尺寸（單位：mm）

2.2.2 評價(jià)依據(jù)及改進(jìn)設(shè)計(jì)

根據(jù)男性立姿人體尺寸（表2），可以看出，在距離機(jī)械50cm的地方，人的最大手功能高僅為828mm，如果托舉重物，則手功能高度還要降低。

為了克服混藥機(jī)的兩個弊端，一是在混藥機(jī)旁增加一個規(guī)格為120cm×200cm×40cm踏板，如圖2，使得工人有足夠高度來方便工人雙手托舉添加原料。在混藥機(jī)的三個斗上，裝一個塑料制的斗蓋，在添加原料完畢時合上蓋子，可以大大減少攪拌過程中的揚(yáng)塵。

2.3 PCL控制臺

2.3.1 對PCL控制臺的人機(jī)分析

PLC是一種基于數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)、專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的電子控制裝置，它采用可編程序的存儲器，用來存儲用戶指令，通過數(shù)字或模擬的輸入/ 輸出，完成一系列邏輯、順序、定時、記數(shù)、運(yùn)算等確定的功能，來控制各種類型的機(jī)電一體化設(shè)備和生產(chǎn)過程。

PCL是控制臺是用于控制整個自動裝藥系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的裝置，控制臺面板（圖3）由一個數(shù)字計(jì)數(shù)器、急停裝置、一個電路開關(guān)、五個過程控制鍵、四個指示燈和三個視頻顯示器組成?，F(xiàn)PCL控制臺面板視頻顯示區(qū)的斜度為tan40/19，高為69cm，控制臺面板顯示區(qū)的斜度不符合設(shè)計(jì)要求，工人在作業(yè)時，必須離控制臺一定距離才能找到最佳視角，如果要站在控制臺旁，必須彎腰才能使眼睛實(shí)現(xiàn)與屏幕垂直?？刂泼姘宓膶挾葹?0cm,基本符合人體立姿的水平活動范圍。

圖3 PCL控制臺的改裝

圖4 PCL控制臺控制面板

控制臺控制面板（圖4）上的7個按鈕分別“啟動、急停、電路開關(guān)、回收、傳送、攪藥、備用”，還有四個紅色指示燈，紅色指示燈與其他四個相匹配的按鍵大小一致，且顏色都為紅色。啟動鍵和急停鍵在同一個垂直方向，在緊急情況和長時間工作下，很可能操作失誤，導(dǎo)致生產(chǎn)失誤和安全問題。

由于控制臺安裝在混藥車間，此車間的粉塵密度大，粉塵能在短時間內(nèi)將控制臺覆蓋，導(dǎo)致顯示屏不清晰和按鍵指示燈等模糊，也容易導(dǎo)致操作失誤。

2.3.2 評價(jià)依據(jù)及改進(jìn)設(shè)計(jì)

根據(jù)男性立姿人體尺寸表（表2）和人的垂直視野（圖5）測算，可以對控制臺進(jìn)行改裝（圖3），控制臺整體加高29cm，控制面板升高36cm，才能滿足視覺要求。其次，把視頻顯示區(qū)的斜度調(diào)整為45°，工人站在離控制臺30cm左右的區(qū)域可以達(dá)到最佳視角和視距，減少誤讀率。

圖5 人的垂直視野

圖6 PCL控制面板的改進(jìn)

對于控制面板，要對其控制面板進(jìn)行優(yōu)化（圖6），首先是急停與啟動鍵不能夠放置在同一垂直方向，應(yīng)該放在同一水平位置。指示燈與相應(yīng)按鍵的顏色要區(qū)分開來，指示燈的顏色仍舊用紅色，而四個按鍵的顏色適宜用藍(lán)色和黃色相間，且四個按鍵的形狀都適宜用菱形，與指示燈的形狀相區(qū)別。

3 結(jié)束語

本文的數(shù)據(jù)是通過現(xiàn)場拍照和實(shí)地測量得出的，通過對車間機(jī)械、環(huán)境等進(jìn)行安全人機(jī)工程評價(jià)，提出了許多完善辦法和改進(jìn)方法。機(jī)械設(shè)備的進(jìn)一步改造和車間環(huán)境的改善，仍舊需要相關(guān)方面的重視。特別是要完善各種標(biāo)準(zhǔn)。為適應(yīng)機(jī)械在煙花爆竹行業(yè)的投入和使用，《煙花爆竹工廠設(shè)計(jì)安全規(guī)范》、《煙花爆竹勞動安全技術(shù)規(guī)程》等國家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)條款中要從機(jī)械投入生產(chǎn)的質(zhì)量、安全指標(biāo)，使用過程中的安全系數(shù)，使用場所、工序的危險(xiǎn)等級、操作規(guī)程、定員定量等方面及時增補(bǔ)和調(diào)整。在加大新產(chǎn)品的研發(fā)的力度上，另外還要加快煙花爆竹生產(chǎn)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的起草和制定。

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