基于安全人机工程学鞭炮全自动化装药机的评价与改进

肖高礼 熊兑韬

湖南科技大学能源与安全工程学院

烟花爆竹主要是利用烟火药，通过燃烧或爆炸发出声、光、色等效果，以供观赏的火工娱乐产品，是中华民俗的重要组成部分。烟花爆竹产业具有三个典型特征：传统文化娱乐产品、劳动密集型产业、高危险性产业。我国是全球最大的烟花鞭炮生产国和出口国，烟花爆竹企业多，相对集中，但分布广，是典型的粗放型产业，特别是爆竹产业，科技含量低，从业人员素质低，工厂主要分布于农村，且生产环境恶劣。

爆竹机械的起源是上个世纪的八十年代，首先是引线机和卷筒机的研发成功和运用推广，九十年代插引机、全自动结鞭机的出台，近几年随着全自动结鞭——包装机和全自动装药机的研究成功并获得推广使用，给烟花爆竹行业引发了一场新的划时代的革命。现在，绝大部分鞭炮生产企业都使用自动化生产机械。随着鞭炮自动生产机械的普及，工人的作业负荷和危险性大大降低，但是自动机械的设计与制造，主要促进劳动效率提高和生产工艺的改进，并没有在人机的角度来完善机械的设计，人机匹配不够科学，人机界面有待优化，在工人的作业舒适度方面还可以大大提高。

人机工程学是根据人的心理、生理和身体结构等因素，研究系统中人、机械、环境相互间的合理关系，以保证人们安全、健康、舒适地工作，并取得满意效果的一门学科。本文在广泛调研的基础上，根据安全人机工程的基本研究方法，主要结合人的生理心理、人体测量及生物力学和人的可靠性，对鞭炮自动装药机的人机系统的整体设计、控制器、显示器的设计作分析评价，从人机功能匹配、人机界面、作业环境等方面提出合理建议，使人机系统协调，保障安全健康和提高工作效率，促进本质安全化。特别是在鞭炮生产机械更新迅速和国家标准难以制定的情况下，能够为现阶段鞭炮机械设计与制造的改进提供参考。

1 装药工艺介绍与人机功能分配

全自动智能装药机安装在危险等级为A2级的装药车间，此自动机械一改传统的装药工艺，由机器现场即时完成装土、配药、混合、装药余药回收及输送药饼的全部工作，彻底改变了人工配药，确保机器中的存药量控制在一个相对安全范围内（药量≤500克），大大降低装药作业高风险。

此机器安装在相连的三个车间，四道工序，三人操作，相邻车间实现互动作业，有装药间的PLC控制台对其他两个车间进行视频监控。该自动装药系统包括传送机构、装土机、混药装药机、余药收集机和PCL控制系统。

第一道工序（装土）：一号工人负责将未上好药的空饼放到鞭炮自动传送机构，由装土机完成装土工序，工人在放饼的过程中还要定时将用纤维袋包装的黄土倒入装土漏斗中。

第二道工序（混药装药）：由混药机完成，二号工人将四种原料添加到三个不同的混合斗中，机器把四种原料均匀混合，配置成火药，经过传送带运输到装药机。二号工人同时还要负责操作PCL控制台。装药机将配置好的火药定量均匀地分配给已经装好黄土的药饼。

第三道工序（余药收集）：余药收集装置把装好黄土和火药的药饼进行初步清扫，将药饼表面的残药清除，收集到余药装置。

2 全自动装药机的人机分析与改进

2.1 装土机构

2.1.1 对装土机械漏斗的人机分析

装土漏斗有两个比较突出的问题，一是装土漏斗的高度为120cm，在工人托举20kg装有黄土的纤维袋倒入到装土漏斗中时，非常吃力，在长时间的工作中，完成此项工作比较难；二是装土漏斗为铁皮焊装，棱角比较分明，易造成工人手臂划伤。

2.1.2 评价依据与改进设计

装土工艺中往漏斗中倒20kg黄土时，每2分钟就必须重复一次，根据表1中可以得出，工人在此项工作中，最大的提举高度不能够超过80cm，才能符合男性工人的工作负荷。漏斗除高度问题以外，其制作业相应简单，就是简单的铁皮焊接工艺，漏斗边缘和四个角十分锋利，虽经过初磨，但足以划破手臂和纤维袋。

对于漏斗过高，工作室超过工人负荷，采用制作一个高110cm×60cm×40cm的踏板，工人站在40cm高的踏板上再执行倒土工作，则基本满足最大可接受提举重量。且在踏板斜坡上设置防滑设计，坡度为25°，防止工人脚步移动过快而产生脚底打滑，防止与机械产生碰撞。

对于漏斗边缘和四角锋利，现对四角进行打磨成圆角状，再在漏斗边缘加装保护塑料条，使得漏斗边缘变宽，不再对手臂和化纤袋产生威胁而产生划伤。

表1 男性不同频率和高度时的最大可接受提举重量

2.2 混药机

2.2.1 对混药机的人机分析

批刮第一遍腻子时，大面用靠尺找平，阴阳角用方管靠直，等腻子干了后再进行下一道工序；第二遍腻子批刮并表干后，用300#砂纸带水打磨，打磨后需养护6h以上。批刮此腻子除平整基面，防止渗水外，还可以进一步保证涂层不开裂。按石材面效果用美纹纸分格，再进行下一道工序。

混药机（图1）的功能是通过搅拌装置，把高氯酸钾、硫磺、木炭、铝银粉均匀的搅拌后通过传送带把混合后的药物均匀配送给每个装好黄土的药饼。此混机械有两个缺点，第一是混药漏斗明显过高，不利于工人双手托举补充原料。第二是混药过程中会产生大量扬尘，混药斗旁粉尘浓度最好，阻碍工人的视线；同时，混药间比其他车间的粉尘明显要多。

图1 混药机正视图

图2 改装后的混药机侧视图

表2 男性立姿人体尺寸（单位：mm）

2.2.2 评价依据及改进设计

根据男性立姿人体尺寸（表2），可以看出，在距离机械50cm的地方，人的最大手功能高仅为828mm，如果托举重物，则手功能高度还要降低。

为了克服混药机的两个弊端，一是在混药机旁增加一个规格为120cm×200cm×40cm踏板，如图2，使得工人有足够高度来方便工人双手托举添加原料。在混药机的三个斗上，装一个塑料制的斗盖，在添加原料完毕时合上盖子，可以大大减少搅拌过程中的扬尘。

2.3 PCL控制台

2.3.1 对PCL控制台的人机分析

PLC是一种基于数字计算机技术、专为在工业环境下应用而设计的电子控制装置，它采用可编程序的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入/ 输出，完成一系列逻辑、顺序、定时、记数、运算等确定的功能，来控制各种类型的机电一体化设备和生产过程。

PCL是控制台是用于控制整个自动装药系统运行状态的装置，控制台面板（图3）由一个数字计数器、急停装置、一个电路开关、五个过程控制键、四个指示灯和三个视频显示器组成。现PCL控制台面板视频显示区的斜度为tan40/19，高为69cm，控制台面板显示区的斜度不符合设计要求，工人在作业时，必须离控制台一定距离才能找到最佳视角，如果要站在控制台旁，必须弯腰才能使眼睛实现与屏幕垂直。控制面板的宽度为80cm,基本符合人体立姿的水平活动范围。

图3 PCL控制台的改装

图4 PCL控制台控制面板

控制台控制面板（图4）上的7个按钮分别“启动、急停、电路开关、回收、传送、搅药、备用”，还有四个红色指示灯，红色指示灯与其他四个相匹配的按键大小一致，且颜色都为红色。启动键和急停键在同一个垂直方向，在紧急情况和长时间工作下，很可能操作失误，导致生产失误和安全问题。

由于控制台安装在混药车间，此车间的粉尘密度大，粉尘能在短时间内将控制台覆盖，导致显示屏不清晰和按键指示灯等模糊，也容易导致操作失误。

2.3.2 评价依据及改进设计

根据男性立姿人体尺寸表（表2）和人的垂直视野（图5）测算，可以对控制台进行改装（图3），控制台整体加高29cm，控制面板升高36cm，才能满足视觉要求。其次，把视频显示区的斜度调整为45°，工人站在离控制台30cm左右的区域可以达到最佳视角和视距，减少误读率。

图5 人的垂直视野

图6 PCL控制面板的改进

对于控制面板，要对其控制面板进行优化（图6），首先是急停与启动键不能够放置在同一垂直方向，应该放在同一水平位置。指示灯与相应按键的颜色要区分开来，指示灯的颜色仍旧用红色，而四个按键的颜色适宜用蓝色和黄色相间，且四个按键的形状都适宜用菱形，与指示灯的形状相区别。

3 结束语

本文的数据是通过现场拍照和实地测量得出的，通过对车间机械、环境等进行安全人机工程评价，提出了许多完善办法和改进方法。机械设备的进一步改造和车间环境的改善，仍旧需要相关方面的重视。特别是要完善各种标准。为适应机械在烟花爆竹行业的投入和使用，《烟花爆竹工厂设计安全规范》、《烟花爆竹劳动安全技术规程》等国家标准的相关条款中要从机械投入生产的质量、安全指标，使用过程中的安全系数，使用场所、工序的危险等级、操作规程、定员定量等方面及时增补和调整。在加大新产品的研发的力度上，另外还要加快烟花爆竹生产机械行业标准的起草和制定。

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