基于人机工程学的割灌机作业人体疲劳评估及实验研究

发布时间：2020-10-14 11:54

　　 使用割灌机是现代林业和农业劳动经常采用的作业形式,园林工人在清除杂草、修剪灌木时经常使用割灌机来完成绿化作业,农民在收割牧草、小麦、水稻、青稞、桑树等农作物也经常使用割灌机。劳动者在操作便携式割灌机作业时,一般要以一定的姿势负重,暴露在自然环境中,背负质量、作业姿势、机器产生的振动和噪声等会增加劳动者的负荷,造成作业疲劳,极易导致职业病的发生,甚至产生作业事故。因此,基于人机工程学理论,运用精确可靠的评估方法和实验测量工具对割灌机操作者的人体疲劳度进行研究评价十分必要。此项研究可以科学的量化工人的作业疲劳,为确定工人的工作时限、岗位轮换、安全事故防范、职业病预防与治疗等标准提供参考,也是国内外人机工程学专家学者们为降低林业劳动损伤发生率提供有效措施保障而努力的科研方向。本论文便是在此背景下,基于生物力学和数理统计学,对割灌机作业中的人体作业疲劳进行系统的实验与研究,研究要点如下:基于人机工程学与统计学原理,分析在割灌机作业中影响人体作业疲劳的工效学因素,建立割灌机作业人体疲劳度多指标评价体系,确立割灌机作业人体疲劳评价步骤,利用调查问卷、观察法和RULA方法对各评价指标进行评估赋值,用嫡值法和层次分析法对其进行权重指标计算,提出人体疲劳度量化模型并进行求解计算,借助血氧实验验证该量化模型的准确性。运用生物力学与运动学原理,利用动作捕捉技术采集劳动者使用割灌机进行打草作业、割灌木作业和打枝作业的动力学及运动学数据,使用生物力学软件对其进行评价分析;采用生物力学方法,建立割灌机作业中人体在三种工况不同作业姿势下的简化受力模型;利用表面肌电技术对不同作业姿势中人体各躯干肌肉的活动与功能进行实验分析,描述和评估割灌机作业中人体骨骼肌肉疲劳的负荷因子。使用三维坐标系对两种常见割灌机使用不同刀具在发动机怠速运转、低速作业、高速作业时人体的手传振动计权加速度均方根值与振动总值进行测量分析,得出背负式割灌机和侧挂式割灌机使用不同刀具时的(8)阈值,与我国现行职业卫生标准进行比较;应用问卷调查统计法和冷水复温试验方法评估作业工人的白指患病率,利用回归分析评估振动危害症状与工人接振总剂量的关联性。根据人机工程学和工程心理学理论中噪声的客观物理参数测量方法对劳动者每个工作日操作割灌机作业的噪声暴露剂量和噪声频谱进行实际测量和记录,与我国现行职业卫生标准进行比较;选取人体脑电作为噪声对人体心理及生理负荷的影响情况的评价指标,分析割灌机作业现场噪声对劳动者脑电的影响,以及噪声与劳动者作业疲劳度的关联性。基于以上研究,提出割灌机背负架、手把的人机工程学设计原则,建立割灌机作业中的人体上肢模型和手臂运动模型,计算得出割灌机手把长度,提出割灌机减振设计的方法和降噪设计的方法;提出一种基于人机工程学的背负式割灌机改进设计方案,使用人体建模和仿真软件JACK对其进行人机工效仿真评价,使用RULA和OWAS模块对其在不同工况下的作业姿势分别进行人因分析。本研究可为确定劳动者在操作割灌机作业时的人体疲劳度提供参考,为研究作业姿势、振动和噪声对体力劳动能力和生理负荷的影响、割灌机的设计与改进、矫正不良作业姿势、降低作业疲劳、预防和降低职业性骨骼肌肉损伤、振动和噪声危害,改善劳动者的职业健康状况、促进作业安全管理等提供理论依据,是保障我国林业、农业从业者职业健康、增长林业、农业生产能力基础性课题,对农林机械的新科技、新产品研发提供了良好的参考经验,具有重要的理论价值和现实意义。
【学位单位】：东北林业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S776.272
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 本文的研究背景、目的和意义
        1.1.1 本文的研究背景
        1.1.2 本文的研究目的及意义
    1.2 割灌机的发展现状
        1.2.1 国外割灌机发展现状
        1.2.2 国内割灌机发展现状
    1.3 作业疲劳的研究现状
        1.3.1 作业疲劳度评价方法研究现状
        1.3.2 作业疲劳度实验测量分析的研究现状
    1.4 农林作业的作业疲劳研究现状
    1.5 本文的主要研究内容与方法
        1.5.1 本文主要研究内容
        1.5.2 本文研究方法及技术路线
2 割灌机作业中的人体作业疲劳评估与量化
    2.1 割灌机作业中的人体作业疲劳评价指标
        2.1.1 割灌机作业的主要工况
        2.1.2 割灌机作业的人体作业疲劳因素
    2.2 割灌机作业人体疲劳度多指标评价体系
        2.2.1 评价指标体系
        2.2.2 割灌机作业人体疲劳评价步骤
    2.3 割灌机作业中人体疲劳度量化模型
        2.3.1 权重指标计算
        2.3.2 割灌机作业中人体疲劳度量化模型计算
        2.3.3 结果分析
        2.3.4 血氧实验
    2.4 本章小结
3 割灌机作业中人体姿势的力学负荷评估与主要肌肉活动分析
    3.1 割灌机作业中人体姿势的三维运动学分析
        3.1.1 割灌机作业中人体姿势动作捕捉实验
        3.1.2 实验结果与分析
        3.1.3 实验小结
    3.2 割灌机作业中人体下背部的力学负荷评估
        3.2.1 研究方法
        3.2.2 割灌机作业中人体不同作业姿势下的简化受力模型
        3.2.3 讨论
    3.3 割灌机作业中上肢生物力学分析
    3.4 割灌机作业中人体姿势的主要肌肉活动分析
        3.4.1 实验设计
        3.4.2 结果与分析
        3.4.3 讨论
    3.5 本章小结
4 割灌机作业中手传振动对人体的负荷研究
    4.1 割灌机振动的测量与特性
        4.1.1 割灌机振动的的特性
        4.1.2 手传振动的测量仪器
        4.1.3 振动传感器的位置和方向
        4.1.4 振动幅值的基本参量
        4.1.5 多轴向振动
    4.2 手传振动暴露的特性
        4.2.1 日暴露时间
        4.2.2 日振动暴露量
        4.2.3 手传振动的限值标准
        4.2.4 振动信号的分析
    4.3 手传振动测量实验
        4.3.1 实验设备
        4.3.2 实验设计
        4.3.3 振动测量结果
        4.3.4 讨论
    4.4 割灌机作业振动暴露与工人手臂损伤影响因素分析
        4.4.1 对象与方法
        4.4.2 结果
        4.4.3 讨论
    4.5 本章小结
5 割灌机作业中噪声对人体的负荷研究
    5.1 噪声的评价标准
        5.1.1 现有噪声评价的标准
        5.1.2 割灌机噪声的评价与测定标准
        5.1.3 割灌机噪声的测定规范标准
    5.2 割灌机作业的噪声检测实验
        5.2.1 实验设计
        5.2.2 实验方法
        5.2.3 结果与讨论
    5.3 割灌机作业噪声对人体脑电波的影响
        5.3.1 实验对象和设备
        5.3.2 实验方法
        5.3.3 结论与讨论
    5.4 本章小结
6 基于人机工程学的割灌机改进设计与评价
    6.1 基于作业姿势疲劳的割灌机改进设计原则
        6.1.1 割灌机背负架的人机工程学设计原则
        6.1.2 割灌机手把的人机工程学设计原则
    6.2 基于振动负荷和噪声负荷的割灌机改进设计原则
        6.2.1 割灌机减振设计的方法
        6.2.2 割灌机降噪设计的方法
    6.3 基于人机工程学的背负式割灌机改进设计
        6.3.1 整机设计
        6.3.2 背负架设计
        6.3.3 传动杆支架设计
    6.4 割灌机改进设计方案的人机工效仿真评价
        6.4.1 人机工效仿真分析的流程
        6.4.2 数字人体模型和三维虚拟环境的建立
        6.4.3 割灌机改进设计方案的人机工效仿真评价
    6.5 本章小结
结论
参考文献
攻读学位期间发表的学术论文
致谢
东北林业大学博士学位论文修改情况确认表

【参考文献】

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本文编号：2840624