人因工程--第8章-体力工作负荷.ppt

1、第八章 体力工作负荷,主要内容,了解不同姿势下人体活动力量； 了解体力工作负荷测定方法，重点是生理变化测定； 掌握体力作业时人的能量消耗规律； 掌握劳动强度测定方法（绝对、相对指标）； 掌握疲劳产生机理、影响因素，疲劳测定，消除措施。,劳动的分类,能量供应,人在作业过程中所需要的能量，是分别由三种不同的能源系统ATP-CP（三磷酸腺苷-磷酸肌酸）系统、乳酸能系统和有氧氧化系统提供的。 三个系统的供能状况与体力劳动的关系如下页所示。,供能状况与体力劳动的关系,能量代谢的测定方法,人体能量的产生和消耗称为能量代谢。 能量代谢的测定方法有直接法和间接法两种。目前一般采用间接法。 间接法的基本原理是，

2、能量代谢可通过人体的氧耗量反映出来，因此，首先测得单位时间内糖、脂肪等能源物质在体内氧化时的氧耗量和二氧化碳的排出量，求得两者之比（呼吸商），由此在推算某一时间或某项作业所消耗的能量。,能量代谢,从事劳动所需要的能量，最终来源于糖、脂肪、蛋白质的氧化分解。在能源物质的氧化分解过程中，人体必须不断地吸入氧，并不断地排出二氧化碳。不同的能源物质在体内氧化时，其呼吸商是不同的。同时，各种能源物质在体内氧化时，每消耗1L氧所产生的热量（氧热价）也是不同的 。 人体代谢所产生的能量等于消耗于体外做功的能量和在体内直接、间接转化为热的能量的总和。在不对外做功的条件下，体内所产生的能量等于由身体发散出的能量

3、，从而使体温维持在相对恒定的水平上。,第一节 人体活动力量与耐力,人体活动的最基本特征有三个：力量、耐力和能量代谢，三者联系密切。 本节将着重介绍人体活动的力量特征和耐力特征。,一、人体活动力量,人能够发挥出力的大小，决定于人体的姿势、着力部位以及力的作用方向。 人体力量按施力部位不同可分为手部力量、脚（含腿）部力量、背部力量和颈部力量等。 人的操作是由手和脚来完成。因此，手部力量和脚部力量在所有各类力量中起着重要的作用。,一、人体活动力量,(一) 手部力量 （1）握力：握力的大小在很大程度上反映手的用力能力。握力大小因年龄、性别等因素的变化而有很大的差异。表8-1是根据对一组被试的测定所得到

4、的实验结果。从表8-1可以看出，年龄和性别对人体力量有很大的影响。,一、人体活动力量,（2）手的操纵力。手的操纵力与人的作业姿势、用力方向等因素有关。 1）坐姿手操纵力（图8-1坐姿工作时不同角度的臂力测定） 2）立姿手操纵力（图8-2 立姿操纵时手的拉力和推力） 3）卧姿手操纵力（图8-3 卧姿时不同肘角伸臂的臂力测定） 4）常见手部操作动作及其力量极限（图8-4为常见手部操作动作及其力量极限推荐值）,一、人体活动力量,（二）脚部力量 脚产生的力的大小与下肢的位置、姿势和方向有关。一般坐姿时，右脚最大蹬力平均可达2568N，左脚为2362N；膝部伸展角度在130150或160180之间时，脚

5、蹬力最大。 一般来说，右脚脚力大于左脚；男性脚力大于女性脚力。脚力控制器的操纵力最大不应超过264N。否则易疲劳。右脚使用力的大小、速度和准确性都优于左脚。 操作频繁的作业应考虑双脚交叉作业。,二、人体活动的耐力,一般把人体能够在较长时间内保持特定工作水平的能力称为耐力。研究表明，随着活动持续时间的增加，人体力量出现下降。人体力量与持续时间之间存在一种非线性的反比关系，如图8-5所示。,第二节 体力工作负荷及其测定,一、体力工作负荷的定义 体力工作负荷是指人体单位时间内承受的体力工作量的大小。工作量越大，人体承受的体力工作负荷强度越大。人体的工作能力是有一定限度的。 对操作者承受负荷的状况进行

6、准确评定，既能保证工作量，又能防止操作者在最佳工作负荷水平外超负荷工作，是人机系统设计的一项重要任务。,二、 体力工作负荷的测定,（一）生理变化测定 生理变化测定主要通过吸氧量、肺通气量、心率、血压和肌电图等生理变量的变化来测定体力工作负荷。生理变化的测定也可以使用某些派生的吸氧量和心率指标。,血压、心率正常值,人体血压正常的效应值应该是：收缩压（高）90-140毫米汞柱之间；舒张压（低）60-90毫米汞柱之间 如果成人收缩压大于或等于160mmHg，舒张压大于或等于95mmHg为高血压；收缩压90毫米汞柱或舒张压60毫米汞柱，即为低血压。 正常成人心率60-100次/分,平均72；女性稍快；

7、儿童平均约90次/分,婴幼儿130次/分；老年人较慢平均55-60次/分,二、 体力工作负荷的测定,（二）生化变化测定 经常的测定项目：乳酸和糖原的含量。体力负荷对人体尿蛋白含量有明显的影响，即所谓的“运动性尿蛋白”现象。 （三）主观感觉测定 主观感觉测定是通过如图8-6所示的自认劳累分级量表进行评价(P154)。经过多次修改，目前普遍使用的是15点（620点）量表，该量表的特征是要求操作者根据工作中的主观体验对承受的负荷程度进行评判。,第三节 体力工作时的能量消耗,基础代谢量 安静代谢量 能量代谢量 相对代谢率RMR,一、基础代谢量,基础代谢量，是人在绝对安静下(平卧状态)维持生命所必须消耗

8、的能量。清醒、静卧、空腹、室温20C 正常人的基础代谢率比较稳定，一般不超过正常平均值的15%。 基础代谢量=基础代谢率平均值(B)人体表面积(S)持续时间(t)=BSt 我国人体表面积的公式为： 体表面积(m2)=0.0061身高(cm)+0.0128体重(kg)-0.1529,二、安静代谢量,安静代谢量是指机体为了保持各部位的平衡及某种姿势所消耗的能量。包括基础代谢量和为维持体位平衡及某种姿势所增加的代谢量两部分。 安静代谢量应为基础代谢量的120。安静代谢率记为R，R1.2B。 安静代谢量=RSt=1.2BSt (8-3) 式中， R为安静代谢率kJ/(h)； S为人体表面积（）； t为

9、持续时间（h）。,三、能量代谢量,人体进行作业或运动时所消耗的总能量，叫能量代谢量。能量代谢量包括基础代谢量，维持体位增加的代谢量和作业时增加的代谢量三部分。也可以表示为安静代谢量与作业时增加的代谢量之和。能量代谢率记为M。 能量代谢量=MSt (8-4) 式中， M为能量代谢率kJ/(h)； S为人体表面积（）； t为持续时间（h）。,四、相对代谢率RMR,为了消除作业者之间的差异因素，常用相对代谢率这一相对指标衡量劳动强度。相对代谢率记为RMR。,五、相对代谢率资料,计算能量代谢量时，首先必须准备必要的相对代谢率资料，专家们已经积累了大量的系统的相对代谢率数据。可以对研究的某项具体作业，观

10、察分析作业者的动作、负荷和疲劳等方面的特征，然后与现有的资料加以对照比较，即可以判断确定该项作业的RMR值。有关判定生产作业活动的资料见表8-5(P157)。日常作业活动的RMR值参考资料见表8-6 (P158)。,第四节 作业时氧耗动态,能量产生和消耗可以从人体消耗的氧量上反应出来。作业时人体所需的氧量取决于劳动强度大小，劳动强度越大，需要氧量也越多。因此，以体力为主的作业，可以利用人在作业中的耗氧量计算作业时耗能量。,一、氧债及其补偿,氧需：单位时间所需的氧量（氧需能否得到满足主要取决于循环系统和呼吸系统的功能） 。 氧上限：血液在单位时间内所能供应的最大氧量（成年人的氧上限一般不超过3L

11、/min，有锻炼者可达到4L/min） 。 氧债：氧需和供氧量之差。,一、氧债及其补偿,二、静态作业的氧需,静态作业的特征是能量消耗水平不高，但容易发生疲劳。即使劳动强度很大，氧需也达不到氧上限，通常每分钟不超过1L。但在作业停止后数分钟内，氧耗不像动态作业那样迅速降低，而是先升高，然后再逐渐降低到安静水平。具体如图8-8所示。,图8-8 静态作业的氧消耗动态,三、氧耗量的测定与计算,相对代谢率(RMR)指标通过作业中氧耗量来计算，计算公式如下：,其中作业时的氧耗量直接作业过程中测得； 基础代谢氧的消耗量可以通过由体重、身高计算的体表面积值查表求出； 安静时氧的消耗量，一般以基础代谢氧消耗量的

12、1.2倍来计算。,第五节 劳动强度分级,劳动强度是指作业者在生产过程中体力消耗及紧张程度。劳动强度不同，单位时间人体所消耗的能量也不同。 国内外对劳动强度分级的能量消耗指标主要有两种： 1.相对指标 即相对代谢率RMR。该指标在国外应用比较普遍，目前在我国已开始使用。 2.绝对指标 如8h的能量消耗量，劳动强度指数等。,一、以相对代谢率指标分级,依作业时的相对代谢率指标评价劳动强度标准的典型代表是日本能率协会的划分标准，它将劳动强度划分为5个等级。如表8-8所示(P161)。 作业的RMR越高，规定的作业率应越低。 2.7适宜的作业； 4的作业不能连续进行； 7的作业应实行机械化。,二、以能耗

13、量指标分级,表8-9 劳动强度与能耗量,三、以劳动强度指数分级,我国于1984年颁布了体力劳动强度分级标准(GB 3869-83)，该标准以劳动强度指数分级，1997年重新确定标准（GB3869-1997）代替GB3869-83，标准规定了体力劳动强度分级的划分原则和级别，是劳动安全卫生和管理的依据。,表8-10 体力劳动强度分级,体力劳动强度指数计算方法,体力劳动强度指数计算公式： I=TMSW10 式中：I体力劳动强度指数； T劳动时间率，； M8h工作日平均能量代谢率，KJminm2； S性别系数：男性1，女性1.3； W体力劳动方式系数：搬1，扛0.40，推/拉0.05,体力劳动强度指

14、数计算方法,（1）劳动时间率T计算方法 每天选择接受测定的工人23名，记录自上工开始至下工为止整个工作从事各种劳动与休息的时间。每个测定对象应连续记录3天，取平均值，求出劳动时间率(T)。 工作日内纯净劳动时间（min） T (%) 100 工作日总工时（min） 各单项劳动占用的时间（min） 100 工作日总工时（min）,体力劳动强度指数计算方法,（2） 平均能量代谢率M计算方法,体力劳动强度指数计算方法,单项劳动能量代谢率计算如下： 每分钟肺通气量3.07.3L时采用式： 1gM0.0945x 0.53794 每分钟肺通气量8.030.9L时采用式： lg(13.26-)1.1648

15、-0.0125x 每分钟肺通气量7.38.0L时采用上面两式的平均值。 式中，M为能量代谢率（kJminm2）； x为单位体表面积每分钟呼气量，Lminm2。,四、以氧耗、心率等指标分级,根据研究表明，以能量消耗为指标划分劳动强度时，耗氧量、心率、直肠温度、出汗率、乳酸浓度和相对代谢率等具有相同意义。典型代表是国际劳工局1983年的划分标准，它将工农业生产的劳动强度划分为6个等级，见表8-11。,五、最大能量消耗界限,人体的最佳工作负荷是指在正常情境中，人体工作8h不产生过度疲劳的最大工作负荷值。最大工作负荷值通常以能量消耗界限、心率界限以及最大摄氧量的百分数表示。 国外一般认为，能量消耗20

16、.93kJ/min、心率(110115) beats /min、吸氧量为最大摄氧量的33%左右时的工作负荷为最佳负荷。 中国：8h总能量消耗应为5860.46697.6kJ，最多不超过8372kJ。,五、最大能量消耗界限,日本： 8h总能量消耗应为5860.46279kJ，最多不超过7534.8kJ。 德国：8h最大能量消耗界限为16.75 kJ/min，该能量消耗水平被称为耐力水平。 对于重强度劳动和极重(很重)强度劳动，只有增加工间休息时间即通过劳动时间率来调整工作日中的总能耗，使8h的能耗量不超过最佳能耗界限。,第六节 体力疲劳及其消除,一、体力疲劳及其分类 体力疲劳是指劳动者在劳动过程

17、中，出现的劳动机能衰退，作业能力下降，有时伴有疲倦感等自觉症状的现象。 体力疲劳根据身体使用部位可分为局部疲劳和全身疲劳。根据活动时间长短和活动强度的高低，可分为短时间剧烈活动后产生的疲劳和长时间中等强度作业后产生的疲劳，后一种疲劳在人机系统中比较普遍。,生理学实验,用电流刺激一块离体的蛙腿肌肉，肌肉受电流刺激后，发生收缩而肌肉上抬。这种现象称之为肌肉做功。 几分钟后，出现下述现象： 肌肉上抬的高度降低； 肌肉的收缩和松弛均变慢； 潜伏期（电流刺激和肌肉开始收缩的时间间隔）变长，随着肌肉处于紧张状态，肌肉做功减少，最后，即使继续给予刺激，肌肉亦不再引起反应，如左图所示。,图 离体蛙腿肌肉的疲劳

18、表现 新鲜肌肉的收缩和松弛； 同一块肌肉，中等刺激后； 同一块肌肉，强刺激后； 同一块肌肉很强刺激后,生理学实验,人类的神经或肌肉，（随意肌或非随意肌）在受到电刺激后，也会出现同样的现象。 在生理学上，把肌肉应激（即处于紧张状态）后做功减少的现象称为肌肉疲劳。 肌肉出现疲劳，不但做功减少，而且运动速度也减慢，肌肉运动不协调，易出差错。,二、疲劳的产生与积累,体力疲劳是随工作过程的推进逐渐产生和发展的。按照疲劳的积累状况，工作过程一般分为四个阶段： （1）工作适应期 （2）最佳工作期 （3）疲劳期 （4）疲劳过度积累期,二、疲劳的产生与积累,疲劳的积累过程可用“容器”模型来说明，图8-9为“容器

19、”模型示意图。,促使疲劳过早出现的原因还有 劳动时不良的劳动姿势 不按生物力学的原理合理使用体力，不能把有用的力用于做功 工作空间过小 机具或控制器（手柄、按钮、脚踏板等）的形状、大小、重量、高低、远近设计不合理 仪表面板的设计未能考虑人体生理功能，使视觉通道负荷过重 ，信号显示系统不符合人体生理和心理特点 机床、作业台、控制台、司机的位置等未按适当的人体身高或坐高和身体活动范围设计 座椅不符合人体解剖结构特点等。,二、疲劳的产生与积累,休息是一种解除疲劳，恢复工作能力的过程。 这主要靠夜间的睡眠，但白天的业余时间和工间休息也起一定的作用。 作为生理现象的疲劳，必须在24h周期内得到完全的解除

20、，以保持平衡。 若长期得不到完全解除，势必造成疲劳的累积，即过度疲劳（简称过劳）。,二、疲劳的产生与积累,过度疲劳,过度疲劳时，在睡眠醒来后仍有疲倦的感觉，在工作开始前已感到疲倦。这样的人，常因情绪不好对工作感到厌恶，易怒，适应性差，身体衰弱，对疾病抵抗力低下，还可能出现一系列功能失调，如头晕、头痛、睡眠障碍、心律不齐、多汗、食欲不振和引起消化道疾患等，这种失调常使短时间病休率增高。 有各种精神和心理因素的人（如对职业不热爱，对分配的工作或工作地点不满，对工作和环境不适应等），更易出现过劳现象。 精神心理因素还会出现“厌烦”。疲劳和厌烦两者常同时出现，难以区分，它们都是大脑皮层活动水平低下的结

21、果。,三、疲劳产生的机理,1.物质累积理论 短时间大强度作业产生的疲劳，主要是肌肉疲劳。大量研究表明，短时间大强度作业后，肌肉中的ATP、CP含量明显下降。ATP、CP浓度下降至一定水平时必定导致肌肉进行糖酵解以再合成ATP。糖酵解伴随乳酸的产生和积累。这种物质在肌肉和血液中大量累积，使人的体力衰竭，不能再进行有效的作业。,三、疲劳产生的机理,2.力源消耗理论 随着劳动过程的进行，能量不断消耗，人体内的 ATP、CP浓度和肌糖原含量下降。人体的能量供应是有限的，当可以转化为能量的能源物质“肌糖原”储备耗竭或来不及加以补充时，人体就产生了疲劳。,三、疲劳产生的机理,3.中枢系统变化理论 作业过程

22、中，除了ATP、CP浓度和肌糖原含量不断下降以外，同时还伴随着血糖的降低和大脑神经抑制性递质含量上升。由于血糖是大脑活动的能力供应源，它的降低将引起大脑活动水平的降低，即引起中枢神经疲劳。,三、疲劳产生的机理,4.生化变化理论 全身性体力疲劳是由于作业及环境引起的体内平衡状态紊乱。人体在长时活动过程中必会出汗。出汗导致体液丢失。一旦体液减少到一定程度，则循环的血量也将减少，从而引起活动能力下降。同时，汗液排出时还伴随着盐的丢失，这会影响血液的渗透压和神经肌肉的兴奋性，结果导致疲劳。,三、疲劳产生的机理,5.局部血流阻断理论 静态作业时，肌肉等长收缩来维持一定的体位，虽然能耗不多，但易发生局部疲

23、劳。这是因为肌肉收缩的同时产生肌肉膨胀，且变得十分坚硬，内压很大，将会全部或部分阻滞通过收缩肌肉的血流，于是形成了局部血流阻断。人体经过休整、恢复，血液循环正常，疲劳消除。,四、疲劳测定方法,（一）疲劳测定方法应满足的条件 测定结果应当是客观的表达，而不依赖于作业者的主观解释。 测定的结果应当定量化表示疲劳的程度。 测定方法不能导致附加疲劳，或使被测者分神。 测定疲劳时，不能导致被测者不愉快或造成心理负担或病态感觉。,四、疲劳测定方法,（二）疲劳特征 身体的生理状态发生特殊变化。例如：心率、血压、呼吸及血液中的乳酸含量等发生变化。 进行特定作业时的作业能力下降。例如：对特定信号的反应速度、正确

24、率、感受能力下降，工作绩效下降等。 疲劳的自我体验。,四、疲劳测定方法,（三）疲劳测定方法 1.生化法 通过检查作业者的血、尿、汗及唾液等液体中乳酸、蛋白质、血糖等成分含量的变化来判断疲劳。 2.工作效绩测定 随着疲劳程度的加深，操作者的工作能力明显下降。这样，操作者的工作效绩，包括完成产品的数量、质量以及出现错误或发生事故的概率等，都可作为疲劳评定的指标。,四、疲劳测定方法,3.生理心理测试法 （1）膝腱反射机能测定法 （2）触二点辨别阈值测定法 （3）皮肤划痕消退时间测定法 （4）皮肤电流反应测定法 （5）心率值测定法 （6）色名呼叫时间测定法 （7）勾消符号数目测定法 （8）反应时间测定

25、法 （9）闪光融合值测定法,四、疲劳测定方法,4. 疲劳症状调查法 该法通过对作业者本人的主观感受即自觉症状的调查统计，来判断作业疲劳程度。该方法简易、省时，不仅切实可行，且具有较高的精确性。值得强调的是，调查的症状应真实，有代表性，尽可能调查全作业组人员。另外，选择量表时应注意量表的信度和效度。,疲劳自觉症状调查表,五、疲劳的一般规律,（1）疲劳可以通过休息恢复。 （2）疲劳有累积效应。 （3）疲劳程度与生理周期有关。 （4）人对疲劳有一定的适应能力。,六、降低疲劳的途径,（一）改善工作条件 1.合理设计工作环境 工作环境包括：照明、色彩、噪声、振动、微气候条件、粉尘及有害气体等。 2.改进

26、设备和工具 采用先进的生产技术和工艺，提高设备的机械化、自动化水平，是提高劳动生产率，减轻劳动强度，彻底改善劳动条件的根本措施。工具和辅助设备的改进，可以减少静态作业，减轻劳动强度，提高工作效率。,六、降低疲劳的途径,3. 改进工作方法 1）采用合适的工作姿势。需要设计合理的工作场地和工作位置，研究合理的工作姿势。设备、工具的安置要合理。 2）采用经济作业速度。经济速度，就是进行某项作业时消耗最小能量的作业速度。在这个速度下，作业者不易疲劳，持续工作时间最长。 3）选择最佳的作业方法。操作者作业过程中的用力原则是：将力投入到完成某种动作的有用功上去。这样可以延缓疲劳的到来或者在某种程度上减少疲劳。,六、降低疲劳的途径,（二）合理确定休息时间和休息方式 1.休息时间的确定 （1）以能耗指标确定 设作业时实际能耗量为M，工作日总工时为T，其中实际劳