基于熱加工機械的安全人機系統(tǒng)研究

王博華

（西安航空職業(yè)技術學院，陜西西安710089）

在制造燈具過程中，燈體加工是非常關鍵的環(huán)節(jié)，但是由于加工工藝特殊，需要基于多種燈體熱加工設備進行反復加工，才能成型。操作工人利用傳統(tǒng)燈體熱加工設備生產(chǎn)時，工作強度過大，環(huán)境太過惡劣，很容易出現(xiàn)輕微燙傷與高溫失水等短暫性昏迷的安全事故。所以，在保證生產(chǎn)效率的基礎上，設計出可以保證操作工人安全的燈體熱加工設備開始備受社會各界積極關注[1]。

1 人機工程缺陷

傳統(tǒng)人機工程的相關研究大部分停留在經(jīng)驗與定性分析上，在安全性指導上，并未構成統(tǒng)一標準。現(xiàn)階段，機械行業(yè)出現(xiàn)安全事故的主要原因大致分為三類：操作工人、生產(chǎn)設備、其他因素，其中，操作工人占據(jù)將近90%。這主要是由于傳統(tǒng)企業(yè)太過注重設備投入，為降低運行成本，經(jīng)常出現(xiàn)超載與超負荷設備運行現(xiàn)象，并未做好及時定期維護與保養(yǎng)等相關工作；操作工人超負荷勞動，極易出現(xiàn)失誤；忽略保護設施設備的全方位應用；設備檢測與維護工作不到位；行業(yè)管理有待完善，管理人員專業(yè)技術能力與經(jīng)驗嚴重不足[2]。

2 燈體熱加工機械安全設計流程

所謂安全就是操作工人并未受到傷害，沒有財產(chǎn)損失。燈體熱加工機械安全設計則是為了安全延伸人類功能。基于功能、方案、設計、技術編制、制造工藝到裝配、調(diào)試、使用、維護，整個過程都應具備始終遵守安全設計原則[3]。燈體熱加工機械安全設計流程具體如圖1所示。

圖1 燈體熱加工機械安全設計流程

3 基于燈體熱加工機械的故障樹模型構建

3.1 故障樹模型構建

就實際狀況來講，導致操作工人發(fā)生人機事故的事件主要為燙傷、撞傷、煤氣中毒、異物中傷、高溫脫水?；臼录饕?3 項，由此構建故障樹模型[4]，具體如圖2所示。

圖2 故障樹模型

符號所代表的含義與事件發(fā)生概率具體如表1與表2所示。

表1 基本事件含義

表2 事件發(fā)生概率 10-3

3.2 定性分析

故障樹模型構建可選擇故障樹結構函數(shù)加以闡述，基于燈體熱加工機械的故障數(shù)結構函數(shù)，即

式中：k與m分別為自然數(shù)。

就簡單故障樹來講，只需要展開故障樹結構函數(shù)，并利用布爾代數(shù)運算規(guī)則進行簡化即可，即

故障樹最小割集就是包含最少數(shù)量，且最必備的事件割集。發(fā)生最小割集，頂事件則勢必會隨之發(fā)生，目的是明確指出系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)。所以，故障樹定性分析的作用是尋找最小割集。

一般來說，把造成頂事件的最少基本事件集合為最小割集，便可以找到事件潛藏危害。以式（2）找出最小割集，即[X1]、[X2]、[X3，X6]、[X3，X4，X5]、[X7，X8]、[X9]、[X10]、[X11]、[X12]、[X3，X13]。最小割集便是引發(fā)操作工人發(fā)生人機事故受到損害的嘴可能性因素，對此，需采取有效措施加以防止[5]。

3.3 定量分析

3.3.1 頂上事件發(fā)生概率

故障樹模型包括頂上、中間、基本三大事件，以及與門、或門。其中，與門即

而或門即

式中：P（Xi）為Xi事件發(fā)生概率，根據(jù)式（2）～式（4）與表2 數(shù)據(jù)便可以獲得頂上事件發(fā)生概率，即P（T）為0.102 8。

在計算出事件概率，卻無法滿足給定標準時，需要進行安全性設計，但是不會燈體功能，其中與門安全性設計方式來源于故障樹分析法，其中頂事件轉變?yōu)樽钚「罴M合，根據(jù)故障樹邏輯關系明確最小割集形式，頂事件發(fā)生概率則是通過最小割集組合形式明確，在基本事件發(fā)生概率確定的基礎上，頂事件發(fā)生概率主要受故障樹邏輯關系影響。在故障樹中，從基本事件到頂事件的邏輯圖中不包含與門，表示基本事件必然是頂事件的最小割集子集，在進行頂事件發(fā)生概率計算時，直接添加便可，因此，其數(shù)值直接影響著頂事件出現(xiàn)幾率。與門的安全性設計方式就是通過多元化措施在故障樹中添加與門，防止或消除系統(tǒng)最薄弱部分，在實踐情況下，還需提供一定的安全保障措施，從基本事件到頂事件邏輯線下，以安全性標準為依據(jù)，保留與門。

3.3.2 基本事件概率重要度系數(shù)

概率重要度系數(shù)在很大程度上反映了基本事件發(fā)生的概率變化趨勢對于頂事件概率變化造成的影響，數(shù)值越大，則代表影響越大，這就需要在制定措施時，著重安排。其一，結構重要度系數(shù)，代表零部件在系統(tǒng)結構中的重要作用，由其所處位置決定。其二，概率重要度，代表基本事件發(fā)生概率對頂事件發(fā)生概率的影響。其三，關鍵重要度，代表基本事件在故障樹結構中占據(jù)的位置造成的影響性，為頂事件發(fā)生概率變化與基本事件發(fā)生概率變化的比值，是診斷故障的關鍵性指標。

概率重要度系數(shù)即

通過式（2）、式（5）以及表2數(shù)據(jù)，獲得基本事件概率重要度系數(shù)，具體如表3所示。

表3 基本事件概率重要度系數(shù)

通過表3數(shù)據(jù)得出基本事件概率重要度排序，即

從式（6）可知，X1、X2、X7、X9、X10、X11、X12對頂事件的影響最為突出[6]。

4 優(yōu)化方案

通過定性與定量分析，可知碎玻璃割傷與輕微燙傷的發(fā)生概率最高，這主要是由于燈體熱加工設備都屬于開放式布局，設備周圍并未配置防護罩，此設計的最大弊端就是在加工時產(chǎn)生的熱量都會被設備四周環(huán)境吸收，這也是導致操作工人夏季工作時經(jīng)常出現(xiàn)中暑現(xiàn)象的重要原因。此外，由于橡膠軟管引發(fā)的煤氣中毒事件發(fā)生幾率非常小，這主要是因為在燈體熱加工設備中，軟管是非常關鍵的連接型零部件，所以非常重視設備裝配的軟管質量，而且由于煤氣具有獨特性氣味，操作工人工作時極易發(fā)現(xiàn)。

燈體熱加工機械優(yōu)化方案為：首先，機械設備中添加封閉性防護罩，其中內(nèi)壁夾層添加隔熱棉，防護罩的主側面保留安裝有機玻璃的窗口，便于后續(xù)對機械設備的運行狀況進行實時觀察，而在防護罩后側保留后門，以便于進行保養(yǎng)；其次，防護罩上方保留通風口，通風口和廠房上方主通氣管之間保持有機銜接，通過鼓風機把加工時產(chǎn)生的熱量快速排出；再次，安裝自動下料裝置，防止下料時對操作工人造成燙傷；然后，在防護罩上安裝防氣體泄漏的報警裝置，一旦出現(xiàn)氣體泄漏，工人可及時關閉設備，保證自身安全；最后，創(chuàng)建與人體工效學相符的控制面板，以便于操作工人開展工作[7]。

5 結 論

總之，通過故障數(shù)模型的定性與定量分析，能夠預估基本事件發(fā)生概率，并判斷出事故發(fā)生原因與潛藏危險。通過事故原因分析可制定可行的、有效的安全措施，從而最大程度上防止和消除事故出現(xiàn)。因此，本文首先基于故障樹模型的定性與定量分析，全面展示既有燈體熱加工設備極有可能造成的傷害，發(fā)現(xiàn)設備設計的薄弱環(huán)節(jié)。通過制定可行的、有效的燈體熱加工設備改造優(yōu)化方案，有效防止或者消除了設備對工人身體造成傷害，同時實現(xiàn)了設備操作內(nèi)容的完善，以及操作工人的安全意識。