淺談機(jī)械設(shè)計(jì)與安全設(shè)計(jì)

王皓 王瑞鵬

摘 要：隨著工業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展，各行各業(yè)的機(jī)械設(shè)備越來越多，自動(dòng)化的機(jī)械設(shè)備正逐步成為各生產(chǎn)的主力軍，機(jī)械事故的不斷發(fā)生，也越來越引起了人們的關(guān)注機(jī)械的安全性，因此，機(jī)械的安全性必須從本質(zhì)安全入手，在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，同時(shí)考慮安全設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì);安全設(shè)計(jì);危險(xiǎn)識別

前言：機(jī)械是現(xiàn)代化生產(chǎn)中各行各業(yè)不可缺少的生產(chǎn)設(shè)備，從機(jī)械的發(fā)展歷史看，機(jī)械是用來代替人的勞動(dòng)，目前已從簡單的工具發(fā)展到完全自動(dòng)化的機(jī)械。在生產(chǎn)的人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)中，機(jī)械與人相比，它有許多人所不可能具備的優(yōu)點(diǎn)，主要是：提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、能量大、功率大、精度高、靈敏度好、耐用性強(qiáng)、可靠性高、運(yùn)轉(zhuǎn)速度快、適應(yīng)性強(qiáng)等。

1、機(jī)械設(shè)計(jì)與安全設(shè)計(jì)的必要性

由于人與機(jī)械的廣泛接觸，就有可能對人產(chǎn)生損傷或者危害人的健康，機(jī)械作業(yè)是一種事故多發(fā)性作業(yè)，近年來，機(jī)械設(shè)備的事故比較多，發(fā)生機(jī)械事故的原因可歸納為人的不安全行為、設(shè)備的不安全狀態(tài)和環(huán)境的不安全因素等三個(gè)方面，據(jù)統(tǒng)計(jì)，造成機(jī)械傷害事故中的直接原因，由于設(shè)備的不安全狀態(tài)，因防護(hù)缺陷（沒有防護(hù)、防護(hù)不當(dāng)、保險(xiǎn)裝置、信號裝置缺乏等）而造成的各類事故占機(jī)械傷害事故的71.56%。我國機(jī)械傷害事故中，多數(shù)事故也與防護(hù)不當(dāng)有密切有關(guān)，因此，重視機(jī)械的安全性是十分重要的。

2、機(jī)械安全設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

2.1危險(xiǎn)識別

機(jī)械安全設(shè)計(jì)作為現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的重要組成部分，隨著先進(jìn)制造技術(shù)的推動(dòng)和市場對機(jī)械產(chǎn)品需求的多樣化，通過10多年來對傳統(tǒng)安全工程的摒棄、擴(kuò)展和延伸，逐步形成了以系統(tǒng)工程理論為指導(dǎo)，以基礎(chǔ)科學(xué)、工程技術(shù)以及管理科學(xué)構(gòu)成的多層次的安全科學(xué)。機(jī)械安全設(shè)計(jì)的主要包括以下內(nèi)容：危險(xiǎn)識別在機(jī)械安全設(shè)計(jì)中占有十分重要的地位，它的目的是描述危險(xiǎn)的性質(zhì)和識別它們各自危險(xiǎn)所產(chǎn)生的后果。在對機(jī)械進(jìn)行安全設(shè)計(jì)、制定有關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)時(shí)，必須要對機(jī)器可能產(chǎn)生的危險(xiǎn)進(jìn)行識別。它是安全評價(jià)和安全設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，危險(xiǎn)識別的準(zhǔn)確與否，直接影響到安全性能的好壞。

2.2安全評價(jià)

安全評價(jià)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)是在危險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)有工藝水平對機(jī)器在每種危險(xiǎn)狀態(tài)下可能產(chǎn)生傷害的概率和嚴(yán)重度進(jìn)行全面評估和判定。安全評價(jià)的目的是幫助設(shè)計(jì)者根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)水平，以及由此引起的各種約束確定最優(yōu)的安全措施，使機(jī)器達(dá)到最高安全水平。（1）風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)要素風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)通常包括以下3個(gè)方面的要素：①評估可能傷害的嚴(yán)重度?？赏ㄟ^傷害的范圍、傷害的限度、傷害的嚴(yán)重度等因素進(jìn)行評估。②人們暴露于危險(xiǎn)區(qū)的頻率。通過對進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)的性質(zhì)、頻次、持續(xù)時(shí)間和人數(shù)等因素來進(jìn)行評估。③預(yù)測危險(xiǎn)出現(xiàn)的概率。主要對以下因素進(jìn)行預(yù)測：機(jī)器及其它元器件的可靠性及有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，類似機(jī)器事故歷史資料。（2）風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的定性方法風(fēng)險(xiǎn)要素評估完成后，需對機(jī)器進(jìn)行危險(xiǎn)評價(jià)，以確定機(jī)器是否達(dá)到安全要求。（3）綜合運(yùn)用各種系統(tǒng)安全分析和評價(jià)方法采用系統(tǒng)工程方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)已有近20年的歷史，發(fā)展了數(shù)十種系統(tǒng)安全分析方法，能從各種不同的角度對系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。從分析的數(shù)理角度出發(fā)，這些方法可分為定性分析和定量分析。從分析的邏輯觀點(diǎn)出發(fā)，又可分為歸納法和演繹法。其中，不少方法是相似的、重復(fù)的，但是按照系統(tǒng)壽命周期的時(shí)間進(jìn)程，這些系統(tǒng)安全分析方法之間又互有聯(lián)系，各有利弊。在傷亡事故分析預(yù)測方面，比較常用的系統(tǒng)安全分析方法有初步危險(xiǎn)分析（PHA）、故障類型和影響危險(xiǎn)度分析（FMECA）、事件樹分析（ETA）、故障樹分析（FTA）、管理疏忽和危險(xiǎn)樹分析（MORT）等。其中，在我國乃至國際上應(yīng)用最廣泛的是故障樹分析。

2.3機(jī)械安全設(shè)計(jì)

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評估的結(jié)果進(jìn)行安全設(shè)計(jì)，在選擇安全設(shè)計(jì)的最優(yōu)方法時(shí)，必須遵循以下原則：（1）結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)機(jī)械安全設(shè)計(jì)的第一步是對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的主要因素如下：①使機(jī)器外觀達(dá)到本質(zhì)安全的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在不影響正常功能實(shí)現(xiàn)、使用的情況下，凡人體易接近的機(jī)械外形結(jié)構(gòu)應(yīng)平整、光滑、不應(yīng)有易引起損傷的銳角、尖角、突出物、粗糙表面等。②使機(jī)器有關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)達(dá)到安全的設(shè)計(jì);直線運(yùn)動(dòng)部件之間或直線運(yùn)動(dòng)部件與靜止部件（包括墻、柱）之間的距離，必須符合有關(guān)安全距離的規(guī)定，應(yīng)保證不該通過的身體部位不能通過。限制操作力、運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量和速度、往復(fù)運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)距離和加速度、機(jī)器的噪聲和振動(dòng)、機(jī)器的表面溫度等。③合理規(guī)定和計(jì)算零部件的強(qiáng)度和應(yīng)力;④合理選用材料;⑤選用本質(zhì)安全技術(shù)和動(dòng)力源;使機(jī)器與所有動(dòng)力源或其他供給斷開。斷開必須做到既可見（動(dòng)力源連續(xù)性明顯中斷），又能通過允許檢查斷開裝置上操縱器的位置而確認(rèn)，并且還必須明確表示出機(jī)器的那些部分已被斷開。如果需要（例如：對于大型機(jī)器或在設(shè)施中），將所有切斷裝置鎖定在"斷開"位置。機(jī)械的動(dòng)力源不管什么原因中斷或波動(dòng)后，要重新建立時(shí)不得導(dǎo)致危險(xiǎn)狀態(tài)。尤其是：A、機(jī)器不得意外起動(dòng);B、一旦停機(jī)命令發(fā)出，機(jī)器必須停止運(yùn)轉(zhuǎn);C、機(jī)器的運(yùn)動(dòng)部分或由機(jī)械夾持的工件不得落下或拋出;D、不得防礙自動(dòng)或手動(dòng)停止機(jī)器的運(yùn)動(dòng)部分;E、防護(hù)裝置必須保持完全有效。F、采取措施保證在斷開點(diǎn)的下游不再有：位能（如：電解、可以釋放的液壓或機(jī)械能）;動(dòng)能（如：通過慣性可以繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的部件）。在一旦停機(jī)命令發(fā)出，機(jī)器必須停止運(yùn)轉(zhuǎn)的措施效果通過工作安全系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。這些措施會(huì)使機(jī)器達(dá)到“0能量狀態(tài)”;斷開和能量泄放可提供很高的安全水平。⑥應(yīng)用強(qiáng)制機(jī)械作用原則;⑦應(yīng)用人機(jī)工程原則;⑧應(yīng)用人類工效學(xué)原則;⑨提高機(jī)器及零件的可靠性;10使機(jī)器的調(diào)整、維修點(diǎn)位于危險(xiǎn)區(qū)之外。（2）安全防護(hù)措施的選用與設(shè)計(jì)，對通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍不能避免或充分減小的危險(xiǎn)或風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)合理選用和設(shè)計(jì)安全裝置和（或）防護(hù)裝置進(jìn)行防護(hù)。（3）提供充分的安全使用信息對通過合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和采用安全防護(hù)措施都無法消除或充分減小的那些遺留風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)通過提供安全使用信息的方式通知和警告用戶和使用者，使他們在使用機(jī)器時(shí)采取相應(yīng)的補(bǔ)救安全措施。

3、機(jī)器產(chǎn)生危險(xiǎn)的類型

機(jī)器可能產(chǎn)生的危險(xiǎn)主要分為2大類：（1）機(jī)械危險(xiǎn)：主要包括擠壓危險(xiǎn)、剪切危險(xiǎn)、切割危險(xiǎn)、纏繞危險(xiǎn)、吸人或卷入危險(xiǎn)、沖擊或碰撞危險(xiǎn)、刺傷或扎傷危險(xiǎn)、摩擦和磨損危險(xiǎn)、高壓流體噴射危險(xiǎn)等。（2）非機(jī)械危險(xiǎn)：主要包括電氣危險(xiǎn)、熱危險(xiǎn)、噪聲危險(xiǎn)、振動(dòng)危險(xiǎn)、輻射危險(xiǎn)、材料或物質(zhì)產(chǎn)生的危險(xiǎn)、未遵循人類工效學(xué)原則而產(chǎn)生的危險(xiǎn)及綜合性危險(xiǎn)等。

結(jié)語：機(jī)械在人類生活中的應(yīng)用歷史悠久，更是與人類的生存和發(fā)展息息相關(guān)，為了從根本上防止機(jī)械傷害的隱患，應(yīng)盡量采用各種有效地先進(jìn)的技術(shù)手段，從根本上消除危險(xiǎn)的存在;使機(jī)器具有自動(dòng)防止誤操作的功能;使機(jī)器具備完善的自我保護(hù)能力;優(yōu)先采用安全保護(hù)措施，就必須從設(shè)計(jì)入手。在機(jī)械的設(shè)計(jì)時(shí)，就要考慮機(jī)械的本質(zhì)安全，設(shè)計(jì)有安全可靠的各種防護(hù)措施、安全保障裝置等。全面分析、研究機(jī)械運(yùn)行、使用、維修中可能存在的不安全因素、可能發(fā)生事故的可能性及事故的危害程度，把保證機(jī)械的運(yùn)行、使用、維修安全貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)中。

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