摘要：論述了機械安全的定義及特性,闡述了機械安全設計技術的體系結構及內涵,提出了機械安全設計的基本內容、設計原則和設計程序,為促進我國機械安全設計技術的研究和發(fā)展探討了機械安全設計方法學。

關鍵詞：先進制造技術;現(xiàn)代設計方法;安全設計;方法研究

1 機械安全的定義及特性

機械安全是在按使用說明書規(guī)定的預定使用條件下,執(zhí)行其功能和在其產品的整個壽命周期內(運輸、安裝、調整、維修、拆卸和處理時)不產生損傷或危害健康的能力。

機械安全設計是采用先進的機械安全技術,從系統(tǒng)內部對機器可能發(fā)生的危險進行識別、分析和評價,根據其評價結果進行結構、防護裝置和使用信息的設計,使系統(tǒng)可能發(fā)生的事故得到控制,使機械在其整個壽命周期都是安全的?，F(xiàn)代產品的機械安全與傳統(tǒng)安全工程相比,具有以下幾方面的特性：

(1)系統(tǒng)性 隨著系統(tǒng)工程概念的引入,安全設計這門新興學科是建立在心理、信息、控制、可靠性、失效分析、環(huán)境學、勞動衛(wèi)生、人機工程、計算機等科學技術基礎上,并綜合運用這些科學技術的新型學科。

(2)安全性 采用現(xiàn)代安全設計方法,通過對機械危險的識別、評價和安全設計,從而使機器在整個壽命周期內發(fā)揮預定功能,包括誤用時,其機器和人身均是安全的,使人對勞動環(huán)境、勞動內容和主動地位的提高得到不斷改善。

(3)友善性 機械安全設計涉及到人和人所控制的機器,它在人與機器之間建立起一套滿足人的生理特性、心理特性,充分發(fā)揮人的功能的、提高人機系統(tǒng)效率的安全系統(tǒng),在設計中通過減少操作者的緊張和體力來提高安全性,并以此改善機器的操作性能和提高其可靠性。

(4)科學性 機械安全設計包括安全分析、安全評價和安全設計,它是應用系統(tǒng)工程的原理和方法,全面、系統(tǒng)地對導致危險的因素進行定性、定量分析和評價,尋求降低風險的最優(yōu)設計方案的一門綜合性科學。它應用于機械產品的安全設計,為機械產品的安全設計的科學化和系統(tǒng)化奠定堅實的基礎。

2 機械安全技術的內涵及構成

機械安全設計作為現(xiàn)代設計方法的重要組成部分,隨著先進制造技術的推動和市場對機械產品需求的多樣化,通過10多年來對傳統(tǒng)安全工程的摒棄、擴展和延伸,逐步形成了以系統(tǒng)工程理論為指導,以基礎科學、工程技術以及管理科學構成的多層次的安全科學。機械安全技術是一個有機整體,3個層次的技術并不是孤立的,它們互相聯(lián)系,構成一個有機的整體。

(1)基礎技術 第1個層次是機械安全技術的理論基礎。機械安全設計在人的心理學、生理學以及系統(tǒng)工程為基本出發(fā)點的方法論指導下,經過優(yōu)化而形成科學、安全、舒適、友善的機械安全技術,組成機械安全技術的核心,它是機械安全技術的重要組成部分。

(2)工程技術 第2個層次是機械安全技術的相關單元技術。該部分主要由現(xiàn)代設計技術的設計方法學所包含的可靠性設計、動態(tài)設計、材料設計、強度設計等優(yōu)良設計方法組成。通過應用這些現(xiàn)代設計技術,從機械結構設計的角度,保證機械的本質安全,即機器在整個壽命期內發(fā)揮預定功能,包括誤用時其機器和人身是安全的。

(3)管理技術 第3個層次是安全管理技術。它是與安全系統(tǒng)的組織與管理有關的各種技術,主要包括安全技術的創(chuàng)新、安全規(guī)范、標準的制定和安全的監(jiān)督實施、安全設計的評審、認證等。它是技術與管理、科學與社會緊密結合,保證安全技術實施并使機械安全達到合理化和最佳化的條件保證。

(4)支撐技術 第4個層次是支持機械安全設計的基礎技術和共性技術,包括機械安全設計必備的計算機輔助設計的軟硬件、信息網絡和機械安全行業(yè)數(shù)據庫等。

以上4個層次構成機械安全技術的體系結構,但每一個層次都不等于機械安全技術的全部。機械安全技術是應用上述4個層次技術的局部或對其進行系統(tǒng)集成而形成的系統(tǒng)綜合技術。

3 機械安全設計的主要內容

3.1 危險識別

危險識別在機械安全設計中占有十分重要的地位,它的目的是描述危險的性質和識別它們各自危險所產生的后果。在對機械進行安全設計、制定有關安全標準和風險評價時,必須要對機器可能產生的危險進行識別。它是安全評價和安全設計的主要依據,危險識別的準確與否,直接影響到安全性能的好壞。

機器可能產生的危險主要分為2大類:

(1)機械危險 主要包括擠壓危險、剪切危險、切割危險、纏繞危險、吸人或卷入危險、沖擊或碰撞危險、刺傷或扎傷危險、摩擦和磨損危險、高壓流體噴射危險等。

(2)非機械危險 主要包括電氣危險、熱危險、噪聲危險、振動危險、輻射危險、材料或物質產生的危險、未遵循人類工效學原則而產生的危險及綜合性危險等。

3.2 安全評價

風險評價是在危險分析的基礎上,根據現(xiàn)有工藝水平對機器在每種危險狀態(tài)下可能產生傷害的概率和嚴重度進行全面評估和判定。安全評價的目的是幫助設計者根據現(xiàn)有技術水平,以及由此引起的各種約束確定最優(yōu)的安全措施,使機器達到最高安全水平。

(1)風險評價要素風險評價通常包括以下3個方面的要素:

①評估可能傷害的嚴重度。可通過傷害的范圍、傷害的限度、傷害的嚴重度等因素進行評估。②人們暴露于危險區(qū)的頻率。通過對進入危險區(qū)的性質、頻次、持續(xù)時間和人數(shù)等因素來進行評估。③預測危險出現(xiàn)的概率。主要對以下因素進行預測:機器及其它元器件的可靠性及有關統(tǒng)計數(shù)據,類似機器事故歷史資料。

(2)風險評價的定性方法

風險要素評估完成后,需對機器進行危險評價,以確定機器是否達到安全要求。

(3)綜合運用各種系統(tǒng)安全分析和評價方法

采用系統(tǒng)工程方法進行風險評價已有近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)進行風險評價。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、重復的,但是按照系統(tǒng)壽命周期的時間進程,這些系統(tǒng)安全分析方法之間又互有聯(lián)系,各有利弊。

在傷亡事故分析預測方面,比較常用的系統(tǒng)安全分析方法有初步危險分析(PHA)、故障類型和影響危險度分析(FMECA)、事件樹分析(ETA)、故障樹分析(FTA)、管理疏忽和危險樹分析(MORT)等。其中,在我國乃至國際上應用最廣泛的是故障樹分析。

3.3 機械安全設計

根據風險評估的結果進行安全設計,在選擇安全設計的最優(yōu)方法時,必須遵循以下原則：

(1)結構安全設計機械安全設計的第一步是對其進行結構設計,結構安全設計應考慮的主要因素如下:①使機器外觀達到本質安全的結構設計;②使機器有關運動參數(shù)達到安全的設計;③合理規(guī)定和計算零部件的強度和應力;④合理選用材料;⑤選用本質安全技術和動力源;⑥應用強制機械作用原則;⑦應用人機工程原則;⑧應用人類工效學原則;⑨提高機器及零件的可靠性;10使機器的調整、維修點位于危險區(qū)之外。

(2)安全防護措施的選用與設計對通過合理的結構設計仍不能避免或充分減小的危險或風險,應合理選用和設計安全裝置和(或)防護裝置進行防護。

(3)提供充分的安全使用信息對通過合理結構設計和采用安全防護措施都無法消除或充分減小的那些遺留風險,應通過提供安全使用信息的方式通知和警告用戶和使用者,使他們在使用機器時采取相應的補救安全措施。