试议机械设计与安全设计

李朝阳

三精制药股份有限公司 哈尔滨 150018

试议机械设计与安全设计

李朝阳

三精制药股份有限公司 哈尔滨 150018

随着工业化生产的发展，各行各业的机械设备越来越多，自动化的机械设备正逐步成为各生产的主力军，机械事故的不断发生，也越来越引起了人们的关注机械的安全性，因此，机械的安全性必须从本质安全入手，在机械设计时，同时考虑安全设计。

机械设计；安全设计；危险识别

机械是现代化生产中各行各业不可缺少的生产设备，从机械的发展历史看，机械是用来代替人的劳动，目前已从简单的工具发展到完全自动化的机械。在生产的人机环境系统中，机械与人相比，它有许多人所不可能具备的优点，主要是：提高劳动生产率、能量大、功率大、精度高、灵敏度好、耐用性强、可靠性高、运转速度快、适应性强等。

由于人与机械的广泛接触，就有可能对人产生损伤或者危害人的健康，机械作业是一种事故多发性作业，近年来，机械设备的事故比较多，发生机械事故的原因可归纳为人的不安全行为、设备的不安全状态和环境的不安全因素等三个方面，据统计，造成机械伤害事故中的直接原因，由于设备的不安全状态，因防护缺陷（没有防护、防护不当、保险装置、信号装置缺乏等）而造成的各类事故占机械伤害事故的71.56%。我国机械伤害事故中，多数事故也与防护不当有密切有关，因此，重视机械的安全性是十分重要的。

为了从根本上防止机械伤害的隐患，应尽量采用各种有效地先进的技术手段，从根本上消除危险的存在；使机器具有自动防止误操作的功能；使机器具备完善的自我保护能力；优先采用安全保护措施，就必须从设计入手。在机械的设计时，就要考虑机械的本质安全，设计有安全可靠的各种防护措施、安全保障装置等。全面分析、研究机械运行、使用、维修中可能存在的不安全因素、可能发生事故的可能性及事故的危害程度，把保证机械的运行、使用、维修安全贯穿于整个设计中。

机械安全设计作为现代设计方法的重要组成部分，随着先进制造技术的推动和市场对机械产品需求的多样化，通过10多年来对传统安全工程的摒弃、扩展和延伸，逐步形成了以系统工程理论为指导，以基础科学、工程技术以及管理科学构成的多层次的安全科学。机械安全设计的主要包括以下内容：

1、危险识别

危险识别在机械安全设计中占有十分重要的地位，它的目的是描述危险的性质和识别它们各自危险所产生的后果。在对机械进行安全设计、制定有关安全标准和风险评价时，必须要对机器可能产生的危险进行识别。它是安全评价和安全设计的主要依据，危险识别的准确与否，直接影响到安全性能的好坏。机器可能产生的危险主要分为2大类：

(1)机械危险 主要包括挤压危险、剪切危险、切割危险、缠绕危险、吸人或卷入危险、冲击或碰撞危险、刺伤或扎伤危险、摩擦和磨损危险、高压流体喷射危险等。

(2)非机械危险 主要包括电气危险、热危险、噪声危险、振动危险、辐射危险、材料或物质产生的危险、未遵循人类工效学原则而产生的危险及综合性危险等。

2、安全评价

风险评价是在危险分析的基础上，根据现有工艺水平对机器在每种危险状态下可能产生伤害的概率和严重度进行全面评估和判定。安全评价的目的是帮助设计者根据现有技术水平，以及由此引起的各种约束确定最优的安全措施，使机器达到最高安全水平。

(1)风险评价要素 风险评价通常包括以下3个方面的要素： ①评估可能伤害的严重度。可通过伤害的范围、伤害的限度、伤害的严重度等因素进行评估；②人们暴露于危险区的频率。通过对进入危险区的性质、频次、持续时间和人数等因素来进行评估；③预测危险出现的概率。主要对以下因素进行预测：机器及其它元器件的可靠性及有关统计数据，类似机器事故历史资料。

(2)风险评价的定性方法：风险要素评估完成后，需对机器进行危险评价，以确定机器是否达到安全要求。

(3)综合运用各种系统安全分析和评价方法：采用系统工程方法进行风险评价已有近20年的历史，发展了数十种系统安全分析方法，能从各种不同的角度对系统进行风险评价。从分析的数理角度出发，这些方法可分为定性分析和定量分析。从分析的逻辑观点出发，又可分为归纳法和演绎法。其中，不少方法是相似的、重复的，但是按照系统寿命周期的时间进程，这些系统安全分析方法之间又互有联系，各有利弊。

在伤亡事故分析预测方面，比较常用的系统安全分析方法有初步危险分析(PHA)、故障类型和影响危险度分析(FMECA)、事件树分析(ETA)、故障树分析(FTA)、管理疏忽和危险树分析(MORT)等。其中，在我国乃至国际上应用最广泛的是故障树分析。

3、机械安全设计

根据风险评估的结果进行安全设计，在选择安全设计的最优方法时，必须遵循以下原则：

（1）结构安全设计 机械安全设计的第一步是对其进行结构设计，结构安全设计应考虑的主要因素如下：

①使机器外观达到本质安全的结构设计，在不影响正常功能实现、使用的情况下，凡人体易接近的机械外形结构应平整、光滑、不应有易引起损伤的锐角、尖角、突出物、粗糙表面等。

②使机器有关运动参数达到安全的设计； 直线运动部件之间或直线运动部件与静止部件（包括墙、柱）之间的距离，必须符合有关安全距离的规定，应保证不该通过的身体部位不能通过。限制操作力、运动件的质量和速度、往复运动件的运动距离和加速度、机器的噪声和振动、机器的表面温度等。

③合理规定和计算零部件的强度和应力；

④合理选用材料；

⑤选用本质安全技术和动力源；使机器与所有动力源或其他供给断开。断开必须做到既可见（动力源连续性明显中断），又能通过允许检查断开装置上操纵器的位置而确认，并且还必须明确表示出机器的那些部分已被断开。如果需要（例如：对于大型机器或在设施中），将所有切断装置锁定在“断开”位置。机械的动力源不管什么原因中断或波动后，要重新建立时不得导致危险状态。

尤其是：

A、机器不得意外起动；B、一旦停机命令发出，机器必须停止运转；C、机器的运动部分或由机械夹持的工件不得落下或抛出；D、不得防碍自动或手动停止机器的运动部分；E、防护装置必须保持完全有效；F、采取措施保证在断开点的下游不再有：位能（如：电解、可以释放的液压或机械能）；动能（如：通过惯性可以继续运动的部件）。

在一旦停机命令发出，机器必须停止运转的措施效果通过工作安全系统进行验证。这些措施会使机器达到“0能量状态”；断开和能量泄放可提供很高的安全水平。

⑥应用强制机械作用原则；⑦应用人机工程原则；⑧应用人类工效学原则；⑨提高机器及零件的可靠性；10使机器的调整、维修点位于危险区之外。

(2)安全防护措施的选用与设计，对通过合理的结构设计仍不能避免或充分减小的危险或风险，应合理选用和设计安全装置和(或)防护装置进行防护。

(3)提供充分的安全使用信息 对通过合理结构设计和采用安全防护措施都无法消除或充分减小的那些遗留风险，应通过提供安全使用信息的方式通知和警告用户和使用者，使他们在使用机器时采取相应的补救安全措施。