通用机械的安全性设计方法研究与策略分析

魏 巍

(北京劳动保障职业学院，北京 100029)

1 引言

对于机械设计者、制造者(机械制造商)和使用者(最终用户)而言，安全性无疑是必须优先关注的决定性因素。现在已经不再讨论“要不要加装安全装置？”的问题，转而研究“应该采用怎样的安全系统才可靠？”的问题。从机械设计的角度评判一台机器的优劣，不再是简单地视其自动化程度或加工效率的高低而定，更应强调考核其整机全生命周期的安全性是否有可靠的保证。

以往关于机械安全性方面的研究，偏重于对国内外机械安全标准的介绍和宣贯，或局限于对某一种安全产品应用的性能介绍。欠缺关于通用机械的安全性设计理论，方法和策略方向的研究。本文将结合对近几年新颁布的3项通用机械安全A类标准(包括：GB/T 15706-2012 《机械安全 设计通则 风险评估与风险减小》、GB/T 16856-2015 《机械安全 风险评估 实施指南和方法举例》和GB/T 20850-2014 《机械安全 机械安全标准的理解和使用指南》)的解读，提出可供通用机械设计人员参考借鉴的安全性设计流程、策略、方法和安全标准的适用规范。

2 通用机械的安全性设计流程

通用机械的安全性设计流程一般应当包括3个主要环节，分别是风险评估、风险减小和持续改进。

风险评估环节针对机器在每种使用条件下的每种危险和危险状态的风险进行分析和评价。

风险减小环节是在风险评估结果显示存在超出承受范围的风险时，采取保护措施消除危险或减小危险伴随的风险的迭代过程。

持续改进环节既是指在初始设计时重复多次“风险评估-风险减小”的迭代过程；也是指在产品全生命周期中应该持续视情启动新的安全性设计流程。

3 风险评估的设计方法和策略

风险评估是设计者以系统方法对与机械有关的风险进行分析和评价的一系列逻辑步骤，依次为：①确定机器的各种限制，包括预定使用和任何可合理预见的误用；②识别危险及其伴随的危险状态；③对每一种识别出的危险和危险状态进行风险估计；④评价风险并决定是否需要减小风险。

GB/T 16856-2015 《机械安全 风险评估 实施指南和方法举例》(以下简称GB/T 16856)是实施风险评估的指导性标准文件。GB/T 16856推荐采用评估组方式进行风险评估，除非该种机械的危险已被充分认知。该标准还给出了评估组的人员组成原则。

3.1 机械限制的确定

机械限制的确定应考虑机械生命周期的所有阶段，包括预定使用和任何可合理预见的误用。根据使用限制、空间限制、时间限制和其他限制对基于机器的机械功能和基于任务的机械使用给于清晰的综合描述。

3.2 危险识别

危险识别在任何风险评估中都是最重要的步骤，其目的是要形成一份危险、危险状态和(或)危险事件的清单。GB/T 16856给出了两种系统性识别危险的方法供选择：以潜在后果(伤害)的核查清单为起点的 “自上而下法”和以检查所有的危险为起点的 “自下而上法”。比较而言，后者更加有效且全面彻底，但耗时较长。推荐在通用机械安全设计时采用。

3.3 风险评估

风险评估的目的是确定每个危险状态的最高风险，通常以等级、指数、或分数表述被估计风险的大小，但也可以是描述性内容。影响风险估计结果的两个要素是伤害的严重程度和该严重程度伤害发生的概率。GB/T 16856给出风险评估的三种常用工具或方法包括：基于多维表格的风险矩阵法；基于决策树的风险图法；基于参数等级分加权复合的数值评分法。

除此之外，汇率预期与实际汇率往往具有相互强化的效应，使得前者对跨境资金流动的影响程度更大。实体经济中的交易主体会因实际汇率升贬值形成对人民币汇率走势的预期，从而通过资金配置进一步改变商品市场、资本市场以及信贷市场的均衡关系，又通过外汇市场供求关系的变化将影响传导至实际汇率，实际汇率的波动则进一步增强市场主体的汇率预期，形成“汇率升贬值——预期升贬值——加剧汇率升贬值——强化预期升贬值”的循环，实际汇率与汇率预期的自我强化也加大了对跨境资金流动的冲击。

比较而言，风险图法更适宜对复杂危险状态的风险估计，建议在通用机械的风险估计中选用。

3.4 风险评价

风险评价的目标有两个：一是确定哪些已有的危险状态需要进一步减小风险；二是确定已实施的风险减小是否达到要求，且没有引入进一步的危险或增加其他风险。风险评价应同时考虑相关标准(如GB5226.1)以及法律、法规、劳动组织和惯例、技术经济指标等多重因素的影响。对于风险极低(轻微)的危险状态，可记录为“不做进一步考虑”，不作处理；但对于风险较低且容易实施有效减小的危险状态，一般应实施风险减小的技术措施；对于会产生显著风险的危险状态，依照标准规定予以减小；对于引起高风险的危险状态，建议作多次的风险估计后作出结论。

4 风险减小的设计方法和策略

风险评估之后需要进行风险减小，即：“采取保护措施消除危险或减小危险伴随的风险”。风险减小的措施应尽可能充分将机器的危险性降低到可以承受的程度，因此有必要重复进行该过程，即风险减小的迭代。

GB/T 15706-2012 《机械安全 设计通则 风险评估与风险减小》(以下简称GB/T 15706)是实施风险减小的指导性标准文件。风险减小所采取的保护措施是设计者和使用者共同采取措施的组合。在设计阶段采取的措施优于在使用阶段由使用者采取的措施，而且通常更有效。因此按照优先级顺序，设计者应依次采取以下3步措施实施风险减小措施。

4.1 通过本质安全设计措施减小风险

本质安全设计措施是通过改变机器设计或工作特性，而不是使用防护装置或保护装置来消除危险或减少与危险相关的风险的保护措施。如有可能，通过设计消除危险是减小风险最有效的方法，因为它能去除危险源。例如在食品机械的喂料口等区域，改进部件的造型轮廓，去除锋利的锐边和剪切点；为冲压机械配置自动上下料机构，消除重复动作和有害姿势等。对于无法消除的危险，应基于机器本身的设计特点和暴露人员与机器的交互关系，从降低伤害严重程度、危险暴露度、危险发生概率等方面合理选择设计措施减小风险。

4.2 通过安全防护减小风险，实施补充保护措施

安全防护措施使人员远离那些不能合理消除的危险或者通过本质安全设计措施无法充分减小的风险。GB/T 30574-2014 《机械安全 安全防护的实施准则》是实施安全防护的指导性标准文件。

安全防护措施及其装置一般对伤害的严重程度几乎没有影响，但能限制暴露于危险，减小危险事件发生概率或限制伤害可能性。例如，在高速注塑机的合模区，存在着挤压危险的高危险区域，必须加装安全防护挡板或护栏；在大型塑料中空成形机的机架和活动防护门之间,加装安全地毯、光幕等保护装置，以减小危险事件发生概率。

此外，机器的预定使用和可合理预见的误用有要求，可采用补充性保护和(或)风险减小措施来进一步减小风险。GB/T 17506指出了对规避和限制伤害的能力影响最大的补充保护和(或)风险减小措施：包括急停、被困人员逃生和援救的措施、安全进入机器的措施、便捷安全搬运机器及其重型零部件的装置等；对暴露有显著影响的补充保护和(或)风险减小措施则包括用于隔离和能量耗散的措施(如隔离阀或隔离开关、锁定装置、防止移动的机械挡块等)。

4.3 通过使用信息减小风险

使用信息是在需要时，当采取上述第1、2步措施减小风险后，用于警示使用者注意存在的剩余风险。使用信息由设计者提供，使用者实施，为机器的正确和安全使用提供了指导。使用信息是由信息载体(如文本、文字、标记、信号、符号、图表)组成的保护措施，可单独或组合使用这些载体向使用者传递信息。这些使用信息既可以存在于机器上(如警告标记、信号和报警装置等)，也可以存在于使用手册中(可包括关于所需的培训以及个体防护装备的信息)。使用者依据设计者提供的使用信息采取相应的保护措施，包括但不仅限于组织措施(如安全工作程序、监督、工作许可制度等)、使用附加安全防护装置、使用个体防护装备、培训等。

在通用机械的安全性设计中，应采取措施保证所有使用信息应醒目易识别，易懂可执行。如在《使用说明书》中应将安全类使用信息按警告、注意、提示3个层级采用不同的字体或版式分别标注；如在热处理机械、挤出机等加热圈外壁加装“高温表面，切勿触摸”的警告标识，相关安全标志的图案及颜色应符合GB 2894 和GB/T2893系列标准的要求。

5 持续改进的设计方法和策略

通用机械的安全性设计过程是一个“迭代+嵌套”的体系结构，从底层的面向单一危险状态的风险评估、风险减少；到次级的风险评估的迭代、风险减少的迭代；再到更高级的“风险评估-风险减少的迭代”；直至最高级的面向整机全生命周期的安全性设计过程的迭代，贯穿全局的核心设计思想和理念就是“持续改进”。

安全性设计的持续改进不应仅局限于原始设计阶段，而是要贯穿产品的全生命周期。通过利用现有技术对风险评估和和风险减小设计多次迭代，重复反馈的过程，最终目的是要尽可能消除危险或充分减小风险。一般而言，持续改进的驱动力源于两点：一是产品风险评估信息的更新，改变了原有的风险评估结果；二是安全装置(技术)的进步，出现了风险更低的等效机器设计，使原本可接受的机器设计可能不再合理。这样的变化在产品的全生命周期中可能会随时发生，例如，用户提供了新的故障或事故信息；在实验室或试运行中发现了原先没有预见的风险；相关法规、安全标准或技术规范修订改版；安全装置的零部件供应商提供的质量警示报告；发明了新的安全装置(技术)或原有安全装置(技术)的改进；在设计审核中发现了安全设计缺陷等等。

对设计者而言，持续改进可以是主动的也可以是被动的。持续改进的过程中应按下列优先次序考虑4个因素：机器在生命周期所有阶段内的安全；机器执行其功能的能力；机器的易用性；制造、使用和拆卸机器的成本。

对上述原则的最佳应用需要掌握机器的使用、事故历史和健康记录、可用的风险减小技术以及有关机器使用的法律方面的知识，作出综合的评估和决策。对于已经投入量产的产品，设计者在新的安全性设计改进实施并得到肯定性验证后，应作出新设计改进是否要追溯到已经投放市场的产品批次的设计结论。

6 结语

在通用机械的安全性设计中，对相关安全标准的执行和引用具有不可替代的指导地位。其中，A类安全标准为安全性设计提供方法和原则；B类标准提供安全特性或装置的设计规范；C类标准则给出特定产品的强制性技术要求和具体解决方案。在安全性设计中正确使用相关安全标准无疑将收到事半功倍的效果。

当然，也要认识到安全标准(特别是C类标准)自身的局限性：受行业整体发展水平、安全装置技术滞后、产品风险信息不全等诸多因素的制约，即便是C类安全标准也仅能提供现有技术条件下机械设备应该达到的安全防护最低要求。这显然不是安全性设计的终极目标。

因此，通用机械的设计者在安全性设计中不能满足于简单执行现有的强制性安全标准，而应秉承“持续改进”的设计理念实现对现有标准技术指标的超越，设计出具有更高安全保障水平的通用机械产品。