中小型设备制造企业实现机械设备安全性设计的方法探讨

李育建

珠海镇东有限公司 广东珠海 519070

1 概述

改革开放四十多年以来，我国的社会、经济、科技、文化等各方面的发展取得了巨大成就。这些成就的取得，离不开设备制造企业的巨大贡献。但是各种设备给人们带来高效、便捷的同时，由于各种原因导致频繁发生机械伤害，给人们的生命安全和财产安全造成了巨大的损失。特别是部分中小型设备制造企业非常重视设备制造的产量、交期及性能，但对于设备的安全性重视不够，有些中小型设备制造企业没有全程执行设备安全性的设计、评审、加工、验收及认证等环节，安全设计没有落到实处。这样，势必造成有缺陷的安全设计没有被发现，在使用过程出现安全的设备概率就会大幅提高。因此，无论设备企业的规模大小，都不能忽视设备设计制造的安全性，且必须按设备安全设计流程及相关安全标准进行设计、评审及验证，才能真正把设备的安全性设计工作做实、做好。

2 中小型设备制造企业重视设备安全性设计首先要重视设备自主设计和研发

现在部分中小设备制造企业，由于资金、资源等因素，产品设计的技术力量较为薄弱。一般是企业买1台样机，安排机械设计经验不足的绘图员开始进行测绘后模仿制作。为了避免侵权，并对原设备的一些结构和功能进行修改，即改进设计或变型设计，但修改之后，有的没有设计评审，有的没有测试验证，从而导致一些涉及安全的功能被改变后失效。这样安全性差、在市场上缺乏竞争力的设备，又会影响设备的销售并制约企业的发展。因此，中小型设备制造企业必须采取措施，加大研发经费的投入及聘用高级设计技术人才，这样才能实现设备的创新设计及安全性设计。在保证本质安全性设计的前提下，对自主设备再进行变形设计及改进设计，把产品系列化并进行升级，使企业发展为小而精、小而强的优秀企业，这样才能在市场竞争中占有优势，并取得良好的经济效益和社会效益。

3 中小设备制造企业必须熟悉国家关于设备安全的相关法律及机械设备对安全的危害

3.1 生产设备的分类及相关安全设计的要求

3.1.1 按照使用范围分类

(1)通用机械设备(又称为定型设备)。指在工业生产中普遍使用的机械设备，这类设备可以按定型的系列由制造厂进行批量生产。

(2)专用机械设备。指专门用于某个生产方面的专用机械设备。

(3)汽车制造业所涉及的相关设备。

(4)铁路、船舶、航空航天及其他运输设备制造业相关的机械设备。

(5)电气机械和器材制造业相关的各种机械设备。

3.1.2 按照在生产中所起的作用分类

(1)液体介质输送和给料机械，如各种泵类。

(2)气体输送和压缩机械，如真空泵、压缩机、风机。

(3)金属加工机械，如切削、研磨、刨铣、钻孔等设备。

(4)动力机械，如汽轮机、发动机、电动机等。

(5)其他各种用途的专用机械等。

3.1.3 按照《机械指令》(2006/42/EC)对危险机械的分类

根据机械在使用中存在的潜在危险，《机械指令》(2006/42/EC)把机械设备分为普通机械和危险机械两大类，《机械指令》在附录IV中列出了23种危险机械。如木工机械等。

3.1.4 参照《特种设备安全监察条例》分类

参照此《条例》的相关规定要求可以将设备分为普通设备和特种设备。特种设备是指涉及生命安全、危险性较大的锅炉压力容器、压力管道、电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施和场(厂)内专用机动车辆等。

中小型设备制造企业在进行产品立项并进行可行性研究的时候，首先就要清楚研究开发的设备，是属于那种类型的设备，特别要知道是否属于危险设备类，还是属于特种设备类，因为不同的设备类型，国家对其安全性设计及检测、安全许可等要求也不相同。[1]

3.2 造成机械问题的原因

3.2.1 人的不安全行为

虽然科学技术在设备制造领域得到很大的发展并取得了巨大的成就，但是部分设备的自动化程度和智能化程度的还不是很高，大部分机械设备主要还是靠人工进行使用或操作，而且有的设备危险性还很高，如果人的操作行为不规范、精力不集中或处于疲劳工作状态，就有可能出现安全问题。[2]

3.2.2 机械设备的不安全状态

机械设备的运动零件经过长时间的使用之后，必然会导致零件的磨损或疲劳损坏，如果不定期或及时进行维护保养，设备的零部件就会处于一种带病的工作状态，到达一定的极限，设备将出现故障或安全问题。

3.2.3 机械设备使用条件的不稳定状态

有的设备本身的状态正常，但是供设备使用的水、电、气出现问题，如突然性地停水、停电、停气，或水压、电压、气压突然降低，也有可能导致设备的损坏及安全事故的发生。

3.2.4 安全设计及制造存在缺陷

有的设备在设计时对于安全性设计关键问题考虑不全面，对于关键安全零件的材料选择、结构设计不合理，零件制造可能造成的裂纹等严重缺陷未被检查发现，这些都会导致安全问题的发生。

3.2.5 设备及安全管理存在问题

所有设备，特别是危险设备和特种设备，对于操作者都必须进行安全操作培训，并经考试合格后发给上岗证，操作者才能上岗操作。如果对操作者不培训、培训不到位，或安全检查、安全管理措施不落实，都会导致安全问题的发生。

3.3 机械设备对安全的危害及风险评价

设备在使用过程中，机械对人的伤害可以分为两类：一类是机械性的伤害，另一类是非机械性伤害。前者主要是划伤、压伤、挤伤等，后者主要是指电击、烫伤、冻伤、噪声、辐射等。

机械安全设计要遵循“安全第一，预防为主，综合治理”的指导方针，因此，所设计的机械设备首先要达到本质安全的要求，使机械设备具有高度的可靠性和安全性。为达到此要求，必须对所设计的设备进行安全风险评价，安全风险评价必须按照相应的评价程序和科学的评价方法来进行。设计者应根据风险评价的结果，采取不同的安全设计措施。[3]

4 机械设备安全性设计常用的方法

在分清了设备的危险程度及进行安全风险评估之后，机械设备的安全性设计就可以有的放矢，以设备的本质安全为重点，具有针对性地进行各种安全机构的设计。

4.1 针对人的不安全行为进行各种防护装置设计

人的不安全行为多种多样，导致不安全行为的原因也多种多样，各种安全防护装置的设计既要预防于源头，又要预防于结果。首先，要在设备醒目处、危险处设计张贴危险标识的位置空间。其次，要对于危险位置、危险操作可能出现的情况，进行机械装置的预先防护，如在可能造成机械伤害的位置，安装防护网以防止头和手的误入。另外，设计安全装置时，要充分利用现有自动化技术，安装必要的感应装置，在危险发生之前，提前进行预防、报警，提前切断危险区域。

4.2 针对人的可能出现的错误行为进行各种防呆装置设计

安全防呆装置的设计是一种非常重要的设计思路和方法，它的优点在于：即使有人为操作失误，也不会造成安全问题的发生。防呆设计的方法有很多种，比较常用的设计方法有：(1)有形防呆设计：就是针对产品、设备、工具及操作者的物质属性，采用的一种有形硬件的防错防呆安全模式，如电热壶无水就不能打开加热开关，有钢丝防护网，手指就不能靠近皮带轮等。(2)顺序防呆设计：就是设计出一种结构，只能按一种顺序进行操作才能实现安全操作，如果不按顺序操作，就不能进行下一步操作，同时，也没有其他的路径或方法可供选择，例如，冲床的脚踏开关控制改为双联开关同时手动操作控制。(3)多重保险防呆设计：有些危险的机构或危险的区域要保证绝对安全，只考虑一种安全措施是不够的，必须考虑双保险或多重保险的安全措施，如同时采用机械保险、电气保险、手动操作保险，即无论出现什么情况，总有一种或几种安全措施是有效的。

4.3 为保证操作者处于良好的工作状态采取人类工效学原则设计

有些安全事故的发生，是由于操作者精神疲劳、状态不佳、操作紧张造成的，而有些设备由于条件、空间等因素的限制，又不可能做到完全防呆保证绝对安全，这时设计者在设计时就必须考虑操作者在8～12小时的工作时间内，能够轻松、安全、舒适的工作，要达到此要求，就必须按照人类工效学原则进行设备设计，即按照人机匹配应符合的原则进行设计。

(1)尽可能设计减少体力消耗及身体疲劳的措施：如设备工作的频率尽量符合操作者的动作节拍，工作台的高度及位置应尽量适应操作者身体的高度，条件允许，应尽量配置高度可调的座椅，各种操作装置位置适宜、操作方便，涉及用力及重量的操作尽可能轻便。同时，对环境有污染的设备，还要考虑设计或要求配套有抽风、除尘等净化空气的设备。

(2)尽可能设计减少脑力消耗及大脑疲劳的措施：不要采用需要操作者进行高精密、高频率的、长时间精确计算的，或感觉可能有某种危险的操作。操作手柄或按钮等应便于识别。

4.4 为保证设备人身安全的关键零部件可靠性安全设计

设备自身的安全性是设备安全的基础和保证，只有设备本身是安全的情况下，再考虑设计其他的安全机构及配套措施才有意义。在设计时，首先要调查清楚涉及安全的零部件名称及使用条件、环境及要求，再进行材料选择、热处理工艺、结构尺寸设计、强度校核及安全系数的计算等。设计时，对于关键安全零件还必须考虑其失效的形式及使用寿命，例如，运动零件的摩擦、磨损，环境恶劣条件下的腐蚀、变形，工艺问题或材料缺陷导致的断裂或破坏。因此，为保证关键安全零件既可靠又安全，设计时必须做到：

(1)合理选材。防止零件过早失效，根据使用条件及工作要求，合理选材是第一步，也是关键。

(2)合理的结构设计。为防止关键零件产生裂纹导致断裂，一般不用焊接件，应尽可能采用整体材料加工，如特别复杂的零件可以采用铸件，且注意保证壁厚、圆角，避免尖角。

(3)合理的加工精度和装配工艺设计。设计时必须在工程图上反映关键零件的设计要求：表面粗糙度要求、尺寸精度要求、位置精度要求，这样也才能保证装配精度的要求，从而保证结构的可靠性。

4.5 各种安全控制系统及控制零件的可靠性设计

安全控制零件及由这些零件组成的安全控制系统是否可靠都必须有相应的制度来保证，如电气零件的选型、安装都必须符合国家或行业相关的安全标准。

4.6 危险操作采用自动化或机器人操作设计

随着科学技术的进步，机械设备自动化已得到广泛应用。设计时应提高物料装、卸和送、取料的机械化、自动化程度，例如，简单、危险、重复的工作采用机械手、工业机器人、自动上下料机构等。

4.7 符合相关国家安全卫生要求的设计

各种生产设备的设计，不仅要保证操作者或相关人员不受设备的直接机械伤害外，还要考虑到尘埃毒气、高温严寒、振动噪声、静电辐射等对操作人员及周边环境的影响，设计配套相关卫生安全设备。

4.8 防止设备所用水源、电源、气源供应不足或突发断供等危害的安全设计

有些安全问题的发生并不是设备本身的原因或故障造成的，如突发性的停水、停电、停气，导致设备不能运行，或动力停供后逆行、反转、跌落等安全事故。这些问题除了要在安全风险评价时提出并讨论外，在设计时要力求做到万无一失，至少要通过安全设计将安全风险降到最低、最小，但必须确保人身和设备的安全。

4.9 机械设备安全用电设计

现在的机械设备都离不开用电，非正确用电，也会导致机械设备安全问题的发生。因此，设备的用电安全设计也是设备安全设计的重要内容。急停开关的安装，绝缘保护、接地保护、漏电保护、静电保护、防雷保护、低压操作保护、防火防误操作保护等，都必须在设计中重点考虑和落实。

4.10 其他安全设计措施

由于设备的用途、使用条件、使用环境等不同，对于其安全措施的要求也不相同，因此设计者需因地制宜，具体问题具体分析，根据实际需要设计实用性强、可靠性高的安全防护机构。

5 机械设备安全性评审

在设计人员完成整套设备的模型设计及出具完整的工程图之后，一定要组织各部门的相关技术人员及管理人员对设备的结构、功能、安全性等是否满足设计要求，进行全面评审。部分中小型设备制造企业由于制度不健全、组织结构不完善，因此，在进行设备评审时，有的企业对于结构和功能比较重视，而对于设备的安全性能可能存在的问题和风险则重视不够，因此，设计评审的组织者及主要设计者在评审议程的安排上，应该将设备的安全性评审列入主要的议程之内，进行专项评审。主要评审人员，特别是负责安全评审的相关人员，要按照国家相关的安全标准或出口产品要按出口目的地国家或组织的安全标准进行评审，如出口欧盟的设备或产品需要符合《技术协调与标准化新方法》指令的基本要求，并加贴“CE”标志。对于国内销售的设备或产品，需符合《中华人民共和国标准化法》《中华人民共和国质量法》《中华人民共和国产品质量认证管理条例》及生产过程劳动安全卫生标准要求。评审后需对不合格项目做好记录，并提出改善方案，进行改进完善。

6 机械设备安全性的验证和认证

在设备或产品样机组装并调试完成之后，需要对各项技术指标进行测试，并对各项性能包括安全性能进行全面测试。对于安全性能除进行一般性的测试外，更重要的是模拟各种可能出现的安全隐患或风险，进行多次重复测试验证，其安全结构的稳定性、可靠性必须达到设计要求。对于涉及人身安全等重要结构，进行破坏性测试和验证也是有必要的，这样可以得到准确的测试数据。在企业自测自检完全合格之后，可以根据设备或产品的分类及销售的目的地向有关权威机构申请相关安全认证。根据《中华人民共和国标准化法》中的规定：强制性标准必须执行，不符合强制性标准的产品禁止生产、销售和进口。

结语

在机械设备制造企业中，特别是中小型机械设备制造企业，在面临生存、发展及激烈竞争局面的同时，作为企业管理者和设计工作者，一定要树立以人为本、安全第一的管理和设计理念，千万不可忽视自身设备的安全性能，尤其是在设备或产品的设计及评审、验收阶段，对安全设计落实、把关，这样才能从源头、从本质上、以低成本代价杜绝或减少安全问题的发生。安全问题不仅对操作者身体造成伤害，同时也会对企业造成损失。只有性能先进、品质稳定，同时具有可靠的安全性保证的设备，在市场上才有良好的口碑和很强的竞争力。这样的企业才没有潜在、突发的设备安全风险，并避免因安全问题造成停产、整顿、赔款等经济损失和其他不良影响。只有这样才可确保预期的经济效益和发展目标实现，从而保证中小型设备制造型企业实现稳定、持续、良性发展。