摘要：論述了機械安全的定義及特性,闡述了機械安全設(shè)計技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)及內(nèi)涵,提出了機械安全設(shè)計的基本內(nèi)容、設(shè)計原則和設(shè)計程序,為促進我國機械安全設(shè)計技術(shù)的研究和發(fā)展探討了機械安全設(shè)計方法學(xué)。

關(guān)鍵詞：先進制造技術(shù);現(xiàn)代設(shè)計方法;安全設(shè)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(yù)定使用條件下,執(zhí)行其功能和在其產(chǎn)品的整個壽命周期內(nèi)(運輸、安裝、調(diào)整、維修、拆卸和處理時)不產(chǎn)生損傷或危害健康的能力。

機械安全設(shè)計是采用先進的機械安全技術(shù),從系統(tǒng)內(nèi)部對機器可能發(fā)生的危險進行識別、分析和評價,根據(jù)其評價結(jié)果進行結(jié)構(gòu)、防護裝置和使用信息的設(shè)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(chǎn)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(shè)計這門新興學(xué)科是建立在心理、信息、控制、可靠性、失效分析、環(huán)境學(xué)、勞動衛(wèi)生、人機工程、計算機等科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上,并綜合運用這些科學(xué)技術(shù)的新型學(xué)科。

(2)安全性 采用現(xiàn)代安全設(shè)計方法,通過對機械危險的識別、評價和安全設(shè)計,從而使機器在整個壽命周期內(nèi)發(fā)揮預(yù)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(nèi)容和主動地位的提高得到不斷改善。

(3)友善性 機械安全設(shè)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(shè)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(xué)性 機械安全設(shè)計包括安全分析、安全評價和安全設(shè)計,它是應(yīng)用系統(tǒng)工程的原理和方法,全面、系統(tǒng)地對導(dǎo)致危險的因素進行定性、定量分析和評價,尋求降低風(fēng)險的最優(yōu)設(shè)計方案的一門綜合性科學(xué)。它應(yīng)用于機械產(chǎn)品的安全設(shè)計,為機械產(chǎn)品的安全設(shè)計的科學(xué)化和系統(tǒng)化奠定堅實的基礎(chǔ)。

2 機械安全技術(shù)的內(nèi)涵及構(gòu)成

機械安全設(shè)計作為現(xiàn)代設(shè)計方法的重要組成部分,隨著先進制造技術(shù)的推動和市場對機械產(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)。機械安全技術(shù)是一個有機整體,3個層次的技術(shù)并不是孤立的,它們互相聯(lián)系,構(gòu)成一個有機的整體。

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

(2)工程技術(shù) 第2個層次是機械安全技術(shù)的相關(guān)單元技術(shù)。該部分主要由現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的設(shè)計方法學(xué)所包含的可靠性設(shè)計、動態(tài)設(shè)計、材料設(shè)計、強度設(shè)計等優(yōu)良設(shè)計方法組成。通過應(yīng)用這些現(xiàn)代設(shè)計技術(shù),從機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度,保證機械的本質(zhì)安全,即機器在整個壽命期內(nèi)發(fā)揮預(yù)定功能,包括誤用時其機器和人身是安全的。

(3)管理技術(shù) 第3個層次是安全管理技術(shù)。它是與安全系統(tǒng)的組織與管理有關(guān)的各種技術(shù),主要包括安全技術(shù)的創(chuàng)新、安全規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的制定和安全的監(jiān)督實施、安全設(shè)計的評審、認(rèn)證等。它是技術(shù)與管理、科學(xué)與社會緊密結(jié)合,保證安全技術(shù)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(shù) 第4個層次是支持機械安全設(shè)計的基礎(chǔ)技術(shù)和共性技術(shù),包括機械安全設(shè)計必備的計算機輔助設(shè)計的軟硬件、信息網(wǎng)絡(luò)和機械安全行業(yè)數(shù)據(jù)庫等。

以上4個層次構(gòu)成機械安全技術(shù)的體系結(jié)構(gòu),但每一個層次都不等于機械安全技術(shù)的全部。機械安全技術(shù)是應(yīng)用上述4個層次技術(shù)的局部或?qū)ζ溥M行系統(tǒng)集成而形成的系統(tǒng)綜合技術(shù)。

3 機械安全設(shè)計的主要內(nèi)容

3.1 危險識別

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

機器可能產(chǎn)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(zhì)產(chǎn)生的危險、未遵循人類工效學(xué)原則而產(chǎn)生的危險及綜合性危險等。

3.2 安全評價

風(fēng)險評價是在危險分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)現(xiàn)有工藝水平對機器在每種危險狀態(tài)下可能產(chǎn)生傷害的概率和嚴(yán)重度進行全面評估和判定。安全評價的目的是幫助設(shè)計者根據(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,使機器達到最高安全水平。

(1)風(fēng)險評價要素風(fēng)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(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(zhì)、頻次、持續(xù)時間和人數(shù)等因素來進行評估。③預(yù)測危險出現(xiàn)的概率。主要對以下因素進行預(yù)測:機器及其它元器件的可靠性及有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù),類似機器事故歷史資料。

(2)風(fēng)險評價的定性方法

風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fù)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(yù)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(yīng)用最廣泛的是故障樹分析。

3.3 機械安全設(shè)計

根據(jù)風(fēng)險評估的結(jié)果進行安全設(shè)計,在選擇安全設(shè)計的最優(yōu)方法時,必須遵循以下原則：

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

(2)安全防護措施的選用與設(shè)計對通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計仍不能避免或充分減小的危險或風(fēng)險,應(yīng)合理選用和設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)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(fēng)險,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,使他們在使用機器時采取相應(yīng)的補救安全措施。