試議機械設計與安全設計

李朝陽

[摘要]隨著工業化生產的發展，各行各業的機械設備越來越多，自動化的機械設備正逐步成為各生產的主力軍，機械事故的不斷發生，也越來越引起了人們的關注機械的安全性，因此，機械的安全性必須從本質安全入手，在機械設計時，同時考慮安全設計。

[關鍵詞]機械設計；安全設計；危險識別

機械是現代化生產中各行各業不可缺少的生產設備，從機械的發展歷史看，機械是用來代替人的勞動，目前已從簡單的工具發展到完全自動化的機械。在生產的人機環境系統中，機械與人相比，它有許多人所不可能具備的優點，主要是：提高勞動生產率、能量大、功率大、精度高、靈敏度好、耐用性強、可靠性高、運轉速度快、適應性強等。

由于人與機械的廣泛接觸，就有可能對人產生損傷或者危害人的健康，機械作業是一種事故多發性作業，近年來，機械設備的事故比較多，發生機械事故的原因可歸納為人的不安全行為、設備的不安全狀態和環境的不安全因素等三個方面，據統計，造成機械傷害事故中的直接原因，由于設備的不安全狀態，因防護缺陷（沒有防護、防護不當、保險裝置、信號裝置缺乏等）而造成的各類事故占機械傷害事故的71.56%。我國機械傷害事故中，多數事故也與防護不當有密切有關，因此，重視機械的安全性是十分重要的。

為了從根本上防止機械傷害的隱患，應盡量采用各種有效地先進的技術手段，從根本上消除危險的存在；使機器具有自動防止誤操作的功能；使機器具備完善的自我保護能力；優先采用安全保護措施，就必須從設計入手。在機械的設計時，就要考慮機械的本質安全，設計有安全可靠的各種防護措施、安全保障裝置等。全面分析、研究機械運行、使用、維修中可能存在的不安全因素、可能發生事故的可能性及事故的危害程度，把保證機械的運行、使用、維修安全貫穿于整個設計中。

機械安全設計作為現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多年來對傳統安全工程的摒棄、擴展和延伸，逐步形成了以系統工程理論為指導，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。機械安全設計的主要包括以下內容：

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。

2、安全評價

風險評價是在危險分析的基礎上，根據現有工藝水平對機器在每種危險狀態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有技術水平，以及由此引起的各種約束確定最優的安全措施，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人們暴露于危險區的頻率。通過對進入危險區的性質、頻次、持續時間和人數等因素來進行評估；③預測危險出現的概率。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計數據，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）綜合運用各種系統安全分析和評價方法：采用系統工程方法進行風險評價已有近20年的歷史，發展了數十種系統安全分析方法，能從各種不同的角度對系統進行風險評價。從分析的數理角度出發，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，又可分為歸納法和演繹法。其中，不少方法是相似的、重復的，但是按照系統壽命周期的時間進程，這些系統安全分析方法之間又互有聯系，各有利弊。

在傷亡事故分析預測方面，比較常用的系統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、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，在不影響正常功能實現、使用的情況下，凡人體易接近的機械外形結構應平整、光滑、不應有易引起損傷的銳角、尖角、突出物、粗糙表面等。

②使機器有關運動參數達到安全的設計； 直線運動部件之間或直線運動部件與靜止部件（包括墻、柱）之間的距離，必須符合有關安全距離的規定，應保證不該通過的身體部位不能通過。限制操作力、運動件的質量和速度、往復運動件的運動距離和加速度、機器的噪聲和振動、機器的表面溫度等。

③合理規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；使機器與所有動力源或其他供給斷開。斷開必須做到既可見（動力源連續性明顯中斷），又能通過允許檢查斷開裝置上操縱器的位置而確認，并且還必須明確表示出機器的那些部分已被斷開。如果需要（例如：對于大型機器或在設施中），將所有切斷裝置鎖定在“斷開”位置。機械的動力源不管什么原因中斷或波動后，要重新建立時不得導致危險狀態。

尤其是：

A、機器不得意外起動；B、一旦停機命令發出，機器必須停止運轉；C、機器的運動部分或由機械夾持的工件不得落下或拋出；D、不得防礙自動或手動停止機器的運動部分；E、防護裝置必須保持完全有效；F、采取措施保證在斷開點的下游不再有：位能（如：電解、可以釋放的液壓或機械能）；動能（如：通過慣性可以繼續運動的部件）。

在一旦停機命令發出，機器必須停止運轉的措施效果通過工作安全系統進行驗證。這些措施會使機器達到“0能量狀態”；斷開和能量泄放可提供很高的安全水平。

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。