中小型設備制造企業實現機械設備安全性設計的方法探討

李育建

珠海鎮東有限公司 廣東珠海 519070

1 概述

改革開放四十多年以來，我國的社會、經濟、科技、文化等各方面的發展取得了巨大成就。這些成就的取得，離不開設備制造企業的巨大貢獻。但是各種設備給人們帶來高效、便捷的同時，由于各種原因導致頻繁發生機械傷害，給人們的生命安全和財產安全造成了巨大的損失。特別是部分中小型設備制造企業非常重視設備制造的產量、交期及性能，但對于設備的安全性重視不夠，有些中小型設備制造企業沒有全程執行設備安全性的設計、評審、加工、驗收及認證等環節，安全設計沒有落到實處。這樣，勢必造成有缺陷的安全設計沒有被發現，在使用過程出現安全的設備概率就會大幅提高。因此，無論設備企業的規模大小，都不能忽視設備設計制造的安全性，且必須按設備安全設計流程及相關安全標準進行設計、評審及驗證，才能真正把設備的安全性設計工作做實、做好。

2 中小型設備制造企業重視設備安全性設計首先要重視設備自主設計和研發

現在部分中小設備制造企業，由于資金、資源等因素，產品設計的技術力量較為薄弱。一般是企業買1臺樣機，安排機械設計經驗不足的繪圖員開始進行測繪后模仿制作。為了避免侵權，并對原設備的一些結構和功能進行修改，即改進設計或變型設計，但修改之后，有的沒有設計評審，有的沒有測試驗證，從而導致一些涉及安全的功能被改變后失效。這樣安全性差、在市場上缺乏競爭力的設備，又會影響設備的銷售并制約企業的發展。因此，中小型設備制造企業必須采取措施，加大研發經費的投入及聘用高級設計技術人才，這樣才能實現設備的創新設計及安全性設計。在保證本質安全性設計的前提下，對自主設備再進行變形設計及改進設計，把產品系列化并進行升級，使企業發展為小而精、小而強的優秀企業，這樣才能在市場競爭中占有優勢，并取得良好的經濟效益和社會效益。

3 中小設備制造企業必須熟悉國家關于設備安全的相關法律及機械設備對安全的危害

3.1 生產設備的分類及相關安全設計的要求

3.1.1 按照使用范圍分類

(1)通用機械設備(又稱為定型設備)。指在工業生產中普遍使用的機械設備，這類設備可以按定型的系列由制造廠進行批量生產。

(2)專用機械設備。指專門用于某個生產方面的專用機械設備。

(3)汽車制造業所涉及的相關設備。

(4)鐵路、船舶、航空航天及其他運輸設備制造業相關的機械設備。

(5)電氣機械和器材制造業相關的各種機械設備。

3.1.2 按照在生產中所起的作用分類

(1)液體介質輸送和給料機械，如各種泵類。

(2)氣體輸送和壓縮機械，如真空泵、壓縮機、風機。

(3)金屬加工機械，如切削、研磨、刨銑、鉆孔等設備。

(4)動力機械，如汽輪機、發動機、電動機等。

(5)其他各種用途的專用機械等。

3.1.3 按照《機械指令》(2006/42/EC)對危險機械的分類

根據機械在使用中存在的潛在危險，《機械指令》(2006/42/EC)把機械設備分為普通機械和危險機械兩大類，《機械指令》在附錄IV中列出了23種危險機械。如木工機械等。

3.1.4 參照《特種設備安全監察條例》分類

參照此《條例》的相關規定要求可以將設備分為普通設備和特種設備。特種設備是指涉及生命安全、危險性較大的鍋爐壓力容器、壓力管道、電梯、起重機械、客運索道、大型游樂設施和場(廠)內專用機動車輛等。

中小型設備制造企業在進行產品立項并進行可行性研究的時候，首先就要清楚研究開發的設備，是屬于那種類型的設備，特別要知道是否屬于危險設備類，還是屬于特種設備類，因為不同的設備類型，國家對其安全性設計及檢測、安全許可等要求也不相同。[1]

3.2 造成機械問題的原因

3.2.1 人的不安全行為

雖然科學技術在設備制造領域得到很大的發展并取得了巨大的成就，但是部分設備的自動化程度和智能化程度的還不是很高，大部分機械設備主要還是靠人工進行使用或操作，而且有的設備危險性還很高，如果人的操作行為不規范、精力不集中或處于疲勞工作狀態，就有可能出現安全問題。[2]

3.2.2 機械設備的不安全狀態

機械設備的運動零件經過長時間的使用之后，必然會導致零件的磨損或疲勞損壞，如果不定期或及時進行維護保養，設備的零部件就會處于一種帶病的工作狀態，到達一定的極限，設備將出現故障或安全問題。

3.2.3 機械設備使用條件的不穩定狀態

有的設備本身的狀態正常，但是供設備使用的水、電、氣出現問題，如突然性地停水、停電、停氣，或水壓、電壓、氣壓突然降低，也有可能導致設備的損壞及安全事故的發生。

3.2.4 安全設計及制造存在缺陷

有的設備在設計時對于安全性設計關鍵問題考慮不全面，對于關鍵安全零件的材料選擇、結構設計不合理，零件制造可能造成的裂紋等嚴重缺陷未被檢查發現，這些都會導致安全問題的發生。

3.2.5 設備及安全管理存在問題

所有設備，特別是危險設備和特種設備，對于操作者都必須進行安全操作培訓，并經考試合格后發給上崗證，操作者才能上崗操作。如果對操作者不培訓、培訓不到位，或安全檢查、安全管理措施不落實，都會導致安全問題的發生。

3.3 機械設備對安全的危害及風險評價

設備在使用過程中，機械對人的傷害可以分為兩類：一類是機械性的傷害，另一類是非機械性傷害。前者主要是劃傷、壓傷、擠傷等，后者主要是指電擊、燙傷、凍傷、噪聲、輻射等。

機械安全設計要遵循“安全第一，預防為主，綜合治理”的指導方針，因此，所設計的機械設備首先要達到本質安全的要求，使機械設備具有高度的可靠性和安全性。為達到此要求，必須對所設計的設備進行安全風險評價，安全風險評價必須按照相應的評價程序和科學的評價方法來進行。設計者應根據風險評價的結果，采取不同的安全設計措施。[3]

4 機械設備安全性設計常用的方法

在分清了設備的危險程度及進行安全風險評估之后，機械設備的安全性設計就可以有的放矢，以設備的本質安全為重點，具有針對性地進行各種安全機構的設計。

4.1 針對人的不安全行為進行各種防護裝置設計

人的不安全行為多種多樣，導致不安全行為的原因也多種多樣，各種安全防護裝置的設計既要預防于源頭，又要預防于結果。首先，要在設備醒目處、危險處設計張貼危險標識的位置空間。其次，要對于危險位置、危險操作可能出現的情況，進行機械裝置的預先防護，如在可能造成機械傷害的位置，安裝防護網以防止頭和手的誤入。另外，設計安全裝置時，要充分利用現有自動化技術，安裝必要的感應裝置，在危險發生之前，提前進行預防、報警，提前切斷危險區域。

4.2 針對人的可能出現的錯誤行為進行各種防呆裝置設計

安全防呆裝置的設計是一種非常重要的設計思路和方法，它的優點在于：即使有人為操作失誤，也不會造成安全問題的發生。防呆設計的方法有很多種，比較常用的設計方法有：(1)有形防呆設計：就是針對產品、設備、工具及操作者的物質屬性，采用的一種有形硬件的防錯防呆安全模式，如電熱壺無水就不能打開加熱開關，有鋼絲防護網，手指就不能靠近皮帶輪等。(2)順序防呆設計：就是設計出一種結構，只能按一種順序進行操作才能實現安全操作，如果不按順序操作，就不能進行下一步操作，同時，也沒有其他的路徑或方法可供選擇，例如，沖床的腳踏開關控制改為雙聯開關同時手動操作控制。(3)多重保險防呆設計：有些危險的機構或危險的區域要保證絕對安全，只考慮一種安全措施是不夠的，必須考慮雙保險或多重保險的安全措施，如同時采用機械保險、電氣保險、手動操作保險，即無論出現什么情況，總有一種或幾種安全措施是有效的。

4.3 為保證操作者處于良好的工作狀態采取人類工效學原則設計

有些安全事故的發生，是由于操作者精神疲勞、狀態不佳、操作緊張造成的，而有些設備由于條件、空間等因素的限制，又不可能做到完全防呆保證絕對安全，這時設計者在設計時就必須考慮操作者在8～12小時的工作時間內，能夠輕松、安全、舒適的工作，要達到此要求，就必須按照人類工效學原則進行設備設計，即按照人機匹配應符合的原則進行設計。

(1)盡可能設計減少體力消耗及身體疲勞的措施：如設備工作的頻率盡量符合操作者的動作節拍，工作臺的高度及位置應盡量適應操作者身體的高度，條件允許，應盡量配置高度可調的座椅，各種操作裝置位置適宜、操作方便，涉及用力及重量的操作盡可能輕便。同時，對環境有污染的設備，還要考慮設計或要求配套有抽風、除塵等凈化空氣的設備。

(2)盡可能設計減少腦力消耗及大腦疲勞的措施：不要采用需要操作者進行高精密、高頻率的、長時間精確計算的，或感覺可能有某種危險的操作。操作手柄或按鈕等應便于識別。

4.4 為保證設備人身安全的關鍵零部件可靠性安全設計

設備自身的安全性是設備安全的基礎和保證，只有設備本身是安全的情況下，再考慮設計其他的安全機構及配套措施才有意義。在設計時，首先要調查清楚涉及安全的零部件名稱及使用條件、環境及要求，再進行材料選擇、熱處理工藝、結構尺寸設計、強度校核及安全系數的計算等。設計時，對于關鍵安全零件還必須考慮其失效的形式及使用壽命，例如，運動零件的摩擦、磨損，環境惡劣條件下的腐蝕、變形，工藝問題或材料缺陷導致的斷裂或破壞。因此，為保證關鍵安全零件既可靠又安全，設計時必須做到：

(1)合理選材。防止零件過早失效，根據使用條件及工作要求，合理選材是第一步，也是關鍵。

(2)合理的結構設計。為防止關鍵零件產生裂紋導致斷裂，一般不用焊接件，應盡可能采用整體材料加工，如特別復雜的零件可以采用鑄件，且注意保證壁厚、圓角，避免尖角。

(3)合理的加工精度和裝配工藝設計。設計時必須在工程圖上反映關鍵零件的設計要求：表面粗糙度要求、尺寸精度要求、位置精度要求，這樣也才能保證裝配精度的要求，從而保證結構的可靠性。

4.5 各種安全控制系統及控制零件的可靠性設計

安全控制零件及由這些零件組成的安全控制系統是否可靠都必須有相應的制度來保證，如電氣零件的選型、安裝都必須符合國家或行業相關的安全標準。

4.6 危險操作采用自動化或機器人操作設計

隨著科學技術的進步，機械設備自動化已得到廣泛應用。設計時應提高物料裝、卸和送、取料的機械化、自動化程度，例如，簡單、危險、重復的工作采用機械手、工業機器人、自動上下料機構等。

4.7 符合相關國家安全衛生要求的設計

各種生產設備的設計，不僅要保證操作者或相關人員不受設備的直接機械傷害外，還要考慮到塵埃毒氣、高溫嚴寒、振動噪聲、靜電輻射等對操作人員及周邊環境的影響，設計配套相關衛生安全設備。

4.8 防止設備所用水源、電源、氣源供應不足或突發斷供等危害的安全設計

有些安全問題的發生并不是設備本身的原因或故障造成的，如突發性的停水、停電、停氣，導致設備不能運行，或動力停供后逆行、反轉、跌落等安全事故。這些問題除了要在安全風險評價時提出并討論外，在設計時要力求做到萬無一失，至少要通過安全設計將安全風險降到最低、最小，但必須確保人身和設備的安全。

4.9 機械設備安全用電設計

現在的機械設備都離不開用電，非正確用電，也會導致機械設備安全問題的發生。因此，設備的用電安全設計也是設備安全設計的重要內容。急停開關的安裝，絕緣保護、接地保護、漏電保護、靜電保護、防雷保護、低壓操作保護、防火防誤操作保護等，都必須在設計中重點考慮和落實。

4.10 其他安全設計措施

由于設備的用途、使用條件、使用環境等不同，對于其安全措施的要求也不相同，因此設計者需因地制宜，具體問題具體分析，根據實際需要設計實用性強、可靠性高的安全防護機構。

5 機械設備安全性評審

在設計人員完成整套設備的模型設計及出具完整的工程圖之后，一定要組織各部門的相關技術人員及管理人員對設備的結構、功能、安全性等是否滿足設計要求，進行全面評審。部分中小型設備制造企業由于制度不健全、組織結構不完善，因此，在進行設備評審時，有的企業對于結構和功能比較重視，而對于設備的安全性能可能存在的問題和風險則重視不夠，因此，設計評審的組織者及主要設計者在評審議程的安排上，應該將設備的安全性評審列入主要的議程之內，進行專項評審。主要評審人員，特別是負責安全評審的相關人員，要按照國家相關的安全標準或出口產品要按出口目的地國家或組織的安全標準進行評審，如出口歐盟的設備或產品需要符合《技術協調與標準化新方法》指令的基本要求，并加貼“CE”標志。對于國內銷售的設備或產品，需符合《中華人民共和國標準化法》《中華人民共和國質量法》《中華人民共和國產品質量認證管理條例》及生產過程勞動安全衛生標準要求。評審后需對不合格項目做好記錄，并提出改善方案，進行改進完善。

6 機械設備安全性的驗證和認證

在設備或產品樣機組裝并調試完成之后，需要對各項技術指標進行測試，并對各項性能包括安全性能進行全面測試。對于安全性能除進行一般性的測試外，更重要的是模擬各種可能出現的安全隱患或風險，進行多次重復測試驗證，其安全結構的穩定性、可靠性必須達到設計要求。對于涉及人身安全等重要結構，進行破壞性測試和驗證也是有必要的，這樣可以得到準確的測試數據。在企業自測自檢完全合格之后，可以根據設備或產品的分類及銷售的目的地向有關權威機構申請相關安全認證。根據《中華人民共和國標準化法》中的規定：強制性標準必須執行，不符合強制性標準的產品禁止生產、銷售和進口。

結語

在機械設備制造企業中，特別是中小型機械設備制造企業，在面臨生存、發展及激烈競爭局面的同時，作為企業管理者和設計工作者，一定要樹立以人為本、安全第一的管理和設計理念，千萬不可忽視自身設備的安全性能，尤其是在設備或產品的設計及評審、驗收階段，對安全設計落實、把關，這樣才能從源頭、從本質上、以低成本代價杜絕或減少安全問題的發生。安全問題不僅對操作者身體造成傷害，同時也會對企業造成損失。只有性能先進、品質穩定，同時具有可靠的安全性保證的設備，在市場上才有良好的口碑和很強的競爭力。這樣的企業才沒有潛在、突發的設備安全風險，并避免因安全問題造成停產、整頓、賠款等經濟損失和其他不良影響。只有這樣才可確保預期的經濟效益和發展目標實現，從而保證中小型設備制造型企業實現穩定、持續、良性發展。