机械安全设计

1、1 第二章第二章 机械安全设计机械安全设计 机械设计：机械设计： 功能要求功能要求技术、经济技术、经济 安全要求安全要求以人为出发点以人为出发点 机械安全设计的总体目标：机械安全设计的总体目标：使机械产品达到使机械产品达到本质安全本质安全 设计阶段：避免、警告设计阶段：避免、警告 使用阶段：误用、事故使用阶段：误用、事故 2 结构安全设计、控结构安全设计、控 制系统有关安全部制系统有关安全部 件的设计、防护装件的设计、防护装 置、附加信息置、附加信息 3 常用概念常用概念 故障：设备在工作过程中，因某种原因故障：设备在工作过程中，因某种原因“丧失规定功能丧失规定功能”或或 危害安全的现象。危害

2、安全的现象。 隐患：在某个条件下隐患：在某个条件下,事物以及事件中所存在的不稳定并且事物以及事件中所存在的不稳定并且 影响到个人或者他人安全利益的因素。影响到个人或者他人安全利益的因素。 危险：材料、物品、系统、工艺过程、设施或场所对人、财危险：材料、物品、系统、工艺过程、设施或场所对人、财 产或环境具有产生危害的潜能。产或环境具有产生危害的潜能。 风险：某一特定危险情况发生的可能性和后果的组合。风险：某一特定危险情况发生的可能性和后果的组合。 安全：免除不了、可接受的损害风险状态。安全：免除不了、可接受的损害风险状态。 安全不是完全没有损害，故障不一定会有危险。安全不是完全没有损害，故障不一

3、定会有危险。 4 第一节第一节 机械安全设计的基本技术原则机械安全设计的基本技术原则 一一 、对所设计的机械进行风险评价、对所设计的机械进行风险评价 1.11.1、风险、风险 指在某一特定环境下，在某一特定时间段内，某种损失指在某一特定环境下，在某一特定时间段内，某种损失 发生的发生的可能性可能性。 换句话说，是在某一个特定时间段里，人们所期望达到换句话说，是在某一个特定时间段里，人们所期望达到 的目标与实际出现的结果之间产生的的目标与实际出现的结果之间产生的距离距离。 风险是由风险是由风险因素风险因素、风险事故风险事故和和风险损失风险损失等要素组成。等要素组成。 广义：不确定性、广义：不确定

4、性、 狭义：损失不确定性狭义：损失不确定性 5 1.21.2、风险的大小：具体的情况、风险的大小：具体的情况 机器的类型、用途、使用方法、出入现场的难易程度机器的类型、用途、使用方法、出入现场的难易程度 使用人员的素质、技能与工作态度使用人员的素质、技能与工作态度 对危险的了解程度和所采取的避免危险的技能对危险的了解程度和所采取的避免危险的技能 6 1.31.3、风险评价、风险评价 以系统方式对与机械有关的危险进行考察的一系列逻以系统方式对与机械有关的危险进行考察的一系列逻 辑步骤。辑步骤。 危险分析：机械的设计、使用时间、事故的伤害危险分析：机械的设计、使用时间、事故的伤害 危险评定危险评定

5、 找到在现有水平下最合适的安全措施找到在现有水平下最合适的安全措施 定性方法：直观定性方法：直观 定量方法：补充定量方法：补充 7 机械设计的风险评价所需要的信息机械设计的风险评价所需要的信息 机器的各种限制因素；机器的各种限制因素； 机器的各寿命阶段的技术要求；机器的各寿命阶段的技术要求； 机器的设计图样和说明机器特性的其他资料；机器的设计图样和说明机器特性的其他资料； 动力来源的有关信息；动力来源的有关信息； 可能得到的事故历史及案例资料；可能得到的事故历史及案例资料； 其他任何有损人体健康的信息；其他任何有损人体健康的信息； 8 1.41.4、机械风险评价、机械风险评价: : 机械风险评

6、价是指以机械或机械系统为研究对象，用系统方式机械风险评价是指以机械或机械系统为研究对象，用系统方式 分析机器使用阶段可能产生的各种危险、一切可能的危险状态，分析机器使用阶段可能产生的各种危险、一切可能的危险状态， 以及在危险状态下可能发生损伤或危害健康的危险事件，并对危以及在危险状态下可能发生损伤或危害健康的危险事件，并对危 险事件的概率和程度进行全面评价的一系列逻辑步骤和险事件的概率和程度进行全面评价的一系列逻辑步骤和选代选代过程。过程。 与机械的特定状态或技术过程有关的风险由以下两个要素组合与机械的特定状态或技术过程有关的风险由以下两个要素组合 得出：得出： （1 1）发生损伤或危害健康的

7、概率。这种概率与人员暴露于危）发生损伤或危害健康的概率。这种概率与人员暴露于危 险中的频次和面临危险的持续时间有关，与危险事件出现的概率险中的频次和面临危险的持续时间有关，与危险事件出现的概率 有关。有关。 （2 2）损伤或危害健康的可预见的最严重程度。这种严重程度）损伤或危害健康的可预见的最严重程度。这种严重程度 有一定的随机性，与多种因素的综合影响和作用有关，这些因素有一定的随机性，与多种因素的综合影响和作用有关，这些因素 如何影响和怎样作用具有很大的偶然性，难以预见。如何影响和怎样作用具有很大的偶然性，难以预见。 9 1.51.5、风险评价的步骤及内容、风险评价的步骤及内容 （1）风险分

8、析：研究机械和人在规定的使用条件下，面临或处于一种）风险分析：研究机械和人在规定的使用条件下，面临或处于一种 或几种危险因素的状态或环境。或几种危险因素的状态或环境。 包括：包括： 1）机械限制的确定）机械限制的确定 机械的寿命、使用范围、使用者的训练水平机械的寿命、使用范围、使用者的训练水平 2 ）危险识别危险识别 机械类危险：各种伤害如挤压，缠绕等。机械类危险：各种伤害如挤压，缠绕等。 非机械类危险：电气危险、热危险、噪声危险、振动等。非机械类危险：电气危险、热危险、噪声危险、振动等。 3）风险评估）风险评估 考虑在机械危险状态下，造成人员伤害的几率和伤害程度考虑在机械危险状态下，造成人员

9、伤害的几率和伤害程度 伤害的严重度伤害的严重度 伤害出现的概率伤害出现的概率 防护对象的性质、损伤的严重度、防护对象的性质、损伤的严重度、 对人伤害的范围、对机器伤害的范围对人伤害的范围、对机器伤害的范围 暴露危险区的频次和持续时间、暴露危险区的频次和持续时间、 危险事件出现的概率、避免伤害的可能性危险事件出现的概率、避免伤害的可能性 10 （2）风险评定：风险分析后要进行风险的评定，以确定机械是否需要）风险评定：风险分析后要进行风险的评定，以确定机械是否需要 减少风险或是否达到了安全的要求。减少风险或是否达到了安全的要求。 实现安全的迭代过程实现安全的迭代过程 11 风险评定可以采用的方法：

10、风险评定可以采用的方法： 1 1）对所见到的可能导致损伤和危害健康的各种危险状态逐一核对采）对所见到的可能导致损伤和危害健康的各种危险状态逐一核对采 取的安全措施，评定是否达到了风险减小的目标。取的安全措施，评定是否达到了风险减小的目标。 2 2）在具有可比性的条件下，与已经过风险评价并被认为安全的类似）在具有可比性的条件下，与已经过风险评价并被认为安全的类似 机械进行对比。机械进行对比。 其对比的条件：其对比的条件： a: a: 现有的工艺水平的风险减小是可接受的；现有的工艺水平的风险减小是可接受的； b: b: 使用的工艺是可比的；使用的工艺是可比的； c: c: 危险和风险要素是可比的；

11、危险和风险要素是可比的； d:d:技术目标是可比的；技术目标是可比的； e: e: 使用条件是可比的使用条件是可比的 ； 12 编制风险评价报告编制风险评价报告 风险评价的结果应形成文件（文字材料、图表与数据），报告内容除风险评价的结果应形成文件（文字材料、图表与数据），报告内容除 了合同书、参加单位人员的资质文件外，还应包括以下内容：了合同书、参加单位人员的资质文件外，还应包括以下内容： 第一，评价依据，如法规、标准等文献；第一，评价依据，如法规、标准等文献； 第二，评价机械的预期使用、技术标准规范和限制范围、操作程序第二，评价机械的预期使用、技术标准规范和限制范围、操作程序 和对人员的要求

12、等；和对人员的要求等； 第三，识别预期使用中的危险、危险状态和危险事件的种类、原因第三，识别预期使用中的危险、危险状态和危险事件的种类、原因 和存在部位；和存在部位； 第四，搜集的有关信息，例如事故，职业病历史，测试、统计数据，第四，搜集的有关信息，例如事故，职业病历史，测试、统计数据， 对类似机械进行风险评价获得的经验和教训等；对类似机械进行风险评价获得的经验和教训等； 第五，通过安全措施要达到的目标；第五，通过安全措施要达到的目标； 第六，为消除危险或减小风险所实施的安全措施建议。第六，为消除危险或减小风险所实施的安全措施建议。 13 1.61.6、风险评价的方法、风险评价的方法 危险性预

13、先分析（危险性预先分析（PHAPHA， Preliminary Hazard AnalysisPreliminary Hazard Analysis ） 故障模式与影响分析（故障模式与影响分析（FMEAFMEA，Fault Modes and Effects AnalysisFault Modes and Effects Analysis ） 致命度分析（致命度分析（CACA ，Critical AnalysisCritical Analysis ） 故障树分析（故障树分析（ FTAFTA ，Fault Tree Analysis Fault Tree Analysis ） 事件树分析（事件树

14、分析（ ETAETA ，Event Tree Analysis Event Tree Analysis ） 前因后果分析法（前因后果分析法（Reason and ResultReason and Result Analysis Analysis ） 德尔菲法（德尔菲法（DELPHL)DELPHL) 风险系统分析组织法（风险系统分析组织法（MOSARMOSAR） 14 PHAPHA（初始危险分析）（初始危险分析） （1 1）将目标机器系统划分为若干部件或子系统；）将目标机器系统划分为若干部件或子系统； （2 2）分析确定哪些部件或者子系统最有可能出现风险；）分析确定哪些部件或者子系统最有可能出现

15、风险； （3 3）确定每项风险后，评估可能产生伤害的风险，并按照严重程度归）确定每项风险后，评估可能产生伤害的风险，并按照严重程度归 类；类； （4 4）依据风险类别采取适当的安全措施。）依据风险类别采取适当的安全措施。 故障模式与影响分析故障模式与影响分析 在在产品设计过程中产品设计过程中，通过对产品各组成部分的潜在的各种故障模式，通过对产品各组成部分的潜在的各种故障模式 及其对产品功能的影响进行分析，把每一个潜在故障模式按照它的严酷及其对产品功能的影响进行分析，把每一个潜在故障模式按照它的严酷 程度进行分类，提出可以采取的预防措施，用以提高产品可靠性。程度进行分类，提出可以采取的预防措施，

16、用以提高产品可靠性。 15 致命度分析致命度分析 致命度分析就是对系统中各个不同的严重故障模式致命度分析就是对系统中各个不同的严重故障模式计算临界值计算临界值致命度致命度 指数，即给出某故障模式产生致命度影响的概率。它是一种定量分析方法：与指数，即给出某故障模式产生致命度影响的概率。它是一种定量分析方法：与 故障类型和影响分析结合使用时，叫做故障类型、影响及致命度分析。故障类型和影响分析结合使用时，叫做故障类型、影响及致命度分析。 故障树分析故障树分析 故障树分析故障树分析(FTA)(FTA)技术是技术是美国贝尔电报公司美国贝尔电报公司的电话实验室于的电话实验室于19621962年年 开发的，

17、它采用逻辑的方法，形象地进行危险的分析工作，特点是直观、开发的，它采用逻辑的方法，形象地进行危险的分析工作，特点是直观、 明了，思路清晰，逻辑性强，可以做明了，思路清晰，逻辑性强，可以做定性分析定性分析，也可以做，也可以做定量分析定量分析。体。体 现了以现了以系统工程方法系统工程方法研究安全问题的系统性、准确性和研究安全问题的系统性、准确性和预测预测性，它是安性，它是安 全全系统工程系统工程的主要分析方法之一。一般来讲，安全系统工程的发展也是的主要分析方法之一。一般来讲，安全系统工程的发展也是 以故障树分析为主要标志的。以故障树分析为主要标志的。 16 事件树事件树 事件树分析是从一个初始事件

18、开始，按顺序分析事件向前发展中各事件树分析是从一个初始事件开始，按顺序分析事件向前发展中各 个环节成功与失败的过程和结果。是一种时序逻辑的事故分析方法，它个环节成功与失败的过程和结果。是一种时序逻辑的事故分析方法，它 以一初始事件为起点，按照事故的发展顺序，分成阶段，一步一步地进以一初始事件为起点，按照事故的发展顺序，分成阶段，一步一步地进 行分析，每一事件可能的后续事件只能取完全对立的两种状态（成功或行分析，每一事件可能的后续事件只能取完全对立的两种状态（成功或 失败，正常或故障，安全或危险等）之一的原则，逐步向结果方面发展，失败，正常或故障，安全或危险等）之一的原则，逐步向结果方面发展，

19、直到达到系统故障或事故为止。所分析的情况用树枝状图表示，故叫事直到达到系统故障或事故为止。所分析的情况用树枝状图表示，故叫事 件树。件树。 17 德尔菲法德尔菲法 采用背对背的通信方式征询专家小组成员的预测意见，经过几轮征采用背对背的通信方式征询专家小组成员的预测意见，经过几轮征 询，使专家小组的预测意见趋于集中，最后做出符合市场未来发挥在那询，使专家小组的预测意见趋于集中，最后做出符合市场未来发挥在那 趋势的预测结论。德尔菲法又名专家意见法，是依据系统的程序，采用趋势的预测结论。德尔菲法又名专家意见法，是依据系统的程序，采用 匿名发表意见的方式，即团队成员之间不得互相讨论，不发生横向联系，匿

20、名发表意见的方式，即团队成员之间不得互相讨论，不发生横向联系， 只能与调查人员发生关系，以反覆的填写问卷，以集结问卷填写人的共只能与调查人员发生关系，以反覆的填写问卷，以集结问卷填写人的共 识及搜集各方意见，可用来构造团队沟通流程，应对复杂任务难题的管识及搜集各方意见，可用来构造团队沟通流程，应对复杂任务难题的管 理技术。理技术。 18 风险评价时注意：风险评价时注意： （1 1）掌握足够信息，并进行仔细研究、分析；）掌握足够信息，并进行仔细研究、分析； （2 2）系统的高危险性并不意味着事故的必然性；）系统的高危险性并不意味着事故的必然性； 19 二二 、优先采用本质安全措施、优先采用本质安

21、全措施 1 1、尽量采用各种有效的、先进的技术手段，从根本上消、尽量采用各种有效的、先进的技术手段，从根本上消 除危险的存在；除危险的存在； 2 2、使机器具有自动防止误操作的能力；、使机器具有自动防止误操作的能力； 3 3、使机器具有完善的自我保护功能；、使机器具有完善的自我保护功能； 20 三三 、符合人类功效学的准则、符合人类功效学的准则 1 1、正确地布置各种控制操作装置、正确地布置各种控制操作装置 2 2、正确地选择工作平台的位置及高度、正确地选择工作平台的位置及高度 21 4 4、出入工作地点要方便、出入工作地点要方便 3 3、尽量提供合适的工作座椅、尽量提供合适的工作座椅 22

22、四四 、符合安全卫生要求、符合安全卫生要求 要求机器不得排放超过规定的各种有害物质，若不能要求机器不得排放超过规定的各种有害物质，若不能 消除有害物质的排放，必须配备处理有害物质的装置。消除有害物质的排放，必须配备处理有害物质的装置。 23 五五 、按考虑机械安全措施的原则和设计程序进行安全设计、按考虑机械安全措施的原则和设计程序进行安全设计 1 1、机械安全措施、机械安全措施 1 1）消除产生危险的原因）消除产生危险的原因 2 2）减少接触机器危险部件的需求）减少接触机器危险部件的需求 3 3）提供安全装置使人难以接近机器的危险部位）提供安全装置使人难以接近机器的危险部位 4 4）提供保护装

23、置或防护服）提供保护装置或防护服 24 2 2、安全设计的程序、安全设计的程序 1 1）考虑设备的本质安全）考虑设备的本质安全 2 2）对控制装置的选择）对控制装置的选择 3 3）考虑机器的实效安全）考虑机器的实效安全 4 4）考虑维护及隔离方法）考虑维护及隔离方法 5 5）定位安全）定位安全 6 6）机器布置）机器布置 25 FAA: Safety Order of Precedence DescriptionPriorityDefinition Design for minimum risk. 1 Design to eliminate risks. If the identified r

24、isk cannot be eliminated, reduce it to an acceptable level through design selection. Incorporate safety devices. 2 If identified risks cannot be eliminated through design selection, reduce the risk via the use of fixed, automatic, or other safety design features or devices. Provisions shall be made

25、for periodic functional checks of safety devices. Provide warning devices. 3 When neither design nor safety devices can effectively eliminate identified risks or adequately reduce risk, devices shall be used to detect the condition and to produce an adequate warning signal. Warning signals and their

26、 application shall be designed to minimize the likelihood of inappropriate human reaction and response. Warning signs and placards shall be provided to alert operational and support personnel of such risks as exposure to high voltage and heavy objects. Develop procedures and training. 4 Where it is

27、impractical to eliminate risks through design selection or specific safety and warning devices, procedures and training are used. However, concurrence of authority is usually required when procedures and training are applied to reduce risks of catastrophic, hazardous, major, or critical severity. Fr

28、om FAA System Safety Hand book 26 种类种类优先等级优先等级详细说明详细说明 最小风最小风 险设计险设计 1设计中消除风险。如果已确认的风险不能被消除，则通过设计设计中消除风险。如果已确认的风险不能被消除，则通过设计 选择将其减少到可接受水平。选择将其减少到可接受水平。 加入安加入安 全装置全装置 2如果通过设计选择不能消除已知风险，则使用固定的、自动的如果通过设计选择不能消除已知风险，则使用固定的、自动的 或其他安全设计特征或装置降低风险。应当明文规定对安全设或其他安全设计特征或装置降低风险。应当明文规定对安全设 备做定期性能检查。备做定期性能检查。 装备警装

29、备警 告装置告装置 3当设计和安全装置都不能有效地消除已知风险或充分降低风险当设计和安全装置都不能有效地消除已知风险或充分降低风险 时，则应采用能探测到风险状况并发出警告信号的设备。警告时，则应采用能探测到风险状况并发出警告信号的设备。警告 信号及其应用应设计成能最大限度地减少不正确的人为反应和信号及其应用应设计成能最大限度地减少不正确的人为反应和 响应的可能性。应设立警告表示及警告牌警告运行人员和地面响应的可能性。应设立警告表示及警告牌警告运行人员和地面 保障人员勿接触高电压和重物之类的风险。保障人员勿接触高电压和重物之类的风险。 开发程开发程 序及培序及培 训训 4当通过设计选择或特殊的安

30、全和警告装置来消除风险都不可行当通过设计选择或特殊的安全和警告装置来消除风险都不可行 时，则应使用程序及培训。然而，使用程序及培训来减少灾难时，则应使用程序及培训。然而，使用程序及培训来减少灾难 性的、危险的、严重的或紧急严重程度的风险，需要得到管理性的、危险的、严重的或紧急严重程度的风险，需要得到管理 当局的同意。当局的同意。 安全优先次序安全优先次序 27 第二节第二节 机械安全设计的主要内容机械安全设计的主要内容 一一 、机械的安全设计、机械的安全设计 1、零件安全、零件安全 在规定载荷和规定时间内，零件不发生断裂、过度变形、磨损、腐蚀等在规定载荷和规定时间内，零件不发生断裂、过度变形、

31、磨损、腐蚀等 2、整机安全、整机安全 保证整个技术系统在规定条件下实现总的功能保证整个技术系统在规定条件下实现总的功能 3、工作安全、工作安全 对操作人员的防护，保证人身安全和身心健康对操作人员的防护，保证人身安全和身心健康 4、环境安全、环境安全 对整个系统的周围环境和人不造成危害和污染，同时也保证机器对环境的对整个系统的周围环境和人不造成危害和污染，同时也保证机器对环境的 适应性适应性 28 二二 、安全设计的方法及应用、安全设计的方法及应用 1、直接安全设计法、直接安全设计法 遵循三个原理遵循三个原理 1）安全存在原理）安全存在原理 零件和零件之间在规定载荷和时间内安全。零件和零件之间在

32、规定载荷和时间内安全。 受力、试验负荷、腐蚀、温度、老化。受力、试验负荷、腐蚀、温度、老化。 2）有限损坏原理）有限损坏原理 功能被破坏或干扰时，破坏次要部件。功能被破坏或干扰时，破坏次要部件。 安全销、安全阀、易损件等。安全销、安全阀、易损件等。 安全销座安全销座 安全销安全销 29 二二 、安全设计的方法及应用、安全设计的方法及应用 3）冗余配置原理）冗余配置原理 重复的备用系统。重复的备用系统。 飞机的多驱动和副油箱、压力容器的两个安全阀、飞机的多驱动和副油箱、压力容器的两个安全阀、 矿山排水的水泵系统采用三套配置（运转、维修、备用矿山排水的水泵系统采用三套配置（运转、维修、备用)。 3

33、0 2、间接安全设计法、间接安全设计法 通过防护系统和保护装置来实现技术系统的安全可靠。通过防护系统和保护装置来实现技术系统的安全可靠。 如：液压回路中的安全阀如：液压回路中的安全阀 3、提示性安全设计法、提示性安全设计法 在危害出现前，通在危害出现前，通 过指示灯、警铃等提醒过指示灯、警铃等提醒 人们注意，及时停止机人们注意，及时停止机 器的工作，排除故障。器的工作，排除故障。 如：行驶机械在燃如：行驶机械在燃 油箱的燃油所剩不多时，油箱的燃油所剩不多时， 指示灯亮。指示灯亮。 31 三三 、机械安全设计的主要内容、机械安全设计的主要内容 1、机械结构的安全设计、机械结构的安全设计 2、消除

34、和减少机械危险的设计、消除和减少机械危险的设计 3、机械控制系统安全部件的设计、机械控制系统安全部件的设计 4、机械安全装置的设计、机械安全装置的设计 5、机械的安全使用信息、机械的安全使用信息 6、机械的附加预防措施的设计、机械的附加预防措施的设计 32 1、机械结构的安全设计、机械结构的安全设计 1）机械零、部件形状和相对位置的设计）机械零、部件形状和相对位置的设计 2）限制运动件的质量和速度）限制运动件的质量和速度 3）限制往复运动件的运动距离和加速度）限制往复运动件的运动距离和加速度 4）限制弹性元件的位能）限制弹性元件的位能 5）限制操纵器的操纵力）限制操纵器的操纵力 6）限制机器的噪声和振动）限制机器的噪声和振动 7）限制机器的表面温度）限制机器的表面温度 33 8）合理规定和计算零件的强度和应力）合理规定和计算零件的强度和应力 9）合理选用材料）合理