机械设备的安全设计

（2）操作阶段。

建立有计划的维护保养和预防性维修制度；采用故障诊断技术，对运行中的设备进行状态监测；避免或及早发现设备故障；对安全装置进行定期检查，保证安全装置始终处于可靠和待用状态；提供必要的个人防护用品等。

（3）管理措施。

指导机械的安全使用，向用户及操作人员提供有关设备危险性的资料、安全操作规程、维修安全手册等技术文件；加强对操作人员的教育和培训，提高工人发现危险和处理紧急情况的能力。

上述三方面中，设计阶段所应采取的措施是主要的。

后两方面的措施只是补充。

二、本质安全的主要措施。

1．本质安全的目的本质安全是指操作失误时，设备能自动保证安全；当设备出现故障时，能自动发现并自动排除，能确保人身和设备安全。

为使设备达到本质而进行的研究、设计、改造和采取各种措施的最佳组合，都称为本质安全化。

本质安全化的目的是：运用现代科学技术，特别是安全科学的成就，从根本上消除能形成事故的主要条件；如果暂时达不到时，则采取两种或两种以上的相对安全措施，形成最佳组合的安全体系，达到最大限度的安全。

同时尽可能采取完善的防护措施，增强人体对各种危害的抵抗能力。

本质安全化强调先进技术手段和物质条件在保障安全生产中的重要作用。

随着科学技术的进步，设备本质安全化程度也会不断提高。

不会停留在现有的水平上。

2．本质安全化的主要内容设备的本质安全措施可以通过设备本身和控制器的安全设计来实现。

（1）本质安全化的基本思路。

①从根本上消除发生事故的条件。

这是最理想的措施。

许多机械事故是由于人体接触了危险点，如果将危险操作采用自动控制，用专用工具代替人手操作，实现机械化等都是保证人身安全的有效措施。

②设备能自动防止操作失误和设备故障。

操作失误是操作人员违反操作规程的行为，设备故障是设备或其零、部件的功能受到损伤或破坏，以致不能正常运转而使其技术性能下降甚至完全丧失。

这些现象在生产中是难以完全避免的。

因此设备应有自动防范措施，以避免发生事故。

这些措施应能达到：即使操作失误，也不会导致设备发生事故；即使出现故障，应能自动排除，切换或安全停机；当设备发生故障时，不论操作人员是否发现，设备应能自动报警，并作出应急反应，更理想的是还能显示设备发生故障的部位。

（2）常用的措施。

⑴采用机械化、自动化和遥控技术。

这是消除危险因素和人接触最佳方案。

机械的可靠性一般比人的可靠性高，人易受生理、心理以及外界因素的影响，一般认为的人失误率在1%以上。

设计优良的机械，其故障率至少在0.1%以下，使用可靠性高的零、部件，机械的故障率可达到0.01%。

采用机械化、自动化和遥控技术代替人的手工操作，是提高劳动生产率，降低劳动强度，减少设备故障率，防止错误操作，保证操作者安全和设备安全最有效的措施。

尤其适用于危险作业和在恶劣的作业环境中代替人进行操作。

⑵采用可靠性设计，提高机械设备的可靠性。

⑶采用安全防护装置。

当无法消除危险因素时，采用安全防护装置隔离危险因素是最常用的技术措施。

带有联锁装置的防护罩是最好的本质安全措施。

⑷安装保险装置，保险装置又叫故障保险装置。

这种装置的作用与安全防护装置稍有不同。

它能在设备产生超压、超温、超速、超载、超位等危险因素时，进行自动控制并消除或减弱上述危险。

安全阀、单向阀、超载保护装置、限速器、限位开关、爆破片、熔断器、保险丝、力矩限制器、极限位置限制器等都是常用的保险装置。

⑸采用自监测、报警和处理系统。

利用现代化仪器仪表对运行中的设备状态参数进行在线监测和故障诊断。

当出现异常现象时，能自动报警，发出声、光报警信号，并且动作出应急反应，如自动停机、自动切换到备用设备等。

⑹采用冗余技术。

冗余技术是可靠性设计常采用的一种技术，即在设计中增加冗余元件或冗余（备用）设备，平时只用其中一个，当发生事故时，冗余设备或冗余元件能自动切换。

⑺采用传感技术在危险区设置光电式、感应式、压力传感式传感器，当人进入危险区，可立即停机，终止危险运动。

⑻安装紧急停车开关。

⑼向操作者提供机械关键安全功能是否正常（设备的自检功能）的信息。

⑽设计程序联锁开关。

设计对出现错误指令时，禁止启动的操纵器。

这些关键程序只有在正常操作指令下才能启动机械。

⑾配备使操作者容易观察的，能显示设备运行状态和故障的显示器。

⑿采用多重安全保障措施。

对于危险性大的作业，要求设备运行绝对安全可靠。

为了防止出现故障和发生误操作，应采用双重或多重安全保障措施，使设备运行万无一失。

二、可靠性设计1．可靠性技术和可靠性设计设备在规定的时期内，在规定的条件下，完成规定功能的能力称为设备的可靠性。

可靠性技术已成为提高使用寿命、减少设备故障、实现安全生产的重要手段。

可靠性技术和安全技术有密切的关系，但两者又不完全相同。

2.可靠性设计的基本知识（1）可靠性设计的意义。

可行性设计是可靠性工程的重要组成部分。

这里只介绍与机械安全有关的基本知识，以便设备治理职员、安全工作职员能运用所介绍的知识在工作中正确地处理下列题目：①比较和选择可靠性高的设备；②对设备故障进行记录、分析，研究故障机理，随时将故障资料反馈给设备设计、制造单位，以便改进设计和进步制造质量，从而进步设备的可靠性；③针对现有设备在运行中暴露出来的不安全因素，在现有设备上设计一些简单易行、可靠的安全装置，以确保设备的安全运行；④指导制订进步可靠性、维修性的方案。

（2）可靠度和故障率。

①可靠性和可靠度。

可靠性是评价设备在使用寿命期内可信赖程度的指标。

是指设备在规定条件下、规定时间内，完成规定功能的能力。

而设备在规定条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率为可靠度。

可以用可靠度对设备的可靠性进行具体的试验、丈量和比较，也就是可以对可靠性进行定量的测定和衡量，并加以表示。

a、可靠度研究的对象可靠度研究的对象可以是一个系统、一台设备或其中一个零件。

设备是由千百个零件组成的，假如其中一个零件出现故障，有可能使整个设备出现故障；因此研究设备可靠度要从研究零件进手。

b、规定的条件包括设备所处的作业环境、使用条件和维修条件。

作业环境：温度、湿度、压力、振动、冲击、粉尘、日晒、雨淋等；使用条件：负荷大小和性质，操纵职员的技术水同等；c、规定的时间随着设备使用时间的延长、零部件的磨损、材料的腐蚀老化而使性能下降，可靠性也将下降，因此可靠性是时间的函数。

使用时间不同的设备，其可靠性是不能等价比较的。

规定的时间一般应以能达到以最少修理用度和停工损失来确定，如机床一般选定为两次计划修理之间的时间（无故障工作时间）。

d、规定的功能指既有明确的功能指标，如功率、流量、速度等，又有明确的失效（出现故障、不能正常工作）界限，如设备质量下降到制造时质量的百分之几就应报废等。

②故障和故障率。

故障表示设备处于不正常状态。

设备在投进使用和运行过程中，由于某种原因，使设备或其零、部件丧失了其规定功能的事件称为故障。

由此可见，可靠性和故障是反映设备运行正反两个方面的状态。

故障率是指在任意给定的时间内，设备或零件出现故障的概率以λ表示。

随着时间延长，故障率增加。

③零件可靠度与设备可靠度的关系。

一台设备是由很多零、部件组成的，设备有两种构成方式；串联和并联。

a、串联系统设备。

这种设备工作时，其组成部分需要同时工作。

在串联设备中，任何一个零件失效，整个设备就无法工作。

因此，为了使设备不出现故障，要求所有零件在同一时间内都不能出现故障。

整个设备的可靠度要由全部零件不发生故障来保证，因此整个设备的可靠R应该是构成该设备的所有零、部件的可靠度的乘积。

设备的可靠度不可能高于其最差零件的可靠度，即设备的可靠度受所使用零件中可靠底最低零件的制约。

举例说明，一台设备由n个零件组成，则其可靠度为R=R＜sub＞1＜/sub＞R＜sub＞2＜/sub＞R＜sub＞3＜/sub＞……R ＜sub＞n＜/sub＞由上式可见，不管使用的其他零件可靠度多高，只要其中有一个零件可靠度很低，该设备的可靠度就不会高。

即使所有零件的可靠度都很高，也只能接近1，不可能即是1。

随着设备结构的复杂化，零件数目增加，整个设备的可靠度要降低。

因此，可靠性技术的关键是进步零件的可靠度和尽量减少设备的零件数。

设计职员应选用可靠度高的零件和简化设备结构来进步设备的可靠度。

b并联系统设备。

只有各组成部分的零件都出现故障，整个设备才会出现故障，由于可靠度和故障率的关系是R=1-λ对并联系统设备，设备故障率为λ=λ＜sub＞1＜/sub＞λ＜sub＞2＜/sub＞λ＜sub＞3＜/sub ＞……λ＜sub＞n＜/sub＞R =1-（1-λ＜sub＞1＜/sub＞）（1-λ＜sub＞2＜/sub＞）（1 -λ＜sub＞3＜/sub＞）……（1 -λ＜sub＞n＜/sub＞）由于可靠度<1，上式表明，设备的可靠度大于任一构成零件的可靠度。

在设计时，只要有可能，采用并联结构的设备有利于进步设备的可靠度。

3．可靠性设计可靠性设计是用最少的用度，设计出可靠性高的设备。

除了主要依靠设计职员外，生产、维修、质量治理及使用职员都应该对设备质量提出意见和建议。

设计职员在综合各方面有关设备性能、可靠性、安全性等技术资料的基础上，在设计阶段作好进步可靠性、发现和预防各种危险因素的工作。

设备可靠度分为固有可靠度和使用可靠度。

固有可靠度是指设计时确定的目标值、猜测值或用可靠性试验确认的特征量。

使用可靠度是指设备设计后，经过制造、组装、运输、贮存、安装、调试、使用、维修等实际使用过程中达到的可靠度。

由于受各种条件的制约，使用可靠度要低于固有可靠度。

（1）进步使用可靠度。

为了保证必要的使用可靠度，设计职员必须使设计出来的设备轻易操纵，最大限度地减轻操纵者的体力和脑力消耗以及精神紧张状况，使操纵者能以充沛的精力进行劳动，并轻易维修，这是进步设备可靠性的重要条件。

使用单位最关心的是设备应具有一定的可靠性的维修性，要求设计和制造单位提供本质安全的设备，从根本上来保证安全生产。

假如设备先天不足，可靠性低，要靠使用和维修中另加防护装置或采取其他措施来预防事故，来进步使用可靠性，无论从安全方面和经济方面来说都是事倍功半的。

另加的安全装置可能会影响或破坏设备的结构和性能。

因此最好的办法是在设计阶段进步设备的可靠性。

（2）可靠性设计的主要内容。

①确定公道的安全系统。

安全系数是指零件理论承载能力与实际承受负荷之比。

为了使构件可靠地工作，理论计算强度应大于实际负荷，其余量就是由安全系数决定的。

在确定安全系数时，既要考虑环境温度、湿度振动、冲击等条件和使用中超负荷、误操纵的后果，保证零部件在使用中不发生永久变形、疲惫损伤、蠕变等缺陷，还要考虑所付出的经济代价是否合算。

应该选择用最低的用度就能保证设备性能的安全系数。

通过选择公道的结构形式，可以少用材料而能大大进步零件的刚性；设计公道的机构可以使零部件的负荷分布公道，以达到变形小，磨损均匀，尽量减少零件变形、磨损对设备输出参数的影响等，都可以增加零件所答应承受的负荷。