機械設備的安全設計

1、機械設備的安全設計為了保證安全生產(chǎn)，必須根據(jù)對機械設備的安全要求，進行安全設 計。在設計階段采取本質安全的技術措施。 本質安全是指一般水平的 操作者在判斷錯誤和誤操作的情況下，生產(chǎn)系統(tǒng)和設備仍能保證安 全。一、設備安全設計的主要內容1 .設備本質安全的意義“安全第一、預防為主”的方針體現(xiàn)在當安全和生產(chǎn)發(fā)生矛盾時， 安全是第一位的。所有機械設備必須符合安全使用要求， 在設備的使 用壽命期內保證操作者的安全。應該要求操作者正確操作，但是把希 望完全寄托在操作者的正確操作是危險的，必須使設備本身達到本質 安全。在設計階段必須考慮各種因素。經(jīng)過綜合分析，正確處理設備 性能、產(chǎn)量、效率、可靠性、實用性、

2、先進性、使用壽命、經(jīng)濟性和 安全性之間的關系。其中安全性是必須首先考慮的。不安全的設計會導致不必要的傷害和事故。最好的辦法是采納使 用單位包括操作者的建議，不斷改進設計，提高設備的安全性。安全 設計的目標是產(chǎn)品100溢到質量要求，具有100%!靠Ii和100%勺操 作維修安全性。本質安全的設備具有高度的可靠性和安全性， 可以杜 絕或減少傷亡事故，減少設備故障，從而提高設備利用率，實現(xiàn)安全 生產(chǎn)。2 .設備本質安全的指導思想根據(jù)生產(chǎn)設備安全設計的基本要求和制定安全技術措施的基本原 則，為了實現(xiàn)設備的本質安全，可以從三方面入手：(1)設計階段。采用技術措施來消除危險，使人不可能接觸或接 近危險區(qū)，

3、如在設計中對齒輪采用遠距離潤滑或自動潤滑，即可避免因加潤滑油而接近危險區(qū)；將危險區(qū)安全封閉；采用安全裝置；實現(xiàn) 機械化和自動化等；這些都是設計階段應該解決的。(2)操作階段。建立有計劃的維護保養(yǎng)和預防性維修制度；采用 故障診斷技術，對運行中的設備進行狀態(tài)監(jiān)測； 避免或及早發(fā)現(xiàn)設備 故障；對安全裝置進行定期檢查，保證安全裝置始終處于可靠和待用 狀態(tài)；提供必要的個人防護用品等。(3)管理措施。指導機械的安全使用，向用戶及操作人員提供有 關設備危險性的資料、安全操作規(guī)程、維修安全手冊等技術文件；加 強對操作人員的教育和培訓，提高工人發(fā)現(xiàn)危險和處理緊急情況的能 力。上述三方面中，設計階段所應采取的措施

4、是主要的。后兩方面的 措施只是補充。二、本質安全的主要措施。1 .本質安全的目的本質安全是指操作失誤時，設備能自動保證安全；當設備出現(xiàn)故 障時，能自動發(fā)現(xiàn)并自動排除，能確保人身和設備安全。為使設備達 到本質而進行的研究、設計、改造和采取各種措施的最佳組合，都稱 為本質安全化。本質安全化的目的是：運用現(xiàn)代科學技術，特別是安全科學的成 就，從根本上消除能形成事故的主要條件；如果暫時達不到時，則采 取兩種或兩種以上的相對安全措施， 形成最佳組合的安全體系，達到 最大限度的安全。同時盡可能采取完善的防護措施， 增強人體對各種 危害的抵抗能力。本質安全化強調先進技術手段和物質條件在保障安 全生產(chǎn)中的重要

5、作用。隨著科學技術的進步，設備本質安全化程度也 會不斷提高。不會停留在現(xiàn)有的水平上。2 .本質安全化的主要內容設備的本質安全措施可以通過設備本身和控制器的安全設計來實 現(xiàn)。(1)本質安全化的基本思路。從根本上消除發(fā)生事故的條件。這是最理想的措施。許多機械 事故是由于人體接觸了危險點，如果將危險操作采用自動控制，用專 用工具代替人手操作，實現(xiàn)機械化等都是保證人身安全的有效措施。設備能自動防止操作失誤和設備故障。操作失誤是操作人員違 反操作規(guī)程的行為，設備故障是設備或其零、部件的功能受到損傷或 破壞，以致不能正常運轉而使其技術性能下降甚至完全喪失。這些現(xiàn) 象在生產(chǎn)中是難以完全避免的。因此設備應有自

6、動防范措施，以避免 發(fā)生事故。這些措施應能達到：即使操作失誤，也不會導致設備發(fā)生 事故；即使出現(xiàn)故障，應能自動排除，切換或安全停機；當設備發(fā)生 故障時，不論操作人員是否發(fā)現(xiàn)，設備應能自動報警，并作出應急反 應，更理想的是還能顯示設備發(fā)生故障的部位。(2)常用的措施。采用機械化、自動化和遙控技術。這是消除危險因素和人接觸 最佳方案。機械的可靠性一般比人的可靠性高，人易受生理、心理以 及外界因素的影響，一般認為的人失誤率在 1犯上。設計優(yōu)良的機 械，其故障率至少在0.1%以下，使用可靠性高的零、部件，機械的 故障率可達到0.01%。采用機械化、自動化和遙控技術代替人的手工 操作，是提高勞動生產(chǎn)率，

7、降低勞動強度，減少設備故障率，防止錯 誤操作，保證操作者安全和設備安全最有效的措施。 尤其適用于危險 作業(yè)和在惡劣的作業(yè)環(huán)境中代替人進行操作。采用可靠性設計，提高機械設備的可靠性。采用安全防護裝置。當無法消除危險因素時，采用安全防護裝 置隔離危險因素是最常用的技術措施。帶有聯(lián)鎖裝置的防護罩是最好 的本質安全措施。安裝保險裝置，保險裝置又叫故障保險裝置。這種裝置的作用 與安全防護裝置稍有不同。它能在設備產(chǎn)生超壓、超溫、超速、超載、 超位等危險因素時，進行自動控制并消除或減弱上述危險。安全閥、單向閥、超載保護裝置、限速器、限位開關、爆破片、熔斷器、保險絲、力矩限制器、極限位置限制器等都是常用的保險

8、裝置。采用自監(jiān)測、報警和處理系統(tǒng)。利用現(xiàn)代化儀器儀表對運行中的設備狀態(tài)參數(shù)進行在線監(jiān)測和故障診斷。當出現(xiàn)異?，F(xiàn)象時，能自動報警，發(fā)出聲、光報警信號，并且動作出應急反應，如自動停機、 自動切換到備用設備等。采用冗余技術。冗余技術是可靠性設計常采用的一種技術，即 在設計中增加冗余元件或冗余(備用)設備，平時只用其中一個，當 發(fā)生事故時，冗余設備或冗余元件能自動切換。采用傳感技術 在危險區(qū)設置光電式、感應式、壓力傳感式傳感 器，當人進入危險區(qū)，可立即停機，終止危險運動。安裝緊急停車開關。向操作者提供機械關鍵安全功能是否正常(設備的自檢功能)的信息。(10)設計程序聯(lián)鎖開關。設計對出現(xiàn)錯誤指令時，禁止

9、啟動的操縱 器。這些關鍵程序只有在正常操作指令下才能啟動機械。(11)配備使操作者容易觀察的，能顯示設備運行狀態(tài)和故障的顯示 臾 TTITO(12)采用多重安全保障措施。對于危險性大的作業(yè)，要求設備運行絕對安全可靠。為了防止出現(xiàn)故障和發(fā)生誤操作，應采用雙重或多重 安全保障措施，使設備運行萬無一失。二、可靠性設計1 .可靠性技術和可靠性設計設備在規(guī)定的時期內，在規(guī)定的條件下，完成規(guī)定功能的能力稱 為設備的可靠性。可靠性技術已成為提高使用壽命、減少設備故障、 實現(xiàn)安全生產(chǎn)的重要手段?？煽啃约夹g和安全技術有密切的關系， 但 兩者又不完全相同。許多可靠性技術采用的方法已被安全技術所采用，許多基本概念

10、也用到安全技術和安全管理上。安全技術所用到的事故樹分析 (FT四 就是沿用可靠性工程的故障樹分析方法。故障模式影響分析( FMEA 和故障模式影響及危害度分析(FMEC A也是可靠性工程的重要方法。 安全技術措施有許多也是可靠性技術常用到的措施。因此，可以說安全技術的基礎是可靠性技術。但是可靠性技術不能完全代替安全技 術。可靠性技術只能解決物質條件的安全， 安全技術還要解決操作設 備的人的安全。當然如果沒有可靠性技術提供物質保證， 安全技術也 是無能為力的。設備的本質安全在很大程度上要依靠可靠性技術?？煽啃栽O計是設備安全設計的重要內容。任何設備都必須具備一 定的工作性能，要求使用方便、容易維修

11、、經(jīng)久耐用。在設計時，應 該綜合考慮下列因素：(1)經(jīng)濟性、設備用途和使用條件；(2)設備設計的復雜性和成熟程度；(3)設備制造時的復雜性和難度；(4)設備結構上不出現(xiàn)故障，即“結構可靠性”高；(5)精度滿足使用要求，即“使用可靠性高”；(6)在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內，完成規(guī)定功能的能力高，即設 備的可靠性高。這個時期的使用壽命(無故障工作時間)，在可靠性 工程中稱為“保險期”，要求使用壽命長；(7)設備有效性高，即故障率低；(8)維修性高，出了故障能很快發(fā)現(xiàn)并容易排除故障；(9)對設備安全性的要求。后6個因素都與設備的可靠性有關2.可靠性設計的基本知識 (1)可靠性設計的意義?？尚行栽O計是可

12、靠性工程的重要組成部分。這里只介紹與機械安全有專業(yè)文檔供參考，如有幫助請下載。關的基本知識， 以便設備治理職員、 安全工作職員能運用所介紹的知識在工作中正確地處理下列題目：比較和選擇可靠性高的設備；對設備故障進行記錄、分析，研究故障機理，隨時將故障資料反饋給設備設計、制造單位，以便改進設計和進步制造質量，從而進步設備的可靠性；針對現(xiàn)有設備在運行中暴露出來的不安全因素， 在現(xiàn)有設備上設計一些簡單易行、可靠的安全裝置，以確保設備的安全運行；指導制訂進步可靠性、維修性的方案。（ 2）可靠度和故障率。可靠性和可靠度。 可靠性是評價設備在使用壽命期內可信賴程度的指標。是指設備在規(guī)定條件下、規(guī)定時間內，完

13、成規(guī)定功能的能力。而設備在規(guī)定條件下和規(guī)定的時間內，完成規(guī)定功能的概率為可靠度。可以用可靠度對設備的可靠性進行具體的試驗、丈量和比較，也就是可以對可靠性進行定量的測定和衡量，并加以表示。a、 可靠度研究的對象可靠度研究的對象可以是一個系統(tǒng)、 一臺設備或其中一個零件。 設備是由千百個零件組成的， 假如其中一個零件出現(xiàn)故障， 有可能使整個設備出現(xiàn)故障； 因此研究設備可靠度要從研究零件進手。b、規(guī)定的條件包括設備所處的作業(yè)環(huán)境、使用條件和維修條件。作業(yè)環(huán)境：溫度、濕度、壓力、振動、沖擊、粉塵、日曬、雨淋等；使用條件：負荷大小和性質，操縱職員的技術水同等；c、規(guī)定的時間隨著設備使用時間的延長、零部件的

14、磨損、材料的腐蝕老化而使性能下降，可靠性也將下降，因此可靠性是時間的函數(shù)。使用時間不同的設備， 其可靠性是不能等價比較的。 規(guī)定的時間一般應以能達到以最少修理用度和停工損失來確定， 如機床一般選定為兩次計劃修理之間的時間（無故障工作時間）。d、規(guī)定的功能指既有明確的功能指標，如功率、流量、速度等，又有明確的失效（出現(xiàn)故障、不能正常工作）界限，如設備質量下降到制造時質量的百分之幾就應報廢等。故障和故障率。 故障表示設備處于不正常狀態(tài)。 設備在投進使用和運行過程中，由于某種原因，使設備或其零、部件喪失了其規(guī)定功能的事件稱為故障。 由此可見， 可靠性和故障是反映設備運行正反兩個方面的狀態(tài)。故障率是指

15、在任意給定的時間內，設備或零件出現(xiàn)故障的概率以入表示。隨著時間延長，故障率增加。零件可靠度與設備可靠度的關系。一臺設備是由很多零、部件組成的，設備有兩種構成方式；串聯(lián)和并聯(lián)。a、串聯(lián)系統(tǒng)設備。這種設備工作時，其組成部分需要同時工作。在串聯(lián)設備中，任何一個零件失效，整個設備就無法工作。因此，為了使設備不出現(xiàn)故障，要求所有零件在同一時間內都不能出現(xiàn)故障。整個設備的可靠度要由全部零件不發(fā)生故障來保證， 因此整個設備的可靠R應該是構成該設備的所有零、部件的可靠度的乘積。設備的可靠度不可能高于其最差零件的可靠度， 即設備的可靠度受所使用零件中可靠底最低零件的制約。舉例說明，一臺設備由 n 個零件組成，則

16、其可靠度為R=FR:sub>1</sub >R<sub>2</sub >R<sub>3</sub >R< sub>n</sub >由上式可見， 不管使用的其他零件可靠度多高， 只要其中有一個零件可靠度很低， 該設備的可靠度就不會高。 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。隨著設備結構的復雜化，零件數(shù)目增加，整個設備的可靠度要降低。因此，可靠性技術的關鍵是進步零件的可靠度和盡量減少設備的零件數(shù)。 設計職員應選用可靠度高的零件和簡化設備結構來進步設備的可靠度。b 并聯(lián)系統(tǒng)設備。只有各組成部分

17、的零件都出現(xiàn)故障，整個設備才會出現(xiàn)故障，由于可靠度和故障率的關系是R=1"對并聯(lián)系統(tǒng)設備，設備故障率為入=入 <sub>1</sub > 入 <sub>2</sub > 入 ₃入 <sub>n</sub >R =1- (1-入 <sub>1</sub >) ( 1-入 <sub>2</sub >) (1-入 <sub>3</sub >) (1 -入 <sub>n</sub >

18、;)由于可靠度<1， 上式表明， 設備的可靠度大于任一構成零件的可靠度。在設計時， 只要有可能， 采用并聯(lián)結構的設備有利于進步設備的可靠度。3可靠性設計可靠性設計是用最少的用度， 設計出可靠性高的設備。 除了主要依靠設計職員外，生產(chǎn)、維修、質量治理及使用職員都應該對設備質量提出意見和建議。設計職員在綜合各方面有關設備性能、可靠性、安全性等技術資料的基礎上， 在設計階段作好進步可靠性、 發(fā)現(xiàn)和預防各種危險因素的工作。設備可靠度分為固有可靠度和使用可靠度。 固有可靠度是指設計時確定的目標值、 猜測值或用可靠性試驗確認的特征量。 使用可靠度是指設備設計后，經(jīng)過制造、組裝、運輸、貯存、安裝、調試

19、、使用、維修等實際使用過程中達到的可靠度。 由于受各種條件的制約， 使用可靠度要低于固有可靠度。( 1)進步使用可靠度。為了保證必要的使用可靠度，設計職員必須使設計出來的設備輕易操縱， 最大限度地減輕操縱者的體力和腦力消耗以及精神緊張狀況， 使操縱者能以充沛的精力進行勞動， 并輕易維修，這是進步設備可靠性的重要條件。使用單位最關心的是設備應具有一定的可靠性的維修性， 要求設計和制造單位提供本質安全的設備， 從根本上來保證安全生產(chǎn)。 假如設備先天不足， 可靠性低， 要靠使用和維修中另加防護裝置或采取其他措施來預防事故， 來進步使用可靠性， 無論從安全方面和經(jīng)濟方面來說都是事倍功半的。 另加的安全

20、裝置可能會影響或破壞設備的結構和性能。因此最好的辦法是在設計階段進步設備的可靠性。（ 2）可靠性設計的主要內容。確定公道的安全系統(tǒng)。 安全系數(shù)是指零件理論承載能力與實際承受負荷之比。為了使構件可靠地工作，理論計算強度應大于實際負荷，其余量就是由安全系數(shù)決定的。 在確定安全系數(shù)時， 既要考慮環(huán)境溫度、濕度振動、沖擊等條件和使用中超負荷、誤操縱的后果，保證零部件在使用中不發(fā)生永久變形、疲憊損傷、蠕變等缺陷，還要考慮所付出的經(jīng)濟代價是否合算。 應該選擇用最低的用度就能保證設備性能的安全系數(shù)。 通過選擇公道的結構形式， 可以少用材料而能大大進步零件的剛性； 設計公道的機構可以使零部件的負荷分布公道，

21、以達到變形小，磨損均勻，盡量減少零件變形、磨損對設備輸出參數(shù)的影響等， 都可以增加零件所答應承受的負荷。 安全系數(shù)過高， 不但用料多、設備重、本錢增加，而且可能增加結構的復雜性。冗余設計（儲備設計）。冗余技術是設備所包含的為完成規(guī)定功能所必不可少的組成部分元件的成分（包括硬件或軟件）。當冗余為硬件時也稱儲備。在設計中，除必要的零、部件外，還可額外附加一套備用零件或備用機構，當設備個別零件、部件出現(xiàn)故障時，整個設備仍能正常工作。這種設計稱為冗余設計，所增加的元件，零部件稱為冗余元件。如雙排滾珠軸承中有一排損壞，另一排照常工作。機械的多重保險裝置都是冗余設計。假如設備本身可靠性很高， 再增加冗余設

22、計就分歧算了。 但是高度危險的設備，安全是壓倒一切的因素，即使設備可靠度很高，為了防止萬一發(fā)生事故，也應采用冗余設計，假如對可靠性很高的設備，按照冗余設計并聯(lián)連接時，必須留意：a、應經(jīng)常檢查起分流作用的閥、開關和管道的有效性；b、應采取措施保證那些很少使用但可能使用的冗余設備經(jīng)常處于完好待用狀態(tài)。在進行冗余設計時，要避免盲目性：a、在設備尺寸、質量有嚴格限制的場合，假如采用冗余設計，將備件委曲裝進較小的容積內， 則有可能由于散熱面積減小， 使溫度上升；或由于振動、 沖擊、 溫度等環(huán)境條件同時使用于冗余部分而失往了排除故障的能力； 由于冗余部分平時不用， 因疏忽大意而采用了可靠度差的零件。上述種

23、種原因反而會降低設備的可靠性。b、必須留意冗余部分的分配不能產(chǎn)生差錯。如雙發(fā)動機飛機，即使有一臺發(fā)動機出現(xiàn)故障，飛機也不會失速或失往平衡。耐環(huán)境設計。 為預防設備、 零部件在實際使用中可能碰到的各種環(huán)境如高、低溫、濕潤、 磁場、真空、粉塵、雨淋、腐蝕等因素的影響，在設計上要采取對付環(huán)境作用的措施。在設備設計、制造階段，要進行以可靠性試驗為主的耐久性、壽命、高低溫、環(huán)境、振動、沖擊等試驗。 在設備上裝設特別的調節(jié)器或緩沖器， 可以用來預防設備在運輸、 搬運、 貯存和使用中碰到的高溫、 振動、 沖擊等外界作用的影響。簡化結構和采用標準化零、 部件在滿足設備功能要求的條件下， 進步設備可靠性的秘訣是

24、盡可能使用結構簡單的零件， 減少零件數(shù)目和種類，采用標準零件和標準電路，概括地說，就是簡單化和標準化。標準化零件， 由于有豐富的批量生產(chǎn)和使用經(jīng)驗， 能充分消除缺陷和薄弱點。 標準化零件的互換性好， 在維修中可加速故障的診斷和修復，市場供給充足，可減少備件的儲備，價格便宜，還可減少加工工具及測試設備的品種和數(shù)目。在采用簡單化和標準化設計時，應留意：a、有些設計職員可能不滿足于簡單設計和使用標準零件，而想有所創(chuàng)新。 應該使他們了解： 采用已規(guī)范化的以及經(jīng)過性能試驗或現(xiàn)場使用考驗過的設計和零件是進步可靠性的成功經(jīng)驗。 作為進步可靠性的對策與復雜化的方案相比，簡單化和標準化是比較現(xiàn)實的作法。b、用戶可能要求設計職員設計能在各種不常出現(xiàn)的最惡劣使用條件下確保其可靠性的設備， 即進行極端性的極限設計。 由于是預防極端情況，會使設備結構復雜化，使用的非標準零件也會增加，降低設備正常使用中的可靠性，反而不能取得理想的結果。c、設計時應考慮制造的難易程度：即采用現(xiàn)行的工藝；所需工藝的數(shù)目和種類；各工藝對設備性能的影響；是否需要開發(fā)新工藝等。采用成熟的制造工藝，有利于進步可靠度。進步聯(lián)接部位和可動零部件和可靠度 設備的聯(lián)接部位有螺栓、焊接部位、銷子、鍵、密封器等；可動零、部件有軸和軸承、嚙合的齒輪、皮帶和皮帶輪、聯(lián)軸節(jié)等。這些部位故障率高，易誘發(fā)事故，是設計中應充分留意的重點部位，