A4.安全生產(chǎn)技術-1機械安全-安全人機工程

第四章安全人機工程

一、安全人機工程基本知識二、人的特性三、機械的安全特性及故障珍斷技術四、機械可靠性設計與維修性設計五、人機系統(tǒng)主要內(nèi)容

第一節(jié)安全人機學一、了解安全人機學的主要內(nèi)容，人機系統(tǒng)的類型；二、熟悉機械設計本質(zhì)安全要求。

第一節(jié)安全人機工程基本知識一、安全人機工程的概念、內(nèi)容及其分類（了解）

（一）安全人機工程的定義研究人—機—環(huán)境系統(tǒng)的安全本質(zhì)，并使三者在安全上達到最佳匹配，以確保系統(tǒng)高效、經(jīng)濟運行的一門應用科學。

（二）安全人機工程的主要研究內(nèi)容主要內(nèi)容包括如下四個方面：（1）分析機械設備及設施在生產(chǎn)過程中的不安全因素，并進行針對性的可靠性設計和維修性設計、安全裝置設計、安全啟動和安全操作設計及安全維修設計等。（2）研究人的生理和心理特性，分析研究人和機器各自的功能特點，進行合理的功能分配以構成不同類型的最佳人機系統(tǒng)。（3）研究人與機器相互接觸、相互聯(lián)系的人機界面中信息傳遞的安全問題。（4）分析人機系統(tǒng)的可靠性，建立人機系統(tǒng)可靠性設計原則，據(jù)此設計出經(jīng)濟、合理以及可靠性高的人機系統(tǒng)。在人機系統(tǒng)中人始終起著核心和主導作用，機器起著安全可靠的保證作用。解決安全問題的根本方向是實現(xiàn)生產(chǎn)過程的機械化和自動化，讓工業(yè)機器人代替人的部分危險操作，從根本上將人從危險作業(yè)和危險環(huán)境中徹底解脫出來，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。

（三）人機系統(tǒng)的類型

人機系統(tǒng)主要有兩類：機械化、半機械化控制的人機系統(tǒng)全自動化控制的人機系統(tǒng)

人機共體，或機為主體，系統(tǒng)的動力源由機器提供，人在系統(tǒng)中主要充當生產(chǎn)過程的操作者與控制者，即控制器主要由人來操作。在控制系統(tǒng)中設置監(jiān)控裝置，如果人操作失誤，機器會拒絕執(zhí)行或提出警告。

機械化、半機械化控制的人機系統(tǒng)

現(xiàn)代生產(chǎn)中應用最多的人機系統(tǒng)。系統(tǒng)的安全性主要取決于人機功能分配的合理性、機器的本質(zhì)安全性及人為失誤。

以機為主體，機器的正常運轉完全依賴于閉環(huán)系統(tǒng)的機器自身的控制，人只是一個監(jiān)視者和管理者，監(jiān)視自動化機器的工作。只有在自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)差錯時，人才進行干預，采取相應的措施。

全自動化控制的人機系統(tǒng)

系統(tǒng)的安全性主要取決于機器的本質(zhì)安全性、機器的冗余系統(tǒng)失靈以及人處于低負荷時應急反應變差等。二、機械設計本質(zhì)安全（熟悉）

（一）機械設計本質(zhì)安全的定義

指機械的設計者，在設計階段采取措施來消除機械危險的一種機械安全方法。包括：在設計中消除危險部件，減少或避免在危險區(qū)域內(nèi)處理工作需求，提供自動反饋設備并使運動的部件處于密封狀態(tài)之中等。

主要要求包括如下三個方面：機械失效安全。機械定位安全。機器安全布置。（二）機械失效安全機械設計者應該保證當事故發(fā)生故障時不出危險。這一類裝置包括操作限制開關，限制不應該發(fā)生的沖擊及運動的預設制動裝置，設置把手和預防下落的裝置，失效安全的限電開關等。

（三）機械定位安全把機械的部件安置到不可能觸及的地點，通過定位達到安全的目的。設計者必須考慮到在正常情況下不會觸及到部件，而在某些情況下可能會接觸到，例如登著梯子對機械進行維修等情況。

（四）機器安全布置在車間內(nèi)對機器進行合理的安全布局，可以使事故明顯減少。安全布局時要考慮如下因素：空間：便于操作、管理、維護、調(diào)試和清潔。照明：包括工作場所的通用照明（自然光及人工，但要防止炫目）和為操作機器而需的照明照明。管、線布置：不要妨礙在機器附近的安全出入，避免磕絆，有足夠的上部空間。機械維修時的出入安全。第二節(jié)人的特性一、了解人的感官與器官、視覺損傷、疲勞、聽覺特性；二、熟悉人的感覺反應，人體特性參數(shù)及人的心理因素。第二節(jié)人的特性

一、人的生理因素與安全的關系

（了解）人的感覺與感覺器官有：視覺眼睛；聽覺耳朵；嗅覺鼻子；味覺舌頭；觸覺身體。1.視覺1）暗適應與明適應能力。人眼對光亮度變化的順應性，稱為適應，適應有明適應和暗適應兩種。

暗適應。暗適應是指人從光亮處進入黑暗處，開始時一切都看不見，需要經(jīng)過一定時間以后才能逐漸看清被視物的輪廓。暗適應的過渡時間較長，約需要30min才能完全適應。

明適應。明適應是指人從暗處進入亮處時，能夠看清視物的適應過程，這個過渡時間很短，約需lmin，明適應過程即趨于完成。

人在明暗急劇變化的環(huán)境中工作，會因受適應性的限制，使視力出現(xiàn)短暫的下降，若頻繁地出現(xiàn)這種情況，會產(chǎn)生視覺疲勞，并容易引起事故發(fā)生。為此，在需要頻繁改變光亮度的場所，應采用緩和照明，避免光亮度的急劇變化。(1)常見的幾種視覺現(xiàn)象2）眩光。當人的視野中有極強的亮度對比時，由光源直射或由光滑表面的反射出的刺激或耀眼的強烈光線，稱為眩光。

眩光可使人眼感到不舒服，使可見度下降，并引起視力的明顯下降。眩光造成的有害影響主要有：使暗適應破壞，產(chǎn)生視覺后象；降低視網(wǎng)膜上的照度；減弱觀察物體與背景的對比度；觀察物體時產(chǎn)生模糊感覺等，這些都將影響操作者的正常作業(yè)。

例：當人的視野中有極強的亮度對比時，由光源直射或由光滑表面的反射出的刺激或耀眼的強烈光線，稱為（）。A：暗適應；B：明適應；C：眩光；D：視錯覺3）視錯覺。人在觀察物體時，由于視網(wǎng)膜受到光線的刺激，光線不僅使神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生反應，而且會在橫向產(chǎn)生擴大范圍的影響，使得視覺印象與物體的實際大小、形狀存在差異，這種現(xiàn)象稱為視錯覺。視錯覺是普遍存在的現(xiàn)象，其主要類型有形狀錯覺、色彩錯覺及物體運動錯覺等。其中常見的形狀錯覺有長短錯覺、方向錯覺、對比錯覺、大小錯覺、遠近錯覺及透視錯覺等。色彩錯覺有對比錯覺、大小錯覺、溫度錯覺、距離錯覺及疲勞錯覺等。在工程設計時，為使設計達到預期的效果，應考慮視錯覺的影響。

(2)視覺損傷與視覺疲勞1）視覺損傷。在生產(chǎn)過程中，除切屑顆粒、火花、飛沫、熱氣流、煙霧、化學物質(zhì)等有形物質(zhì)會造成對眼的傷害之外，強光或有害光也會造成對眼的傷害。眼睛能承受的可見光的最大亮度值約為106cd／m2。如越過此值，人眼視網(wǎng)膜就會受到損傷。300mm以下的短波紫外線可引起紫外線眼炎。紫外線照射4～5小時后眼睛便會充血，10～12h后會使眼睛劇痛而不能睜眼，這一般是暫時性癥狀，大多可以治愈。常受紅外線照射可引起白內(nèi)障。直視高亮度光源（如激光、太陽光等），會引起黃斑燒傷，有可能造成無法恢復的視力減退。低照度或低質(zhì)量的光環(huán)境，會引起各種眼的折光缺陷或提早形成老花。眩光或照度劇烈而頻繁變化的光可引起視覺機能的降低。2）視覺疲勞。長期從事近距離工作和精細作業(yè)的工作者，由于長時間看近物或細小物體，睫狀肌必須持續(xù)地收縮以增加晶狀體的白度。這將引起視覺疲勞，甚至導致睫狀肌萎縮，使其調(diào)節(jié)能力降低。長期在劣質(zhì)光照環(huán)境下工作，會引起眼睛局部疲勞和全身性疲勞。全身性疲勞表現(xiàn)為疲倦、食欲下降、肩上肌肉僵硬發(fā)麻等自律神經(jīng)失調(diào)癥狀；眼部疲勞表現(xiàn)為眼病、頭痛、視力下降等癥狀。此外，作為眼睛調(diào)節(jié)筋的睫狀肌的疲勞，還可能形成近視。

(3)視覺的運動規(guī)律1）眼睛的水平運動比垂直運動快，即先看到水平方向的東西，后看到垂直方向的東西。所以，一般機器的外形常設計成橫向長方形。2）視線運動的順序習慣于從左到右，從上到下，順時針進行。3）對物體尺寸和比例的估計，水平方向比垂直方向準確、迅速，且不易疲勞。4）當眼睛偏離視中心時，在偏離距離相同的情況下，觀察率優(yōu)先的順序是左上、右上、左下、右下。5）在視線突然轉移的過程中，約有3％的視覺能看清目標，其余97％的視覺都是不真實的，所以在工作時，不應有突然轉移視線的要求，否則會降低視覺的準確性。如需要人的視線突然轉動時，也應要求慢一些才能引起視覺注意。為此，應給出一定標志，如利用箭頭或顏色預先引起人的注意，以便把視線轉移放慢?；蛘卟捎糜泄?jié)奏的結構。6）對于運動的目標，只有當角速度大于1′/s～2′/s時，且雙眼的焦點同時集中在同一個目標上，才能鑒別出其運動狀態(tài)。7）人眼看一個目標要得到視覺印象，最短的注視時間為0.07s。2.聽覺聽覺的功能有分辨聲音的高低和強弱，還可以判斷環(huán)境中聲源的方向和遠近。1）聽覺絕對閥限。聽覺的絕對閥限是人的聽覺系統(tǒng)感受到最弱聲音和痛覺聲音的強度。它與頻率和聲壓有關。在閥限以外的聲音，人耳感受性降低，以至不能產(chǎn)生聽覺。聲波刺激作用的時間對聽覺閥值有重要的影響，一般識別聲音所需要的最短持續(xù)時間為20～50ms。聽覺的絕對閥限包括頻率閥限、聲壓閥限和聲強閥限。聲強是指在垂直于聲波傳播方向上，單位時間內(nèi)通過單位面積的平均聲能，單位為W/m2。頻率20Hz、聲壓2×10-5Pa、聲強10-12W/m2的為聽閥。低于這些值的聲音不能產(chǎn)生聽覺。

(1)聽覺特性2）聽覺的辨別閥限。人耳具有區(qū)分不同頻率和不同強度聲音的能力。辨別閥限是指聽覺系統(tǒng)能分辯出兩個聲音的最小差異。辨別閥限與聲音的頻率和強度都有關系。人耳對頻率的感覺最靈敏，常常能感覺出頻率微小的變化，而對強度的感覺次之，不如對頻率的感覺靈敏。不過二者都是在低頻、低強度時，辨別閥值較高。

3）聲音的方向和距離。在正常情況下，人的兩耳的聽力是一致的。因此，根據(jù)聲音到達兩耳的強度和時間先后之差可以判斷聲源的方向。例如，聲源在右側時，距左耳稍遠，聲波到達左耳所需時間就稍長。聲源與兩耳間的距離每相差1cm，傳播時間就相差0.029ms。這個時間差足以給判斷聲源的方位提供有效的信息。另外，由于頭部的屏蔽作用及距離之差會使兩耳感受到聲強的差別，因此，同樣可以判斷聲源的方位。以上這兩種判斷方法，只有聲源恰好在聽者的左方或右方時，才能確切判斷聲源的方位。如果聲源在聽者的上、下方或前、后方，就較難確定其方位。這時通過轉達頭部，以獲得較明顯的時差及聲強差，加之頭部轉過的角度可判斷其方位，在危險情況下，除了聽到警戒聲之外，如能識別出聲源的方向，往往會避免事故的發(fā)生。判斷聲源的距離主要依靠聲壓和主觀經(jīng)驗。一般在自由空間，距離每增加一倍，聲壓級將減少6dB。

（2）聽覺的掩蔽

當幾種聲強不同的聲音傳到人耳時，只能聽到最強的聲音，而較弱的聲音就聽不到了，即弱聲被掩蓋了。這種一個聲音被其它聲音的干擾而聽覺發(fā)生困難，只有提高該聲音的強度才能產(chǎn)生聽覺，這種現(xiàn)象稱為聲音的掩蔽。被掩蔽聲音的聽閥提高的現(xiàn)象，稱為掩蔽效應。3.人的感覺反應人們在操縱機械或觀察識別事物時，從開始操縱、觀察、識別到采取動作，存在一個感知時間過程，即存在一個反應時間問題。(1)反應時間

反應時間是指人從機器或外界獲得信息，經(jīng)過大腦加工分析發(fā)出指令到運動器官開始執(zhí)行動作所需的時間。即反應時間包括感覺反應時間（從信息開始刺激到感覺器官有感覺所用時間）到開始動作所用時間（信息加工、決策、發(fā)令開始執(zhí)行所用時間）之和。由于人的生理心理因素的限制，人對刺激的反應速度是有限的。一般條件下，反應時間約為0.1s～0.5s。對于復雜的選擇性反應時間達1s～3s，要進行復雜判斷和認識的反應時間平均達3s～5s。為了保證安全作業(yè)，一方面在機器設計中，應使操縱速度低于人的反應速度。另一方面應設法提高人的反應速度。(2)減少反應時間的途徑

一般來說，機器設備的情況、信息的強弱和信息狀況等外界條件是影響反映時間的重要因素；而機器的外觀造型和操縱機構是否適宜于人的操作要求，以及操作者的生物力學特性等，則是直接影響動作時間的重要因素。1）合理的選擇感知類型。比較各類感覺的反應時間，發(fā)現(xiàn)聽覺的知覺反應時間最短，約0.1～0.2s，其次是觸覺和視覺。所以在設計各類機器時，應根據(jù)操縱控制情況，合理選擇感覺通道，盡量選用反應時間短的通道去控制和調(diào)節(jié)機器。2）適合人的生理心理要求，按人機工程學原則設計機器。3）熟練的操作技術操作者操作技術的熟練程度直接影響反應速度，應通過訓練來提高人的反應速度。

（二）人體的特性參數(shù)(熟悉)1.人體特性參數(shù)作為產(chǎn)品設計和操縱機器有關的人體特性參數(shù)很多，歸納起來有如下四類：（1）靜態(tài)參數(shù)：靜態(tài)參數(shù)是指人體在靜止狀態(tài)下測得的形態(tài)參數(shù)，也稱人體的基本尺度，如人體高度及各部分長度尺寸。（2）動態(tài)參數(shù)：動態(tài)參數(shù)是指在人體運動狀態(tài)下，人體的動作范圍，主要包括肢體的活動角度和肢體所能達到的距離這兩方面的參數(shù)。如手臂、腿腳活動時測得的參數(shù)。（3）生理學參數(shù)：生理學參數(shù)主要是指有關人體的各種活動和工作引起的生理變化，反映人在活動和工作時負荷大小的參數(shù)，包括人體耗氧量、心臟跳動頻率、呼吸頻率及人體表面積和體積等。（4）生物力學參數(shù)：生物力學參數(shù)主要指人體各部分（如手掌、前臂、上臂、軀干（包括頭、頸）、大腿和小腿、腳等）出力大小的參數(shù)，如握力、拉力、推力、推舉力、轉動慣量等。（1）能量代謝率能量代謝率=勞動代謝率/基礎代謝率基礎代謝率是指勞動者在絕對安靜橫臥狀態(tài)下，為維持生命，在單位時間內(nèi)所需的最低能量消耗量。勞動代謝率是指勞動者在勞動時的能量消耗量與安靜時的能量消耗量之差除以勞動時間。

安靜時的能量消耗量大體為基礎代謝量的120%。能量消耗量可通過測定勞動時呼出氣中的O2及CO2的比例，算出勞動者O2的消耗量折算得到。

2.人體勞動強度參數(shù)（2）耗氧量

人在作業(yè)時每分鐘的需氧量稱為耗氧量。

人在作業(yè)時因耗能量增加，需氧量也必增多。人體每分鐘內(nèi)能供應的最大氧量稱為最大耗氧量。正常成人一般不超過3L，常鍛煉者可達到4L以上。人的最大耗氧量：Omax=（56.592-0.398A）W×10-3

（L/min）

可作允許最大體力消耗的標志2.人體勞動強度參數(shù)（3）心率F心跳速率簡稱心率，指每分鐘心臟跳動的次數(shù)。在其它條件相同時，有時也用心率的變化來評價勞動強度。人的最大心跳速率為

Fmax=209.2-0.94A3

（1/min）。2.人體勞動強度參數(shù)（4）勞動強度指數(shù)I勞動強度指數(shù)I是區(qū)分體力勞動強度等級的指標，指數(shù)大反映勞動強度大，指數(shù)小反映勞動強度小。體力勞動強度按I大小分為四級：

Ⅰ級（I≤15）為輕勞動；

Ⅱ級（I＝15～20）為中等強度勞動；

Ⅲ級（I＝20～25）為重強度勞動；

Ⅳ級（I＞25）為“很重”體力勞動。2.人體勞動強度參數(shù)I的經(jīng)驗計算公式

I＝3T＋7M

T——勞動時間率=工作日凈勞動時間（min）/工作日總工時（min）（%）；M——8小時工作日能量代謝率；3——勞動時間的計算系數(shù)；7——能量代謝率的計算系數(shù)。2.人體勞動強度參數(shù)（三）疲勞1.疲勞的定義：肌肉疲勞是指過度緊張的肌肉局部出現(xiàn)酸痛現(xiàn)象，一般只涉及大腦皮層的局部區(qū)域。疲勞的分類：疲勞分為肌肉疲勞（或稱體力疲勞）和精神疲勞（或稱腦力疲勞）兩種。精神疲勞則與中樞神經(jīng)活動有關，它是一種彌散的、不愿意再作任何活動和懶惰的感覺，意味著肌體迫切需要休息。2.產(chǎn)生疲勞的原因及消除途經(jīng)（1）疲勞的原因：超過生理負荷的激烈動作；持久的體力或腦力勞動；作業(yè)環(huán)境不良；單調(diào)乏味的工作；不良的精神因素；肌體狀況不良；長期勞逸安排不當；機器未按人機工程學理論設計或設計不周。（2）消除疲勞的途徑：在進行顯示器和控制器設計時應充分考慮人的生理心理因素；通過改變操作內(nèi)容、播放音樂等手段克服單調(diào)乏味的作業(yè)；改善工作環(huán)境，科學地安排環(huán)境色彩、環(huán)境裝飾及作業(yè)場所布局、合理的溫濕度、充足的光照等；避免超負荷的體力或腦力勞動，合理安排作息時間，注意勞逸結合等。（3）疲勞的測定：1）主觀感覺調(diào)查表法；2）分析腦電圖；3）測定閃頻值（CFF）；4）智能測驗；5）精神測驗；6）連續(xù)拍攝人體動作的變化。二、人的心理因素(熟悉)

據(jù)事故統(tǒng)計資料表明，由人的心里因素而發(fā)生的事故約占70%～75%，或者更多。（1）能力；（2）性格；（3）氣質(zhì)；（4）需要與動機；（5）情緒與情感；（6）意志。（一）能力

能力是指一個人完成一定任務的本領，或者說，能力是人們順利完成某種任務的心理特征。

能力標志著人的認識活動在反映外界事物時所達到的水平。影響能力的因素：感覺；知覺；觀察力；注意力；記憶力；思維想象力；操作能力等。1.感覺、知覺和觀察力

感覺是大腦對直接作用于感覺器官的客觀事物個別屬性的反映。

知覺則是大腦對感覺的客觀事物的整體反映，即對感覺到的客觀事物所做出的反應。

觀察是有目的、有計劃，比較持久地認識某種對象的知覺過程，是一個知覺、思維、言語等綜合作用的智力活動過程，它在感知中占有很重要的地位。

人們?nèi)妗⑸钊?、正確地觀察事物的能力，叫做觀察力。

觀察力是智力結構的重要組成因素之一。在工業(yè)生產(chǎn)和科研等活動中，要求安全監(jiān)察員具有敏銳的觀察力，善于及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中的不安全因素和潛在的事故隱患，以便采取相應措施減少或避免事故發(fā)生。2.注意

注意是指心理活動對一定事物或活動的指向或集中。注意能保證人及時反映客觀事物及其變化，使人更好地適應環(huán)境，“注意”在安全生產(chǎn)中有著特別重要的意義。工人在操作機器時集中注意力，是減少誤操作、避免事故發(fā)生的重要保證。3.記憶

記憶是大腦經(jīng)歷過的事物的反應，是過去感知過的事物在大腦中留下的痕跡。記憶是從認識開始的，并將感知的知識保持下來。根據(jù)保持的程度，分為永久性記憶和暫時性記憶。記憶的特征有：持久性、敏捷性、精確性、準確性等。在安全生產(chǎn)中記憶力強弱也是影響事故發(fā)生的因素之一。4.思維

思維就是以已有的知識經(jīng)驗為中心，對客觀現(xiàn)實的概括和間接的反應。思維是通過分析、綜合、概括、抽象、比較、具體化和系統(tǒng)化等一系列過程，實現(xiàn)對感性材料進行加工并轉化為理性知識和解決具體問題的過程。思維的基本形式是概括、判斷和推理。思維的主要特征有廣闊性、批判性、深刻性、靈活性、邏輯性和敏捷性等。思維能力的強弱與人的閱歷（包括知識的深淺）、實踐經(jīng)驗的豐富程度有密切關系，閱歷越深，實踐經(jīng)驗越豐富，思維能力越強。5.操作能力

操作是人通過運動器官執(zhí)行大腦的指令對機器進行操縱控制的過程，操作能力水平的高低對安全監(jiān)察人員及工人搞好本職工作極為重要，它將直接影響人身和設備的安全。

（二）性格

性格是人們在對待客觀事物的態(tài)度和社會行為方式中區(qū)別于他人所表現(xiàn)出來的那些比較穩(wěn)定的心理特征的總和。道德品質(zhì)和意志特點是構成性格的基礎。性格主要表現(xiàn)形式：冷靜型；活潑型；急躁型；輕浮型；遲鈍型。在安全生產(chǎn)中，有不少人就是由于魯莽、高傲、懶惰、過分自信等不良性格促成了不安全行為而導致傷亡事故的。

安全心理學的任務，就是要深入挖掘和發(fā)展勞動者的一絲不茍、踏實細致、認真負責的工作作風，提倡勞動者養(yǎng)成原則性、紀律性、自覺性、謙虛、克己、自制等良好性格；克服和制止粗枝大葉、得過且過、懈怠、消極、狂妄、利己、自滿、任性、優(yōu)柔寡斷等這些易于肇事的不良性格。（三）氣質(zhì)氣質(zhì)的表現(xiàn)特征有以下四種：精力旺盛、熱情直率、剛毅不屈的人也往往易于性情急躁、主觀任性；靈活機智、活潑好動、善于交際、性格開朗的人也往往易于情緒多變、生活散漫、輕舉妄動；安靜、穩(wěn)定、情緒不外漏、沉著踏實、從容不迫、耐心謹慎的人也往往易于因循守舊、動作緩慢、沉默寡言；孤僻寡言、心緒消沉、行動遲緩、自卑退讓的人也往往會平易近人、容易相處、謙虛謹慎。在安全生產(chǎn)工作中合理地選擇不同氣質(zhì)的人擔任不同的工作，以便充分發(fā)揮其所長，以利于完成任務，可減少事故的發(fā)生。在進行安全教育時，必須從認得氣質(zhì)出發(fā)，使用不同的教育手段；否則，不但達不到教育的目的，而且往往會產(chǎn)生副作用。

（四）需要與動機

動機是由需要產(chǎn)生的，合理的需要能推動人以一定的方式，在一定的方面去進行積極的活動，達到有益的效果。隨著社會的發(fā)展，人為了個體和社會的生存，對安全、教育、勞動、交往的需要比對衣、食、住、行的需要更為強烈。其中對安全的需要（免除災害、意外事故、疾病等安全需要）更為突出。安全是每個人的需要，也是家庭、社會、工廠和國家的需要，只有將安全意識提高到這個水平，安全管理人員才能各盡其責，操作人員才能自覺地遵守安全操作規(guī)程，才能杜絕重復事故的發(fā)生，達到滿足安全需要的目的。（五）情緒與情感

情緒是由肌體生理需要是否得到滿足而產(chǎn)生的體驗，屬于人和動物共有的；而情感則是人的社會性需要是否得到滿足而產(chǎn)生的體驗，屬于人類特有。情緒帶有沖動性和明顯的外部表現(xiàn)，而情感則很少有沖動性，其外部表現(xiàn)也能加以控制。情緒帶有情境性，它由一定的情境引起，并隨情境的改變而消失，而情感則既有情境性，又有穩(wěn)定性和長期性。（五）情緒與情感在生產(chǎn)實踐中常會出現(xiàn)以下幾種不安全情緒：急躁情緒。急躁情緒的表現(xiàn)特征是干活利索但毛躁，求成心切但不謹慎，工作不仔細，有章不循，手與心不一致等。煩躁情緒。煩躁情緒的特征表現(xiàn)為沉悶、不愉快、精神不集中，嚴重時自身的生理器官往往不能很好地協(xié)調(diào)，更談不上與外界條件協(xié)調(diào)一致。以上不良情緒發(fā)展到一定程度能夠主宰人的身體及活動情況，使人的意識范圍變得狹窄，判斷力降低，失去理智和自制力。帶著這種情緒操縱機器極易導致不安全行為的發(fā)生。（六）意志意志就是人自覺地確定目標，并調(diào)節(jié)自己的行動克服困難，以實現(xiàn)預定目標的心理過程，它是意識的能動作用表現(xiàn)。人們在日常生活和工作中，尤其是在惡劣環(huán)境中工作，必須有意志活動的參與，才能順利地完成任務，所謂有志者事竟成，就是這個道理。第三節(jié)機械安全的特性及機械設備故障診斷技術一、了解機械安全的特性：二、掌握人機系統(tǒng)常見的事故及其原因；三、熟悉機械設備故障診斷技術。．第三節(jié)機械的安全特性及故障診斷技術一、機械安全的定義及特性(了解)

（一）機械安全定義：

機械安全是指機器在按使用說明書規(guī)定的預定使用條件下，執(zhí)行其功能和在對其進行運輸、安裝、調(diào)試、運行、維修、拆卸和處理時對操作者不發(fā)生損傷或危害其健康的能力。它包括兩個方面的內(nèi)容：（1）在機械產(chǎn)品預定使用期間執(zhí)行預定功能和在可預見的誤用時，不會給人身帶來傷害；（2）機械產(chǎn)品在整個壽命周期內(nèi)，發(fā)生可預見的非正常情況下任何風險事故時機器是安全的。（二）機械安全的特性：

（1）系統(tǒng)性現(xiàn)代機械的安全應建立在心理、信息、控制、可靠性、失效分析、環(huán)境學、勞動衛(wèi)生、計算機等科學技術基礎上，并綜合與系統(tǒng)地運用這些科學技術。（2）防護性通過對機械危險的智能化設計，應使機器在整個壽命周期內(nèi)發(fā)揮預定功能，包括誤操作時，其機器和人身均是安全的，使人對勞動環(huán)境、勞動內(nèi)容和主動地位的提高得到不斷改善。

（3）友善性機械安全設計涉及到人和人所控制的機器，它在人與機器之間建立起一套滿足人的生理特性、心理特性，充分發(fā)揮人的功能的、提高人機系統(tǒng)效率的安全系統(tǒng)，在設計中通過減少操作者的緊張和體力來提高安全性，并以此改善機器的操作性能和提高其可靠性。

（4）整體性現(xiàn)代機械的安全設計必須全面、系統(tǒng)地對導致危險的因素進行定性、定量分析和評價，整體尋求降低風險的最優(yōu)設計方案。

二、人機系統(tǒng)常見的事故及其原因(掌握)

（一）常見的事故

（1）卷入和擠壓這種傷害主要來自旋轉機械的旋轉零部件，即兩旋轉件之間，旋轉件與固定件之間將人體某一部分咬入或擠壓。這種傷害是造成機械事故的主要原因，其發(fā)生的頻率最高，約占機械傷害事故的47.7％。

（2）碰撞和撞擊這種傷害主要來自直線運動的零部件和飛來物或墜落物。例如，作往復直線運動的工作臺或滑枕等執(zhí)行件撞擊人體；人在行走時碰到靜止的物體；高速旋轉的工具、工件及碎片等擊準人體；起重作業(yè)中起吊物的墜落傷人、高層建筑物的墜落傷人或人從高層建筑上墜落跌傷等。

（3）接觸傷害接觸傷害主要是指人體某一部分接觸到運動或靜止機械的尖角、棱角、銳邊、粗糙表面等發(fā)生的劃傷或割傷的機械傷害和接觸到過冷過熱及絕緣不良的導電體而發(fā)生凍傷、燙傷及觸電等傷害事故。（二）事故原因

（1）機械設備先天性潛在危險。屬于這一類的潛在危險涉及面很廣，從設計到制造諸如零件材料缺陷及材料選擇不當、基礎設計不當、強度計算不準、結構設計不當、操縱控制機構設計不當、顯示裝置設置不當、無安全防護裝置以及制造中的加工裝配不當?shù)鹊取?/p>

（2）設備磨損或惡化。使用過程中由于磨損、老化降低了設備的可靠性而產(chǎn)生新的潛在危險因素，如裂紋、腐蝕等缺陷，但由于未被發(fā)現(xiàn)而“帶病”運轉。

（3）人的不安全行為。有的是由于安全意識差而做的有意的行為或錯誤的行為，有的則是由于人的大腦對信息處理不當而所做的無意行為，如誤操作或誤動作。人的任何一種不安全行為都可能導致事故發(fā)生。絕大多數(shù)人機事故是可以采取故障診斷等預先識別技術加以防范的。

三、機械設備故障診斷技術(熟悉)

（一）機械設備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷模型故障診斷是研究機械設備運行狀態(tài)變化的信息，進而識別、預測和監(jiān)視機械運行狀態(tài)的技術方法。

故障診斷的基本模型如上圖所示。圖中St（f）是載荷或應力向量，M（f）是故障機理傳遞函數(shù)，E（f）是異常模式（模型）向量，X（f）是設備狀態(tài)向量，H（f）是E（f）和X（f）之間的傳遞函數(shù)。機器或設備在正常工作時[M（f）=1]。其狀態(tài)向量X（f）是由外因St（f）和內(nèi)因H（f）共同決定的，當出現(xiàn)異常或故障[既M（f）不為1或St（f）超過正常值。前者稱為結構異常，后者稱為偏離操作規(guī)范]之后，X（f）除與外因。St（f）和內(nèi)因H（f）有關外，還與載荷超差及故障機理傳遞函數(shù)M（f）有關。在設備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷中，設備的狀態(tài)向量是設備異?；蚬收闲畔⒌闹匾d體，是設備故障診斷的客觀依據(jù)，所以及時而正確地掌握狀態(tài)向量是進行診斷的先決條件，為此就要用傳感器或其他檢測手段進行狀態(tài)信號的監(jiān)測。（二）故障診斷的基本流程及實施步驟

故障診斷的基本工藝流程如下圖所示，它包括診斷文檔建立和診斷實施兩大部分。

圖4-6

故障診斷的基本方法故障診斷的基本方法

診斷實施過程的基本步驟：

（1）信號檢測：按不同診斷目的選擇最能表征設備狀態(tài)的信號，對該類信號進行全面地檢測，并將其匯集在一起，形成一個設備工作狀態(tài)信號子集，該子集稱為初始模式向量。

（2）特征提?。ɑ蚍Q信號處理）：將初始模式向量進行維數(shù)變換、形式變換，去掉冗余信息，提取故障特征，形成待檢模式。

（3）狀態(tài)識別：將待檢模式與樣板模式（故障檔案）對比，進行狀態(tài)分類。

（4）診斷決策：根據(jù)判別結果采取相應的對策。對策主要是指對設備及其工作進行必要時預測和干預。（三）故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測

故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測如圖所示廣義故障診斷中不可分割的兩個有機組成部分。嚴格地講，狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷是兩個不同的概念范疇。狀態(tài)監(jiān)測一般由現(xiàn)場操作人員進行。

故障診斷則一般由專門人員進行，他們只是在已經(jīng)確定設備已發(fā)生異常的基礎上對異常設備進行處理，提取故障特征，識別設備狀態(tài)并提出診斷決策。雖然理論上兩者是有根本差異的，但實際中由于兩者的密切相關性，往往把狀態(tài)監(jiān)測也劃歸在故障診斷的研究范疇中，統(tǒng)稱為設備的故障診斷與監(jiān)測或簡稱為故障診斷。由于狀態(tài)監(jiān)測是故障診斷的前提，因此有時也把狀態(tài)監(jiān)測稱為故障診斷實施的第一階段，而把狹義故障診斷稱為故障診斷實施的第二階段。（四）振動監(jiān)測與診斷技術

（1）振動定義

物體圍繞其平衡位置作往復運動稱為振動。從頻率范圍振動可分為低頻振動（f<1kHz）高頻振動（f>10kHz）。從振動信號的統(tǒng)計特征可分為穩(wěn)態(tài)振動和隨機振動。

（2）振動信號的檢測與分析振動信號一般用位移、速度或加速度傳感器來測量。

傳感器應盡量安裝在診斷對象的振動敏感點或離核心部位最近的關鍵點。對于低頻振動，一般要從三個互相垂直的方向上進行測量。對于高頻振動，通常只從一個方向上進行檢測。

（3）振動診斷中的故障判別標準機械設備種類繁多，故障類型、失效形式及振動方式各異，因此很難提出統(tǒng)一的故障判別準則及故障模式。為研究設備的老化狀態(tài)、危險程度、重要程度等，必須按照設備各自的情況來確定標準。（五）其他故障診斷技術

1.油液分析技術油液分析中，目前應用較多的有光譜油液分析和鐵譜油液分析兩種。

(1）光譜分析

光譜油液分析方法是利用原子吸收光譜來分析潤滑油中金屬的成分和含量，進而判斷零件磨損程度的方法。物質(zhì)的原子有其特定的吸收光譜譜線，利用元素的特征吸收光譜譜線及其強度可以分析潤滑油中特定金屬元素的含量。

(2）鐵譜分析

鐵譜分析是通過檢查潤滑油或液壓系統(tǒng)的油液中所含磁性金屬磨屑的成分、形態(tài)、大小及濃度來判斷和預測機器系統(tǒng)中零件的磨損情況。2.溫度檢測及紅外線監(jiān)測技術（1）溫度檢測

溫度是工業(yè)生產(chǎn)中很普遍、很重要的熱工參數(shù)之一。一方面許多生產(chǎn)過程中在工藝上要求對溫度進行監(jiān)測和控制，另一方面，機電設備運行是否正常往往在溫度上會有所反映，根據(jù)溫度變化特征可以了解設備的運行狀態(tài)。因此，生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到溫度測量的問題。（2）紅外線監(jiān)測

物體表面發(fā)射的紅外線與其溫度有關。紅外線測溫的原理是利用紅外線探測器將紅外線輻射產(chǎn)生的熱效應和光電效應轉換成人們能識別的信號。常用的探測器有熱電探測器、熱敏探測器和光子探測器等，相關的儀器有紅外測溫儀、紅外成像儀和紅外攝影機等。3.超聲探傷技術超聲波是比聲波振動頻率更高的波，檢測中常用的是1~5MHz的超聲波。與聲波相比，超聲波具有方向性好、波長短、在高密度固體中損失小及在不同密度介質(zhì)的界面上反射大等特點。因此，利用超聲波可以對所有固體材料進行探傷和檢測。它常用來檢查內(nèi)部結構的裂紋、搭接、夾雜物、焊接不良的焊縫、鍛造裂紋、腐蝕坑以及加工不適當?shù)乃芰蠅簩拥取＿€可以檢查管道中流體的流量、流速以及泄露等。4.表面缺陷探傷技術

（1）磁粉探傷：磁粉探傷的原理是利用鐵磁性試件的導磁性實現(xiàn)的。鐵磁性物質(zhì)的導磁性要比空氣的導磁性強得多，因此表面缺陷處磁阻大，易產(chǎn)生漏磁場，吸引磁粉，形成磁粉堆積。通過觀察磁粉聚集情況就可以確定被探測工件的表面缺陷或近表面缺陷。

（2）滲透探傷：透探傷的依據(jù)是物理化學中的液體對固體的潤濕能力和毛細現(xiàn)象（滲透和上升）。首先將被探傷工件的表面涂上具有高度滲透能力的滲透液，滲透液由于潤濕作用及毛細現(xiàn)象而進入工件的表面缺陷中，然后將工件表面多余的滲透液清洗干凈，再涂一層親和力強的顯像劑，將滲入裂紋中的滲透液吸出來，在顯像劑上便顯現(xiàn)出缺陷的形狀和位置的鮮明圖案。

（3）渦流探傷：當通電線圈接近被測表面時，導電的試件表面層將產(chǎn)生渦電流（簡稱渦流），渦流又會產(chǎn)生交變磁場，該交變磁場又會在激勵線圈中感應出電流。由于渦流與表面狀態(tài)有關，感應電流的大小、方向及相位等就會反映出表面缺陷的信息。渦流探傷就是利用這種信息來檢測表面缺陷的。

第四節(jié)機械的可靠性設計與維修性設計一、了解機械失效三個階段和維修度、有效度、平均無故障工作時間：二、熟悉可靠性、故障率、可靠性預計、人機界面設計、維修性設計、機械設備結構可靠性設計要點。第四節(jié)機械的可靠性設計與維修性設計一、可靠性定義及其度量指標（一）可靠性定義（熟悉）所謂可靠性是指系統(tǒng)或產(chǎn)品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。

規(guī)定條件包括產(chǎn)品所處的環(huán)境條件（溫度、濕度、壓力、振動、沖擊、塵埃、雨淋、日曬等）、使用條件（載荷大小和性質(zhì)、操作著的技術水平等）、維修條件（維修方法、手段、設備和技術水平等）。在不同規(guī)定條件下，產(chǎn)品的可靠性是不同的。

規(guī)定時間是指產(chǎn)品的可靠性與使用時間的長短有密切關系，產(chǎn)品隨著使用時間或儲存時間的推移，性能逐漸劣化，可靠性降低。所以，可靠性是時間的函數(shù)。這里所規(guī)定的時間是廣義的，可以是時間，也可以用距離或循環(huán)次數(shù)等表示。（二）可靠性度量指標

1.可靠度可靠度是可靠性的量化指標，即系統(tǒng)或產(chǎn)品在規(guī)定條件和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率?？煽慷仁菚r間的函數(shù)，常用R（t）表示，稱為可靠度函數(shù)。

產(chǎn)品出故障的概率是通過多次試驗中該產(chǎn)品發(fā)生故障的頻率來估計的。例如，取N個產(chǎn)品進行試驗，若在規(guī)定時間t內(nèi)共有Nf（t）個產(chǎn)品出故障，則該產(chǎn)品可靠度的觀測值可用下式近似表示：

R（t）≈[N-Nf（t）]/N

不可靠度：是系統(tǒng)或產(chǎn)品在規(guī)定條件和規(guī)定時間內(nèi)未完成規(guī)定功能的概率，即發(fā)生故障的概率，所以也稱累積故障概率。

不可靠度也是時間的函數(shù)，常用F（t）表示。同樣對N個產(chǎn)品進行壽命試驗，試驗到t瞬間的故障數(shù)為Nf（t），則當N足夠大時，產(chǎn)品工作到t瞬間的不可靠度的觀測值（即累積故障概率）可近似表示為：

F（t）≈Nf（t）/N

可靠度數(shù)值應根據(jù)具體產(chǎn)品的要求來確定，一般原則是根據(jù)故障發(fā)生后導致事故的后果和經(jīng)濟損失而定。2.故障率（或失效率）（熟悉）

故障率是指工作到t時刻尚未發(fā)生故障的產(chǎn)品，在該時刻后單位時間內(nèi)發(fā)生故障的概率。故障率也是時間的函數(shù)，記為λ（t），稱為故障率函數(shù)。故障率的觀測值等于N個產(chǎn)品在t時刻后單位時間內(nèi)的故障產(chǎn)品數(shù)ΔNf（t）/Δt與在t時刻還能正常工作的產(chǎn)品數(shù)Ns（t）之比，即

λ（t）=ΔNf（t）/[Ns（t）?Δt]

故障率（失效率）的常用單位為（1／l06h）。

產(chǎn)品在其整個壽命期間內(nèi)各個時期的故障率是不同的，其故障率隨時間變化的曲線稱為壽命的曲線，也稱浴盆曲線，如下圖所示。由圖可見，產(chǎn)品的失效過程可分為以下三個階段（了解）：

1）早期故障期

2）偶發(fā)故障期

3）磨損故障期

1-早期故障期

2-偶發(fā)故障期

3-磨損故障期

3.平均壽命（或平均無故障工作時間）（了解）

對非維修產(chǎn)品稱平均壽命，其觀測值為產(chǎn)品發(fā)生失效前的平均工作時間，或所有試驗產(chǎn)品都觀察到壽命終了時，它們壽命的算術平均值；對于維修產(chǎn)品來說，稱平均無故障工作時間或平均故障間隔時間，其觀測值等于在使用壽命周期內(nèi)的某段觀察期間累積工作時間與發(fā)生故障次數(shù)之比。

3.維修度（了解）維修度是指維修產(chǎn)品發(fā)生故障后，在規(guī)定條件（備件貯備、維修工具、維修方法及維修技術水平等）和規(guī)定時間內(nèi)能修復的概率，它是維修時間τ的函數(shù)，用M（τ）表示，稱為維修度函數(shù)。

4.有效度（了解）狹義可靠度R（t）與維修度M（τ）的綜合稱為有效度，也稱廣義可靠度。其定義為：對維修產(chǎn)品，在規(guī)定的條件下使用，在規(guī)定維修條件下修理，在規(guī)定的時間內(nèi)具有或維持其規(guī)定功能處于正常狀態(tài)的概率。

二、系統(tǒng)或產(chǎn)品的可靠性預計（熟悉）產(chǎn)品的可靠性預計是根據(jù)零組部件的可靠性數(shù)據(jù)來預算產(chǎn)品的可靠性指標，如可靠度、故障率或平均壽命等?？煽啃灶A計的目的是為可靠性設計選擇最佳設計方案提供可靠依據(jù)，且在產(chǎn)品定型投產(chǎn)之前就可以對新產(chǎn)品的可靠性做出估計，若達不到預定指標，就可以針對發(fā)現(xiàn)的問題及時進行改進設計，從而取得事半功倍的效果。（一）串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性預計串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性表示系統(tǒng)中所有單元均正常時，系統(tǒng)才能正常工作。串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性有如下特點：（1）串聯(lián)系統(tǒng)中單元數(shù)越多，則系統(tǒng)的可靠性越低；各單元本身的可靠性越低，則系統(tǒng)的可靠性越低。（2）串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性Rs（t）總是小于系統(tǒng)中可靠度最低單元的可靠性Rimin，而且其壽命取決于該單元的壽命。（二）并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性預計并聯(lián)系統(tǒng)可靠性表示系統(tǒng)中只要有一個單元能正常工作，系統(tǒng)就能正常工作。并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度好像鋼絲繩的可靠性，只有當所有鋼絲繩均斷裂，鋼絲繩才能完全斷開。當然，當斷絲數(shù)達到一定數(shù)量就得降級使用或報廢。鋼絲繩的壽命是由壽命最長的那股鋼絲決定的，故并聯(lián)系統(tǒng)又稱繩索模型。

（三）串-并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性預計任何一個串-并聯(lián)系統(tǒng)總可以看成是由一些串聯(lián)式和并聯(lián)式子系統(tǒng)組合而成。在進行串-并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性預計時，只要用上述方法分別求出各子系統(tǒng)的可靠度，就可以使系統(tǒng)可靠性框圖逐步簡化，最后總可以簡化成一個簡單的串聯(lián)系統(tǒng)或并聯(lián)系統(tǒng)，于是可求出整個系統(tǒng)的可靠度。

三、機械設備結構可靠性設計要點（熟悉）（一）確定零件合理的安全系數(shù)安全系數(shù)是指零件在理論上計算的承載能力與實際所能承擔的負荷之比值。確定安全系數(shù)時應考慮以下幾個因素：（1）環(huán)境條件的作用如溫度、濕度、沖擊、振動等；（2）使用中發(fā)生超負荷或誤操作時的后果；（3）為提高安全系數(shù)所付出的經(jīng)濟代價是否合算等。安全系數(shù)的提高應通過優(yōu)化結構設計來達到，而不是簡單地通過增加構件尺寸、增加重量或增加費用等方法來實現(xiàn)。

（二）貯備設計（冗余設計）貯備設計是指將若干功能相同的零組部件作為備用機構，當其中某個零組部件出現(xiàn)故障時，備用機構馬上啟動工作，使機器仍能保持正常工作。例如，滾動軸承中的雙排滾珠，當其中一排損壞時，另一排仍可以維持正常工作。采用貯備設計的產(chǎn)品，一般是有劇毒的化工設備、故障率較高的設備、流水生產(chǎn)線上的關鍵設備或一旦出現(xiàn)事故損失較大的設備。貯備設計的目的在于提高可靠性，如果盲目采用，或設計不當將會因增加體積、重量和費用而導致相反的效果。（三）耐環(huán)境設計在產(chǎn)品設計時要考慮環(huán)境條件的影響，應進行耐機械應力（振動、沖擊等）設計和抗氣候條件（高溫、低溫、潮濕、雨淋、日曬、風化、腐蝕等）設計。設計時就應預計產(chǎn)品實際使用的環(huán)境條件，并采取相應的耐環(huán)境措施。為此，在設計、試制階段要進行實驗室模擬或現(xiàn)場作預計環(huán)境條件下的可靠性試驗，如耐久性試驗、壽命試驗、環(huán)境試驗、可靠性測定和可靠性驗證等試驗。

（四）簡單化和標準化設計產(chǎn)品簡單化和標準化是提高可靠性的關鍵，即產(chǎn)品在滿足功能要求的前提下，其結構越簡單越好，因為這時零件數(shù)少了，發(fā)生故障的機會就少了。在簡單化和標準化設計中應注意如下幾點：

（l）應避免單純追求高水平及復雜化而對選用標準件產(chǎn)生厭倦情緒。

（2）要處理好極限設計，設計時應考慮并保證產(chǎn)品在各種惡劣條件下工作的可靠性，可以通過保險機構、聯(lián)鎖機構等安全裝置或安全措施來解決。

（五）提高結合部的可靠性

機械產(chǎn)品都是由若干零組部件組成，故零組部間的結合部位很多。結合部位的配合性質(zhì)有相對靜止的，也有相對運動的，還有要求密封的，所以相應的有各種聯(lián)接方式，如有螺栓螺母聯(lián)接、焊接聯(lián)接、銷子或鍵聯(lián)接、齒輪齒條聯(lián)結、滑板與導軌聯(lián)接或主軸與軸承聯(lián)接以及法蘭、密封圈與轉軸或箱體聯(lián)接等。這些結合部位的故障率一般都比較高，所以極易誘發(fā)其它故障的發(fā)生。為此，在可靠性設計時應特別注意設法提高結合部位的可靠度，即保證結合部的聯(lián)接強度、剛度及配合精度和密封要求等。

（六）結構安全設計

在結構設計時，要做到結構合理，從根本上消除危險與有害因素，使操作者徹底從危險部位或危險狀態(tài)下解脫出來，這是提高產(chǎn)品可靠性和安全性的根本出路。例如，鐵路上兩節(jié)車箱之間的聯(lián)接器，傳統(tǒng)的方法用的是連桿插銷聯(lián)接器，工人在脫開或連接兩節(jié)車箱時，必須接近兩節(jié)車箱之間進行撥出或插入銷子的操作，這時工人就處于可能被兩節(jié)車箱撞擊或擠傷的危險部位中，隨時都可能被撞傷。而現(xiàn)在使用的車輛自動聯(lián)接器，不需工人到兩節(jié)車箱之間直接操作，而是利用低速相碰觸自動聯(lián)接。因為根除了危險因素，當然也就不會發(fā)生被車箱撞傷的事故了。

（七）設置齊全的安全裝置

作為可靠性較高的現(xiàn)代化機械設備，已具備也必須具備必要的安全裝置，以便用來防止超載、超行程、超溫、超壓、誤操作、誤接觸、外部環(huán)境突變（如停電、停氣等）而引起的事故以及限制事故的擴大。一般都是通過在線監(jiān)測儀器及時捕捉異常信號的變化，當超限時立即發(fā)出警報信號或故障顯示或自動停機等。這是設計、制造部門應完成的任務，絕不應把危險與有害因素等事故隱患留給用戶。

（八）人機界面設計人機界面是人與機器交換信息的環(huán)節(jié)，如果人機界面設計不當，人與機器相接觸造成能量逸出，將直接會導致事故發(fā)生。所以在人機界面設計時，即人機工程設計時，必須考慮人的生理、心理因素，考慮人機協(xié)調(diào)關系。如人的正常生理能力和允許限度。要求所設計的顯示器，長時間觀察或監(jiān)聽而不易疲勞；操縱機構在操作時操作力應做到有“手感”而不沉重；控制器和顯示器應盡量少而集中，配置合理，避免操作失誤；且設有聯(lián)鎖保護裝置，做到即使誤操作某一控制器也不會引起事故。

四、維修性設計（熟悉）（一）維修及維修性

所謂維修是指使產(chǎn)品保持在正常使用和運行狀態(tài)，以及為排除故障或缺陷所采取的一切措施和活動，包括設備運行過程中的維護保養(yǎng)、設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷以及故障檢修、調(diào)整和最后的驗收試驗等直至恢復正常運行等一系列工作。簡言之，為保持或恢復產(chǎn)品規(guī)定功能采取的技術措施叫做維修。

維修性是指對故障產(chǎn)品修復的難易程度，即產(chǎn)品在規(guī)定條件和規(guī)定時間內(nèi)完成維修任務的能力。

（二）產(chǎn)品結構的維修性設計維修性設計是指產(chǎn)品設計時，設計師應從維修的觀點出發(fā)，保證當產(chǎn)品一旦出故障，能易發(fā)現(xiàn)故障、易拆、易檢修、易安裝，即維修度要高。維修度是產(chǎn)品的固有性質(zhì)，它屬于產(chǎn)品固有可靠性的指標之一。維修度的高低直接影響產(chǎn)品的維修工時、維修費用，影響產(chǎn)品的利用率。

1.可達性所謂可達性是指檢修人員接近產(chǎn)品故障部位進行檢查、修理操作、插入工具和更換零件等維修作業(yè)的難易程度。可達性設計應從以下三方面考慮：

可達性考慮的內(nèi)容：

（1）安裝場所的可達性

檢修人員在從事檢修作業(yè)時，如拆裝故障零件時，需要有一個足夠的檢修活動空間，使維修人員能夠在舒服的姿態(tài)下進行維修作業(yè)，如“坐”、“蹲”、“跪”、“躺”等作業(yè)姿勢。

（2）設備外部的可達性

復雜產(chǎn)品往往是由幾個部件或單元組成，而這些部件或單元裝在一個箱體或殼體內(nèi)，為了裝入或取出這些部件或單元，或檢查及觀察它們的工作狀況需要在箱體或殼體壁上開口，設計時就需要考慮開口部分的結構（有面板、蓋或門）及其固定方式，做到既可靠，又易打開。

（3）設備內(nèi)部的可達性從易檢查易維修的角度出發(fā)，在設計內(nèi)部零件時，要考慮其結構形狀，考慮各零組部件之間的合理布局和安裝空間等。

2.零組部件的標準化與互換性產(chǎn)品設計時應力求選用標準件，以提高互換性，這將會給產(chǎn)品的使用維修帶來很大方便。因為標準化零件質(zhì)量有保證，品種和規(guī)格大大減少，于是就可以減少備件庫存和資金積壓，既能保證供應，又簡化管理。

3.

維修人員的安全

產(chǎn)品在結構設計時除考慮操作工人的安全外，還必須考慮維修人員的安全，而這后—項工作往往最容易被人們忽視。（三）

可靠性設計與維修性設計的關系

可靠性設計和維修性設計是從不同的角度來保證產(chǎn)品的可靠性。前者著重從保證產(chǎn)品的工作性能出發(fā)，力求不出故障或少出故障，是解決本質(zhì)安全問題，在方案設計和結構設計階段就設法消除危險與有害因素；后者則是從維修的角度考慮，一旦產(chǎn)品發(fā)生故障，其本身就能自動及時發(fā)現(xiàn)故障，并且顯示故障或發(fā)出警報信號，并能自動排除故障或中止故障的擴展。

第五節(jié)人機系統(tǒng)一、了解人機信息與能量交換系統(tǒng)模型，人的可靠性分析；二、熟悉人機系統(tǒng)、人機功能分配、人機系統(tǒng)可靠性計算；三、掌握人機系統(tǒng)可靠性設計原則。第五節(jié)人機系統(tǒng)一、人機信息及能量交換系統(tǒng)模型（了解）人機系統(tǒng)的任何活動實質(zhì)上是信息及能量的傳遞和交換。人機之間在進行信息及能量的傳遞和交換中，首先是人的感覺器官（眼、耳等）從顯示裝置上感受到機器及環(huán)境作用于人的信息，

經(jīng)大腦中樞神經(jīng)的綜合、分析、判斷做出決策，然后命令運動器官（手或腳）向機器的控制器發(fā)出控制信息，即操縱機器相應的執(zhí)行機構（手柄或按鈕等）完成各種相應的運動機能（移動或轉動），且將控制的效果反映在顯示器上，構成一個信息及能量傳遞的閉環(huán)系統(tǒng)。到此，人機系統(tǒng)完成了一次功能循環(huán)，如圖所示。

在這個循環(huán)過程中，人機系統(tǒng)完成了人所希望的功能，達到人的預期目的。人機系統(tǒng)模型二、人機系統(tǒng)（熟悉）在人機系統(tǒng)中，人與機器為完成一定功能，各自發(fā)揮自己的作用，又必須相互聯(lián)系，相互配合，二者之間有著相互依存、相互影響、又相互制約的關系，而且這些關系隨系統(tǒng)自動化程度的變化而變化。為了取得人機系統(tǒng)的最佳效果，對人和機分別提出“人適應于機”、“機適宜于人”的不同要求，即“人適機”與“機宜人”。

機宜人是指機器作為人從事生產(chǎn)和生活活動的工具，要求設計、制造出來的機器應盡量滿足使用者的體格、生理、心理等條件的要求，做到顯示的信息便于接受、判斷，控制系統(tǒng)的尺寸、力度、位置、結構、形式等均應適合操作者的生理要求，工具、器具及用品等的使用得心應手，人所處的作業(yè)空間安全舒適，達到有利于人的身心健康，有利于發(fā)揮勞動者的效能和效率。人適機是指使人去適應機器的要求。機器的結構決定了其客觀的運動規(guī)律，其操作環(huán)境也會因各種因素在時間和空間上受到某種限制，如經(jīng)濟上的可行性、技術上的可能性、機器本身性能要求的條件以及使用機器時的外界環(huán)境條件（如高溫、高壓作業(yè)）等。為了適應機器的這些情況，就需要對人的因素予以限制，對人進行教育、訓練，并且盡量發(fā)揮人的因素有一定可塑性這一特點。

在人機系統(tǒng)中，機宜人與人適機是相對的。機適宜于人是以人的因素為條件的，而人的因素是比較復雜的，而且是變化的，有的是隨時代的進步而變化，有的是因時、因地、因性別、因年齡等不同而變化；人的因素有的可量化，有的則難以準確量化。機器本身也在不斷發(fā)展，自動化程度越來越高，控制系統(tǒng)智能化，所以機適宜于人的程度也在不斷提高。而人適應于機的程度是有限的，因為盡管人的因素有一定的可塑性，但是畢竟有一定的限度。解決的辦法是通過學習和訓練，提高人的文化和技術素質(zhì)，或采取必要的輔助措施（如使用勞保用品等）去適應機器的要求。三、人機功能分配（熟悉）

在人機系統(tǒng)中，人與機完成各自的功能，只有二者合理配合，協(xié)調(diào)一致，才能使人機系統(tǒng)達到最佳效果。為此，需要深入了解和研究人機各自的特征，進行比較，楊長避短，充分發(fā)揮各自的特長。

（一）人在人機系統(tǒng)中的主要功能（1）傳感功能（2）信息處理功能（3）操縱功能

（二）人機特性的比較人體本身就是一部復雜的、特殊的機器。人與機器的特性包括許多內(nèi)容，但就從人機系統(tǒng)中信息及能量的接受、傳遞、轉換過程來講，我們可以歸納為以下四個方面來比較，即信息感受、信息處理和決策、操作反應、工作能力等。

人優(yōu)于機器的能力主要有：信號檢測、圖象識別、靈活性、隨機應變、歸納、推理、判斷、創(chuàng)造性等；機器優(yōu)于人的能力主要有：反應、操作速度快、精確性高、輸出功率大、且耐久力強、重復性好、短期記憶、能同時完成多種操作、演繹推理以及能在惡劣環(huán)境下工作等。

（三）人機功能分配原則根據(jù)人機特性的比較，為了充分發(fā)揮各自的優(yōu)點，人機功能合理分配的原則應該是：笨重的、快速的、持久的、可靠性高的、精度高的、規(guī)律性的、單調(diào)的、高價運算的、操作復雜的、環(huán)境條件差的工作，適合于機器來做；而研究、創(chuàng)造、決策、指令和程序的編排、檢查、維修、故障處理及應付不測等工作，適合于人來承擔。四、人機系統(tǒng)可靠性計算（熟悉）（一）系統(tǒng)中人的可靠度計算由于人機系統(tǒng)中人的可靠性的因素眾多且隨機變化，因此人的可靠性是不穩(wěn)定的。人的可靠度計算（定量計算）也是很困難的。

1.人的基本可靠度系統(tǒng)不因人體差錯發(fā)生功能降低和故障時人的成功概率，稱為人的基本可靠度，用r表示。

人在進行作業(yè)操作時的基本可靠度可用下式表示：

r＝a1.a2.a3式中：a1——輸入可靠度，考慮感知信號及其意義，時有失誤；a2——判斷可靠度，考慮進行判斷時失誤；a3——輸出可靠度，考慮輸出信息時運動器官執(zhí)行失誤，如按錯開關。上式是外部環(huán)境在理想狀態(tài)下的可靠度值。a1、a2、a3各值如下表所示。

人的作業(yè)方式可分為兩種情況，一種是在工作時間內(nèi)連續(xù)性作業(yè)，另一種是間歇性作業(yè)。下面分別說明這兩種作業(yè)人的可靠度的確定方法。

作業(yè)類別

內(nèi)

容

a1.a3

a2

簡單一般復雜

變量在六個以下，已考慮人機工程學原則變量在10個以下變量在10個以上，考慮人機工程學不充分

0.9995～0.99990.9990～0.99950.990～0.9990.9990.9950.990

（1）連續(xù)作業(yè)在作業(yè)時間內(nèi)連續(xù)進行監(jiān)視和操縱的作業(yè)稱為連續(xù)作業(yè)，例如控制人員連續(xù)觀察儀表并連續(xù)調(diào)節(jié)流量；汽車司機連續(xù)觀察線路并連續(xù)操縱方向盤等。連續(xù)操作的人的基本可靠度可以用時間函數(shù)表示如下：

r（t）=exp[-∫0+∞l（t）dt]式中：r（t）——連續(xù)性操作人的基本可靠度；

t——連續(xù)工作時間；

l（t）——t時間內(nèi)人的差錯率。

（2）間歇性作業(yè)在作業(yè)時間內(nèi)不連續(xù)地觀察和作業(yè)，稱為間歇性操作，例如，汽車司機觀察汽車上的儀表。換檔、制動等。對間歇性作業(yè)一般采用失敗動作的次數(shù)來描述可靠度，其計算公式為；

r=1-p（n/N）式中：N——總動作次數(shù)；

n——失敗動作次數(shù)；

p——概率符號。2.人的作業(yè)可靠度考慮了外部環(huán)境因素的人的可靠度RH為：

RH=1-b1.b2.b3.b4.b5（1-r）式中：b1——作業(yè)時間系數(shù)；

b2——作業(yè)操作頻率系數(shù)；

b3——作業(yè)危險度系數(shù)；

b4——作業(yè)生理和心理條件系數(shù)；

b5——作業(yè)環(huán)境條件系數(shù)；（1-r）——作業(yè)的基本失效概率或基本不可靠度。

r可根據(jù)表4-3及式（4-10）求出。b1～b5可根據(jù)表4-4來確定。

表4-4可靠度RH的系數(shù)（b1～b5）系數(shù)

作業(yè)時間系數(shù)b1

操作頻率系數(shù)b2

危險度系數(shù)b3

生理心理條件系數(shù)b4

環(huán)境條件系數(shù)b5

1.01.0～3.03.0～10.0寬余時間充分寬余時間不充分無寬余時間

適當繼續(xù)進行極少進行

人身安全有人身危險可造成重大惡性事故

良好不好非常不好

良好不好非常不好

(二）人機系統(tǒng)的可靠度計算人機系統(tǒng)組成的串聯(lián)系統(tǒng)可按下式表達：

RS＝RH.RM

（4-14）式中：RS——人機系統(tǒng)可靠度；RH——人的操作可靠度；

RM——機器設備可靠度。人機系統(tǒng)可靠度采用并聯(lián)方法來提高。常用的并聯(lián)方法有并行工作冗余法和后備冗余法。并行工作冗余法是同時使用兩個以上相同單元來完成同一系統(tǒng)任務，當一個單元失效時，其余單元仍能完成工作的并聯(lián)系統(tǒng)。后備冗余法也是配備兩個以上相同單元來完成同一系統(tǒng)的并聯(lián)系統(tǒng)。它與并行工作冗余法不同之處在于后備冗余法有備用單元，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，才啟用備用單元。

1.二人監(jiān)控人機系統(tǒng)的可靠度

當系統(tǒng)由二人監(jiān)控時，控制如圖4-8所示。一旦發(fā)生異常情況應立即切斷電源。該系統(tǒng)有以下兩種控制情形。

（a）a——系統(tǒng)結構（b）b——系統(tǒng)簡圖圖4-8二人監(jiān)視系統(tǒng)

（l）異常狀況時，相當于兩人并聯(lián)，可靠度比一人控制的系統(tǒng)增大了，這時操作者切斷電源的可靠度為RHb（正確操作的概率）：

RHb=1-（1-R1）（1-R2）

（4-15）

（2）正常狀況時，相當于兩人串聯(lián)，可靠度比一人控制的系統(tǒng)減小了，即產(chǎn)生誤操作的概率增大了，操作者不切斷電源的可靠度為RHc（不產(chǎn)生誤動作的概率）：

RHc=R1.R2

（4-16）

從監(jiān)視的角度考慮，首要問題是避免異常狀況時的危險，即保證異常狀況時切斷電源的可靠度，而提高正常狀況下不誤操作的可靠度則是次要的，因此這個監(jiān)控系統(tǒng)是可行的。所以兩人監(jiān)控的人機系統(tǒng)的可靠度度Rsr為：

異常情況時，Rsr′=RHb.RM=[1-（1-R1）（1-R2）]RM

（4-20）

正常情況時，Rsr″=RHc.RM=R1.R2.RM

（4-21）

2.多人表決的冗余人機系統(tǒng)可靠度上述二人監(jiān)控作業(yè)是單純的并聯(lián)系統(tǒng)，所以正常操作和誤操作兩種概率都增加了，而由多數(shù)人表決的人機系統(tǒng)就可以避免這種情況。若由幾個人構成控制系統(tǒng)，當其中r個人的控制工作同時失誤時，系統(tǒng)才會失敗，我們稱這樣的系統(tǒng)為多數(shù)人表決的冗余人機系統(tǒng)。設每個人的可靠度均為R，則系統(tǒng)全體人員的操作可靠度RHn為：

r-1RHn=∑Cin（1-R）iR（n-1）（4-19）

i=0

多數(shù)人表決的冗余人機系統(tǒng)可靠度的計算公式為：

r-1

Rsd=[∑Cin（1-R）iR（n-i）].RM

（4-20）

i=03.控制器監(jiān)控的冗余人機系統(tǒng)可靠度設監(jiān)控器的可靠度為RMk，則人機系統(tǒng)的可靠度Rsk為：

RMk=[1-（1-RMk.RH）（1-RH）].RM

（4-24）

4.自動控制冗余人機系統(tǒng)可靠度設自動控制系統(tǒng)的可靠度為RMz，則人機系統(tǒng)的可靠度Rsz為：

Rsz=[1-（1-RMz.RH）（1-RMz）].RM

（4-25）五、人機系統(tǒng)可靠性設計基本原則（掌握）

（1）系統(tǒng)的整體可靠性原則從人機系統(tǒng)的整體可靠性出發(fā)，合理確定人與機械的功能分配，從而設計出經(jīng)濟可靠的人機系統(tǒng)。一般情況下，機械的可靠性高于人的可靠性，實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，就可將人從機器的危險點和危險環(huán)境中解脫出來，從根本上提高了人機系統(tǒng)可靠性。

（2）高可靠性組成單元要素原則系統(tǒng)要采用經(jīng)過檢驗的、高可靠性單元要素來進行設計。

（3）具有安全余度的設計原則由于負荷條件和環(huán)境因素隨時間而變化，所以可靠度也是隨時間變化的函數(shù)，并且隨時間的增加，可靠度在降低。因此。設計的可靠度和有關參數(shù)應具有一定的安全余量。

（4）高可靠性方式原則

為提高可靠度，宜采用冗余設計、故障安全裝置、自動保險裝置等高可靠度結構組合方式。

1）系統(tǒng)“自動保險”裝置

自動保險，就是即使是外行不懂業(yè)務的人或不熟練的人進行操作，也能保障安全，不受傷害或不出故障。

這是機器設備設計和裝置設計的根本性指導思想，是本質(zhì)安全化追求的目的。要通過不斷完善結構，盡可能地接近這個目的。

2）系統(tǒng)“故障安全”結構

故障安全，就是即使個別零部件發(fā)生故障或失效，系統(tǒng)性能不變?nèi)阅芸煽抗ぷ鳌?/p>

系統(tǒng)安全常常是以正常的準確的完成規(guī)定功能為前提?？墒?，由于組成零件產(chǎn)生故障而引起誤動作，常常導致重大事故發(fā)生。為達到功能準確性，采用保險結構方法可保證系統(tǒng)的可靠性。

從系統(tǒng)控制的功能方面來看，故障安全結構有以下幾種。

①消極被動式組成單元發(fā)生故障時，機械移到停止位置狀態(tài)。

②積極主動式組成單元發(fā)生故障時，機械一面報警，一面還能短時運轉。

③運行操作式即使組成單元發(fā)生故障，機械也能運行到下次的定期檢查。通常在產(chǎn)業(yè)機械系統(tǒng)中，大多為消極被動方式結構。

（5）標準化原則為減少故障環(huán)節(jié)，應盡可能簡化結構，盡可能采用標準化結構和方式。

（6）高維修度原則為便于檢修故障，且在發(fā)生故障時易于快速修復，同時為提高經(jīng)濟性和具有備用的意義，應采用標準化零件、通用化部件、系列化設備產(chǎn)品。

（7）事先進行試驗和進行評價的原則對于缺乏實踐考驗和實用經(jīng)驗的材料和方法，必須事先進行試驗和科學評價，然后再根據(jù)其可靠性和安全性而適當采用。

（8）預測和預防的原則要事先對系統(tǒng)及其組成要素的可靠性和安全性進行預測。對已發(fā)現(xiàn)的問題加以必要的改善，對易于發(fā)生故障或事故的薄弱環(huán)節(jié)和部位也要事先制定預防措施和應變措施。

（9）人機工程學原則從正確處理人-機-環(huán)境的合理關系出發(fā)，采用人類易于使用并且差錯較少的方式。

（10）技術經(jīng)濟性原則不僅要考慮可靠性和安全性，還必須考慮系統(tǒng)的質(zhì)量因素和輸出功能指標。其中還包括技術功能和經(jīng)濟成本。

（11）審查原則既要進行可靠性設計，又要對設計進行可靠性審查和其他專業(yè)審查，也就是要重申和貫徹各專業(yè)各行業(yè)提出的評價指標。

（12）整理準備資