（设计艺术学专业论文）机电产品安全性设计研究.pdf

摘要 摘要 安全设计在产品中的作用越来越重要，其实质是以人为中心设计，是产品 人性化设计的具体体现。论文对产品安全性设计做了阐述，并着重从人的角度 进行分析。主要内容包括：产品安全性设计的内涵及外延、安全性设计的要素、 产品安全性设计评价、产品安全设计程序、设计中的安全因素分析、产品安全 性设计方法与原则等部分。产品安全性设计的内涵及外延从与之密切相关的因 素来进行解析，把设计中的安全要素分为人和物等几部分，对于人的因素，根 据人因工程及心理学理论，从生理和心理两个方面进行分析：对于物的因素，对 机电产品从物的不安全状态方面进行分析，通过以上的分析提出对产品安全性 设计的方法及原则。 关键词：安全；机电；产品 a b s t r a d t h ep m d u c ts a f c t yd e s i g np l a y sa ni m p o r t a n tm i em o r e 锄dm o r e i t se s s e n c ei s h u m 柚c c n t e r e dd e s i 印曲dt l l ee m b o 曲n e n to ft j l eh u m a i i i z e dd e s i 弘t h et h e s i s “p o u n d st l l ed e s i 舶o fp r o “c ts a f c t y ，锄d 柚a l y z e si t 舶mt h ep e 撂p c c t i v eo ft l l e o p c m t o r t h em a i n n t e n t so ft h et h e s i si l i d u d c s ：t h ec 0 姗o t a t i o n 柚dd c n o t a t i o n0 f t h e d c s i 髓0 fp r o d u c ts a f e t y e l c m e d t so fs 积yd e s j g i l ， l h ec v a l u a t i 加0 fp r o d u c t s a f c t yd e s i 印，t l l ep r o c c d u r c0 fp r o d u c ts a f e t yd 鼯i 印，t h es a f c t ye i e m e n t so fd e s i 印， t h em e t h o d s 柚dp r i d p l 船o fp r o d u ds a f e t y d c s i 印，e t c n ec o 蚰o t a t i o n 盟d d 0 t a t i o no ft h ep r o d u ds a f c t yd e 5 i 辨a n a l y z 鹤f r o mt h ef a c t o 硌r c l a t e dt oi tc i o s e i y ， t l i ce l 锄c n t so fs a f c t yd e s i 龋a r cd j v i d e di n t os w e m lp a n ss u c h 鹤o p c r a t o r 柚d p r o d u d a c c o f d i n gt ot h et h r yo fe r g o n o m i c s 柚dp s y c h o l o g y t h et l l e s i sa i l a l y z e s t h ef a c t 叫o fo p c m t o rf r o mt h e 舔p e c t so fp h y s i o l o g ya n d p s y c h o l o g y la sf b rt h ef a d o r o fp r o d u d ，j t 柚a i y z t h cm e c h 趾i c a 】枷de l e c l r i c a lp r o d u c t sf t o mt h ea s p e c to ft h e s t a 土co fu n 娆f e t y a c c o r d i n gt ot h e 卸a l y s i sa b o v e ，t l l em e t h o d s 锄dp r i n d p l e so f p r o d u c ts a f e t yd e s i g na r cs u m m a r i z c d k e yw 硎s ： s a f c t y ；m c c h 卸i c a l 卸de l e c t r i c a lp r o d u c t 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：耐、耳，彦签字日期：如年，p 月坩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌盔堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：琵爵、浑雷 导师签名： ? 毒彳乇王 签字日期：h 萨，媚粥日签字日期：力7 年z 月三善日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究现状 对于产品，人们总会在其使用的安全性方面提出一些要求。的确，产品的 安全性是评价产品的一个重要方面，它关系到人们的生命安全和身体健康。但 现在的多数产品在设计上存在着安全隐患，这些产品与人们的生活密切相关， 研究产品的安全性对保障人们的健康安全、提高人们的生活质量具有重要意义。 家庭环境里和工厂环境里使用的机电产品都会对使用者造成安全威胁。一 旦发生事故后，传统的安全工作方法往往只片面地强调对人的安全行为的管理， 被动地对事后安全进行监督和宣传教育，对物体的不安全状态和条件重视不够， 忽视了对产品的安全设计。与传统的安全工作方法过度约束限制人的行为做法 相对应，现代安全设计方法主张针对人自身的特性进行研究，以人为出发点， 对物进行设计，真正做到设计的人性化，同时现代产品安全设计采用先进机械 安全技术，从系统内部出发，对可能发生的危险进行识别、分析和评价，根据 评价结果进行安全方案的优化设计，使系统可能发生的事故得到控制，使产品 在整个寿命期都是安全的；从人机工程学的角度进行产品安全设计，把人的生 理和心理因素和产品功能综合考虑，使人、机进行合理匹配，实现人机总体安 全。 不论是在家庭环境还是工厂环境里，都经常会有机电产品安全事故发生，虽 然有较多事故原因是由于人的操作，但是设计师的责任也在所难免，现代安全 设计发展逐步趋向于通过对产品的设计来防止人的操作失误。机电产品安全事 故经常发生，说明人、机、环境之间的关系还未协调好，产品在安全设计上的 缺陷对人身安全造成极大的威胁，同时也大大降低了工作效率。兼顾产品的安 全性、友善性、和谐性，满足市场对产品个性化、环保化、安全性和时尚性的 需求，协调好它们之间的关系，已成为制造业向精密化、智能化、集成化、全 球化发展的首要前提。随着社会对产品的多样化、个性化以及附加功能等方面 需求的增加，消费者对于产品安全性方面的要求并没有降低反而是增加了，他 们希望消除出于对产品的安全顾虑而造成的心理紧张和心理戒备因素，这就对 第1 章绪论 产品安全设计提出了新的要求，产品安全设计必须从生理和心理方面的因素同 时进行考虑，而从这个角度进行的机电安全设计研究目前还比较少。 1 1 1 企业和产品安全状况不佳 有关产品安全性能方面的检验，已经成为强制性措旅。产品的安全水平的 高低对产品打入国际市场与国际上的企业竞争有着十分重要的影响。如果没有 安全认证标志，产品将很难获得市场。随着我国对外出口产品量的不断增长， 必然要求在产品安全质量方面缩小与国际标准的差距。产品安全已成为消费者 评价产品质量的标准，是影响产品信誉度的重要因素。我国推行强制性安全标 志的时间还不长，国内产品的使用性能与国外产品的差距在逐渐缩小，但是我 们在产品的安全度方面还是没有引起足够的重视。大型企业产品质量体系比较 完善，比较注意与国际认证体系接轨，他们比中小企业要更加重视企业良好形 象和在国外市场上的知名度，因而必然会在提高产品使用安全性方面不断加大 投入。但多数中小企业则由于种种原因而对此无暇顾及，产品安全情况堪忧。 有些企业只能称为组装作坊，安全设计根本无从谈起。 1 1 2 操作者的安全意识淡薄 有许多事故调查都会这样描述当事人：“缺乏安全意识”。因此得出结论是 要对操作者加强安全培训教育。如果机电产品的使用环境是在工厂里。可以组 织安全知识培训，但如果是小机电产品，可能是在家庭这样的使用环境进行操 作，对这些操作者如何去组织培训呢? 而且从另一方面来考虑，为什么一定要 让人去进行安全知识培训，而不从产品自身多做些文章、把产品设计的更安全 一些呢? 如果产品在家庭这样的使用环境中，人的安全意识会相对减弱，对于 使用产品过程中未出现过事故的人来说，安全意识会更弱。因此，在使用者普 遍缺乏安全意识的情况下，更应该注重产品的安全设计，保障使用者的安全。 1 1 3 安全法规匮乏 一国家相关的政策法规、安全标准缺乏也是导致产品安全事故的一个重要原 因。另外，现有的安全法规所制定的标准要求较低，已经不适合社会发展的需 要。有些产品在国内的安全测试中完全符合要求，但如果按照国外安全标准检 测则不合格，这样的产品不仅影响企业开拓国外市场，而且对使用者安全形成 第1 章绪论 威胁。所以我国不仅要解决安全法规与安全标准匮乏问题，还要解决其实施以 及与国际标准接轨的问题。 1 2 理论基础 1 2 1 安全原理“蚴跚 安全原理研究安全主体人的安全和安全客体物和环境的安全的理 论问题。安全心理学、安全行为学、安全人机学等都重点对人的因素作了探讨 和研究，通过对人秘物以及环境等因素分析，结合对安全事故致因理论、危险 因素防护原理等的研究，提供了可供产品设计参考设计原则。 1 2 1 1 事故致因理论 安全原理主要阐明事故是怎样发生的以及为什么会发生，如何采取措施防 止事故发生的理论体系。事故致因因素包括物的因素和人的因素两个方面：物 的不安全因素一般在控制生产工艺的同时加以控制；关于人的因素研究是安全 工程研究的重要内容，要根据与安全密切相关的人的生理、心理特征及行为规 律，设计适合人的特点、适合人员操作的设备、工具。 1 2 t 2 系统安全 系统安全在许多方面发展了事故致因理论。按照系统安全的观点，系统中 存在的危险源是事故发生的原因。系统中不可避免地会存在或出现某些种类的 危险源，不可能彻底消除系统中所有的危险源，因此就不存在绝对的安全，所 谓的安全，只是没有超过允许限度的危险。因此，系统安全的目标不是事故为 零，而是最佳的安全程度。系统安全注重整个系统寿命期间的事故预防，尤其 强调在开发、设计阶段采取措施消除、控制危险源。 安全原理中的安全行为学研究综合运用心理学、行为学、人机工程学等学 科的原理、方法，研究有关人的生理心理行为与安全问题，目前的研究进展主 要包括对人的失误控制的安全行为科学研究，从人的方面和从安全行为科学的 角度提出解释、预测可以控制人的失误的行为理论及对策，为产品的安全设计 提供理论依据。 3 第1 章绪论 1 2 2 人机学理论 人机工程学研究如何使机械设备适应入的生理、心理特征，使操作人员简 便、准确、失误少、工作效率等问题，研究如何使人与机器设备、环境之间保 持协调、安全、舒适、高效的人机关系，这种人机关系是实现安全生产本质安 全化的核心，人机学理论是安全设计的基础理论。人机工程学的兴起标志着工 业生产中人与机器关系的重大变化，以前是按机器的特性训练工人，让工人的 操作行为去符合机器的要求，现在是在设计机器产品时要考虑人的特性，使机 器适合入的操作。 人机工程学学科的兴起，为工业设计的发展提供了有力的支持。人机工程 学的研究内容和应用范围极其广泛，但其根本研究方向却是通过揭示人、机、 环境之间相互关系的规律，以达到确保人一机一环境系统总体性能的最优化。就 工业设计学科而言，也是围绕人机工程的根本研究方向来确定具体的研究内容。 它的研究内容对于工业设计来说有着重要作用，主要有在以下几个方面：人的 特性研究、人机系统总体设计、工作场所和信息传递装置设计、还击功能控制 与安全保护设计等。在工业生产中，人机工程首先应用于产品设计，为产品设 计提供了大量的理论与实践基础。人机工程学研究的内容对于产品安全设计的 作用包括以下几个方面“”： ( 1 ) 为产品设计中考虑“人的因素”提供人体尺度参数。这在人一机操作 界面设计中非常重要，应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、心理学等学 科的研究方法对人体结构特征、机能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸及 人体各部分在活动时的相互关系和可及范围等人体结构特征参数，还提供人体 各部分的人体机能特征参数，分析人的视觉、听觉、触觉等感觉器官的机能特 性，分析人在各种劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳机理以及人对各种劳动 负荷的适应能力，探讨人在工作中影响心理状态的因素以及心理因素对工作效 率的影响等。 ( 2 ) 为产品设计中“物”的功能合理及安全提供科学依据。如何解决“物” 与人相关的各种功能的最优化，创造出与人的生理、心理机能相协调的“物”， 是当今工业设计中在功能上的新问题。在考虑人一机操作界面设计时，涉及到的 信息显示装置、操纵控制装置等在形状、大小、色彩以及其布置方面的设计基 准，都要以人体工程学提供的参数和要求为设计依据。 ( 3 ) 为产品设计中考虑“环境因素”提供设计准则。通过研究人体对环境 4 第1 章绪论 中各种因素的反应和适应麓力，分析环境因素对人体的生理、心理以及工作效 率的影响程度，确定了人在生产和生活活动中所处的各种环境的舒适范围和安 全限度，从保证人体健康、安全、舒适和高效的角度出发，为工业设计中考虑 “环境因素”提供了分析评价方法和设计准则。 ( 4 ) 为进行人一机一环境系统设计提供理论依据。人机工程学并不单纯着眼 于个别要素的优良与否，而是将使用“物”的人和所设计的“物”以及人与“物” 所处的环境作为一个系统来研究，即“人一机一环境”系统。这也是人机工程学 为工业设计开拓的新的设计思路，并提供了独特的方法和有关理论依据。 1 2 3 心理学理论”删 心理学的产生是由于工业社会对它的迫切需要。心理学要解决工业社会普 遍性问题和难点性问题，现在心理学的另一个最新的应用领域是工业设计、人 机界面设计和信息设计。当人们建立了“以人为本”的设计价值观念后，就很 快发现工业革命以来的设计价值观念是“以机器为本”的，导致了机器奴役人、 大量的工伤事故、职业病及环境污染等，1 9 7 4 年德国开始实旆全国性的“公正 对待人的技术”项目，以心理学和人机工程学为基础全面改造设计工业革命琳 来以机器为本的环境、设备、工具、人机界面等，主要解决劳动安全问题和劳 动疲劳问题。8 0 年代后期。欧洲许多国家和美国开始寻找心理学基础，以解决 电子设备、计算机系统等的人机互动问题欧洲主要尝试用动机心理学分析用户 任务模型，美国的诺曼建立了心理学操作系统的用户任务模型。心理学研究所 建立的用户模型可作为设计物人关系或人机界面的基础，发现设计引起的问题 如安全问题、可用性问题、疲劳问题、操作出错问题等。心理学的研究成果应 用于产品安全设计，成为安全设计的重要理论基础。 1 3 课题研究意义 随着生活水平和物质丰富程度的逐步提高，人们对产品的要求也逐渐提高。 以前产品只要满足使用功能即可，既而发展到审美需要，而后更是注重品位、 对人健康是否有害、是否安全等闯题。因此现在提出安全设计也是适逢其时。 提出安全设计的概念促使人们在产品制造之前就把安全因素考虑在内，从而保 证人在操作使用时的安全和健康，这对于避免安全事故的发生有着重要意义， 体现了安全原理中“预防为主”的思想，也更加体现人性化设计思想。论文所 5 第1 章绪论 提出的安全设计原则具有实际指导意义，可在实际设计中作为参考。 1 4 课题研究内容 本课题主要研究产品设计中机电产品的安全性问题，对产品安全性设计所 包括的内容、内涵及外延、设计程序等都做了探讨，论文主要内容包括：1 、通 过人因工程及心理学理论，分析了人的行为习惯、特性，人的不安全因素和物 的不安全状态。从人的生理、心理因素以及物的因素等方面探讨安全性设计。2 、 从前面的分析中对安全性设计方法及原则进行总结。具体划分为第一部分：绪 论；第二部分：安全性设计。第三部分：安全因素分析。第四部分：安全性设 计方法。 1 5 小结 本章分析了目前产品以及机电产品生产企业的安全现状，提出了产品安全 设计的必要性。并筒述了产品安全性设计的理论基础，包括人因工程学、心理 学、安全原理等理论，在此基础上对安全性设计进行系统研究，最后对课题研 究意义及内容作了介绍。 第2 章安全性设计 第2 章安全性设计 2 1 安全 一般的安全定义，泛指没有危险、不出事故的状态，安全的英文为s a f e t y ， 指健康与平安之意。目前关于安全的概念也不统一，可分为两种，即绝对安全 和相对安全。绝对安全观认为，安全是没有危险，不出现威胁，不出事故，即 消除能导致人员伤害，发生疾病、死亡或造成设备财产破坏、损失，以及危害 环境的条件。而从严格意义上讲，在现实生活中绝对安全是不存在的，它只是 安全的一种极端理想的状态。针对绝对安全，许多学者提出了相对安全的观点。 在英汉安全专业术语词典中将安全定义为“安全意味着可以容许的风险程 度，比较地无受害之忧和损害概率降低的通用术语”。相对安全观认为：安全是一 在具有一定危险条件下的状态，安全并非绝对无事故“。 2 2 安全性设计 安全性设计在具体的产品设计应用过程中不能狭义的理解。安全性设计主 要包括机械制造过程和使用过程的安全性设计。另外还涉及到操作舒适性设计_ 造型美学设计及环保性设计等方方面面。 2 2 1 安全性设计的内涵 2 2 1 1 关注用户的理念 在机器大工业生产的背景下，适应机器生产、降低生产成本的理念始终是 被放在第一位的。在当今全球生产力已经极大发展时期，关注用户安全、健康 和舒适度等的要求日益受到生产厂商和设计师的重视，他们已经认识到如果不 把关注用户的意识贯彻到产品设计的全过程，企业的经济效益就会受到影响。 目前，关注用户的理念还没有完全整合到产品设计中，在实际设计中设计师的 主观因素仍然是占据了上风，真正从用户角度出发的设计产品还是少之又少。 安全设计的理念并未被灌输到多数设计师大脑中，产品中的安全装置仍然是作 第2 章安全性设计 为一个突兀的部分附着在产品之上，并没有充分考虑因安全增加的机构件在工 作系统、环境中或用户行为中的影响，这表明了设计师潜意识中认为安全一开 始并不是清晰明确的设计目标，而只是安全专家考虑的事情，因此在产品开始 研发设计阶段就没有将安全作为其中的一部分进行考虑。关注用户的理念强调 安全和人机工程研究一开始就整合到产品设计之中，有两种基本途径和形式， 一种是基于外在、清晰的方式，通过标准和其他正式文件、规范来操作，即产 品设计需要遵循一些强制性的安全标准和规范；另一种是基于内在、个人的方 式，通过个人的知识、经验等方面来操作，即产品设计师完全依靠个人从事产 品设计的经历和经验去直观地判断产品的安全性。在产品设计中，用户实际使 用后的反馈意见很重要，它能够对产品的改进设计提供非常有价值的参考，收 集关于产品不适合使用的、有安全隐患的设计信息是设计师必须掌握的，这也 是在设计中贯彻关注用户理念的基础工作。 2 2 1 2 人性化设计之要求 设计的目的是为了“人”，这也是设计的本质。使产品适合人，而不是让人 去适应产品，人本身是一切产品形式存在的依据。现代工业化社会中的人们在 享受物质生活的同时，更加注重消费品在。方便”、“舒适”、“可靠”、“价值”、 “安全”和“效率”等方面的评价，也就是在产品设计中常提到的人性化设计 问题。设计的目的在于满足人自身的生理和心理需要，需要成为人类设计的原 动力。美国行为科学家马斯洛提出的需要层次论，提示了设计人性化的实质。 他将人类需要从低到高分成五个层次即生理需要、安全需要、社会需要、尊敬 需要和自我实现需要。马斯洛认为上述需要的五个层次是逐级上升的，当下级 的需要获得相对满足以后，上一级需要才会产生，再要求得到满足州。安全需 要是处于基本层级的，人们对所使用或的产品的安全性要求也是基本的，是设 计中考虑其他因素的基础。产品的安全设计正是为人而考虑，正是“人性化设 计”、“以人为本”的体现。 2 2 2 安全性设计的外延 由于安全性设计与工业设计的其他环节都有密切的联系，所以其一直贯穿 于工业设计的始终并与其他环节如机械设计与制造、经济性、通用性、舒适性、 美学性、环保性等有着紧密联系“”。 8 第2 章安全性设计 2 2 2 安全性设计同机械设计与制造的关系1 机械设计与制造直接影响机器结构及元器件的安全指标，机械设计是从系 统内部出发，采用先进的机械安全技术对产品可能发生的危险进行识别、分析 和评价，根据其评价结果进行安全方案的优化设计，使系统可能发生的事故得 到控制，并使产品在整个寿命期都是安全的。其间的关系表现为： ( 1 ) 安全属性的依附性。由于安全依附于生产与产品，只有在生产过程和 产品的使用过程中才会发生安全事故，平时就难以引起人们的注意。因此，人 们往往看不到安全工作的作用，认为投资于安全工作方面没有必要。 ( 2 ) 安全技术的发展性。工业技术日新月异，人们往往对新技术中许多潜 在的危险认识不清，意识不到事故发生后的严重后果。 ( 3 ) 安全致因的复杂性。事故发生的直接原因有物的不安全状态和人的不 安全行为，并且，随着工业技术的不断发展。事故致因呈现多样化、复杂化的 趋势。 2 2 2 2 安全性设计与经济性扭儿 经济因素体现于设计领域是完成从生产到消费全过程的经济内容和经济效 果，贯穿于产品设计 句思、实现等环节的整个过程。新的设计方案的执行j 必 然会带来成本、材料、设备、能源等各方面的开发和生产费用的增加，安全设 计的效益具有隐性，它所产生的经济效益是间接的、隐性的。平时看不到它产 生效益，只有发生了事故后，产生了负效应时才会感觉出它的存在。如果在设 计中不把安全因素考虑在内，不仅会削弱产品在市场上的竞争力，而且会损害 到使用者的健康等切身利益。但是安全设计必然会增加产品的生产成本，使产 品的价格在市场上不具有竞争优势，这也是一对突出矛盾，研究分析表明，产 品的安全与成本之闯存在着如图2 1 所示的关系“州，型i 是初始设计的产品 在正常寿命期间的安全与成本的关系曲线，型i i 是改进后的产品在正常寿命期 间的安全与成本的关系曲线，所有的产品都有预期使用寿命，为达到某一成本， 产品设计中应考虑合理的安全，应在保证产品基本的使用安全的基础上调整安 全设计成本与经济投入的比例。 第2 章安全性设计 酋 搿 ： 吒 气 产品成本 图2 1 产品的安全与成本关系曲线图 2 2 2 3 安全性设计与通用性 通用性设计就是“能够满足各种年龄和身体条件的设计”，它尽可能满足所 有人的需求，既要为健全人带来方便，同时也要消除障碍，为弱势群体提供使 用的机会“”。通用性设计要求产品对使用者或潜在使用者必须是能安全使用的。 通用设计具有的特征包括无障碍性、无差别性、安全性等，这其中的安全性设 计即是在对正常人使用产品时提供安全保障外，着重为残疾者这类特殊群体安 全使用产品提供保障。通用性设计要重点考虑到儿童、老年人、残疾者这些弱 势群体，因此首先考虑的便是产品的安全问题。没有安全设计作为基础，则通 用性设计就无从谈起。例如一种新型交通信号灯，在信号灯颜色转换时既有闪 光提示，同时伴有语音提示，对正常人和有聋、盲障碍的人士都能起到提醒作 用，充分体现了通用设计的理念。通用设计的思想与安全性设计思想有交叉重 叠部分，这些设计理念应该体现于机电产品的安全性设计中。 2 2 2 4 安全性设计与舒适性 从人机工学的角度来看，产品设计要考虑到人体尺寸、人体各部位的运动 第2 章安全性设计 特性、作业时的姿势等因素，使操作者在作业时感觉舒适。产品舒适性也对产 品安全有重要影响，如操作者长期保持不舒适的姿势，则容易造成身体疲劳或 不良心理反映，增大误操作的几率从而导致事故发生。同时，长时间保持不舒 适操作姿势也会造成身体疾病。但并非设计都强调保证产品使用的舒适性，有 些产品的设计超越了舒适的范围去强调享受性，使人感到过分舒适而处于过度 放松的状态，这对于机电类产品来说反而不利。例如，一则有关汽车方面的信 息显示：汽车的设计越舒适，带来的交通事故发生率也越高。有关心理学研究 表面，一般越是在舒适的环境下工作，人的注意力也就越分散。如果汽车驾驶 室座椅设计得使人感觉太舒适，则会使人的大脑处在过于放松的状态，事故就 容易发生。因此，在有些设计当中我们为了安全或是生产效率应适当考虑舒适 性，甚至有必要放弃舒适而保证安全和效率。 2 2 2 5 安全性设计与美学性“”“” 安全设计是为满足产品的功能需要，产品的实用价值合乎人的目的性，因 而使入感觉到满足的愉悦，进而体验到一种美，即功效之美。在产品的设计与 生产中，功效与美是联系在一起的。一般情况下，几乎所有的工业产品包括手 工产品其形式都是由功能所决定的。在“形式服从功能”的设计思想之下，合 理的功能形式即是美的形式。当我们用玻璃杯作为饮具使用时，最注重的也许 不是它的形状有多么奇特新颖，而是首先考虑它的杯口上是不是有裂缝，在使 用这玻璃杯时它会不会破裂而伤了嘴唇，因此安全性设计与美学性有一个孰先 孰后的问题，产品的审美特性是建立在产品质量、安全性等功能性问题的基础 之上。现在的机电产品在强调安全性设计的同时，也更为注重其形式美感，增 强了产品的外观整体性。如图2 2 。 u 第2 章安全性设计 圈2 2 产品外观整体性增强 2 2 2 6 安全性设计与环保性 随着社会工业化程度的不断发展。人类在逐渐耗尽地球有限资源的同时 也将大量的污染排放到自己赖以生存的环境中，而由环境污染引发了众多的社 会问题，促使人们有意识地进行变革设计，从纯物质意义的进化设计转变为有 益于人类社会良性循环发展的设计，以物品的设计表现出人的生命力的发展和 延伸。绿色设计概念体现了设计的环保意识，其目标之一即使产品无环境污染 或环境污染最小化“”。而且在考虑产品对环境影响的同时，还要防止对人体造 成健康威胁，如采用新技术新材料杜绝辐射污染，保证人体健康。安全设计不 仅要避免使产品对人造成健康危害，也要避免或减少对环境造成影响。这也正 与绿色设计思想相一致。 第2 章安全性设计 2 。3 安全性设计中的要素 2 3 1 人的因素 设计的目的是为人服务，所以人是产品设计系统的核心。人在使用产品的 时候都会考虑到其安全性如何，人的行为也会导致不安全的状况发生。严重的 会导致安全事故。所以在进行产品设计之时就要把安全性考虑在内，这就对设 计师提出了增强安全设计意识的要求。而现在大多数人却过分追求美学性、新 奇、经济性等方面的因素而忽略了安全性方面的设计考虑，导致产品对消费者 的身心健康甚至于生命安全构成了严重威胁，在设计过程中，设计师的思维直 接把握着设计的方向，决定着产品的各种因素，安全性又是产品功能的基础， 因而首先要求设计师要在设计中有着基本的产品安全性设计思维，充分考虑产 品到产品的安全性能。其次从产品的使用者角度考虑，人的行为会导致安全事 故的发生，如果设计的产品不符合人的生理和心理特征，不符合人的操作特性， 就会有事故发生的可能。产品的使用或操作方式不符合人的生理或行为特性， 久而久之就会对人的健康造成危害，有的会形成职业病，这也归于安全范畴之 内。即使是经过严格安全培训的操作者也不可能保证时时按照安全规程操作。 因此研究人的身体和心理特征以及行为、动作特征对产品安全设计有着重要意 义。使用产品的人并不像机器操作那样按照程序行事，而且人在进行操作时并 不总是理性的，很多时候他会想当然地做某件事情，而非按规程操作。因此在 考虑安全设计的时候不能根据理性用户的思维，而要以非理性用户为基础。 2 3 。2 物及环境因素“” 对于产品来说，其本身就具有危险性，比如电气、机械等器件都具有潜在 危险，在设计中要严格按照行业标准进行设计，提高产品可靠性，把物自身存 在的不安全因素降到最低程度。 产品与产品使用的环境是密不可分的，人、机、环境形成了一个有机系统， 人可被认为是这个系统中的主观因素，物和环境就是客观因素。人和机影响环 境，而同时环境也影响人和机，决定了产品和人的作用模式，三者是互相关联， 互为作用的。 2 4 产品安全评价 第2 章安全性设计 2 4 1 设计评价“”啪1 设计对使用者的安全有主要影响，产品安全始于设计并持续于整个生产过 程，包括材料选择、试验、生产、包装等。设计人员必须站在操作者的立场上 进行设计，充分考虑产品特点及可能对操作者引起的危害。在安全设计中，要 求产品在正常使用条件下，以及在发生误操作或发生故障的情况下都不会对使 用者造成任何危害，同时还必须为产品的生产和维修人员提供必要的安全防护。 产品的结构、电路、材料、元器件、附件和包装等都必须符合有关安全标准， 符合各种安全规范和安全法规的要求。设计产品时要考虑如下因素： ( 1 ) 能量级：电压、温度、力、爆炸性、可燃性、重量、稳定性； ( 2 ) 表面质量：锐边、毛刺、光滑、粗糙、软、硬； ( 3 ) 几何形状：利刃、尖角、不规则形状、大、小； ( 4 ) 运动情况：静止、圆周运动、往复运动、间歇运动、连续运动、加速 运动、减速运动； ( 5 ) 防护措施：防护装置( 行程限制、防坠落、限速、防逆转、防接触、 绝缘等防护装置) 、紧急制动装置等； ( 6 ) 对操作者的危害：切割、刮划、碾轧、砸、扎、烧灼、腐蚀、辐射、 尘毒、震动、噪声； ( 7 ) 控制系统：联锁机构、紧急事故开关、多重闭锁开关： ( 8 ) 标示牌、警告牌、操作手册、拆装、维修安全技术要求。 2 4 2 设计后评价 在产品设计完成后，还要对其进行评估，以使用者的经验反馈和对产品的 测试结果为依据来考虑提高产品的安全，评价产品的安全、功能、效率、可靠 性、寿命、成本等，同时还要考虑产品的市场价格、市场竞争等因素。 2 4 3 定性的和定量的安全评价 定性的安全评价指依靠个人经验、判断能力和直观材料，对影响操作者安 全的所有因素的非数学评价，包括产品的使用、人为过失、安全等心理学方面 的因素。定性安全评价不对危险性进行量化处理，只作定性比较。目前应用较 多的定性安全评价方法有：安全检查表；事故树分析：事件树分析；危险度评 价法：预先危险性分析；故障类型和影响分析；人的失误分析等。 第2 章安全性设计 定量的安全评价指根据已掌握的大量信息资料，运用统计和数学方法，进 行数量计算或图解，对危险性进行量化处理，确定产品的危险性等级和事故频 率、严重程度、成本的概率分析。定量安全评价主要有两种类型：可靠性安全 评价法和指数法o “。 通过产品安全评价，使人们认识到未考虑的产品危险而先行采取改进措施 使危险性变得最小。理想的安全评价，包括确认危险性和危险性评价两个方面。 参见图2 3 。 安令汀价 危险中 确认ll 危盼忭计价 危陆的查出 ( 拎赉) 1 新的危险 2 危砼的变化 危羚的定艟化 ( 确认) i 发乍的概率 2 损：蜂押度 危险捧除 ( 措施) 】他危玲变小 2 消豫危盼 图2 3 安全评价的理想形式 允许界限 ( 评价标准】 礼会刘危险性 的允讦羿取 再评价 2 4 4 产品安全性设计程序 产品的安全程度主要取决于产品的设计阶段，设计人员必须在此阶段就把 安全问题进行全盘考虑和解决，否则在之后的过程中将难以实施。 安全设计基本步骤“2 儿翻： ( 1 ) 调查与研究。包括社会调查、市场调查、产品调查等。 社会调查是从社会需求、社会因素( 人与设计物的关系) 等方面进行调查 分析，通常是有针对性地对消费市场等内容展开，其中还要包括对使用者购买 动机与行为、购买方式与习惯、使用环境、使用方式、能源条件以及使用者平 均身体素质、心理条件、性别、年龄、耐力等项目进行调查，以便更有针对性 地进行安全设计。 第2 章安全性设计 市场调查是针对产品的行销区域从环境因素( 物与环境的关系) 、角度进行 调查分析，环境因素包括经济环境、地域环境、社会环境、市场环境等。 产品调查是对产品的使用功能、结构、外观、包装系统、生产程序等方面 进行调查研究，此外还包括产品的发展变迁、更新换代原因及存在形式等内容。 ( 2 ) 收集情报资料，做好技术分析。收集国内外各种有关的资料、标准、 手册以及各种具有参考价值的样品、样机，进行综合分析，提出安全设计的初 步设想。 ( 3 ) 选择合适的安全措施，初定设计方案。通过分析比较，结合产品的总 体和各元器件安全性指标要求，选择最佳方案。选择安全措施对策的示意图如 图2 4 所示。 ( 4 ) 设计评审。组织专业人员对产品的安全性设计进行全面评审，其中内 容包括审查文件、资料和产品模型等。 ( 5 ) 制造模型、样机。在综合平衡的基础上着手工程图设计，对关键性元 器件和材料进行试验论证，精确计算，优化设计，样机必须严格按照工程图制 造。 ( 6 ) 试运行。对样机进行试运行，针对存在的问题再加以改进。 ( 7 ) 完成产品定型，批准设计文件。安全试验和安全评审一般是和其他试 验审查工作同时进行的，但是必须有单独的测试报告和评审报告。在组织产品 定型时，应该把安全性设计作为一个重要的内容加以考虑。 第2 章安全性设计 图2 4 在设计中选择安全措旎对策示意图 2 4 。5 安全性设计的意义 睬口外。 拄附加预防措施 的必簦性和有效 缝 j 耐 觚 馕 防 播 蠢 2 4 5 1 人性化的具体体现 对于设计以人为本的思想人们已达成共识，但它不能只沦为一句空口号， 人性化不应该是抽象的概念而应是具体的，但怎么做彳体现以人为本? 安全设 计正是这种思想的具体体现，它切实考虑了人自身的机能，使产品的设计符合 人的生理及心理特性，避免伤害，安全设计的提出就是为了保护人的安全与健 第2 章安全性设计 康，同时兼顾产品及环境。 2 4 5 2 产品质量和功能的基本保证 产品的安全存在问题，则质量就是不合格，产品的功能也会受损害。产品 出现安全事故，可能会对人的健康带来威胁，造成人的肌体受伤或者精神受刺 激，乃至生命威胁。其次产品安全事故造成产品的损毁，形成消费者经济损失。 产品安全因素对产品质量影响重大，不考虑安全因素的产品，其质量也无从谈 起，质量和功能得不到保证，则势必得不到消费者的认可，最终会影响产品的 市场。 2 4 5 3 人们生活品质的保证 设计的最终实现是以满足人的精神和物质需求为目的的，按照美国心理学 家、行为学家马斯洛的需求理论，人类的需求分为五个层次：生理需求、安全 需求、社交需求、自尊需求和自我实现需求叫，这些需求是由低层次向高层次 发展的。入们生活品质逐渐提高的过程即是需求逐层被满足的过程，安全需求 如未能满足，则其他就难以保证。 2 4 5 4 经济意义 在消费者的投诉中有一大部分矛头直指产品质量问题，这其中又基本都涉 及安全问题，一些产品因为安全性问题而使消费者的健康受到损害，由此引发 的产品信誉问题直接关系到销售市场，再加上厂家对所发生安全事故的经济补 偿，这一系列的经济影响对生产厂家来说是致命的。随着社会的发展进步，消 费者维权意识的提高，在设计中重视产品安全性，保障消费者在使用中的安全， 不仅是为解决消费者投诉问题，同时也是为厂家自己的经济利益考虑的举措。 2 5 小结 本章阐述了安全性设计的内涵以及外延、产品安全性设计程序、产品安全 评价等内容，从安全性设计与经济性、通用性、舒适性、美学性以及环保性等 多个方面的关系论述了安全性设计即人性化设计的实质，对安全设计评价、程 序、意义进行分析。 l b 第3 章机电产品安全性设计中的冈素分析 第3 章机电产品安全性设计中的因素分析 “以人为本”的设计思想的核心内容是通过对人生理与心理的研究，使产品 能够更好地适应人操作的各方面特性。以下从人因工程及心理学理论探讨安全 性设计。 3 1 安全性设计中人的因素 3 1 1 生理因素 3 1 1 1 人体尺寸“嘲1 人体尺寸是设计师设计产品时必须要参考的重要数据，对产品安全设计起 着重要的作用。如人体立姿身高常用来确定设备高度、立姿使用用具高度、危 险区防护栏高度等。立姿眼高常用来确定立姿操作时机械仪表的高度、数控机。 床控制显示屏幕高度等。立姿肩高、肘高、手功能高、双臂功能上举高、肩宽、 上肢长、全臂长、两臂展开宽、两臂功能展开宽和两臂肘展开宽等尺寸数据， 主要用来确定作业空间的最大范围、正常范围以及各种操纵控制器、操纵控铋 台等的高度。如图3 1 。设计师必须了解人体各部分的尺寸，只有这样，才能 预先确定产品的使用者在其有关位置上的能见范围和活动范围，并针对这些要 求从人体的极限尺寸和所能采取的姿势的角度等进行分析和做出判断，这样的 判断对未来产品影响很大，它不仅影响操作效率和产品外形，而且对安全是至 关重要的。但是由于人身体状况均不相同，在尺寸等方面存在着较大差异，设 计在实际设计时并不能简单的采用平均值，而只能采用合适的数据。此外，人 在操作机器时有一定的姿势，在产品设计中要考虑到人的作业姿势，由于设计 的原因而造成人的不合适姿势和重复、费力的操作，可能造成对安全事故，也 可能对人体健康造成威胁。设计不仅要考虑人的静态尺寸，还要考虑到人的动 态行为姿势。 1 9 第3 章机电产品安全性设计中的因素分析 图3 1 3 1 1 2 操作运动的准确度 盲目定位运动的准确度以人的正前方为最高，右手稍高于左手，同一方位 下方高于上方。根据操作运动的速度和准确度之间的曲线图可知，操作运动速 度越慢，准确度越高”1 。但在实际工作中一般选择其速度较快且准确度也较高 的最佳工作点。手的运动速度和准确度一般有如下规律：一般右手较左手运动 速度快，即右手优势，右手由左向右运动又比由右向左运动速度快；手朝向身 体的运动比离开身体的运动速度快，前后往复运动比左右往复运动速度快；从 上往下运动比从下往上运动速度快；水平面内的运动比垂直面内的运动速度快； 旋转运动比直线运动速度快，且顺时针运动比逆时针运动快；向下按按钮比向 前按按钮操作准确，水平安装的旋钮比垂直安装的旋钮操作准确；手操作旋钮、 指轮、滑块的准确度，以操纵旋钮为最佳，指轮次之，滑块最差；设置手柄支 撑的手柄操作比无手柄支撑的准确“。 第3 章机电产品安全性设计中的因素分析 一 i 。一 ；最佳点 、j 快- + 慢 速度 图3 2 速度一准确性曲线 3 1 1 3 人体活动时的力量、耐力等状况 人在作业过程中必须施力才能完成作业，研究人体活动时的力量、耐力等 状况对于防止和减少安全事故有着重要意义。以下从人的生理因素的几个方面 进行分析。 ( 1 ) 手的操纵力伽。手的操纵力与人的作业姿势、用力方向等因素有关。 坐姿手操纵力。坐姿手操纵力的一般规律为：右手力量大于左手；手臂处于 侧面下方时，推拉力较弱，向上和向下的力较大；拉力略大于推力；向下的力 略大于向上的力：向内的力略大于向外的力。立姿手操纵力。人处于立姿时 手臂的最大拉力产生在肩的下方1 8 0 度的方位上，手臂的最大推力则产生在肩 的上方o 度方向上。所以，以推拉形式操纵的控制装置，安装在这两个部位时 将得到最大的操纵力。 ( 2 ) 脚部力量“1 。在作业中，用脚的情况也比较多，如汽车离合器的踏板 和刹车踏板。当下肢伸直脚部产生的力时比下肢弯曲时大，有靠背支持时，脚 高，l低 高+iii低 越器茫 第3 章机电产品安全性设计中的冈素分析 可产生最大的力；立姿脚用力比坐姿时大。一般地，右脚脚力大于左脚，右脚 使用力的大小、速度和准确性都优于左脚。脚力控制器的操纵力最大不应超过 2 6 4 n ，否则易产生疲劳。 ( 3 ) 人体活动的耐力。一般把人体能够在较长时间内保持特定工作水平的 能力称为耐力。随着活动持续时间的增加，人体力量出现下降。人体力量与持 续时间之间存在一种非线性的反比关系，如图3 3 。人体仅能在几秒钟内保持 最大的力量。人体耐力存在较大的个体差异，然而各个体的“力量一时间曲线” 模式却是相似的。 ( 4 ) 体力工作负荷。体力工作负荷是指人体单位时间内承受的体力工作量 的大小。工作量越大，人体承受的体力工作负荷强度越大。人体的工作能力是 有一定限度的，超过这一限度，作业效率就会明显下降，同时其生理和心理状 态也会出现十分明显的变化，严重时会使操作者处于高度应激状态，导致事故 发生，造成人员财产的损失。对操作者承受负荷的状况进行准确评定，既能保 证工作量，又能防止操作者在最佳工作负荷水平外超负荷工作，是产品安全设 计的重要部分。 ( 5 ) 体力疲劳。体力疲劳是指操作者在工作过程中出现的劳动机能衰退， 作业能力下降。高强度作业或长时间持续作业，容易引起人的疲劳和工作能力 下降。疲劳不仅是人的生理反应，还包含大量的心理因素、环境因素等。许多 事故的发生是由疲劳过度积累造成的。机器设备和各种工具的设计是否合理， 直接影响到操作者的疲劳程度。如控制器、显示器设计不符合人的生理、心理 要求时，会加剧人的疲劳，从而导致事故的发生。 第3 章机电产品安全性设计中的因素分析 超 暖 武 3 1 2 心理因素删伽 持续时间 图3 ，3 人体力量与持续时间 人的心理是客观现实在人脑中的反映，人的各种情绪是在某种条件下产生j 的。并受客观因豢的影响。环境和物的状态会影响人的安全行为，如环境差异 会使人的心理受到刺激，扰乱人的行为，造成人的不安全行为。物件设置不当 也影响人的操作和行动，使人产生不安全行为。为保障人的安全，必须有良好