（测试计量技术及仪器专业论文）高速机床系统安全性能评价及优化方法的研究.pdf

山东科技人学硕上学位论文摘要 摘要 本文针对高速机床安全性能不完善而造成很多的工伤事故和大量的财产损失的问 题，提出一种高速机床安全性能评价及优化的方法，该方法主要是根据系统安全工程理 论提出的。其内容主要包括：高速机床系统安全目标和要求；高速机床系统危险分析；高 速机床系统风险评价；高速磨床系统安全性能优化安全程序设计等四个部分。高速机床 系统安全目标和要求主要是从整个系统来确定高速机床的安全目标和安全要求，以便我 们进行安全性能优化时做到有的放矢。高速机床系统危险分析是对高速机床各主要子系 统及整个系统进行系统危险分析，从整个系统角度找出与我们期望的系统目标和要求可 能不符的地方。在机床系统危险分析的基础上，对高速机床进行系统安全评价，来判定 哪个部分或哪个子系统是不安全的，从而为高速机床的安全性能的优化找到依据。高速 机床的安全性能的优化也是从整个系统的安全来考虑，它主要包括结构设计安全性能的 优化，安全防护措施的优化，提供高速磨床使用信息三大内容。高速机床系统安全程序 设计是前面四个内容的综合和延伸，主要是借助计算机模仿人类专家解决问题。最后， 我们应用此方法对高速磨床进行了安全性能的优化设计及程序设计。 关键词：高速机床系统工程评价及优化 山东科技大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t o v e rt h ep a s ty e a r sal o to fi n d u s t r i a li n j u r ya c c i d e n t sa n dp r o p e r t y1 0 s i n g h a v eb e e nc a u s e d ，b e c a u s eo ft h eb a d n e s so fh i g hs p e e dm a c h i n et o o lp e r f o r m a n c e o fs a f e t y b a s e do nt h i sp r o b l e m ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r da n dak i n do fm e t h o d o fs a f e t ye v a l u a t i o na n do p t i m i z a t i o no fm a c h i n et 0 0 1 m a c h i n et o o ls y s t e mm e t h o d f o rs a f e t ye v a l u a t i o na n do p t i m i z a t i o ni sm a i n l yb a s e do nt h et h e o r yo fs a f e t y s y s t e me n g i n e e r i n ga n dt h e o r yo fs a f e t ys c i e n c e i t sm a i nc o n t e n ti n c l u d e ss y s t e m s a f e t yo b j e c t i v e ，d e m a n do fm a c h i n et o o l ，s y s t e mh a z a r da n a l y s i so fm a c h i n e t o o l ，s y s t e mr i s ka s s e s s m e n to fm a c h i n et o o l ， s y s t e ms a f e t yo p t i m i z a t i o no f m a c h i n et o o la n ds y s t e ms a f e t yp r o g r a md e s i g no fm a c h i n et 0 0 1 s y s t e ms a f e t y o b j e c t i v ea n dd e m a n do fm a c h i n et o o lm a i n l ym a k e sc e r t a i ns a f e t yo b j e c t i r ea n d d e m a n do fm a c h i n et o o s a f e t yd e s i g nf r o mw h o l es y s t e mi no r d e rt od os a f e t yd e s i g n f o ru s s y s t e md a n g e ra n a l y s i so fm a c h i n et o o li st od os y s t e mh a z a r da n a l y s i s f o r t h es m a l1s y s t e ma n dw h o l es y s t e mt of i n do u tt h o s et h a t d on o ta g r e ew i t h p o s s i b l ys y s t e ms a f e t yg o a la n dd e m a n do nw h o l es y s t e m o nt h eb a s i so fs y s t e m h a z a r da n a l y s i so fm a c h i n et o o la n ds y s t e ms a f e t yg o a la n dd e m a n do fm a c h i n et o o l c a bd os y s t e mr i s ka s s e s s m e n to fm a c h i n et o o lt od e t e r m i n eu n s a f ep a r to rs y s t e m ， s ot h a tw ec a nm a k eg o o ds a f e t ym e a s u r e o p t i m i z a t i o no fs y s t e ms a f e t ym e a s u r e o fm a c h i n et o o li sc o n s i d e r e df r o mt h es a f e t yo fw h o l es y s t e m i ti n c l u d e sm a i n jy d e s i g no fc o n f i g u r a t i o na n ds a f e t yd e f e n d i n ga n dp r o v i d i n gi n f o r m a t i o no fu s i n g s y s t e ms a f e t yp r o g r a md e s i g no fm a c h i n et o o li si n t e g r a t i o na n ds t r e t c ho fa b o v e f o u rs i d e s i tm a i n l ys i m u l a t ee x p e r tt os o l v ep r o b l e mb yd r a w l n gs u p p o r tf r o m c o m p u t e r a tl a s t ，w ed os a f e t yo p t i m i z a t i o nf o rg r i n d i n gm a c h i n eb yu s i n gt h i s m e t h o d k e yw o r d s ：h i g hs p e e dm a c h i n et o o l s y s t e me n g i n e e r i n g e v a l u a t i o na n d o p t i m i z a t i o n 山东科技大学坝十学位论文 概论 1 概论 1 1 本课题研究的目的和意义 上世纪未，h s m ( 高速加工1 或h s c ( 高速切削) 成为国际机械制造业最热门话题。对 不同的切削工序和切削条件，用不同切削刀具和加工不同材料，其经济合理的切削速度 范围是不一样的，而且这个范围总是随着超硬、耐磨长寿命刀具材料的发展而不断提高， 通常是把采用比常规切削速度高得多( 一般为5 1 0 倍) 的切削加工称为高速切削，例如当 切削速度对钢材达到3 8 0 m r a i n 以上、铸铁7 0 0 m m i n 以上、铜材1 0 0 0 m m i n 以上、铝材 1 1 0 0 m m i n 以上、塑料1 1 5 0 m m i n 以上。机床主轴转速可达1 0 0 0 0 6 0 0 0 0 r m i n 。 采用高速切削，不仅能有效提高生产率、缩短切削时间和产品制造周期，还有许多 其它优点：如工件刀具和机床上的切削力减小、工件温升和热变形小、从而可以进行簿 壁件d h t ；尺寸精度提高、表面粗糙度改善、毛刺减少、需用刀具种类较少、装夹方便 容易、排屑较好、免掉许多既费工又费时的后序人工修理等。这对提高产品质量、提高 企业市场竞争力具有十分重要的意义，特别是对那些经常需以整块材料铣成具有复杂型 面零件的加工行业，如模具和航空、航天行业更是如此。随着先进制造技术的发展、高 速高效加工以其大幅度地提高加工效率，降低加工成本，使零件表面加工质量和加工精 度达到更高水平为特征，己越来越受到人们的关注。如何针对高速、高效的各种加工工 况和危险形式改善安全性能，特别是如何对各种危险产生的严重度，概率和频次进行风 险评价，目前国内现有的方法只停留在定性评价上。如何从数理角度出发，对系统进行 安全定量分析评估和优化，确定最优的安全措施，使高速、高效机床达到最高安全水平， 是当前的一项较为重要的研究内容。 机床安全是制造业赖以生存和发展的基础，涉及到国民经济各个部门和人们的安全 与健康。由于机床安全性能不好，每年都要造成很多的工伤事故和大量的财产损失。据 不完全统计，我国机械工业的大中型企业中，由于机床安全性不好而引起的人身伤亡事 故每年都达到数百起。机床的安全水平的高低对打入国际市场与国际竞争有着十分重要 的影响。许多机床设备，尤其是一些大型成套设备，由于安全方面的原因，国内用户不 愿使用，不得不花费大量外汇从国外进口。同样，由于国产机床的安全性问题，极大地 限制了其进入国际市场。目前，世界上一些工业发达国家和地区都将机器的安全性用立 法的形式严加控制。在机床设备的国际贸易中其安全性的好坏己构成了贸易技术壁垒的 1 山东科技大学颂十学位论文概论 重要内容。 工业革命以来，随着各种安全事故的频频出现，人、社会和机器的关系一直未很好 地协调，工业文明的负面效应同益明显，给人身安全和生命财产造成极大的威胁，同时 也大大降低了劳动者的工作效率。为此，将劳动环境、劳动内容及人在劳动过程的安全 性、友善性、和谐性满足市场对机械产品个性化、环保化、安全化的需求，是2 l 世纪 制造业向精密化、柔性化、智能化、集成化、全球化发展的首要前提。进入8 0 年代以来， 随着社会对产品需求的多样化、个性化以及附加功能( 如文化、安全、舒适、友善等) 等 非物质方面需求的增加，消费者希望在逐步摆脱生产过程中由于安全顾虑而造成的心理 紧张、享受乐趣的环境下，能发挥更大的主观能动性和创造性。高速机床安全性能评 价及优化是通过对传统的安全工程程进行深刻反思，为提高制造业的竞争能力而提出来 的。 1 2 机床安全性能研究的发展与现状 二次世界大战以后，工业水平和生产规模又有了长足进步，但工伤却愈来愈频繁， 公害越来越严重，企业损失巨大，舆论强烈不满机械制造安全问题早已成为积难深重的 社会问题。机械制造安全问题有其独特性，首先体现在安全属性的依附性。由于安全是 依附于生产而存在的，生产中如果不发生事故则很难引起人们的注意。因此，们往往看 不到安全工作的作用，认为投资搞安全没有什么必要。其次，安全效益的隐性安全生产 的经济效益是间接的隐性的，看不见，摸不着。只有发生事故后，产生了负效应才感 觉出它的存在，这就大大减弱了人们深入研究的兴趣和动力。安全技术的发展日新月异， 人们往往对新技术中许多潜在的危险来不及认识清楚，意识不到事故发生的严重后果。 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。正是由于这些 特性，导致了安全工作的复杂性。 1 2 1 传统安全工作方法“1 最初，人们采用传统安全工作方法来处理安全问题。即工伤发生后，从事故后果中 查找原因，吸取教训，采取措施进而预防事故重复发生。这种方法也可称作“问题出发 型”方法。诸如设立专职机构、制定法规和标准、进行监督检查和宣传教育，以及防尘 排毒、配备安全防护装置和个人防护用具等，均属此类。传统安全方法虽然为防止工伤 事故已经作出了并f 在作出重大的贡献，但安全问题本身的特性导致了传统安全工作方 生查型茎查堂婴土兰焦丝苎竺丝 法的诸多局限性，主要表现在凭经验和直觉处理安全问题多，而由表及罩深入分析、 发现潜在的事故危险少，难于从本质彻底改变全面貌。定性的即“安全”或“不安全” 的概念多，而定量概念少。诸如：生产的安全性多大? 事故发生的可能性多大? 有多大的 严重后果? 等等，都无法回答，不能给人以实质性的概念。由于没有系统性，所以解 决安全问题时总是片段地和零碎地进行，头痛医头、脚痛医脚多，而系统地、全面地解 决安全问题少。没有肯定的目标值。生产任务有目标，有奋斗的方向，而安全问题没 有，目标值难于量化。究竟到什么程度才算安全? 才能预防重大伤害? 有很大的盲目性。 因此，传统安全工作方法越来越不能适应现代工业生产的发展，必须进行改进。 1 2 2 系统安全工程方法川”。1 随着科学技术迅速的发展，形成了的一个新的学科门类一安全学。对安全科学的研 究现在己经从最初对核反应堆、航天飞机等大型高风险系统的研究转向对与人民生活密 切相关的第二、第三产业的安全性研究上来。安全科学理论体”“”“”的发展分为三个阶 段： 事故学理论阶段：事故学以事故为研究的对象和认识的目标，在认识上主要是经验 论与事后型的安全哲学，是一种逆式思路，即从事故后果到原因事件，是“亡羊补牢” 的模式。基于以事故为研究对象的认识，形成和发展了事故学的理论体系有：事故分类学、 事故模型论、事故致因理论、事故预测理论、事故预防理论、事故赔偿机制与事故保险 制度等。事故学的理论对于研究事故规律，认识事故的本质，对指导预防事故有重要的 意义，在长期的事故预防与保障人类安全生产和事故学的研究上，一方面由于现代工业 固有的安全性在不断提高，事故频率逐步降低，建立在统计学上的事故理论随着样本的 局限使理论本身的发展受到限制，同时由于现代工业对系统安全性要求不断提高，直接 从事故本身出发的研究思路和对策，其理论效果不能满足新的要求。 危险分析与风险控制理论阶段：以危险和隐患作为研究对象，其理论的基础是对事 故因果性的认识，以及对危险和隐患事件链过程的确认。建立了事件链的概念，有了事 故系统的超前意识流和动念认识论。确认了人、机、环境、管理事故综合要素，主张工 程技术硬手段与教育、管理软手段综合措施，提出朝前防范和预先评价的概念和思路。由 于研究对象和目标体系的转变，危险分析与风险控制理论发展了如下理论体系：系统分析 理论、安全评价理论、风险分析理论、系统可靠性理论、隐患控制理论等。由于有了对 事故的超前认识，这一理论体系导致了比早期事故学理论下更为有效的方法和对策，如 预期型管理模式：危险分析、危险评价、危险控制的基本方法过程。 危险分析及隐忠控 1 生变型垫查兰婴! ：兰些丝苎 塑丝 制理论从事故的因果性出发，着眼于事故的前期事件的控制，对实现超前和预期的安全 对策，提高事故预防的效果有着显著的意义和作用。但是，这层次的理论在安全科学 理论体系上，还缺乏系统性、完整性和综合性。 安全科学原理阶段：通过安全系统论、安全控制论、安全信息论、安全环境学、安 全文化建设理论研究以安全系统作为研究对象，建立了人一物一能量一信息的安全系统要素 体系，提出全面、系统、综合地发展安全科学理论。安全科学原理的理论系统还在发展 和完善之中，目前己有的初步体系有：安全的哲学原理、安全系统论原理、安全控制论原 理、安全信息论原理、安全经济学原理、安全管理学原理、安全工程技术原理，目前还 在发展的安全理论还有：安全仿真原理、安全专家系统、系统灾变理论、本质安全化理论、 安全文化理论等。安全科学体系结构可分为三个层次，如图卜l 所示。 生 心 系 暴馨翥 理 理 统 攀螽 学学 掌 ljll 劳理工 运控信可程桔分 劳学环 动学效 筹制息 茬姿鎏銎 境 心 学 学论论 工全论 生 学 ll 环全 境技 安机 系安工 各安 安术 全工 统全程 工管 人程程理 图1 1 安全科学体系结构 随后，一种较为先进的系统安全工程方法应运而生。这种方法就是采用系统工程方 法，从系统内部出发，检查评价可能发生事故的危险性及其发生途径，根据其结果重新 设计、调整工艺、设备、操作、管理、生产周期和投资等因素，使系统可能发生的事故 4 山东科技大学硕士学位论文 概论 得到控制，并使系统的安全性达到最好的状态。这种方法也可称作 “问题发现型方法”。 系统安全工程方法非常有效地克服了传统安全工作方法的诸多局限性，这主要体现在： 着眼于系统实际运行之前要求在发生事故之前，及时地识别、分析和评价各个子系统 和整个系统的危险，预先采取措施防止重大事故发生，力求把事故的可能性降到最低限 度，使系统的安全在设计阶段即达到可接受的水平，需采取的安全措施，不再是事故发 生之后的“亡羊补牢”，而是事先就已决定好的。以“系统”、“全过程”和对危险的 “识别一分析一控制”方法为特征，克服了直观经验主义和片面、零碎的处理方法。定 性分析和定量分析并举，客观分析和主观判断相结合，克服了安全工作中的盲目性。 美国空军以系统工程的方法研究导弹系统的可靠性和安全性，1 9 6 7 年7 月发表了系 统安全工程的概念，以及设计、分析、综合等基本原则。该标准后经多次修订，逐渐成 为整个产业界实现系统安全的主要依据。目前，系统安全工程己引起了各国的普遍重视。 我国从1 9 7 8 年以来，航空工业、化学工业、兵器工业、核工业等部门开始引入和推行系 统安全工程方法。但总的看来，系统安全工程方法在我国工业部门的应用尚属起步阶段， 范围还不广，大量基础性工作尚未进行，如各种安全数据库尚未建立等。至于机械行业， 系统安全工程方法的引入相对更晚一些，推广和应用则刚刚起步。 1 2 3 机床安全性能研究的现状 欧盟和美国将机床设备的安全性能研究在九十年代初正式列为研究内容，目前己有 较好的应用。他们将系统安全工程方法、安全人机工程学、可靠性及可维护性等结合起 来，从机床的结构设计、安全防护和提供使用信息三大方面来保证机器的安全性。国内 虽然在可靠性及可维护性设计方面有研究，但也还缺乏经验，至于如何对+ 机床设备的安 全性能评价及优化则刚刚提出这个概念，几乎没有人专门研究，而这些又正是目前机床 设计中所必需考虑的问题。欧盟和美国遵照系统安全工程方法，在九十年代己相继制定 和颁布了统一的机床安全一风险评价模式“”1 ，旨在把危险消除在设计过程的每一个环 节上，使自己生产的高速机床达到本质上的安全。而我国由于没有相应的评估模式和安 全设计规范，不能开展安全评估，即使进行过些简单的评估，也是在产品出来之后。 这也是我国与欧美先进国家的差距所在。另外，数控机床和自动化生产线上，德日美等 发达国家以及包括俄罗斯在内的部分独联体国家均己全面树立了机床设备的安全性能评 价及优化的思想，制定了相应的安全设计规范，而我国在这方面尚没有做过什么工作， 刚开始起步。 5 山东科挂 学硕上学位论文概论 1 3 本文的主要研究内容 根据系统安全t 程理论并且借鉴国内外己有的壤新理论和方法，结合工程实际应用， 进行系统的分析研究工作，从中找出有规律性的内涵，论文中提出了高速机床系统安全 性能评价及优化方法，本文的主要研究工作有以下几个方面： 1 高速机床系统安全性能评价及优化方法的提出：结合国内外先进理论和经验，在系 统安全工程理论的指导下，提出高速机床系统性能评价及优化方法。 2 高速机床系统安全目标和机床系统危险分析：结合生产实际，列制机床在工作巾必 须达到的目标和要求，同时列制其危险项目清单，并进行分析。 3 高速机床系统安全评价：按照系统安全工程方法，对各种危险状态下可能损伤或危 害健康的概率和程度进行全面评估，基于“评分法方法的提出建立风险评价数学模 型。 4 高速磨床系统安全性能优化及程序设计：根据风险评价结果，制定机床最佳的预防 事故的安全方案。利用计算机对高速机床漫备的安全性能评价及优化，可阻减少劳 动量和重复工作，并且可以减少人为的错误，更重要的是能将人类专家的知识和经 验以知识库的形式存入计算机，并能模仿人类专家解决问题，在此我们主要讨论了 高速磨床安全性能评价程序设计。 高速磨床安全性能评价程序设计。 山东科技大学碗士学位论文 系统安全t 程理论及高速机床安全性能评价及优化方法的提出 2 系统安全工程理论及高速机床系统安全性能 评价及优化方法的提出 系统安全工程是采用系统工程的原理和方法、识别、分析、评价系统中的危险性， 根据其结果调整工艺、设备、操作、管理、生产周期和投资等因素，使系统可能发生 的事故得到控制，并使系统安全性达到最好的状态，实现系统安全的一整套管理程序 和方法体系。我们用系统工程的方法来解决安全问题主要是因为：系统工程具有系 统本身具有的整体性、相关性、目的性、环境适应性等这些特性，这些特性很适合安 全问题的解决。使用系统工程方法，可以识别出存在于各个要素本身，要素之间的 危险性。使用系统工程方法，可以了解各要素间的相互关系，消除各要素由于相互 依存、互相接合而产生的危险性。系统工程所采用的一些手段都能用于解决安全问 题。实践表明安全系统工程是安全管理上的一项重大创新，是解决安全问题的新武器， 将安全系统工程应用于高速机床安全性能评价及优化，将为实现其科学化和系统化奠 定基础。本章主要从安全系统工程理论提出高速机床安全性能评价及优化方法。 2 1 系统安全工程的基本理论 2 1 1 系统安全工程的发展过程。” 美国空军以系统工程的方法研究导弹系统的可靠性和安全性，1 9 6 7 年7 月发表了 系统安全工程的概念，以及设计、分析、综合等基本原则。该标准于1 9 6 9 年和1 9 7 7 年进行了两次修订。1 9 6 5 年，美国波音公司和华盛顿大学在西雅圈召开了关于安全系 统工程的专学术讨论会议，以波音公司为中心对航空工业进行了安全性、可靠性的分 析和设计的研究，并把研究成果用在导弹和超音速飞机的安全性评价方面，取得了很 好的效果。但是这个新生事物在初创时期，并不能为所有人接受且不够重视个方法。 英国以原子能公司为中心，从六十年代开始收集有关核电站故障的数据，对系统的安 全性和可靠性问题，采用了概率评价方法，后来进一步推动了安全性定量评价的工作， 并设立了系统可靠性服务所和可靠性数据库。1 9 7 4 年，美国原子能委员会发表了有关 核电站事故评价报告。这项报告是该委员会委托麻省理工学院的拉斯姆逊教授完成的， 叫做r 拉氏报告”。报告收集了核电站各个部位历年发生的故障及其概率，采用了事件 7 山东科技大学硕上学位论文 系统安全工程理论技高速机床安全性能评价及优化方法的提出 树和事故树的分析方法，做出了核电站的安全性评价。这个报告引起了世界各国同行 的关注曰本从1 9 7 1 年科技联盟召开了“可靠性安全科学学术讨论会”以来，发展系 统工程方法十分活跃。日本劳动省于1 9 7 6 年公布的化工联合企业六步骤安全评价方法， 就贯穿了安全系统工程的内容。当前，安全系统工程已普遍引起了各国的重视，国际 安全系统工程学会每两年举办一次年会，可以看出这门学科越来越引起了人们的兴趣。 2 1 2 系统安全工程的内容 系统安全工程主要包括三个方面的内容。1 ： 1 系统安全分析：系统安全分析是安全评价和制定安全措旌的依据。只有对系统 作出细致准确的安全分析，才能得到正确的安全评价，从而制定有效的措施。主要方 法有：初步危险分析法( p h a ) 、故障类型和影响危险度分析( f m e c a ) 、事件树分析( e t a ) 、 故障树分析( f t a ) 、管理疏忽和危险树分析( m o r t ) 等。其中，应用最广泛的是故障树分 析f t a 法。由于每一种系统安全分析方法都有自己产生的历史和环境条件，它们之间 互有联系，又互有优缺点，所以不能处处通用。因此要进行准确的安全分析，就要综 合运用各种系统安全分析方法，取长补短，有时还要相互比较，看看哪些方法和实际 情况更相吻合。这就要求人们熟知各种方法的内容和优缺点，用起来才会运用自如。 ( 1 ) 初步危险分析。“”1 ：p h a 是定性的归纳分析法，是整个系统安全计划中最初阶 段的分析。它得出相应的措施及其效果。 ( 2 ) 故障类型和影响危险度分析o “”3 ：f m e c a 是一种自下而上的归纳分析方法。它 按故障类型分析对系统发生影响，美国航空航天局的所有元素的故障，采取系统分割 的概念，根据实际需要分析的水平，把系统分割成子系统或进步分割成元件。然后 逐个分析元件可能发生的故障和故障呈现的状态( 即故障类型) ，进一步分析故障类型 对子系统以致整个系统产生的影响，并且能定性和定量地分析：但不适于分析同时有两 个以上元素发生故障的情况和各元素故障之间的关系：且必须在系统硬件设计之后才 能进行分析。所以，在实际使用中，往往把f m e c a 和f t a 联合运用。 ( 3 ) 事件树分析9 ”“：f t a 是从系统工程的决策论发展而来的归纳分析法。它从 初始事件出发按逻辑次序分析复杂事故的形成过程，预测可能导致的事故及各种可能 的结果，简单明了。也往往把f m 和f t a 联合起来。 ( 4 ) 故障树分析“：f t a 是系统安全分析方法中目前得到广泛应用的一种方法。它 是一种自上而下的演绎分析法。这种方法首先从系统设计的角度，以逻辑树图的形式 r 些杰型苎盔兰堡生兰垡堡兰墨竺窒全三矍堡丝墨塞望! ! 盎兰全堂堂堡竺墨垡些互鎏坚堡堂 演绎地表达出事故的逐级发生原因，然后一方面可以定性地分析事故的发生规律及特 点，找出控制事故的可行方案，并从故障树结构分析各基本事件的结构重要度，从而 按轻重缓急分别采取安全对策：另一方面可以定量地分析各基本事件的发生概率，从而 求得各事故的顶上事件发生概率，并计算各基本事件的概率重要度和临界重要度，再 按重要度系数大小安排采取安全措施的先后顺序，也可按重要顺序编制一套由不同机 构掌握的安全检查表，以保证达到既能突出重点、又能全面检查的目的。这其中，故 障树作图是分析正确与否的关键，定性分析的基础上进行危险分析和风险评价，就是 要找出能降低各顶上事件发生概率的最佳方案。 ( 5 ) 管理疏忽和危险树分析( m o r t ) “”：m o r t 是在故障树f t a 的基础上发展起来的， 它以生产系统为对象，提出了以管理缺陷为主要因素( 即最本质原因) 的观点，追究与 事故有关的所有问题，分析事故发生的全部途径。应当说明的是，这些系统安全分析 方法往往也用来进行系统安全评价，是风险评价常用的工具。 2 系统安全评价“2 1 ：根据系统安全工程，事故和其他事物一样，是有规律的，是可 以控制的。系统安全分析方法充分揭示危险性的存在和它的发生可能性，系统安全评 价就是要搞清楚究竟会发生什么样的严重后果。系统安全评价又称系统风险评价，是 在系统安全分析基础上，对系统或作业中各种危险状态下可能损伤或危害健康的概率 和程度的全面评估，以作为制定系统安全措施的决策依据。安全评价的内涵，可用( 图 2 1 ) 表示。安全评价内容也可以分为定性安全评价和定量安全评价两个方面。但为便 于比较，安全评价尽可能要有量的概念。即使是定性评价，如能大致区分一下事故的 严重度也是好的：当然要是能够明确事故的发生概率的大小及伤害的严重度，也就是明 确了风险率，进行定量安全评价，就更为准确了。定性安全评价适用于评价对象并非 特别重要，或者事故后果并不是十分严重的情况。由于不需要精确的数据和计算，定 性评价操作起来比较容易，省时又省力。应用系统安全工程方法，定性安全评价可以 对系统的危险性进行系统的不遗漏的检查，并根据其结果作出系统安全性的大致评价， 为定量作好准备。前面介绍的系统安全分析方法如初步危险分析、故障树分析等都可 用来进行安全评价。 定量安全评价适用于安全性要求较高的装置和工艺系统，还须在定性评价的基础 上进行定量评价。目前定量评价方法有两个主要趋势。一种是可靠性安全评价方法， 如前面介绍的时间树分析和故障树分析等，这些方法都实用各元件积累的故障数据， 计算出发生故障或事故的概率，进而计算出风险率和社会允许的安全值，通过对两者 q 坐奎型塾查兰墅主堂篁笙塞 墨竺窒全三堡堡堡丝塞望塑堕室全堡塑堡竺墨垡些立婆塑塑当 进行比较，评价系统是否安全。另一种方法是指数法或评点法。把各种危险性计算成 点数参加评价。这几种方法内容类似而深度不同，使用起来比较容易，但精确度都还 比较差。 3 系统安全措施。1 ：系统安全工程内容的最后一项就是采取安全措施，根据评价的 结果，可以对系统进行调整，对薄弱环节加以修正。 匿2 - i 安全评价的内容 2 1 ，3 系统安全工程方法的优点 采用系统安全工程的方法比传统安全工作有很多优越性，它可以使以预防为主的 安全工作从凭直观、经验的传统方法，发展成为能预测事故的定性及定量方法通过 分析可以了解系统的薄弱环节所在及危险性可能导致事故的条件。从定量分析可以预 测事故发生的概率，从而可以采取相应的措施，控制事故的发生。不仅如此，通过分 析还能够找到发生事故的真正原因，并查到未想到的原因。通过评价和优化技术， 可以找出最适当的方法使各分系统之间达到最佳的安全效果，大幅度地减少伤亡事故。 安全系统工程的方法应用范畴可以归纳为发现事故隐患、预测由故障引起的危险、 设计和调整安全措施方案、实现最优化的安全的措施，不断地采取改善措施。可以 促进各项安全标准的制订和有关可靠性数据的收集。安全系统工程既然需要评价，就 些查型堇查堂堡主兰堡堡苎墨竺塞全三堡堡堡墨童垄塾壁兰全堡墼堡堕垦垡些互婆塑塑堂 需要各种标准和数据，如允许安全值，故障率数据以及安全设计标准、人机工程标准 等。可以迅速提高劳动保护安全工作人员的水平。系统安全工程方法最大的优点 是减少事故，降低事故的发生率。 2 2 高速机床系统安全性能评价及优化方法提出 由于高速机床本身的特点，安全要求很高，要确保高速机床安全性能总体目标的实 现，必须力争把各种危险消除在设计过程每个环节上，使机床具有本质安全性能。这 就要求在设计思想和方法上，必须实现从“亡羊补牢”被动式的传统安全防范到“防 患于未然”、“防微杜渐”、“查漏补缺”式的现代安全设计方法的改变。结合安全系统 工程理论、安全人机工程理论和国内外先进理论，高速机床系统安全优化方法主要内 容如下： 1 系统安全目标：对机床安全性能进行优化，先必须确定机床安的安全目标和安 全要求，并且我们认为其安全目标和安全要求必须从整个系统来考虑，我们的安全目 标是整个系统都是安全的，而不是为达到某个部分安全却不顾其它部分的影响确定了 机床系统安全目标和要求以后，我们对其安全性能的优化作到有的放矢。 2 高速机床系统危险分析：在明确系统安全目标和要求的基础上，对高速机床各 主要子系统及整个系统进行系统危险分析，找出与我们期望的系统目标和要求可能不 符的地方。当我们对高速机床进行危险分析时，不只是考虑某单个部件是不是危险， 而是要从整个系统来看。这样当我们对高速机床进行了系统危险分析后，我们进行系 统安全评价和安全设计就心里有数了。主要方法有：初步危险分析法( p h a ) 、故障类型 和影响危险度分析( f m e c a ) 、事件树分析( e t a ) 、故障树分析( f t a ) 、管理疏忽和危险树 分析( m o r t ) 等。 3 高速机床系统风险评价：在高速机床各子系统及整个系统危险分析的基础上， 针对高速机床的系统安全目标和安全要求对高速机床进行系统风险评价，通过评价我 们才能有根据地判定哪个部分或哪个子系统是不安全的，从而为我们制定有效的安全 措施找到依据。 4 高速机床系统安全性能优化全程序设计： 在系统危险分析的基础上，根据风险 评价结果对系统进行调整，对危险部分采取安全措施，同时我们采取的安全措施也应 该从整个系统的安全来考虑，来满足我们最终的系统安全目标和要求。系统安全措施 主要包括结构设计安全优化，安全防护优化，提供使用信息三大内容。 当我们从提出 些查型垫盔兰堡土茎垡笙圣墨竺窒全三望堡丝璺堕望垫盎室全丝堂塑塑墨垡些互堡竺堡坐 系统安全目标和要求到我们采取系统安全措施达到系统安全目标和要求的整个过程， 可以说我们基本上完成了我们需要的安全设计。但是随着技术的发展特别是西方在安 全技术方面的发展，利用计算机进行设计和评估，进而建立一个好的专家系统是迫在 眉睫的事情。它不但能减少劳动量和重复工作，并且可以减少人为的出错，更重要的 是能将人类专家的知识和经验以知识库的形式存入计算机，并能模仿人类专家解决问 题。总之，我们提出的高速机床安全性能评价及优化方法的主要思想就是“部分服从 整体”，从整个系统出发考虑问题。同时这些步骤不是固定不变的，为了安全的需要， 我们经常要进行调整，任何事情的发生都不是固定不变的，特别作为安全问题是随时 都可能发生，所以不是完成了一次设计就万事大吉，我们应该是边观察，边设计，边 分析，边进行评价，同时边采取措施，对程序设计进一步完善，然后提出更高的安全 要求。高速机床系统安全性能优化方法的基本程序如图2 2 所示。 确定安全目标 篮险分析 风险评价 危险可以避免吗? 否 风险可以减少吗? 否 安全防护可行吗? 否 否 否 是 否 是 有其它危险吗? 是 目标达到 结构设计 充分安全吗? 否七 是 是 安全防护 目标达到 提供使用信息 充分安全吗? 广1 目标达到 图2 - 2 高速机床系统安全性能评价及优化的基本程序 山东科技大学硕士学位论文 高速机床系统安全目标和系统危险分析 3 高速机床系统安全目标和系统危险分析 3 1 高速机床系统安全目标“ 高速机床必须确保能在按使用说明书规定的预定使用条件下，正常执行其功能，同 时确保其在整个寿命期内的各个阶段( 包括运输、安装、调整、使用、维修、拆卸和报废 后的处理等) ，都不会危害人身健康和对磨床产生损伤，即使在可预见的误操作或无操作 知识的人去操作也应是安全的。 3 1 1 设计时的安全目标 1 基于高速机床系统安全性能优化方法，设计时应遵循：尽可能通过设计减少风 险。对设计中不能消除的风险采取必要的防护设施。所采用的防护措施的某种缺陷 带来的剩余危险，通过文字、标记、信号、符号或图表，向使用者传递信息，消除剩余 危险。 2 在预定使用条件下，应考虑人类功效学原理，使操作者的不舒适、疲劳和面临的 心理压力尽可能减少到最小。 3 设计时，必须考虑到操作者由于使用必要的或可预见的个人防护装置所受到的约 柬。 4 机床的各个部分在考虑安全问题时，要便于功能的发挥和方便使用。 5 将危险的物质、部件和操作与其他活动、区域、人员及不相容的材料隔离 6 确定设备位置关系时，应使工作人员在操作、保养、维护、修理或调整过程中， 尽量避免危险。 7 尽量减少恶劣环境条件所导致的危险( 例如：砂轮爆炸、噪声、加速度和振动等) 。 8 系统设计时，应尽量减少在系统使用和保障中人为失误所导致的风险。 9 应考虑补偿措旎，把不能消除的危险所形成的风险减小到最低程度。 l o 设计由软件控制或监测的功能，以尽可能减少危险事故的发生。 3 1 2 机床寿命期内各个阶段安全目标： 1 搬运过程中的要求：稳定性为防止机床在搬运或运输过程中产生振动、风载或 其他的外载造成的机床倾覆、位移和跌倒等，在设计过程中必须通过形体设计和自身质 量的分布，合理设置机床的重心位置，以保证机床具有良好的稳定性。若所要求的稳定 山东科技_ 犬学碗土学位论文商速静l 抹系统安全目标和系统危险分析 性，必须在安装使用地点采取特别措施或确定使用方法才能达到时，则应在机床上标出， 并在使用说明书中详细说明。) 表面、角和棱为防止机床在人工搬运时碰伤和绊倒工人， 机床轮廓要求设计不带易伤人的尖角、利棱、凹凸不平的表面和较突出的部分，特别是 在0 - 0 5 m 及1 4 - 1 7 m 高度范围避免有突出部分。为了便于整体或分部运输，应设有 吊孔、起吊钩和挂绳的凸台等，确保安全装载、挪位和安置。机床包装的安全要求应 符合j b 2 5 2 4 7 9 ) 和j b l 4 7 1 8 2 ( ( 出口机床包装技术条例) ) 的有关 规定。 2 装夹过程中的要求：当工件重量大于8 k g ，工件夹具的重量大于2 0 k g ，应配备 单独的安装工件和工具用的升降装置，并在任意位置或在偶然的停止供电、油、气的情 况下，升降装置应能支撑住重物。具有机械或i h 动夹紧工作装置的机床或机床附件，工 作过程的接通必须与工件夹紧过程的结束相联锁。紧固工件、刀具、夹具等用的装置， 应有光滑的外表面。紧固工件和刀具用的机动装置，在加工过程中突然停电、气压和 液压传动装置的压力下降时，应能可靠地夹持工件，否则应设置自动退刀，断开进给和 主运动传动的各种联锁装置，并设置可靠的安全防护装置。采取气压传动的夹紧装置 及工艺设备，应避免废气将切屑、飞尘吹向操作者、工作台和污染距地面2 m 高度内工作 区的空间。操作者需要f 临时站在机床部件上装卸刀具和工件时，这些部件的支撑面及 把手应有防滑措施。工件或刀具夹紧装置应能方便、快速、安全、可靠地夹紧和取下 工件或刀具，总夹紧力不应小于最大切削力的2 5 倍。夹紧几个工件时，夹持力应均匀。 磁力夹紧装置必须可靠地吸住导磁性材料的工件。磁力夹紧装置结构须保证其绝对 的防水性，应设有保护性接地装鼍。夹紧装置应能调整到使操作者远离机床、刀具等 危险部位进行工作。 3 操作过程中的要求：手动操作机构( 包括装在电气控制板上的) 要使用方便，不 应夹手，操作时不应使手与其他操作元件或机床相碰撞。操作、变位机构应设有可靠 的定位装置，以防止其自行移动。如果机床部件不同步，开动有可能造成事故和伤及操 作人员时，操作机构还应有能防止其不同步开动的联锁装置。在加工和上下料同时进 行时，多工位夹具的夹紧手柄应处于非危险工作区。操作时不应受刀具、切屑和冷却液 的影响。夹紧和松开：r 件时，手柄不应向刀具方向移动。操作机构、包括按钮盒和操 作面板的结构和布置的位置不应集存切屑。按钮盒和操作面板上也不得飞溅冷却液。 在操作机床时，机床的操作手柄离地面的高度( 按手柄中间位置计算) 应符合( 表3 - 1 ) 的规定。电气控制板的按钮距地面( 操作台) 的高度为：下排按钮不低于0 6 m ，上排按钮 1 4 山东科技大学硕士学位论文 高速机床系统安争v i 标和系统危险分析 不高于1 7 m 。下排按钮离地面高度低于0 9 m 的控制板，应相对于水平面大于1 2 0 0 倾斜 安置。按钮数不超过5 个的控制板允许垂直安置，高度不限。对低速度或移动部件停 止时才允许转换的操作机构，应有联锁装置。如不能安装联锁装置，则应在靠近操作机 构之处固定有警告说明或标志的标牌。在工作位置上不能全部观察到工作区的机床，而 偶然的开动有可能伤害处于工作区的人员时，必须设有声响警戒信号装置。应自动发出 时间不少于1 5 s 。当信号发出完毕后，机床才自动开始工作。紧急停止操作机构在完 成紧急停止动作之后，不得自动恢复功能。控制和发讯器件的结构应方便、准确和快 速操作，并易于读出信息数据。控制和发讯器件处在“静止”的初始状态时，才能接 通电源。不允许因这些器件的初始状态造成一接通电源，机床即有运动的可能性。0 d 大 型机床及自动生产线应在一个位置启动或采用互锁装置在其他位置上启动，但应在不同 位置上可以停止机床及自动线的运动。快速运动部件的控制器件，应采取保证措施以 防止偶然触及而使机床自行启动。0 3 ) 控制机构的保险装置，在任何情况下都不得自行松 开而改变位置。0 4 ) 脚踩控制器件应采取防止偶然踩着而启动磨床、降低夹紧力的保险措 施。不允许同时动作的部件，其控制机构必须互锁。在程序控制机床上，对用来调 整机床工作循环功能的控制器件应上锁或使用专用工具才能打开的方法来防止外来的意 外动作。在自动化和程序控制机床上，工作循环的各个阶段都要能单独的进入控制。 0 8 ) 当程序控制磨床上的信息载体中断或损坏时，或由于不正确的单位移动量而产生不规 则的步距时，程序控制系统不允许再发出控制机床的下一步指令。自动化机床和程序 控制机床，必须装有辅助的手轮、盐柄、手柄等控制器件，使其在断电或发生事故时， 能使工作台、拖板、升降台、主轴箱等作手动移动。 表3 一l 使用情况操作手柄离地面的高度m 经常使用 o 5 一1 7 8 次每班 0 3 1 8 5 仅调整时使用 3 2 0 异常危险，必须立即整改，否则永远停止作业 1 6 0 3 2 0 高度危险，需要立即整改 7 0 - 1 6 0 显著危险，需要整改 2 0 7 0 可能危险，需要注意 2 0 低危险，可被人们接受 4 3 6 基于“评分法”和模糊数学理论构建机床风险评价数学模型 高速机床作为常用的机械设备，评估其安全性是很重要的。从上述“评分法”中， 我们了解到了风险和伤害严重度，暴露于危险区的频率，危险出现的概率等相关因素的 关系，为了使得我们对磨床的安全风险评估更准确，更方便，我们可以在“评分法”基 础上，用一个数学模型来更方便、准确的描述这种关系。从模糊数学理论我们知道，最 不确定时的隶属度为0 5 ，即最不能肯定的情况，所以从表中我们可以知道当分数值为 2 0 一7 0 时，其隶属度为o 5 左右，依次类推，当危险分数值 3 2 0 时，我们希望其隶属度基本上接近于1 ， 这就是我们的整体思想。经过反复计算找到了一个函数能基本上表示这种关系。 1 0 0 02 0 0 03 0 0 0 4 0 0 05 0 0 06 0 7 0 0 08 0 0 0