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第四章安全人机工程 一 安全人机工程基本知识二 人的特性三 机械的安全特性及故障珍断技术四 机械可靠性设计与维修性设计五 人机系统 主要内容 第一节安全人机学一 了解安全人机学的主要内容 人机系统的类型 二 熟悉机械设计本质安全要求 第一节安全人机工程基本知识 一 安全人机工程的概念 内容及其分类 了解 一 安全人机工程的定义研究人 机 环境系统的安全本质 并使三者在安全上达到最佳匹配 以确保系统高效 经济运行的一门应用科学 二 安全人机工程的主要研究内容 主要内容包括如下四个方面 1 分析机械设备及设施在生产过程中的不安全因素 并进行针对性的可靠性设计和维修性设计 安全装置设计 安全启动和安全操作设计及安全维修设计等 2 研究人的生理和心理特性 分析研究人和机器各自的功能特点 进行合理的功能分配以构成不同类型的最佳人机系统 3 研究人与机器相互接触 相互联系的人机界面中信息传递的安全问题 4 分析人机系统的可靠性 建立人机系统可靠性设计原则 据此设计出经济 合理以及可靠性高的人机系统 在人机系统中人始终起着核心和主导作用 机器起着安全可靠的保证作用 解决安全问题的根本方向是实现生产过程的机械化和自动化 让工业机器人代替人的部分危险操作 从根本上将人从危险作业和危险环境中彻底解脱出来 实现安全生产 三 人机系统的类型人机系统主要有两类 机械化 半机械化控制的人机系统全自动化控制的人机系统 人机共体 或机为主体 系统的动力源由机器提供 人在系统中主要充当生产过程的操作者与控制者 即控制器主要由人来操作 在控制系统中设置监控装置 如果人操作失误 机器会拒绝执行或提出警告 机械化 半机械化控制的人机系统 现代生产中应用最多的人机系统 系统的安全性主要取决于人机功能分配的合理性 机器的本质安全性及人为失误 以机为主体 机器的正常运转完全依赖于闭环系统的机器自身的控制 人只是一个监视者和管理者 监视自动化机器的工作 只有在自动控制系统出现差错时 人才进行干预 采取相应的措施 全自动化控制的人机系统 系统的安全性主要取决于机器的本质安全性 机器的冗余系统失灵以及人处于低负荷时应急反应变差等 二 机械设计本质安全 熟悉 一 机械设计本质安全的定义指机械的设计者 在设计阶段采取措施来消除机械危险的一种机械安全方法 包括 在设计中消除危险部件 减少或避免在危险区域内处理工作需求 提供自动反馈设备并使运动的部件处于密封状态之中等 主要要求包括如下三个方面 机械失效安全 机械定位安全 机器安全布置 二 机械失效安全机械设计者应该保证当事故发生故障时不出危险 这一类装置包括操作限制开关 限制不应该发生的冲击及运动的预设制动装置 设置把手和预防下落的装置 失效安全的限电开关等 三 机械定位安全把机械的部件安置到不可能触及的地点 通过定位达到安全的目的 设计者必须考虑到在正常情况下不会触及到部件 而在某些情况下可能会接触到 例如登着梯子对机械进行维修等情况 四 机器安全布置在车间内对机器进行合理的安全布局 可以使事故明显减少 安全布局时要考虑如下因素 空间 便于操作 管理 维护 调试和清洁 照明 包括工作场所的通用照明 自然光及人工 但要防止炫目 和为操作机器而需的照明照明 管 线布置 不要妨碍在机器附近的安全出入 避免磕绊 有足够的上部空间 机械维修时的出入安全 第二节人的特性一 了解人的感官与器官 视觉损伤 疲劳 听觉特性 二 熟悉人的感觉反应 人体特性参数及人的心理因素 第二节人的特性 一 人的生理因素与安全的关系 了解 人的感觉与感觉器官有 视觉眼睛 听觉耳朵 嗅觉鼻子 味觉舌头 触觉身体 1 视觉 1 暗适应与明适应能力 人眼对光亮度变化的顺应性 称为适应 适应有明适应和暗适应两种 暗适应 暗适应是指人从光亮处进入黑暗处 开始时一切都看不见 需要经过一定时间以后才能逐渐看清被视物的轮廓 暗适应的过渡时间较长 约需要30min才能完全适应 明适应 明适应是指人从暗处进入亮处时 能够看清视物的适应过程 这个过渡时间很短 约需lmin 明适应过程即趋于完成 人在明暗急剧变化的环境中工作 会因受适应性的限制 使视力出现短暂的下降 若频繁地出现这种情况 会产生视觉疲劳 并容易引起事故发生 为此 在需要频繁改变光亮度的场所 应采用缓和照明 避免光亮度的急剧变化 1 常见的几种视觉现象 2 眩光 当人的视野中有极强的亮度对比时 由光源直射或由光滑表面的反射出的刺激或耀眼的强烈光线 称为眩光 眩光可使人眼感到不舒服 使可见度下降 并引起视力的明显下降 眩光造成的有害影响主要有 使暗适应破坏 产生视觉后象 降低视网膜上的照度 减弱观察物体与背景的对比度 观察物体时产生模糊感觉等 这些都将影响操作者的正常作业 例 当人的视野中有极强的亮度对比时 由光源直射或由光滑表面的反射出的刺激或耀眼的强烈光线 称为 A 暗适应 B 明适应 C 眩光 D 视错觉 3 视错觉 人在观察物体时 由于视网膜受到光线的刺激 光线不仅使神经系统产生反应 而且会在横向产生扩大范围的影响 使得视觉印象与物体的实际大小 形状存在差异 这种现象称为视错觉 视错觉是普遍存在的现象 其主要类型有形状错觉 色彩错觉及物体运动错觉等 其中常见的形状错觉有长短错觉 方向错觉 对比错觉 大小错觉 远近错觉及透视错觉等 色彩错觉有对比错觉 大小错觉 温度错觉 距离错觉及疲劳错觉等 在工程设计时 为使设计达到预期的效果 应考虑视错觉的影响 2 视觉损伤与视觉疲劳 1 视觉损伤 在生产过程中 除切屑颗粒 火花 飞沫 热气流 烟雾 化学物质等有形物质会造成对眼的伤害之外 强光或有害光也会造成对眼的伤害 眼睛能承受的可见光的最大亮度值约为106cd m2 如越过此值 人眼视网膜就会受到损伤 300mm以下的短波紫外线可引起紫外线眼炎 紫外线照射4 5小时后眼睛便会充血 10 12h后会使眼睛剧痛而不能睁眼 这一般是暂时性症状 大多可以治愈 常受红外线照射可引起白内障 直视高亮度光源 如激光 太阳光等 会引起黄斑烧伤 有可能造成无法恢复的视力减退 低照度或低质量的光环境 会引起各种眼的折光缺陷或提早形成老花 眩光或照度剧烈而频繁变化的光可引起视觉机能的降低 2 视觉疲劳 长期从事近距离工作和精细作业的工作者 由于长时间看近物或细小物体 睫状肌必须持续地收缩以增加晶状体的白度 这将引起视觉疲劳 甚至导致睫状肌萎缩 使其调节能力降低 长期在劣质光照环境下工作 会引起眼睛局部疲劳和全身性疲劳 全身性疲劳表现为疲倦 食欲下降 肩上肌肉僵硬发麻等自律神经失调症状 眼部疲劳表现为眼病 头痛 视力下降等症状 此外 作为眼睛调节筋的睫状肌的疲劳 还可能形成近视 3 视觉的运动规律 1 眼睛的水平运动比垂直运动快 即先看到水平方向的东西 后看到垂直方向的东西 所以 一般机器的外形常设计成横向长方形 2 视线运动的顺序习惯于从左到右 从上到下 顺时针进行 3 对物体尺寸和比例的估计 水平方向比垂直方向准确 迅速 且不易疲劳 4 当眼睛偏离视中心时 在偏离距离相同的情况下 观察率优先的顺序是左上 右上 左下 右下 5 在视线突然转移的过程中 约有3 的视觉能看清目标 其余97 的视觉都是不真实的 所以在工作时 不应有突然转移视线的要求 否则会降低视觉的准确性 如需要人的视线突然转动时 也应要求慢一些才能引起视觉注意 为此 应给出一定标志 如利用箭头或颜色预先引起人的注意 以便把视线转移放慢 或者采用有节奏的结构 6 对于运动的目标 只有当角速度大于1 s 2 s时 且双眼的焦点同时集中在同一个目标上 才能鉴别出其运动状态 7 人眼看一个目标要得到视觉印象 最短的注视时间为0 07s 2 听觉听觉的功能有分辨声音的高低和强弱 还可以判断环境中声源的方向和远近 1 听觉绝对阀限 听觉的绝对阀限是人的听觉系统感受到最弱声音和痛觉声音的强度 它与频率和声压有关 在阀限以外的声音 人耳感受性降低 以至不能产生听觉 声波刺激作用的时间对听觉阀值有重要的影响 一般识别声音所需要的最短持续时间为20 50ms 听觉的绝对阀限包括频率阀限 声压阀限和声强阀限 声强是指在垂直于声波传播方向上 单位时间内通过单位面积的平均声能 单位为W m2 频率20Hz 声压2 10 5Pa 声强10 12W m2的为听阀 低于这些值的声音不能产生听觉 1 听觉特性 2 听觉的辨别阀限 人耳具有区分不同频率和不同强度声音的能力 辨别阀限是指听觉系统能分辩出两个声音的最小差异 辨别阀限与声音的频率和强度都有关系 人耳对频率的感觉最灵敏 常常能感觉出频率微小的变化 而对强度的感觉次之 不如对频率的感觉灵敏 不过二者都是在低频 低强度时 辨别阀值较高 3 声音的方向和距离 在正常情况下 人的两耳的听力是一致的 因此 根据声音到达两耳的强度和时间先后之差可以判断声源的方向 例如 声源在右侧时 距左耳稍远 声波到达左耳所需时间就稍长 声源与两耳间的距离每相差1cm 传播时间就相差0 029ms 这个时间差足以给判断声源的方位提供有效的信息 另外 由于头部的屏蔽作用及距离之差会使两耳感受到声强的差别 因此 同样可以判断声源的方位 以上这两种判断方法 只有声源恰好在听者的左方或右方时 才能确切判断声源的方位 如果声源在听者的上 下方或前 后方 就较难确定其方位 这时通过转达头部 以获得较明显的时差及声强差 加之头部转过的角度可判断其方位 在危险情况下 除了听到警戒声之外 如能识别出声源的方向 往往会避免事故的发生 判断声源的距离主要依靠声压和主观经验 一般在自由空间 距离每增加一倍 声压级将减少6dB 2 听觉的掩蔽当几种声强不同的声音传到人耳时 只能听到最强的声音 而较弱的声音就听不到了 即弱声被掩盖了 这种一个声音被其它声音的干扰而听觉发生困难 只有提高该声音的强度才能产生听觉 这种现象称为声音的掩蔽 被掩蔽声音的听阀提高的现象 称为掩蔽效应 3 人的感觉反应人们在操纵机械或观察识别事物时 从开始操纵 观察 识别到采取动作 存在一个感知时间过程 即存在一个反应时间问题 1 反应时间反应时间是指人从机器或外界获得信息 经过大脑加工分析发出指令到运动器官开始执行动作所需的时间 即反应时间包括感觉反应时间 从信息开始刺激到感觉器官有感觉所用时间 到开始动作所用时间 信息加工 决策 发令开始执行所用时间 之和 由于人的生理心理因素的限制 人对刺激的反应速度是有限的 一般条件下 反应时间约为0 1s 0 5s 对于复杂的选择性反应时间达1s 3s 要进行复杂判断和认识的反应时间平均达3s 5s 为了保证安全作业 一方面在机器设计中 应使操纵速度低于人的反应速度 另一方面应设法提高人的反应速度 2 减少反应时间的途径一般来说 机器设备的情况 信息的强弱和信息状况等外界条件是影响反映时间的重要因素 而机器的外观造型和操纵机构是否适宜于人的操作要求 以及操作者的生物力学特性等 则是直接影响动作时间的重要因素 1 合理的选择感知类型 比较各类感觉的反应时间 发现听觉的知觉反应时间最短 约0 1 0 2s 其次是触觉和视觉 所以在设计各类机器时 应根据操纵控制情况 合理选择感觉通道 尽量选用反应时间短的通道去控制和调节机器 2 适合人的生理心理要求 按人机工程学原则设计机器 3 熟练的操作技术操作者操作技术的熟练程度直接影响反应速度 应通过训练来提高人的反应速度 二 人体的特性参数 熟悉 1 人体特性参数作为产品设计和操纵机器有关的人体特性参数很多 归纳起来有如下四类 1 静态参数 静态参数是指人体在静止状态下测得的形态参数 也称人体的基本尺度 如人体高度及各部分长度尺寸 2 动态参数 动态参数是指在人体运动状态下 人体的动作范围 主要包括肢体的活动角度和肢体所能达到的距离这两方面的参数 如手臂 腿脚活动时测得的参数 3 生理学参数 生理学参数主要是指有关人体的各种活动和工作引起的生理变化 反映人在活动和工作时负荷大小的参数 包括人体耗氧量 心脏跳动频率 呼吸频率及人体表面积和体积等 4 生物力学参数 生物力学参数主要指人体各部分 如手掌 前臂 上臂 躯干 包括头 颈 大腿和小腿 脚等 出力大小的参数 如握力 拉力 推力 推举力 转动惯量等 1 能量代谢率能量代谢率 劳动代谢率 基础代谢率基础代谢率是指劳动者在绝对安静横卧状态下 为维持生命 在单位时间内所需的最低能量消耗量 劳动代谢率是指劳动者在劳动时的能量消耗量与安静时的能量消耗量之差除以劳动时间 安静时的能量消耗量大体为基础代谢量的120 能量消耗量可通过测定劳动时呼出气中的O2及CO2的比例 算出劳动者O2的消耗量折算得到 2 人体劳动强度参数 2 耗氧量人在作业时每分钟的需氧量称为耗氧量 人在作业时因耗能量增加 需氧量也必增多 人体每分钟内能供应的最大氧量称为最大耗氧量 正常成人一般不超过3L 常锻炼者可达到4L以上 人的最大耗氧量 Omax 56 592 0 398A W 10 3 L min 可作允许最大体力消耗的标志 2 人体劳动强度参数 3 心率F心跳速率简称心率 指每分钟心脏跳动的次数 在其它条件相同时 有时也用心率的变化来评价劳动强度 人的最大心跳速率为Fmax 209 2 0 94A3 1 min 2 人体劳动强度参数 4 劳动强度指数I劳动强度指数I是区分体力劳动强度等级的指标 指数大反映劳动强度大 指数小反映劳动强度小 体力劳动强度按I大小分为四级 级 I 15 为轻劳动 级 I 15 20 为中等强度劳动 级 I 20 25 为重强度劳动 级 I 25 为 很重 体力劳动 2 人体劳动强度参数 I的经验计算公式I 3T 7MT 劳动时间率 工作日净劳动时间 min 工作日总工时 min M 8小时工作日能量代谢率 3 劳动时间的计算系数 7 能量代谢率的计算系数 2 人体劳动强度参数 三 疲劳1 疲劳的定义 肌肉疲劳是指过度紧张的肌肉局部出现酸痛现象 一般只涉及大脑皮层的局部区域 疲劳的分类 疲劳分为肌肉疲劳 或称体力疲劳 和精神疲劳 或称脑力疲劳 两种 精神疲劳则与中枢神经活动有关 它是一种弥散的 不愿意再作任何活动和懒惰的感觉 意味着肌体迫切需要休息 2 产生疲劳的原因及消除途经 1 疲劳的原因 超过生理负荷的激烈动作 持久的体力或脑力劳动 作业环境不良 单调乏味的工作 不良的精神因素 肌体状况不良 长期劳逸安排不当 机器未按人机工程学理论设计或设计不周 2 消除疲劳的途径 在进行显示器和控制器设计时应充分考虑人的生理心理因素 通过改变操作内容 播放音乐等手段克服单调乏味的作业 改善工作环境 科学地安排环境色彩 环境装饰及作业场所布局 合理的温湿度 充足的光照等 避免超负荷的体力或脑力劳动 合理安排作息时间 注意劳逸结合等 3 疲劳的测定 1 主观感觉调查表法 2 分析脑电图 3 测定闪频值 CFF 4 智能测验 5 精神测验 6 连续拍摄人体动作的变化 二 人的心理因素 熟悉 据事故统计资料表明 由人的心里因素而发生的事故约占70 75 或者更多 1 能力 2 性格 3 气质 4 需要与动机 5 情绪与情感 6 意志 一 能力能力是指一个人完成一定任务的本领 或者说 能力是人们顺利完成某种任务的心理特征 能力标志着人的认识活动在反映外界事物时所达到的水平 影响能力的因素 感觉 知觉 观察力 注意力 记忆力 思维想象力 操作能力等 1 感觉 知觉和观察力感觉是大脑对直接作用于感觉器官的客观事物个别属性的反映 知觉则是大脑对感觉的客观事物的整体反映 即对感觉到的客观事物所做出的反应 观察是有目的 有计划 比较持久地认识某种对象的知觉过程 是一个知觉 思维 言语等综合作用的智力活动过程 它在感知中占有很重要的地位 人们全面 深入 正确地观察事物的能力 叫做观察力 观察力是智力结构的重要组成因素之一 在工业生产和科研等活动中 要求安全监察员具有敏锐的观察力 善于及时发现生产中的不安全因素和潜在的事故隐患 以便采取相应措施减少或避免事故发生 2 注意注意是指心理活动对一定事物或活动的指向或集中 注意能保证人及时反映客观事物及其变化 使人更好地适应环境 注意 在安全生产中有着特别重要的意义 工人在操作机器时集中注意力 是减少误操作 避免事故发生的重要保证 3 记忆记忆是大脑经历过的事物的反应 是过去感知过的事物在大脑中留下的痕迹 记忆是从认识开始的 并将感知的知识保持下来 根据保持的程度 分为永久性记忆和暂时性记忆 记忆的特征有 持久性 敏捷性 精确性 准确性等 在安全生产中记忆力强弱也是影响事故发生的因素之一 4 思维思维就是以已有的知识经验为中心 对客观现实的概括和间接的反应 思维是通过分析 综合 概括 抽象 比较 具体化和系统化等一系列过程 实现对感性材料进行加工并转化为理性知识和解决具体问题的过程 思维的基本形式是概括 判断和推理 思维的主要特征有广阔性 批判性 深刻性 灵活性 逻辑性和敏捷性等 思维能力的强弱与人的阅历 包括知识的深浅 实践经验的丰富程度有密切关系 阅历越深 实践经验越丰富 思维能力越强 5 操作能力操作是人通过运动器官执行大脑的指令对机器进行操纵控制的过程 操作能力水平的高低对安全监察人员及工人搞好本职工作极为重要 它将直接影响人身和设备的安全 二 性格性格是人们在对待客观事物的态度和社会行为方式中区别于他人所表现出来的那些比较稳定的心理特征的总和 道德品质和意志特点是构成性格的基础 性格主要表现形式 冷静型 活泼型 急躁型 轻浮型 迟钝型 在安全生产中 有不少人就是由于鲁莽 高傲 懒惰 过分自信等不良性格促成了不安全行为而导致伤亡事故的 安全心理学的任务 就是要深入挖掘和发展劳动者的一丝不苟 踏实细致 认真负责的工作作风 提倡劳动者养成原则性 纪律性 自觉性 谦虚 克己 自制等良好性格 克服和制止粗枝大叶 得过且过 懈怠 消极 狂妄 利己 自满 任性 优柔寡断等这些易于肇事的不良性格 三 气质气质的表现特征有以下四种 精力旺盛 热情直率 刚毅不屈的人也往往易于性情急躁 主观任性 灵活机智 活泼好动 善于交际 性格开朗的人也往往易于情绪多变 生活散漫 轻举妄动 安静 稳定 情绪不外漏 沉着踏实 从容不迫 耐心谨慎的人也往往易于因循守旧 动作缓慢 沉默寡言 孤僻寡言 心绪消沉 行动迟缓 自卑退让的人也往往会平易近人 容易相处 谦虚谨慎 在安全生产工作中合理地选择不同气质的人担任不同的工作 以便充分发挥其所长 以利于完成任务 可减少事故的发生 在进行安全教育时 必须从认得气质出发 使用不同的教育手段 否则 不但达不到教育的目的 而且往往会产生副作用 四 需要与动机动机是由需要产生的 合理的需要能推动人以一定的方式 在一定的方面去进行积极的活动 达到有益的效果 随着社会的发展 人为了个体和社会的生存 对安全 教育 劳动 交往的需要比对衣 食 住 行的需要更为强烈 其中对安全的需要 免除灾害 意外事故 疾病等安全需要 更为突出 安全是每个人的需要 也是家庭 社会 工厂和国家的需要 只有将安全意识提高到这个水平 安全管理人员才能各尽其责 操作人员才能自觉地遵守安全操作规程 才能杜绝重复事故的发生 达到满足安全需要的目的 五 情绪与情感情绪是由肌体生理需要是否得到满足而产生的体验 属于人和动物共有的 而情感则是人的社会性需要是否得到满足而产生的体验 属于人类特有 情绪带有冲动性和明显的外部表现 而情感则很少有冲动性 其外部表现也能加以控制 情绪带有情境性 它由一定的情境引起 并随情境的改变而消失 而情感则既有情境性 又有稳定性和长期性 五 情绪与情感在生产实践中常会出现以下几种不安全情绪 急躁情绪 急躁情绪的表现特征是干活利索但毛躁 求成心切但不谨慎 工作不仔细 有章不循 手与心不一致等 烦躁情绪 烦躁情绪的特征表现为沉闷 不愉快 精神不集中 严重时自身的生理器官往往不能很好地协调 更谈不上与外界条件协调一致 以上不良情绪发展到一定程度能够主宰人的身体及活动情况 使人的意识范围变得狭窄 判断力降低 失去理智和自制力 带着这种情绪操纵机器极易导致不安全行为的发生 六 意志意志就是人自觉地确定目标 并调节自己的行动克服困难 以实现预定目标的心理过程 它是意识的能动作用表现 人们在日常生活和工作中 尤其是在恶劣环境中工作 必须有意志活动的参与 才能顺利地完成任务 所谓有志者事竟成 就是这个道理 第三节机械安全的特性及机械设备故障诊断技术一 了解机械安全的特性 二 掌握人机系统常见的事故及其原因 三 熟悉机械设备故障诊断技术 第三节机械的安全特性及故障诊断技术 一 机械安全的定义及特性 了解 一 机械安全定义 机械安全是指机器在按使用说明书规定的预定使用条件下 执行其功能和在对其进行运输 安装 调试 运行 维修 拆卸和处理时对操作者不发生损伤或危害其健康的能力 它包括两个方面的内容 1 在机械产品预定使用期间执行预定功能和在可预见的误用时 不会给人身带来伤害 2 机械产品在整个寿命周期内 发生可预见的非正常情况下任何风险事故时机器是安全的 二 机械安全的特性 1 系统性现代机械的安全应建立在心理 信息 控制 可靠性 失效分析 环境学 劳动卫生 计算机等科学技术基础上 并综合与系统地运用这些科学技术 2 防护性通过对机械危险的智能化设计 应使机器在整个寿命周期内发挥预定功能 包括误操作时 其机器和人身均是安全的 使人对劳动环境 劳动内容和主动地位的提高得到不断改善 3 友善性机械安全设计涉及到人和人所控制的机器 它在人与机器之间建立起一套满足人的生理特性 心理特性 充分发挥人的功能的 提高人机系统效率的安全系统 在设计中通过减少操作者的紧张和体力来提高安全性 并以此改善机器的操作性能和提高其可靠性 4 整体性现代机械的安全设计必须全面 系统地对导致危险的因素进行定性 定量分析和评价 整体寻求降低风险的最优设计方案 二 人机系统常见的事故及其原因 掌握 一 常见的事故 1 卷入和挤压这种伤害主要来自旋转机械的旋转零部件 即两旋转件之间 旋转件与固定件之间将人体某一部分咬入或挤压 这种伤害是造成机械事故的主要原因 其发生的频率最高 约占机械伤害事故的47 7 2 碰撞和撞击这种伤害主要来自直线运动的零部件和飞来物或坠落物 例如 作往复直线运动的工作台或滑枕等执行件撞击人体 人在行走时碰到静止的物体 高速旋转的工具 工件及碎片等击准人体 起重作业中起吊物的坠落伤人 高层建筑物的坠落伤人或人从高层建筑上坠落跌伤等 3 接触伤害接触伤害主要是指人体某一部分接触到运动或静止机械的尖角 棱角 锐边 粗糙表面等发生的划伤或割伤的机械伤害和接触到过冷过热及绝缘不良的导电体而发生冻伤 烫伤及触电等伤害事故 二 事故原因 1 机械设备先天性潜在危险 属于这一类的潜在危险涉及面很广 从设计到制造诸如零件材料缺陷及材料选择不当 基础设计不当 强度计算不准 结构设计不当 操纵控制机构设计不当 显示装置设置不当 无安全防护装置以及制造中的加工装配不当等等 2 设备磨损或恶化 使用过程中由于磨损 老化降低了设备的可靠性而产生新的潜在危险因素 如裂纹 腐蚀等缺陷 但由于未被发现而 带病 运转 3 人的不安全行为 有的是由于安全意识差而做的有意的行为或错误的行为 有的则是由于人的大脑对信息处理不当而所做的无意行为 如误操作或误动作 人的任何一种不安全行为都可能导致事故发生 绝大多数人机事故是可以采取故障诊断等预先识别技术加以防范的 三 机械设备故障诊断技术 熟悉 一 机械设备状态监测及故障诊断模型故障诊断是研究机械设备运行状态变化的信息 进而识别 预测和监视机械运行状态的技术方法 故障诊断的基本模型如上图所示 图中St f 是载荷或应力向量 M f 是故障机理传递函数 E f 是异常模式 模型 向量 X f 是设备状态向量 H f 是E f 和X f 之间的传递函数 机器或设备在正常工作时 M f 1 其状态向量X f 是由外因St f 和内因H f 共同决定的 当出现异常或故障 既M f 不为1或St f 超过正常值 前者称为结构异常 后者称为偏离操作规范 之后 X f 除与外因 St f 和内因H f 有关外 还与载荷超差及故障机理传递函数M f 有关 在设备状态监测和故障诊断中 设备的状态向量是设备异常或故障信息的重要载体 是设备故障诊断的客观依据 所以及时而正确地掌握状态向量是进行诊断的先决条件 为此就要用传感器或其他检测手段进行状态信号的监测 二 故障诊断的基本流程及实施步骤故障诊断的基本工艺流程如下图所示 它包括诊断文档建立和诊断实施两大部分 图4 6故障诊断的基本方法 故障诊断的基本方法 诊断实施过程的基本步骤 1 信号检测 按不同诊断目的选择最能表征设备状态的信号 对该类信号进行全面地检测 并将其汇集在一起 形成一个设备工作状态信号子集 该子集称为初始模式向量 2 特征提取 或称信号处理 将初始模式向量进行维数变换 形式变换 去掉冗余信息 提取故障特征 形成待检模式 3 状态识别 将待检模式与样板模式 故障档案 对比 进行状态分类 4 诊断决策 根据判别结果采取相应的对策 对策主要是指对设备及其工作进行必要时预测和干预 三 故障诊断与状态监测故障诊断与状态监测如图所示广义故障诊断中不可分割的两个有机组成部分 严格地讲 状态监测和故障诊断是两个不同的概念范畴 状态监测一般由现场操作人员进行 故障诊断则一般由专门人员进行 他们只是在已经确定设备已发生异常的基础上对异常设备进行处理 提取故障特征 识别设备状态并提出诊断决策 虽然理论上两者是有根本差异的 但实际中由于两者的密切相关性 往往把状态监测也划归在故障诊断的研究范畴中 统称为设备的故障诊断与监测或简称为故障诊断 由于状态监测是故障诊断的前提 因此有时也把状态监测称为故障诊断实施的第一阶段 而把狭义故障诊断称为故障诊断实施的第二阶段 四 振动监测与诊断技术 1 振动定义物体围绕其平衡位置作往复运动称为振动 从频率范围振动可分为低频振动 f10kHz 从振动信号的统计特征可分为稳态振动和随机振动 2 振动信号的检测与分析振动信号一般用位移 速度或加速度传感器来测量 传感器应尽量安装在诊断对象的振动敏感点或离核心部位最近的关键点 对于低频振动 一般要从三个互相垂直的方向上进行测量 对于高频振动 通常只从一个方向上进行检测 3 振动诊断中的故障判别标准机械设备种类繁多 故障类型 失效形式及振动方式各异 因此很难提出统一的故障判别准则及故障模式 为研究设备的老化状态 危险程度 重要程度等 必须按照设备各自的情况来确定标准 五 其他故障诊断技术1 油液分析技术油液分析中 目前应用较多的有光谱油液分析和铁谱油液分析两种 1 光谱分析光谱油液分析方法是利用原子吸收光谱来分析润滑油中金属的成分和含量 进而判断零件磨损程度的方法 物质的原子有其特定的吸收光谱谱线 利用元素的特征吸收光谱谱线及其强度可以分析润滑油中特定金属元素的含量 2 铁谱分析铁谱分析是通过检查润滑油或液压系统的油液中所含磁性金属磨屑的成分 形态 大小及浓度来判断和预测机器系统中零件的磨损情况 2 温度检测及红外线监测技术 1 温度检测温度是工业生产中很普遍 很重要的热工参数之一 一方面许多生产过程中在工艺上要求对温度进行监测和控制 另一方面 机电设备运行是否正常往往在温度上会有所反映 根据温度变化特征可以了解设备的运行状态 因此 生产中经常会遇到温度测量的问题 2 红外线监测物体表面发射的红外线与其温度有关 红外线测温的原理是利用红外线探测器将红外线辐射产生的热效应和光电效应转换成人们能识别的信号 常用的探测器有热电探测器 热敏探测器和光子探测器等 相关的仪器有红外测温仪 红外成像仪和红外摄影机等 3 超声探伤技术超声波是比声波振动频率更高的波 检测中常用的是1 5MHz的超声波 与声波相比 超声波具有方向性好 波长短 在高密度固体中损失小及在不同密度介质的界面上反射大等特点 因此 利用超声波可以对所有固体材料进行探伤和检测 它常用来检查内部结构的裂纹 搭接 夹杂物 焊接不良的焊缝 锻造裂纹 腐蚀坑以及加工不适当的塑料压层等 还可以检查管道中流体的流量 流速以及泄露等 4 表面缺陷探伤技术 1 磁粉探伤 磁粉探伤的原理是利用铁磁性试件的导磁性实现的 铁磁性物质的导磁性要比空气的导磁性强得多 因此表面缺陷处磁阻大 易产生漏磁场 吸引磁粉 形成磁粉堆积 通过观察磁粉聚集情况就可以确定被探测工件的表面缺陷或近表面缺陷 2 渗透探伤 透探伤的依据是物理化学中的液体对固体的润湿能力和毛细现象 渗透和上升 首先将被探伤工件的表面涂上具有高度渗透能力的渗透液 渗透液由于润湿作用及毛细现象而进入工件的表面缺陷中 然后将工件表面多余的渗透液清洗干净 再涂一层亲和力强的显像剂 将渗入裂纹中的渗透液吸出来 在显像剂上便显现出缺陷的形状和位置的鲜明图案 3 涡流探伤 当通电线圈接近被测表面时 导电的试件表面层将产生涡电流 简称涡流 涡流又会产生交变磁场 该交变磁场又会在激励线圈中感应出电流 由于涡流与表面状态有关 感应电流的大小 方向及相位等就会反映出表面缺陷的信息 涡流探伤就是利用这种信息来检测表面缺陷的 第四节机械的可靠性设计与维修性设计一 了解机械失效三个阶段和维修度 有效度 平均无故障工作时间 二 熟悉可靠性 故障率 可靠性预计 人机界面设计 维修性设计 机械设备结构可靠性设计要点 第四节机械的可靠性设计与维修性设计一 可靠性定义及其度量指标 一 可靠性定义 熟悉 所谓可靠性是指系统或产品在规定的条件和规定的时间内 完成规定功能的能力 规定条件包括产品所处的环境条件 温度 湿度 压力 振动 冲击 尘埃 雨淋 日晒等 使用条件 载荷大小和性质 操作着的技术水平等 维修条件 维修方法 手段 设备和技术水平等 在不同规定条件下 产品的可靠性是不同的 规定时间是指产品的可靠性与使用时间的长短有密切关系 产品随着使用时间或储存时间的推移 性能逐渐劣化 可靠性降低 所以 可靠性是时间的函数 这里所规定的时间是广义的 可以是时间 也可以用距离或循环次数等表示 二 可靠性度量指标1 可靠度可靠度是可靠性的量化指标 即系统或产品在规定条件和规定时间内完成规定功能的概率 可靠度是时间的函数 常用R t 表示 称为可靠度函数 产品出故障的概率是通过多次试验中该产品发生故障的频率来估计的 例如 取N个产品进行试验 若在规定时间t内共有Nf t 个产品出故障 则该产品可靠度的观测值可用下式近似表示 R t N Nf t N 不可靠度 是系统或产品在规定条件和规定时间内未完成规定功能的概率 即发生故障的概率 所以也称累积故障概率 不可靠度也是时间的函数 常用F t 表示 同样对N个产品进行寿命试验 试验到t瞬间的故障数为Nf t 则当N足够大时 产品工作到t瞬间的不可靠度的观测值 即累积故障概率 可近似表示为 F t Nf t N可靠度数值应根据具体产品的要求来确定 一般原则是根据故障发生后导致事故的后果和经济损失而定 2 故障率 或失效率 熟悉 故障率是指工作到t时刻尚未发生故障的产品 在该时刻后单位时间内发生故障的概率 故障率也是时间的函数 记为 t 称为故障率函数 故障率的观测值等于N个产品在t时刻后单位时间内的故障产品数 Nf t t与在t时刻还能正常工作的产品数Ns t 之比 即 t Nf t Ns t t 故障率 失效率 的常用单位为 1 l06h 产品在其整个寿命期间内各个时期的故障率是不同的 其故障率随时间变化的曲线称为寿命的曲线 也称浴盆曲线 如下图所示 由图可见 产品的失效过程可分为以下三个阶段 了解 1 早期故障期2 偶发故障期3 磨损故障期 1 早期故障期2 偶发故障期3 磨损故障期 3 平均寿命 或平均无故障工作时间 了解 对非维修产品称平均寿命 其观测值为产品发生失效前的平均工作时间 或所有试验产品都观察到寿命终了时 它们寿命的算术平均值 对于维修产品来说 称平均无故障工作时间或平均故障间隔时间 其观测值等于在使用寿命周期内的某段观察期间累积工作时间与发生故障次数之比 3 维修度 了解 维修度是指维修产品发生故障后 在规定条件 备件贮备 维修工具 维修方法及维修技术水平等 和规定时间内能修复的概率 它是维修时间 的函数 用M 表示 称为维修度函数 4 有效度 了解 狭义可靠度R t 与维修度M 的综合称为有效度 也称广义可靠度 其定义为 对维修产品 在规定的条件下使用 在规定维修条件下修理 在规定的时间内具有或维持其规定功能处于正常状态的概率 二 系统或产品的可靠性预计 熟悉 产品的可靠性预计是根据零组部件的可靠性数据来预算产品的可靠性指标 如可靠度 故障率或平均寿命等 可靠性预计的目的是为可靠性设计选择最佳设计方案提供可靠依据 且在产品定型投产之前就可以对新产品的可靠性做出估计 若达不到预定指标 就可以针对发现的问题及时进行改进设计 从而取得事半功倍的效果 一 串联系统的可靠性预计串联系统的可靠性表示系统中所有单元均正常时 系统才能正常工作 串联系统的可靠性有如下特点 1 串联系统中单元数越多 则系统的可靠性越低 各单元本身的可靠性越低 则系统的可靠性越低 2 串联系统的可靠性Rs t 总是小于系统中可靠度最低单元的可靠性Rimin 而且其寿命取决于该单元的寿命 二 并联系统的可靠性预计并联系统可靠性表示系统中只要有一个单元能正常工作 系统就能正常工作 并联系统的可靠度好像钢丝绳的可靠性 只有当所有钢丝绳均断裂 钢丝绳才能完全断开 当然 当断丝数达到一定数量就得降级使用或报废 钢丝绳的寿命是由寿命最长的那股钢丝决定的 故并联系统又称绳索模型 三 串 并联系统的可靠性预计任何一个串 并联系统总可以看成是由一些串联式和并联式子系统组合而成 在进行串 并联系统的可靠性预计时 只要用上述方法分别求出各子系统的可靠度 就可以使系统可靠性框图逐步简化 最后总可以简化成一个简单的串联系统或并联系统 于是可求出整个系统的可靠度 三 机械设备结构可靠性设计要点 熟悉 一 确定零件合理的安全系数安全系数是指零件在理论上计算的承载能力与实际所能承担的负荷之比值 确定安全系数时应考虑以下几个因素 1 环境条件的作用如温度 湿度 冲击 振动等 2 使用中发生超负荷或误操作时的后果 3 为提高安全系数所付出的经济代价是否合算等 安全系数的提高应通过优化结构设计来达到 而不是简单地通过增加构件尺寸 增加重量或增加费用等方法来实现 二 贮备设计 冗余设计 贮备设计是指将若干功能相同的零组部件作为备用机构 当其中某个零组部件出现故障时 备用机构马上启动工作 使机器仍能保持正常工作 例如 滚动轴承中的双排滚珠 当其中一排损坏时 另一排仍可以维持正常工作 采用贮备设计的产品 一般是有剧毒的化工设备 故障率较高的设备 流水生产线上的关键设备或一旦出现事故损失较大的设备 贮备设计的目的在于提高可靠性 如果盲目采用 或设计不当将会因增加体积 重量和费用而导致相反的效果 三 耐环境设计在产品设计时要考虑环境条件的影响 应进行耐机械应力 振动 冲击等 设计和抗气候条件 高温 低温 潮湿 雨淋 日晒 风化 腐蚀等 设计 设计时就应预计产品实际使用的环境条件 并采取相应的耐环境措施 为此 在设计 试制阶段要进行实验室模拟或现场作预计环境条件下的可靠性试验 如耐久性试验 寿命试验 环境试验 可靠性测定和可靠性验证等试验 四 简单化和标准化设计产品简单化和标准化是提高可靠性的关键 即产品在满足功能要求的前提下 其结构越简单越好 因为这时零件数少了 发生故障的机会就少了 在简单化和标准化设计中应注意如下几点 l 应避免单纯追求高水平及复杂化而对选用标准件产生厌倦情绪 2 要处理好极限设计 设计时应考虑并保证产品在各种恶劣条件下工作的可靠性 可以通过保险机构 联锁机构等安全装置或安全措施来解决 五 提高结合部的可靠性机械产品都是由若干零组部件组成 故零组部间的结合部位很多 结合部位的配合性质有相对静止的 也有相对运动的 还有要求密封的 所以相应的有各种联接方式 如有螺栓螺母联接 焊接联接 销子或键联接 齿轮齿条联结 滑板与导轨联接或主轴与轴承联接以及法兰 密封圈与转轴或箱体联接等 这些结合部位的故障率一般都比较高 所以极易诱发其它故障的发生 为此 在可靠性设计时应特别注意设法提高结合部位的可靠度 即保证结合部的联接强度 刚度及配合精度和密封要求等 六 结构安全设计在结构设计时 要做到结构合理 从根本上消除危险与有害因素 使操作者彻底从危险部位或危险状态下解脱出来 这是提高产品可靠性和安全性的根本出路 例如 铁路上两节车箱之间的联接器 传统的方法用的是连杆插销联接器 工人在脱开或连接两节车箱时 必须接近两节车箱之间进行拨出或插入销子的操作 这时工人就处于可能被两节车箱撞击或挤伤的危险部位中 随时都可能被撞伤 而现在使用的车辆自动联接器 不需工人到两节车箱之间直接操作 而是利用低速相碰触自动联接 因为根除了危险因素 当然也就不会发生被车箱撞伤的事故了 七 设置齐全的安全装置作为可靠性较高的现代化机械设备 已具备也必须具备必要的安全装置 以便用来防止超载 超行程 超温 超压 误操作 误接触 外部环境突变 如停电 停气等 而引起的事故以及限制事故的扩大 一般都是通过在线监测仪器及时捕捉异常信号的变化 当超限时立即发出警报信号或故障显示或自动停机等 这是设计 制造部门应完成的任务 绝不应把危险与有害因素等事故隐患留给用户 八 人机界面设计人机界面是人与机器交换信息的环节 如果人机界面设计不当 人与机器相接触造成能量逸出 将直接会导致事故发生 所以在人机界面设计时 即人机工程设计时 必须考虑人的生理 心理因素 考虑人机协调关系 如人的正常生理能力和允许限度 要求所设计的显示器 长时间观察或监听而不易疲劳 操纵机构在操作时操作力应做到有 手感 而不沉重 控制器和显示器应尽量少而集中 配置合理 避免操作失误 且设有联锁保护装置 做到即使误操作某一控制器也不会引起事故 四 维修性设计 熟悉 一 维修及维修性所谓维修是指使产品保持在正常使用和运行状态 以及为排除故障或缺陷所采取的一切措施和活动 包括设备运行过程中的维护保养 设备状态监测与故障诊断以及故障检修 调整和最后的验收试验等直至恢复正常运行等一系列工作 简言之 为保持或恢复产品规定功能采取的技术措施叫做维修 维修性是指对故障产品修复的难易程度 即产品在规定条件和规定时间内完成维修任务的能力 二 产品结构的维修性设计维修性设计是指产品设计时 设计师应从维修的观点出发 保证当产品一旦出故障 能易发现故障 易拆 易检修 易安装 即维修度要高 维修度是产品的固有性质 它属于产品固有可靠性的指标之一 维修度的高低直接影响产品的维修工时 维修费用 影响产品的利用率 1 可达性所谓可达性是指检修人员接近产品故障部位进行检查 修理操作 插入工具和更换零件等维修作业的难易程度 可达性设计应从以下三方面考虑 可达性考虑的内容 1 安装场所的可达性检修人员在从事检修作业时 如拆装故障零件时 需要有一个足够的检修活动空间 使维修人员能够在舒服的姿态下进行维修作业 如 坐 蹲 跪 躺 等作业姿势 2 设备外部的可达性复杂产品往往是由几个部件或单元组成 而这些部件或单元装在一个箱体或壳体内 为了装入或取出这些部件或单元 或检查及观察它们的工作状况需要在箱体或壳体壁上开口 设计时就需要考虑开口部分的结构 有面板 盖或门 及其固定方式 做到既可靠 又易打开 3 设备内部的可达性从易检查易维修的角度出发 在设计内部零件时 要考虑其结构形状 考虑各零组部件之间的合理布局和安装空间等 2 零组部件的标准化与互换性产品设计时应力求选用标准件 以提高互换性 这将会给产品的使用维修带来很大方便 因为标准化零件质量有保证 品种和规格大大减少 于是就可以减少备件库存和资金积压 既能保证供应 又简化管理 3 维修人员的安全产品在结构设计时除考虑操作工人的安全外 还必须考虑维修人员的安全 而这后 项工作往往最容易被人们忽视 三 可靠性设计与维修性设计的关系可靠性设计和维修性设计是从不同的角度来保证产品的可靠性 前者着重从保证产品的工作性能出发 力求不出故障或少出故障 是解决本质安全问题 在方案设计和结构设计阶段就设法消除危险与有害因素 后者则是从维修的角度考虑 一旦产品发生故障 其本身就能自动及时发现故障 并且显示故障或发出警报信号 并能自动排除故障或中止故障的扩展 第五节人机系统一 了解人机信息与能量交换系统模型 人的可靠性分析 二 熟悉人机系统 人机功能分配 人机系统可靠性计算 三 掌握人机系统可靠性设计原则 第五节人机系统一 人机信息及能量交换系统模型 了解 人机系统的任何活动实质上是信息及能量的传递和交换 人机之间在进行信息及能量的传递和交换中 首先是人的感觉器官 眼 耳等 从显示装置上感受到机器及环境作用于人的信息 经大脑中枢神经的综合 分析 判断做出决策 然后命令运动器官 手或脚 向机器的控制器发出控制信息 即操纵机器相应的执行机构 手柄或按钮等 完成各种相应的运动机能 移动或转动 且将控制的效果反映在显示器上 构成一个信息及能量传递的闭环系统 到此 人机系统完成了一次功能循环 如图所示 在这个循环过程中 人机系统完成了人所希望的功能 达到人的预期目的 人机系统模型 二 人机系统 熟悉 在人机系统中 人与机器为完成一定功能 各自发挥自己的作用 又必须相互联系 相互配合 二者之间有着相互依存 相互影响 又相互制约的关系 而且这些关系随系统自动化程度的变化而变化 为了取得人机系统的最佳效果 对人和机分别提出 人适应于机 机适宜于人 的不同要求 即 人适机 与 机宜人 机宜人是指机器作为人从事生产和生活活动的工具 要求设计 制造出来的机器应尽量满足使用者的体格 生理 心理等条件的要求 做到显示的信息便于接受 判断 控制系统的尺寸 力度 位置 结构 形式等均应适合操作者的生理要求 工具 器具及用品等的使用得心应手 人所处的作业空间安全舒适 达到有利于人的身心健康 有利于发挥劳动者的效能和效率 人适机是指使人去适应机器的要求 机器的结构决定了其客观的运动规律 其操作环境也会因各种因素在时间和空间上受到某种限制 如经济上的可行性 技术上的可能性 机器本身性能要求的条件以及使用机器时的外界环境条件 如高温 高压作业 等 为了适应机器的这些情况 就需要对人的因素予以限制 对人进行教育 训练 并且尽量发挥人的因素有一定可塑性这一特点 在人机系统中 机宜人与人适机是相对的 机适宜于人是以人的因素为条件的 而人的因素是比较复杂的 而且是变化的 有的是随时代的进步而变化 有的是因时 因地 因性别 因年龄等不同而变化 人的因素有的可量化 有的则难以准确量化 机器本身也在不断发展 自动化程度越来越高 控制系统智能化 所以机适宜于人的程度也在不断提高 而人适应于机的程度是有限的 因为尽管人的因素有一定的可塑性 但是毕竟有一定的限度 解决的办法是通过学习和训练 提高人的文化和技术素质 或采取必要的辅助措施 如使用劳保用品等 去适应机器的要求 三 人机功能分配 熟悉 在人机系统中 人与机完成各自的功能 只有二者合理配合 协调一致 才能使人机系统达到最佳效果 为此 需要深入了解和研究人机各自的特征 进行比较 杨长避短 充分发挥各