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人机工程 第一节人机工程专业知识第二节人的特性第三节机械的安全特性及故障诊断技术第四节机械的可靠性设计与维修性设计第五节人机系统 第一节人机工程专业知识 基础知识机械设计本质安全要求 一 安全人机工程的概念 内容及分类 一 安全人机工程的定义安全人机工程是研究人机环境系统的安全本质 并使三者在安全上达到量佳匹配 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 三 人机系统的类型人机系统主要有两类 一类为机械化 半机械化控制的人机系统 一类为全自动化控制的人机系统 机械化 半机械化控制的人机系统 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 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 在自动化控制的人机系统中 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 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 二 机械设计本质安全 一 机械设计本质安全的定义设计本质安全是指机械的设计者 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 二 失效安全是指设计者应当保证发生故障时不出危险 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 四 机器安全布置车间合理的机器安全布局 可以使事故明显减少 安全布局时要考虑如下因素 空间照明管 线布置 第二节人的特性 一 人的生理因素 一 人的感觉和感觉器官1 视觉 1 几种常见的视觉现象暗适应与明适应能力眩光 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 影响操作者的正常作业 视错觉 有形状错觉 色彩错觉及物体运动错觉 暗适应和亮适应当人从光亮处进入暗室时 视觉感受性很低 然后才逐渐提高 这种在黑暗中视觉感受性逐渐提高的过程叫暗适应 当人从黑暗处到光亮处 也有一个对光适应的过程 称为亮适应 2 视觉损伤与视觉疲劳 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 300mm以下的短波紫外线可引起紫外线眼炎 常受红外线照射可引起自内障 直视高亮度光源 如搬光 太阳光等 会引起黄斑烧伤 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 2 人的听觉特性人耳的可听声取决于声音频率和强度 正常人耳的可听声频率范围为 20 20000Hz 对于1000Hz纯音来讲 人耳刚能感觉到的最小声压为2 10 5Pa 称为闻阈声压 对于1000Hz纯音来讲 刚刚使人耳感觉疼痛的声压叫作痛阈声压 为20Pa 掩蔽效应 一个声音被另一个声音所掩盖的现象称为掩蔽 一个声音的听阈因另一个声音的掩蔽作用而提高的效应 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 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 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 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 1 静态参数2 动态参数3 生理学参数4 生物力学参数 三 疲劳1 疲劳的定义疲劳分为肌肉疲劳 或称体力疲劳 和精神疲劳 或称脑力疲劳 两种 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 而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径 1 疲劳的原因超过生理负荷的激烈动作和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 肌体状况不良以及长期劳逸安排不当等人的生理 心里因素及管理方面的因素 都是造成疲劳的原因 另外 机器本身在设计制造时 没有按人机工程学理论设计或设计不周 也是人体过早出现疲劳的原因 2 消除疲劳的途径消除疲劳的途径归纳起来有以下几方面 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 二 人的心理因素 一 能力 二 性格注意 三 气质 四 需要与动机 五 情绪与情感 六 意志 一 能力 1 感觉 知觉和观察力2 注意3 记忆4 思维5 操作能力 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 包括两个方面 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 机械安全的特性系统性安全性友善性科学性 二 人机系统常见的事故及其原因 一 常见的事故1 咬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 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 机械可能产生的危险 机械危险 挤压危险 剪切危险 切割危险 缠绕危险 吸入或卷入危险 冲击或碰撞危险 刺伤或扎伤危险 摩擦或磨损危险 高压流体喷射危险非机械性危险 电气危险 热危险 噪声 振动 材料或物质产生的危险未遵循人类工效学原则而产生的危险及综合危险等 二 事故原因1 机械设备先天性潜在危险 2 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 故障诊断技术 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 按状态监测信号的物理特征可分为 1 振动诊断 以稳态振动 瞬态振动 及模态检测等 2 声学诊断技术 以噪声 声阻 声发射为检测目标 3 温度诊断 以温度 温差 温度场 热像为检测目标 4 强度诊断 以力 应力 应变或扭矩为检测目标 5 污染物诊断 以泄露 残留物 气液或固体成分变化为检测目标 6 压力诊断 以压差 压力及压力脉动为检测目标 7 电参数诊断 以功率 电信号及磁特性等为目标 8 光学诊断 以亮度 光谱及各种射线效应为检测目标 9 表面形貌诊断 以裂纹 变形 斑点 凹坑 色泽等检测为目标 第四节机械的可靠性设计 一 可靠性及其度量指标1 可靠性定义可靠性是指研究对象在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力 2 可靠性的度量指标 1 可靠度 系统或产品在规定时间和规定条件下完成规定功能的概率 用R t 表示 2 故障率或失效率 故障或失效 表示产品在低功能状态下工作或完全丧失功能 3 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发生故障的概率 故障率的观测值等于等于N个产品在t时刻后单位时间内的故障产品数与在t时刻还能正常工作的产品数之比 对于非维修产品 是指在一个规定时间内失效数与累积工作时间之比 对于维修产品 是指在它的使用寿命的某个观测期间一个或多个产品的故障发生次数与累积工作时间之比 产品在其整个生命周期内各个时期的故障率不同 其故障率随时间变化的曲线称为寿命曲线 也称浴盆曲线 产品的失效过程可分为三个阶段 早期故障期 偶发故障期和磨损故障期 早期故障期 产品在使用之初 由于材质的缺陷 设计 制造 安装 调整等环节造成的缺陷或检验疏忽等原因存在的固有缺陷陆续暴露出来 此期间故障率较高 但经过调试 排除故障 使故障率很快降下来并逐渐趋于稳定 偶发故障期 这个期间故障率最低 表示产品处于正常工作状态 这时发生故障是随机的 是偶然原因引起应力增加 超过设计规定额定值时 就可能发生故障 磨损故障期 由于产品长期使用后 由于磨损 老化 大部分零件接近固有寿命 使这个时期的故障率上升 3 平均寿命 平均无故障工作时间 是指产品正常工作时间 式中 为总工作时间 n 故障或失效次数或试验产品数 4 维修度 是指产品发生故障后 在规定条件 维修工具 维修方法及维修技术水平下 在规定时间内能修复的概率 是维修时间的函数 N 在某时刻处于故障状态需要维修的产品数 经过一定时间修复的产品数 5 有效度 对维修产品 在规定的条件下使用 在规定维修条件下修理 在规定时间内具有或维持其特定功能处于正常状态的概率 其观测值为 A U U D 式中 A 有效度U 可工作时间 包括任务时间 启动时间和待机时间 D 不可工作时间 包括停机维护时间 修理时间 延误时间和改装时间 二 系统或产品的可靠性设计 1 产品的可靠性预计是根据零组部件的可靠性数据来预测产品的可靠性指标 如可靠度 故障率等 1 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 特点 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 系统可靠性越低 串联系统的可靠性总是小于系统中可靠度最低单元的可靠性 而且其寿命取决于该单元的寿命 2 并联系统的可靠度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 三 机械设备结构可靠性设计要点 1 确定零部件合理的安全系数 2 进行合理的冗余设计 3 耐环境设计 4 简单化和标准化设计 5 提高结合部的可靠性 6 结构安全设计 7 安全装置设计 8 人机界面设计 四 维修性设计 一 维修及维修性维修是为保持或恢复产品规定功能采取的技术措施 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 1 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 可达性设计应从三方面考虑 1 安装场所的可达性 2 设备外部的可达性 3 设备内部的可达性2 零组部件的标准化与互换性3 维修人员的安全 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 在方案设计和结构就设法消除危险和有害因素 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 人的功能人在人机系统的操纵过程中所起的作用可表示为 刺激 S 意识 O 反应 R 具体表现出三种功能为 第一种 传感器第二种功能 信息处理器第三种 操纵器 二 人的可靠性 1 影响人的可靠性的因素 1 生理因素 如体力 耐力 饥渴 对环境因素承受能力等 2 心里因素 因某种刺激导致心里特性波动 3 管理因素 如不正确指令 工作岗位不称心等 4 环境因素 噪声 振动 温度 光线 5 个人素质 训练程度 责任心 6 社会因素 家庭不和 人际关系 7 操作因素 操作连续性 反复性等 人为失误从可靠性工程角度 人为失误定义为 在规定的时间和规定的条件下 人没有完成分配给他的功能 人为失误类型 没有执行分配给他的功能 执行了没有分配给他的功能 错误的执行了分配给他的功能 按错误程序或错误的时间执行分配给他的任务 三 机的主要功能接受信息 储存信息 处理信息 执行功能人机功能分配 对人和机的特性进行权衡分析 将系统的不同功能恰当地分配给人和机 把人和机地优点结合起来 取长补短 从而构成高效安全地人机系统 人机功能分配地一般原则 笨重地 快速地 精细地 规律性的 单调的 高阶运算的 支付大功率的 操作复杂的 环境条件恶劣的作业及检测人不能识别的物理信号的作业分配给机器 而指令和程序的安排 图形的辨认或多种信息输入时 机器系统的监控 维修 设计 制造 故障处理及应付突然事件等工作 则由人承担 四 人机可靠度计算 若系统由n个部件构成 系统各部件的可靠度分别为R1 R2 Rn 串联和并联系统的可靠度分别为 Rs R1 R2 RnRs 1 1 R1 1 R2 1 Rn 可见在串联系统中 部件越多 可靠度越差 对于并联系统 部件相同时 可靠度要比串联高 冗余系统 允许有一个或若干个部件失效而系统能维持正常工作的复杂系统 常见的冗余系统包括 表决系统 储备系统 大型客机配备两名驾驶员 人 机 环境系统中 看作串联系统考虑时 如果假设环境符合标准 环境可靠度为1 则人 机 环境系统可靠度为 Rs R人 R机 1 简单人机系统的可靠度Rs R人 R机对于机器的可靠度 可由可靠度函数求出 而对于人的可靠度计算 可沿用井口雅一教授的计算方法 他认为 人的可靠度r不仅于信息输入 信息处理 信息输出三个阶段的基本可靠度r1 r2 r3串联有关外 而且还受作业时间b 操作频率c 危险程度d 心里因素e环境条