《安全人机工程》

第四章平安人机工程一、平安人机工程根本知识二、人的特性三、机械的平安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平安人机学一、了解平安人机学的主要内容，人机系统的类型；二、熟悉机械设计本质平安要求。

第一节平安人机工程根本知识一、平安人机工程的概念、内容及其分类〔了解〕〔一〕平安人机工程的定义研究人—机—环境系统的平安本质，并使三者在平安上到达最正确匹配，以确保系统高效、经济运行的一门应用科学。

〔二〕平安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平安因素，并进行针对性的可靠性设计和维修性设计、平安装置设计、平安启动和平安操作设计及平安维修设计等。〔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正确人机系统。〔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平安问题。〔4〕分析人机系统的可靠性，建立人机系统可靠性设计原那么，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，机器起着平安可靠的保证作用。解决平安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局部危险操作，从根本上将人从危险作业和危险环境中彻底解脱出来，实现平安生产。〔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。系统的平安性主要取决于人机功能分配的合理性、机器的本质平安性及人为失误。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过失时，人才进行干预，采取相应的措施。全自动化控制的人机系统

系统的平安性主要取决于机器的本质平安性、机器的冗余系统失灵以及人处于低负荷时应急反响变差等。二、机械设计本质平安〔熟悉〕〔一〕机械设计本质平安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平安方法。包括：在设计中消除危险部件，减少或防止在危险区域内处理工作需求，提供自动反响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：机械失效平安。机械定位平安。机器平安布置。〔二〕机械失效平安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，失效平安的限电开关等。〔三〕机械定位平安把机械的部件安置到不可能触及的地点，通过定位到达平安的目的。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〕机器平安布置在车间内对机器进行合理的平安布局，可以使事故明显减少。平安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：不要阻碍在机器附近的平安出入，防止磕绊，有足够的上部空间。机械维修时的出入平安。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、熟悉人的感觉反响，人体特性参数及人的心理因素。第二节人的特性

一、人的生理因素与平安的关系〔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，假设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，防止光亮度的急剧变化。(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比照时，由光源直射或由光滑外表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比照度；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比照时，由光源直射或由光滑外表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响，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、比照错觉、大小错觉、远近错觉及透视错觉等。色彩错觉有比照错觉、大小错觉、温度错觉、距离错觉及疲劳错觉等。在工程设计时，为使设计到达预期的效果，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，这一般是暂时性病症，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病症；眼部疲劳表现为眼病、头痛、视力下降等病症。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，否那么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上下和强弱，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〕听觉的区分阀限。人耳具有区分不同频率和不同强度声音的能力。区分阀限是指听觉系统能分辩出两个声音的最小差异。区分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，区分阀值较高。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异，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、前方，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，往往会防止事故的发生。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.人的感觉反响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，即存在一个反响时间问题。(1)反响时间反响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。即反响时间包括感觉反响时间〔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，人对刺激的反响速度是有限的。一般条件下，反响时间约为0.1s～0.5s。对于复杂的选择性反响时间达1s～3s，要进行复杂判断和认识的反响时间平均达3s～5s。为了保证平安作业，一方面在机器设计中，应使操纵速度低于人的反响速度。另一方面应设法提高人的反响速度。(2)减少反响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，那么是直接影响动作时间的重要因素。1〕合理的选择感知类型。比较各类感觉的反响时间，发现听觉的知觉反响时间最短，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，尽量选用反响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，按人机工程学原那么设计机器。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响速度，应通过训练来提高人的反响速度。〔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，也称人体的根本尺度，如人体高度及各局部长度尺寸。〔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到达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、呼吸频率及人体外表积和体积等。〔4〕生物力学参数：生物力学参数主要指人体各局部〔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/根底代谢率根底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根底代谢量的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。人体每分钟内能供给的最大氧量称为最大耗氧量。正常成人一般不超过3L，常锻炼者可到达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心跳速率简满意率，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：Ⅰ级〔I≤15〕为轻劳动；Ⅱ级〔I＝15～20〕为中等强度劳动；Ⅲ级〔I＝20～25〕为重强度劳动；Ⅳ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。精神疲劳那么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：超过生理负荷的剧烈动作；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；防止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)据事故统计资料说明，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到达的水平。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。知觉那么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响。观察是有目的、有方案，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，要求平安监察员具有敏锐的观察力，善于及时发现生产中的不平安因素和潜在的事故隐患，以便采取相应措施减少或防止事故发生。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〞在平安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、防止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响，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。在平安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响。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。思维的根本形式是概括、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，操作能力水平的上下对平安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平安。〔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根底。性格主要表现形式：冷静型；活泼型；急躁型；轻浮型；迟钝型。在平安生产中，有不少人就是由于鲁莽、傲慢、懒惰、过分自信等不良性格促成了不平安行为而导致伤亡事故的。平安心理学的任务，就是要深入挖掘和开展劳动者的一丝不苟、踏实细致、认真负责的工作作风，提倡劳动者养成原那么性、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、沉着不迫、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、行动缓慢、自卑退让的人也往往会平易近人、容易相处、谦虚谨慎。在平安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。在进行平安教育时，必须从认得气质出发，使用不同的教育手段；否那么，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，到达有益的效果。随着社会的开展，人为了个体和社会的生存，对平安、教育、劳动、交往的需要比对衣、食、住、行的需要更为强烈。其中对平安的需要〔免除灾害、意外事故、疾病等平安需要〕更为突出。平安是每个人的需要，也是家庭、社会、工厂和国家的需要，只有将平安意识提高到这个水平，平安管理人员才能各尽其责，操作人员才能自觉地遵守平安操作规程，才能杜绝重复事故的发生，到达满足平安需要的目的。〔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；而情感那么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，而情感那么很少有冲动性，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，而情感那么既有情境性，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平安情绪：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。以上不良情绪开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平安行为的发生。〔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。第三节机械平安的特性及机械设备故障诊断技术一、了解机械平安的特性：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。．第三节机械的平安特性及故障诊断技术一、机械平安的定义及特性(了解)〔一〕机械平安定义：机械平安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平安的。〔二〕机械平安的特性：〔1〕系统性现代机械的平安应建立在心理、信息、控制、可靠性、失效分析、环境学、劳动卫生、计算机等科学技术根底上，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，其机器和人身均是平安的，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〕友善性机械平安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平安系统，在设计中通过减少操作者的紧张和体力来提高平安性，并以此改善机器的操作性能和提高其可靠性。〔4〕整体性现代机械的平安设计必须全面、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局部咬入或挤压。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局部接触到运动或静止机械的尖角、棱角、锐边、粗糙外表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、根底设计不当、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、无平安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〕人的不平安行为。有的是由于平安意识差而做的有意的行为或错误的行为，有的那么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。人的任何一种不平安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。故障诊断的根本模型如上图所示。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，后者称为偏离操作标准]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〕故障诊断的根本流程及实施步骤故障诊断的根本工艺流程如以下图所示，它包括诊断文档建立和诊断实施两大局部。图4-6故障诊断的根本方法故障诊断的根本方法诊断实施过程的根本步骤：〔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，并将其聚集在一起，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〕比照，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下图广义故障诊断中不可分割的两个有机组成局部。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。故障诊断那么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根底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〔f<1kHz〕高频振动〔f>10kHz〕。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那么及故障模式。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〕红外线监测物体外表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.外表缺陷探伤技术〔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，因此外表缺陷处磁阻大，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外表缺陷或近外表缺陷。〔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外表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外表缺陷中，然后将工件外表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外表时，导电的试件外表层将产生涡电流〔简称涡流〕，涡流又会产生交变磁场，该交变磁场又会在鼓励线圈中感应出电流。由于涡流与外表状态有关，感应电流的大小、方向及相位等就会反映出外表缺陷的信息。涡流探伤就是利用这种信息来检测外表缺陷的。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屡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，假设在规定时间t内共有Nf〔t〕个产品出故障，那么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〕，那么当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，一般原那么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λ〔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ΔNf〔t〕/Δt与在t时刻还能正常工作的产品数Ns〔t〕之比，即λ〔t〕=ΔNf〔t〕/[Ns〔t〕•Δt]

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，如以下图所示。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τ的函数，用M〔τ〕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〔τ〕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正确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，假设达不到预定指标，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，那么系统的可靠性越低；各单元本身的可靠性越低，那么系统的可靠性越低。〔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似钢丝绳的可靠性，只有当所有钢丝绳均断裂，钢丝绳才能完全断开。当然，当断丝数到达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〕确定零件合理的平安系数平安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。确定平安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〕为提高平安系数所付出的经济代价是否合算等。平安系数的提高应通过优化结构设计来到达，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〕贮备设计是指将假设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，备用机构马上启开工作，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，发生故障的时机就少了。在简单化和标准化设计中应注意如下几点：〔l〕应防止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、联锁机构等平安装置或平安措施来解决。〔五〕提高结合部的可靠性机械产品都是由假设干零组部件组成，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〕结构平安设计在结构设计时，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平安性的根本出路。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。因为铲除了危险因素，当然也就不会发生被车箱撞伤的事故了。〔七〕设置齐全的平安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平安装置，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，防止操作失误；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。维修度的上下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局部的结构〔有面板、盖或门〕及其固定方式，做到既可靠，又易翻开。〔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，既能保证供给，又简化管理。3.维修人员的平安产品在结构设计时除考虑操作工人的平安外，还必须考虑维修人员的平安，而这后—项工作往往最容易被人们无视。〔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，是解决本质平安问题，在方案设计和结构设计阶段就设法消除危险与有害因素；后者那么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那么。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，如下图。在这个循环过程中，人机系统完成了人所希望的功能，到达人的预期目的。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正确效果，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，人所处的作业空间平安舒适，到达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，有的那么难以准确量化。机器本身也在不断开展，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。解决的方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，才能使人机系统到达最正确效果。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，充分发挥各自的特长。

〔一〕人在人机系统中的主要功能〔1〕传感功能〔2〕信息处理功能〔3〕操纵功能

〔二〕人机特性的比较人体本身就是一部复杂的、特殊的机器。人与机器的特性包括许多内容，但就从人机系统中信息及能量的接受、传递、转换过程来讲，我们可以归纳为以下四个方面来比较，即信息感受、信息处理和决策、操作反响、工作能力等。人优于机器的能力主要有：信号检测、图象识别、灵活性、随机应变、归纳、推理、判断、创造性等；机器优于人的能力主要有：反响、操作速度快、精确性高、输出功率大、且耐久力强、重复性好、短期记忆、能同时完成多种操作、演绎推理以及能在恶劣环境下工作等。〔三〕人机功能分配原那么根据人机特性的比较，为了充分发挥各自的优点，人机功能合理分配的原那么应该是：笨重的、快速的、持久的、可靠性高的、精度高的、规律性的、单调的、高价运算的、操作复杂的、环境条件差的工作，适合于机器来做；而研究、创造、决策、指令和程序的编排、检查、维修、故障处理及应付不测等工作，适合于人来承担。四、人机系统可靠性计算〔熟悉〕〔一〕系统中人的可靠度计算由于人机系统中人的可靠性的因素众多且随机变化，因此人的可靠性是不稳定的。人的可靠度计算〔定量计算〕也是很困难的。1.人的根本可靠度系统不因人体过失发生功能降低和故障时人的成功概率，称为人的根本可靠度，用r表示。人在进行作业操作时的根本可靠度可用下式表示：r＝a1.a2.a3式中：a1——输入可靠度，考虑感知信号及其意义，时有失误；a2——判断可靠度，考虑进行判断时失误；a3——输出可靠度，考虑输出信息时运动器官执行失误，如按错开关。上式是外部环境在理想状态下的可靠度值。a1、a2、a3各值如下表所示。人的作业方式可分为两种情况，一种是在工作时间内连续性作业，另一种是间歇性作业。下面分别说明这两种作业人的可靠度确实定方法。

作业类别

内

容

a1.a3

a2

简单一般复杂

变量在六个以下，已考虑人机工程学原则变量在10个以下变量在10个以上，考虑人机工程学不充分

0.9995～0.99990.9990～0.99950.990～0.9990.9990.9950.990〔1〕连续作业在作业时间内连续进行监视和操纵的作业称为连续作业，例如控制人员连续观察仪表并连续调节流量；汽车司机连续观察线路并连续操纵方向盘等。连续操作的人的根本可靠度可以用时间函数表示如下：r〔t〕=exp[-∫0+∞l〔t〕dt]式中：r〔t〕——连续性操作人的根本可靠度；t——连续工作时间；l〔t〕——t时间内人的过失率。〔2〕间歇性作业在作业时间内不连续地观察和作业，称为间歇性操作，例如，汽车司机观察汽车上的仪表。换档、制动等。对间歇性作业一般采用失败动作的次数来描述可靠度，其计算公式为；r=1-p〔n/N〕式中：N——总动作次数；n——失败动作次数；p——概率符号。2.人的作业可靠度考虑了外部环境因素的人的可靠度RH为：RH=1-b1.b2.b3.b4.b5〔1-r〕式中：b1——作业时间系数；b2——作业操作频率系数；b3——作业危险度系数；b4——作业生理和心理条件系数；b5——作业环境条件系数；〔1-r〕——作业的根本失效概率或根本不可靠度。r可根据表4-3及式〔4-10〕求出。b1～b5可根据表4-4来确定。表4-4可靠度RH的系数〔b1～b5〕系数

作业时间系数b1

操作频率系数b2

危险度系数b3

生理心理条件系数b4

环境条件系数b5

1.01.0～3.03.0～10.0宽余时间充分宽余时间不充分无宽余时间

适当继续进行极少进行

人身安全有人身危险可造成重大恶性事故

良好不好非常不好

良好不好非常不好

(二〕人机系统的可靠度计算人机系统组成的串联系统可按下式表达：RS＝RH.RM〔4-14〕式中：RS——人机系统可靠度；RH——人的操作可靠度；RM——机器设备可靠度。人机系统可靠度采用并联方法来提高。常用的并联方法有并行工作冗余法和后备冗余法。并行工作冗余法是同时使用两个以上相同单元来完成同一系统任务，当一个单元失效时，其余单元仍能完成工作的并联系统。后备冗余法也是配备两个以上相同单元来完成同一系统的并联系统。它与并行工作冗余法不同之处在于后备冗余法有备用单元，当系统出现故障时，才启用备用单元。

1.二人监控人机系统的可靠度

当系统由二人监控时，控制如图4-8所示。一旦发生异常情况应立即切断电源。该系统有以下两种控制情形。〔a〕a——系统结构〔b〕b——系统简图图4-8二人监视系统〔l〕异常状况时，相当于两人并联，可靠度比一人控制的系统增大了，这时操作者切断电源的可靠度为RHb〔正确操作的概率〕：RHb=1-〔1-R1〕〔1-R2〕〔4-15〕〔2〕正常状况时，相当于两人串联，可靠度比一人控制的系统减小了，即产生误操作的概率增大了，操作者不切断电源的可靠度为RHc〔不产生误动作的概率〕：RHc=R1.R2〔4-16〕从监视的角度考虑，首要问题是防止异常状况时的危险，即保证异常状况时切断电源的可靠度，而提高正常状况下不误操作的可靠度那么是次要的，因此这个监控系统是可行的。所以两人监控的人机系统的可靠度度Rsr为：异常情况时，Rsr′=RHb.RM=[1-〔1-R1〕〔1-R2〕]RM〔4-20〕正常情况时，Rsr″=RHc.RM=R1.R2.RM〔4-21〕2.多人表决的冗余人机系统可靠度上述二人监控作业是单纯的并联系统，所以正常操作和误操作两种概率都增加了，而由多数人表决的人机系统就可以防止这种情况。假设由几个人构成控制系统，当其中r个人的控制工作同时失误时，系统才会失败，我们称这样的系统为多数人表决的冗余人机系统。设每个人的可靠度均为R，那么系统全体人员的操作可靠度RHn为：r-1RHn=∑Cin〔1-R〕iR〔n-1〕〔4-19〕i=0多数人表决的冗余人机系统可靠度的计算公式为：r-1Rsd=[∑Cin〔1-R〕iR〔n-i〕].RM〔4-20〕i=03.控制器监控的冗余人机系统可靠度设监控器的可靠度为RMk，那么人机系统的可靠度Rsk为：RMk=[1-〔1-RMk.RH〕〔1-RH〕].RM〔4-24〕4.自动控制冗余人机系统可靠度设自动控制系统的可靠度为RMz，那么人机系统的可靠度Rsz为：Rsz=[1-〔1-RMz.RH〕〔1-RMz〕].RM〔4-25〕五、人机系统可靠性设计根本原那么〔掌握〕

〔1〕系统的整体可靠性原那么从人机系统的整体可靠性出发，合理确定人与机械的功能分配，从而设计出经济可靠的人机系统。一般情况下，机械的可靠性高于人的可靠性，实现生产的机械化和自动化，就可将人从机器的危险点和危险环境中解脱出来，从根本上提高了人机系统可靠性。〔2〕高可靠性组成单元要素原那么系统要采用经过检验的、高可靠性单元要素来进行设计。〔3〕具有平安余度的设计原那么由于负荷条件和环境因素随时间而变化，所以可靠度也是随时间变化的函数，并且随时间的增加，可靠度在降低。因此。设计的可靠度和有关参数应具有一定的平安余量。

〔4〕高可靠性方式原那么为提高可靠度，宜采用冗余设计、故障平安装置、自动保险装置等高可靠度结构组合方式。1〕系统“自动保险〞装置自动保险，就是即使是外行不懂业务的人或不熟练的人进行操作，也能保障平安，不受伤害或不出故障。这是机器设备设计和装置设计的根本性指导思想，是本质平安化追求的目的。要通过不断完善结构，尽可能地接近这个目的。2〕系统“故障平安〞结构故障平安，就是即使个别零部件发生故障或失效，系统性能不变仍能可靠工作。系统平安常常是以正常的准确的完成规定功能为前提。可是，由于组成零件产生故障而引起误动作，常常导致重大事故发生。为到达功能准确性，采用保险结构方法可保证系统的可靠性。从系统控制的功能方面来看，故障平安结构有以下几种。①消极被动式组成单元发生故障时，机械移到停止位置状态。②积极主动式组成单元发生故障时，机械一面报警，一面还能短时运转。③运行操作式即使组成单元发生故障，机械也能运行到下次的定期检查。通常在产业机械系统中，大多为消极被动方式结构。〔5〕标准化原那么为减少故障环节，应尽可能简化结构，尽可能采用标准化结构和方式。〔6〕高维修度原那么为便于检修故障，且在发生故障时易于快速修复，同时为提高经济性和具有备用的意义，应采用标准化零件、通用化部件、系列化设备产品。〔7〕事先进行试验和进行评价的原那么对于缺乏实践考验和实用经验的材料和方法，必须事先进行试验和科学评价，然后再根据其可靠性和平安性而适当采用。〔8〕预测和预防的原那么要事先对系统及其组成要素的可靠性和平安性进行预测。对已发现的问题加以必要的改善，对易于发生故障或事故的薄弱环节和部位也要事先制定预防措施和应变措施。〔9〕人机工程学原那么从正确处理人-机-环境的合理关系出发，采用人类易于使用并且过失较少的方式。〔10〕技术经济性原那么不仅要考虑可靠性和平安性，还必须考虑系统的质量因素和输出功能指标。其中还包括技术功能和经济本钱。〔11〕审查原那么既要进行可靠性设计，又要对设计进行可靠性审查和其他专业审查，也就是要重申和贯彻各专业各行业提出的评价指标。〔12〕整理准备资料和交流信息原那么为便于设计工作者进行分析、设计和评价。应充分收集和整理设计者所需要的手册。数据和各种资料，供设计者进行有方案的信息交流活动，以有效地利用实际经验。〔13〕信息反响原那么应对实际使用的经验进行分析之后，将其分析结果反响给有关部门。〔14〕设立相应的组织机构实现高可靠性和高平安性的目的，应建立相应的组织机构，以便有力推进综合管理和技术开发。〔1〕长时间单调、乏味、紧张的作业，持续的精神压力，对工作不感兴趣、工作中心情不愉快等因素，会促使作业时〔〕疲劳的发生或加重。