安全人机工程学-机的特性与可靠性

5.1机械的分类及基本结构5.2机械的危害因素及安全特性5.3机械设备的可靠性5.4实例：手持电动工具机的特性与可靠性

5.1机械的分类及基本结构

5.1.1机械设备的分类

机械工业是一个国家的基础工业，是体现一个国家工业发展水平的重要标志。

1.按机械的用途分类

1)机械加工设备(即加工机械)

加工机械是用来加工各类机器零件的，即它是加工机器零件的机器，故也称工作母机。

(1)铸造机械。

(2)锻压机械。

(3)焊接设备。

(4)热处理设备。

(5)金属切削机床。

(6)冷冲压机械。

2)起重运输机械

(1)起重机械。

(2)运输机械。

3)专用生产机械

专用生产机械是指不同部门、不同行业使用的专用机械。

(1)石化机械。

(2)木工机械。

(3)动力机械。

(4)冶金机械。

(5)建筑机械和工程机械。

2.按机械运动形式分类

1)旋转运动机械

2)直线运动机械

3)复杂运动机械5.1.2机械的基本结构

1．动力源

2．传动部件

3.执行部件

4．支承(基础)部件

5．控制系统图5-1机械设备的基本结构

5.2机械的危害因素及安全特性

5.2.1机械的组成及在各状态的安全问题

机械(机器)是由若干个零、部件组合而成，其中至少有一个零件是可运动的，并且有适当的机器制动机构、控制和动力系统等。

机器的图解表示如图5-2所示。图5-2机器的图解表示机械在各种状态下都会存在安全问题。

1．正常工作状态

2．非正常工作状态

3．故障状态

4．非工作状态

5．检修保养状态

5.2.2机械危险的主要伤害形式和机理

机械危险是指由于机器零件、工具、工件或飞溅的固体、流体物质的机械作用可能产生伤害的各种物理因素的总称。

1.机器零件(或工件)产生机械危险的条件

由机器零件(或工件)产生的机械危险是有条件的，主要由以下因素产生：

(1)形状。

(2)相对位置。

(3)质量和稳定性。

(4)质量和速度。

(5)加速度。

(6)机械强度不够。

(7)弹性元件(弹簧)的位能或在压力或真空下的液体或气体的位能。

2.机械伤害的基本类型

(1)卷绕和绞缠。

(2)卷入和碾压。

(3)挤压、剪切和冲撞。

(4)飞出物打击。

(5)物体坠落打击。

(6)切割和擦伤。

(7)碰撞和剐蹭。

(8)跌倒、坠落。5.2.3机械安全设计的要求

机械设计不合理，未满足安全人机工程学要求，计算错误，安全系数不达标，对使用条件估计不足等均容易留下事故隐患，导致事故甚至伤害。

1.合理设计机械设备的结构型式

机械设备的结构型式一定要与其执行的预定功能相适宜，不能因结构设计不合理而造成机械正常运行时的障碍、卡塞或松脱；不能因元件或软件的瑕疵而引起数据的丢失或死机；不能发生任何能够预计到的与机械设备的设计不合理的有关事件。

2.足够的抗破坏能力及环境适应能力

(1)足够的抗破坏能力。

(2)对使用环境具有足够的适应能力。

3.尽可能使机器设备达到本质安全

通过机器的设计和制造，把实现机器的预定功能与实现机器使用安全的目标结合起来，以达到机械本质安全的目的。机器设备的本质安全是指利用技术手段进行机器预定功能的设计和制造，不需要采用其他安全防护措施，就可以在预定条件下执行机器的预定功能时能够满足机器自身安全的要求。

4.符合安全人机工程学的要求

显示装置、控制(操纵)装置、人的作业空间和位置以及作业环境，是人机要求集中体现之处，应满足人体测量参数、人体的结构特性和机能特性以及生理和心理条件。

(1)合理分配人机功能。

(2)适应人体特性。

(3)友好的人机界面设计。

(4)作业空间的布置。

5.可靠有效的安全防护

任何机械都有这样那样的危险，当机械设备投入使用时，生产对象(各种物料)、环境条件以及操作人员处于动态结合情况下的危险性就更大。只要存在危险，即使操作者受过良好的技术培训和安全教育，有完善的规程，也不能完全避免发生机械伤害事故的风险。因此，必须建立可靠的物质屏障，即在机械上配置一种或多种专门用于保护人安全的防护装置、安全装置或采取其他安全措施。当设备或操作的某些环节出现问题时，靠机械自身的各种安全技术措施避免事故的发生，保障人员和设备安全。危险性大或事故率高的生产设备，必须在出厂时配备好安全防护装置。

6.机械的可维修性及维修作业的安全

(1)机械的可维修性。

(2)维修作业的安全。

5.3机械设备的可靠性

5.3.1零部件的失效与分析

机器设备最常见的故障形式之一是零部件失效，即在设备使用过程中，零部件由于设计、制造、组装、维护、使用、修理等多方面的原因，丧失规定的功能，无法继续工作。任何机械设备的寿命都是有限的，设备只要使用就会发生失效和损坏，影响可靠性。常见的失效形式有磨损、变形等。

1.零部件磨损

1)磨损的分类

(1)磨料磨损。

(2)黏着磨损。

(3)疲劳磨损。

(4)腐蚀磨损。

2)磨损过程

正常运行过程中，零部件的磨损过程可分为三个阶段。

(1)阶段Ⅰ—磨合(跑合)阶段。

(2)阶段Ⅱ—稳定磨损阶段。

(3)阶段Ⅲ—事故磨损(急剧磨损)阶段。

图5-3典型磨损过程

2.零部件变形

1)变形的原因

(1)外载荷。

(2)温度。

(3)内应力。

(4)材料结构缺陷。

2)变形的防止措施

与磨损类似，变形也是无法避免。只能根据变形的规律，分析产生原因，采取相应的对策来减少变形。

(1)设计方面。

(2)加工制作方面。

(3)修理方面。

(4)设备使用方面。

5.3.2机械设备的可靠性

1.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：

(5-1)与可靠度相反的一个参数叫不可靠度。它是指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致，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

(5-2)

2)故障率

故障和失效的含义基本一致，都表示的是产品在低功能状态下工作或完全丧失功能。不同的是，前者一般用于维修产品，表示可维修；后者非维修产品，表示不可修复。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与在t时刻还能正常工作的产品数的之比，即

(5-3)平均故障率是指在某一规定的时间内故障率的平均值。其观测值分为两种情况，对于非维修产品，是指在规定的时间内失效数r与累积工作时间之比；对于非维修产品，是指其使用寿命内的某个观测期间一个或多个产品的故障发生次数r与累积工作时间之比。这两种情况均可用下式表示：

(5-4)产品在整个寿命周期内的故障率是不同的，其故障率随时间变化的曲线称为寿命曲线，又称浴盆曲线，如图5-4所示。由图可见，产品的失效过程可分为三个阶段，即早期故障期、偶发故障期和磨损故障期。图5-4产品的寿命曲线

3)平均寿命(平均无故障工作时间)

上述讨论是用产品单位时间内发生故障频率的高低来衡量产品的可靠性。以下内容从产品的正常工作时间长短来衡量可靠性。由此引入平均寿命和平均无故障工作时间或平均故障间隔时间t。上述两种情况的观测值都可以用下式求出：

(5-5)

4)维修度

维修度是指维修产品发生故障后，在规定条件(条件储备、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，用表示，称为维修度函数。维修度的观测值为：在τ =

0时，处于故障状态需要维修的产品数N与经过时间τ修复的产品数之比，即

(5-6)

5)有效度

狭义可靠度R(t)与维修度的综合称为有效度，也称广义可靠度。其定义可概括为：对维修产品，在规定的条件下使用，在规定的条件下修理，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。由此可见，有效度是工作时间t与维修时间τ的函数，常用A(t，τ)表示，它是对维修产品可靠性的综合评价。A(t，τ)可用下式来表示：

(5-7)有效度的观测值是指在某段观测时间内，产品可工作时间与可工作时间和不可工作时间之和的比值，记为，即

(5-8)

2.可靠性特征量之间的关系

1) F(t)与R(t)之间的关系

比较可靠度和不可靠度的定义可知，它们代表两个互相对立的事件，由概率的基本知识可知，两个相互对立事件发生的概率之和等于1，所以F(t)与R(t)之间有如下关系：

F(t) + R(t) = 1(5-9)

2) F(t)和R(t)与故障概率密度函数f(t)之间的关系

对累积故障概率F(t)进行微分后可以得到故障概率密度函数，用f(t)表示，即f(t)与F(t)有如下关系：

(5-10)

f(t)与R(t)间的关系：

(5-11)

3) R(t)与λ(t)之间的关系

由式(5-3)、式(5-1)、式(5-2)与式(5-11)可知：

(5-12)对式(5-12)积分可得

因此有

(5-13)

4) F(t)及R(t)与λ(t)之间的关系

由式(5-9)与式(5-13)可知

(5-14)

对式(5-14)两边求导数可得

(5-15)

3.机械产品的故障分布类型

一般情况，产品可靠性指标都与该产品的故障分布类型有关。若已知产品的故障分布函数，就可以求出其可靠度R(t)、故障率λ(t)及其他可靠性指标；若不知道具体的故障分布函数，但知道故障分布类型，也可以通过参数估计的方法求得某些可靠性指标的估计值。

1)指数分布

(1)若机械产品寿命的随机变量为T，且分布密度函数可表示为

f (t) = 

e-

t，t≥0

(5-16)

则称该随机变量T服从指数分布。其累积分布函数为

，0≤t≤∞

(5-17)

指数分布密度函数曲线和指数累积分布函数曲线分别如图5-5和图5-6所示。图5-5指数分布密度函数曲线图5-6指数累积分布函数曲线

(2)指数分布的部分可靠性指标：

①可靠度函数为

(5-18)

②故障率函数为

(5-19)

③平均寿命

(5-20)

指数分布可靠度函数曲线和指数分布故障率函数曲线分别如图5-7和图5-8所示。图5-7指数分布可靠度函数曲线图5-8指数分布故障率函数曲线

2)正态分布

正态分布是在机械产品和结构工程中研究应力分布和强度分布时，最常用的分布形式。它对于因腐蚀、磨损、疲劳而引起的失效分布特别有用。

正态分布曲线的观测值在平均值附近出现的机会最多；大小相等、符号相反的偏差发生的频率大致相等；特大正偏差和特大负偏差趋近于零。

(1)正态分布的定义：若随机变量T的密度函数为

(5-21)

则称T服从均值为μ和标准差为σ的正态分布，记为T～N(μ，σ2)。其中，N(μ，σ2)表示参数为μ和标准差为σ的正态分布，μ是位置参数，σ是尺度参数。正态分布密度曲线如图

5-9所示。图5-9正态分布密度曲线正态分布的累积分布函数为

(5-22)

当μ =

0，σ =

1时，称为标准正态分布，记为X～N(0，1)，其中X为随机变量。此时分布密度函数为

(5-23)标准正态分布的累积分布函数用表示，则

(5-24)

标准正态分布函数已作成数表，可在有关数学手册或者概率统计的附录中查到。

(5-25)式(5-22)一般不便计算，通常用标准正态分布函数来计算。若令，则，因此

(5-26)

(2)正态分布的部分可靠性指标：

①可靠度函数R(t)。由式(5-9)和式(5-26)可知

(5-27)

②故障率函数λ(t)。由式(5-12)、式(5-21)和式(5-27)可知

(5-28)

上述R(t)及λ(t)的分布曲线分别如图5-10和图5-11所示。图5-10正态分布可靠度曲线图5-11正态分布故障率曲线

3)威尔布分布

威尔布分布是可靠性技术中常用的一种比较复杂的分布，它含有三个参数，适应性较强，各领域中有很多现象都近似符合威尔布分布，对产品寿命曲线中的三个失效期都可以适应。威尔布分布尤其适用于机电类产品的磨损累计失效的分布。

(1)威尔布分布的表达式：

故障概率密度函数为

，t≥γ(5-29)

累积故障分布函数为

，t≥γ(5-30)图5-12所示是不同m对应的不同故障密度函数f (t)曲线。γ不影响f (t)的形状，仅表示曲线的位置平移了一个距离|v|。当v >

0时，表示在v以前不会发生故障，因此，γ称为最小保证寿命，如图5-13所示。t0影响了f (t)的高度和宽度，当t0较小时，f (t)曲线高而窄，陡度大。如图5-14所示。图5-12威尔分布f(t)曲线(t0= 1，v = 0)

图5-13威尔分布f (t)曲线(m= 2，t0 = 1)图5-14威尔分布f (t)曲线(m= 2，t0 = 0)

(2)威尔布分布的部分可靠性指标：

①可靠度函数为

，t≥0(5-31)

当to和v不变时，R(t)的曲线随m取值不同而变化，如图5-15所示。图5-15威布尔分布可靠度曲线

②故障率函数为

，t≥γ(5-32)

当m值不同时，λ(t)的曲线也不同。当m = 1，为常数，λ(t)为平行于X轴的直线；当m > 1时，λ(t)随时间增加而迅速上升。由此可见，m < 1，m = 1和当m >

1时，不同取值的故障率曲线分别相当于产品寿命曲线中的早期故障期、偶发故障期和磨损故障期，如图5-16所示。图5-16威布尔分布故障率曲线(to= 1，v > 0)

4.系统或产品的可靠性

根据零部件的可靠性数据可以预计产品的可靠性指标，例如可靠度、故障率或平均寿命。相比而言，零组部件的可靠性数据一般都是通过抽样试验，利用数理统计方法对试验结果数据加以处理，根据可靠性理论计算出零组部件的可靠度或故障率等。对于串联配置方式，如果系统中的任意一个单元发生故障，就会导致整个系统发生故障。假设每个单元的可靠度为R1，R2，R3，…，Rn，则系统的可靠度为

Rs(t) = R1R2R3…Rn(5-33)

对于并联配置方式，系统的可靠性为

Rs(t) = 1－(1－R1)(1－R2)…(1－Rn)(5-34)

5.4实例：手持电动工具

手持电动工具具有携带方便、操作简单、功能多样、安全可靠性高等优良特性，因此，近年来被广泛应用于建筑、住房装潢、汽车、机械、电力等部门，可以减轻劳动强度，提高工作效率。5.4.1手的生理结构

人手是由骨骼、动脉、神经、韧带和肌腱组成的复杂的结构，因此人类的双手能做复杂而灵巧的捏、握、抓、夹、提等动作。人每只手共包括27块骨骼，双手骨骼数量超过人体骨骼总数的1/4。在指末节皮肤的乳头层内，有十分丰富的感觉神经末梢及感受器，两点区别试验可达3～5mm距离，有极其灵敏、精细、良好的实体感觉，仅0.001mm的皮肤变形即可产生触觉，通过手灵敏的触觉就可以识别物体的形状，软硬、粗糙程度等。5.4.2手持电动工具的设计

1.设计原则

(1)必须有效地实现预定功能。例如使用一把斧子时，必须将其最大动能转入斩切作业，利索地劈开木头纤维，并抽出斧头。

(2)必须与其使用者身体成适当比例，使人力作业效率最高。

(3)必须按照作业者的力度和工作能力来设计，因此要适当考虑性别、年龄、训练程度、身体素质的差异性。

(4)不应引起过度疲劳，即不应引起作业者采取不寻常的作业姿势或动作而消耗更多的体能。

(5)它必须以一些形式向其使用者提供一些感官反馈，如压感、一定的振动、触感、温度等。

(6)所需要的开发资本和维护成本应当是合理的。

2.影响设计的生理因素

避免静态肌肉施力。当需要臂部较长时间握持工具时