为了保证安全生产，必须根据对机械设备的安全要求，进行安全设计。在设计阶段采取本质安全的技术措施。本质安全是指一般水平的操作者在判断错误和误操作的情况下，生产系统和设备仍能保证安全。

一、设备安全设计的主要内容

1．设备本质安全的意义

“安全第一、预防为主”的方针体现在当安全和生产发生矛盾时，安全是第一位的。所有机械设备必须符合安全使用要求，在设备的使用寿命期内保证操作者的安全。应该要求操作者正确操作，但是把希望完全寄托在操作者的正确操作是危险的，必须使设备本身达到本质安全。在设计阶段必须考虑各种因素。经过综合分析，正确处理设备性能、产量、效率、可靠性、实用性、先进性、使用寿命、经济性和安全性之间的关系。其中安全性是必须首先考虑的。

不安全的设计会导致不必要的伤害和事故。最好的办法是采纳使用单位包括操作者的建议，不断改进设计，提高设备的安全性。安全设计的目标是产品100%达到质量要求，具有100%可靠性和100%的操作维修安全性。本质安全的设备具有高度的可靠性和安全性，可以杜绝或减少伤亡事故，减少设备故障，从而提高设备利用率，实现安全生产。

2．设备本质安全的指导思想

根据生产设备安全设计的基本要求和制定安全技术措施的基本原则，为了实现设备的本质安全，可以从三方面入手：

（1）设计阶段。采用技术措施来消除危险，使人不可能接触或接近危险区，如在设计中对齿轮采用远距离润滑或自动润滑，即可避免因加润滑油而接近危险区；将危险区安全封闭；采用安全装置；实现机械化和自动化等；这些都是设计阶段应该解决的。

（2）操作阶段。建立有计划的维护保养和预防性维修制度；采用故障诊断技术，对运行中的设备进行状态监测；避免或及早发现设备故障；对安全装置进行定期检查，保证安全装置始终处于可靠和待用状态；提供必要的个人防护用品等。

（3）管理措施。指导机械的安全使用，向用户及操作人员提供有关设备危险性的资料、安全操作规程、维修安全手册等技术文件；加强对操作人员的教育和培训，提高工人发现危险和处理紧急情况的能力。

上述三方面中，设计阶段所应采取的措施是主要的。后两方面的措施只是补充。

二、本质安全的主要措施。

1．本质安全的目的

本质安全是指操作失误时，设备能自动保证安全；当设备出现故障时，能自动发现并自动排除，能确保人身和设备安全。为使设备达到本质而进行的研究、设计、改造和采取各种措施的最佳组合，都称为本质安全化。

本质安全化的目的是：运用现代科学技术，特别是安全科学的成就，从根本上消除能形成事故的主要条件；如果暂时达不到时，则采取两种或两种以上的相对安全措施，形成最佳组合的安全体系，达到最大限度的安全。同时尽可能采取完善的防护措施，增强人体对各种危害的抵抗能力。本质安全化强调先进技术手段和物质条件在保障安全生产中的重要作用。随着科学技术的进步，设备本质安全化程度也会不断提高。不会停留在现有的水平上。

2．本质安全化的主要内容

设备的本质安全措施可以通过设备本身和控制器的安全设计来实现。

（1）本质安全化的基本思路。

①从根本上消除发生事故的条件。这是最理想的措施。许多机械事故是由于人体接触了危险点，如果将危险操作采用自动控制，用专用工具代替人手操作，实现机械化等都是保证人身安全的有效措施。

②设备能自动防止操作失误和设备故障。操作失误是操作人员违反操作规程的行为，设备故障是设备或其零、部件的功能受到损伤或破坏，以致不能正常运转而使其技术性能下降甚至完全丧失。这些现象在生产中是难以完全避免的。因此设备应有自动防范措施，以避免发生事故。这些措施应能达到：即使操作失误，也不会导致设备发生事故；即使出现故障，应能自动排除，切换或安全停机；当设备发生故障时，不论操作人员是否发现，设备应能自动报警，并作出应急反应，更理想的是还能显示设备发生故障的部位。

（2）常用的措施。

⑴采用机械化、自动化和遥控技术。这是消除危险因素和人接触最佳方案。机械的可靠性一般比人的可靠性高，人易受生理、心理以及外界因素的影响，一般认为的人失误率在1%以上。设计优良的机械，其故障率至少在0.1%以下，使用可靠性高的零、部件，机械的故障率可达到0.01%。采用机械化、自动化和遥控技术代替人的手工操作，是提高劳动生产率，降低劳动强度，减少设备故障率，防止错误操作，保证操作者安全和设备安全最有效的措施。尤其适用于危险作业和在恶劣的作业环境中代替人进行操作。

⑵采用可靠性设计，提高机械设备的可靠性。

⑶采用安全防护装置。当无法消除危险因素时，采用安全防护装置隔离危险因素是最常用的技术措施。带有联锁装置的防护罩是最好的本质安全措施。

⑷安装保险装置，保险装置又叫故障保险装置。这种装置的作用与安全防护装置稍有不同。它能在设备产生超压、超温、超速、超载、超位等危险因素时，进行自动控制并消除或减弱上述危险。安全阀、单向阀、超载保护装置、限速器、限位开关、爆破片、熔断器、保险丝、力矩限制器、极限位置限制器等都是常用的保险装置。

⑸采用自监测、报警和处理系统。利用现代化仪器仪表对运行中的设备状态参数进行在线监测和故障诊断。当出现异常现象时，能自动报警，发出声、光报警信号，并且动作出应急反应，如自动停机、自动切换到备用设备等。

⑹采用冗余技术。冗余技术是可靠性设计常采用的一种技术，即在设计中增加冗余元件或冗余（备用）设备，平时只用其中一个，当发生事故时，冗余设备或冗余元件能自动切换。

⑺采用传感技术 在危险区设置光电式、感应式、压力传感式传感器，当人进入危险区，可立即停机，终止危险运动。

⑻安装紧急停车开关。

⑼向操作者提供机械关键安全功能是否正常（设备的自检功能）的信息。

⑽设计程序联锁开关。设计对出现错误指令时，禁止启动的操纵器。这些关键程序只有在正常操作指令下才能启动机械。

⑾配备使操作者容易观察的，能显示设备运行状态和故障的显示器。

⑿采用多重安全保障措施。对于危险性大的作业，要求设备运行绝对安全可靠。为了防止出现故障和发生误操作，应采用双重或多重安全保障措施，使设备运行万无一失。

二、可靠性设计

1．可靠性技术和可靠性设计

设备在规定的时期内，在规定的条件下，完成规定功能的能力称为设备的可靠性。可靠性技术已成为提高使用寿命、减少设备故障、实现安全生产的重要手段。可靠性技术和安全技术有密切的关系，但两者又不完全相同。

许多可靠性技术采用的方法已被安全技术所采用，许多基本概念也用到安全技术和安全管理上。安全技术所用到的事故树分析（FTA）就是沿用可靠性工程的故障树分析方法。故障模式影响分析（FMEA）和故障模式影响及危害度分析（FMECA）也是可靠性工程的重要方法。安全技术措施有许多也是可靠性技术常用到的措施。因此，可以说安全技术的基础是可靠性技术。但是可靠性技术不能完全代替安全技术。可靠性技术只能解决物质条件的安全，安全技术还要解决操作设备的人的安全。当然如果没有可靠性技术提供物质保证，安全技术也是无能为力的。设备的本质安全在很大程度上要依靠可靠性技术。

可靠性设计是设备安全设计的重要内容。任何设备都必须具备一定的工作性能，要求使用方便、容易维修、经久耐用。在设计时，应该综合考虑下列因素：

（1）经济性、设备用途和使用条件；

（2）设备设计的复杂性和成熟程度；

（3）设备制造时的复杂性和难度；

（4）设备结构上不出现故障，即“结构可靠性”高；

（5）精度满足使用要求，即“使用可靠性高”；

（6）在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力高，即设备的可靠性高。这个时期的使用寿命（无故障工作时间），在可靠性工程中称为“保险期”，要求使用寿命长；

（7）设备有效性高，即故障率低；

（8）维修性高，出了故障能很快发现并容易排除故障；

（9）对设备安全性的要求。

后6个因素都与设备的可靠性有关。

2．可靠性设计的基本知识

（1）可靠性设计的意义。

可行性设计是可靠性工程的重要组成部分。这里只介绍与机械安全有关的基本知识，以便设备管理人员、安全工作人员能运用所介绍的知识在工作中正确地处理下列问题：

①比较和选择可靠性高的设备；

②对设备故障进行记录、分析，研究故障机理，随时将故障资料反馈给设备设计、制造单位，以便改进设计和提高制造质量，从而提高设备的可靠性；

③针对现有设备在运行中暴露出来的不安全因素，在现有设备上设计一些简单易行、可靠的安全装置，以确保设备的安全运行；

④指导制订提高可靠性、维修性的方案。

（2）可靠度和故障率。

①可靠性和可靠度。可靠性是评价设备在使用寿命期内可信赖程度的指标。是指设备在规定条件下、规定时间内，完成规定功能的能力。而设备在规定条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率为可靠度。可以用可靠度对设备的可靠性进行具体的试验、测量和比较，也就是可以对可靠性进行定量的测定和衡量，并加以表示。

a可靠度研究的对象 可靠度研究的对象可以是一个系统、一台设备或其中一个零件。设备是由千百个零件组成的，如果其中一个零件出现故障，有可能使整个设备出现故障；因此研究设备可靠度要从研究零件入手。

b规定的条件 包括设备所处的作业环境、使用条件和维修条件。

作业环境：温度、湿度、压力、振动、冲击、粉尘、日晒、雨淋等；

使用条件：负荷大小和性质，操作人员的技术水平等；

c规定的时间随着设备使用时间的延长、零部件的磨损、材料的腐蚀老化而使性能下降，可靠性也将下降，因此可靠性是时间的函数。使用时间不同的设备，其可靠性是不能等价比较的。规定的时间一般应以能达到以最少修理费用和停工损失来确定，如机床一般选定为两次计划修理之间的时间（无故障工作时间）

d规定的功能 指既有明确的功能指标，如功率、流量、速度等，又有明确的失效（出现故障、不能正常工作）界限，如设备质量下降到制造时质量的百分之几就应报废等。

②故障和故障率。故障表示设备处于不正常状态。设备在投入使用和运行过程中，由于某种原因，使设备或其零、部件丧失了其规定功能的事件称为故障。由此可见，可靠性和故障是反映设备运行正反两个方面的状态。

故障率是指在任意给定的时间内，设备或零件出现故障的概率以λ表示。随着时间延长，故障率增加。

③零件可靠度与设备可靠度

的关系。一台设备是由许多零、部件组成的，设备有两种构成方式；串联和并联。

a串联系统设备。这种设备工作时，其组成部分需要同时工作。在串联设备中，任何一个零件失效，整个设备就无法工作。因此，为了使设备不出现故障，要求所有零件在同一时间内都不能出现故障。

整个设备的可靠度要由全部零件不发生故障来保证，因此整个设备的可靠R应该是构成该设备的所有零、部件的可靠度的乘积。设备的可靠度不可能高于其最差零件的可靠度，即设备的可靠度受所使用零件中可靠底最低零件的制约。举例说明，一台设备由n个零件组成，则其可靠度为

R=R＜sub＞1＜/sub＞R＜sub＞2＜/sub＞R＜sub＞3＜/sub＞……R＜sub＞n＜/sub＞

由上式可见，不管使用的其他零件可靠度多高，只要其中有一个零件可靠度很低，该设备的可靠度就不会高。即使所有零件的可靠度都很高，也只能接近1，不可能等于1。随着设备结构的复杂化，零件数量增加，整个设备的可靠度要降低。因此，可靠性技术的关键是提高零件的可靠度和尽量减少设备的零件数。设计人员应选用可靠度高的零件和简化设备结构来提高设备的可靠度。

b并联系统设备。只有各组成部分的零件都出现故障，整个设备才会出现故障，由于可靠度和故障率的关系是

R=1-λ

对并联系统设备，设备故障率为

λ=λ＜sub＞1＜/sub＞λ＜sub＞2＜/sub＞λ＜sub＞3＜/sub＞……λ＜sub＞n＜/sub＞

R =1-（1-λ＜sub＞1＜/sub＞）（1-λ＜sub＞2＜/sub＞）（1 -λ＜sub＞3＜/sub＞）……（1 -λ＜sub＞n＜/sub＞）

由于可靠度<1，上式表明，设备的可靠度大于任一构成零件的可靠度。

在设计时，只要有可能，采用并联结构的设备有利于提高设备的可靠度。

3．可靠性设计

可靠性设计是用最少的费用，设计出可靠性高的设备。除了主要依靠设计人员外，生产、维修、质量管理及使用人员都应该对设备质量提出意见和建议。设计人员在综合各方面有关设备性能、可靠性、安全性等技术资料的基础上，在设计阶段作好提高可靠性、发现和预防各种危险因素的工作。

设备可靠度分为固有可靠度和使用可靠度。固有可靠度是指设计时确定的目标值、预测值或用可靠性试验确认的特征量。使用可靠度是指设备设计后，经过制造、组装、运输、贮存、安装、调试、使用、维修等实际使用过程中达到的可靠度。由于受各种条件的制约，使用可靠度要低于固有可靠度。

（1）提高使用可靠度。为了保证必要的使用可靠度，设计人员必须使设计出来的设备容易操作，最大限度地减轻操作者的体力和脑力消耗以及精神紧张状况，使操作者能以充沛的精力进行劳动，并容易维修，这是提高设备可靠性的重要条件。

使用单位最关心的是设备应具有一定的可靠性的维修性，要求设计和制造单位提供本质安全的设备，从根本上来保证安全生产。如果设备先天不足，可靠性低，要靠使用和维修中另加防护装置或采取其他措施来预防事故，来提高使用可靠性，无论从安全方面和经济方面来说都是事倍功半的。另加的安全装置可能会影响或破坏设备的结构和性能。因此最好的办法是在设计阶段提高设备的可靠性。

（2）可靠性设计的主要内容。

①确定合理的安全系统。安全系数是指零件理论承载能力与实际承受负荷之比。为了使构件可靠地工作，理论计算强度应大于实际负荷，其余量就是由安全系数决定的。在确定安全系数时，既要考虑环境温度、湿度振动、冲击等条件和使用中超负荷、误操作的后果，保证零部件在使用中不发生永久变形、疲劳损伤、蠕变等缺陷，还要考虑所付出的经济代价是否合算。应该选择用最低的费用就能保证设备性能的安全系数。通过选择合理的结构形式，可以少用材料而能大大提高零件的刚性；设计合理的机构可以使零部件的负荷分布合理，以达到变形小，磨损均匀，尽量减少零件变形、磨损对设备输出参数的影响等，都可以增加零件所允许承受的负荷。安全系数过高，不但用料多、设备重、成本增加，而且可能增加结构的复杂性。

②冗余设计（贮备设计）。冗余技术是设备所包含的为完成规定功能所必不可少的组成部分元件的成分（包括硬件或软件）。当冗余为硬件时也称贮备。在设计中，除必要的零、部件外，还可额外附加一套备用零件或备用机构，当设备个别零件、部件出现故障时，整个设备仍能正常工作。这种设计称为冗余设计，所增加的元件，零部件称为冗余元件。如双排滚珠轴承中有一排损坏，另一排照常工作。机械的多重保险装置都是冗余设计。

如果设备本身可靠性很高，再增加冗余设计就不合算了。但是高度危险的设备，安全是压倒一切的因素，即使设备可靠度很高，为了防止万一发生事故，也应采用冗余设计，如果对可靠性很高的设备，按照冗余设计并联连接时，必须注意：

a应经常检查起分流作用的阀、开关和管道的有效性；

b应采取措施保证那些很少使用但可能使用的冗余设备经常处于完好待用状态。

在进行冗余设计时，要避免盲目性：

a在设备尺寸、质量有严格限制的场合，如果采用冗余设计，将备件勉强装入较小的容积内，则有可能由于散热面积减小，使温度上升；或由于振动、冲击、温度等环境条件同时使用于冗余部分而失去了排除故障的能力；由于冗余部分平时不用，因疏忽大意而采用了可靠度差的零件。上述种种原因反而会降低设备的可靠性。

b必须注意冗余部分的分配不能产生差错。如双发动机飞机，即使有一台发动机出现故障，飞机也不会失速或失去平衡。

③耐环境设计。为预防设备、零部件在实际使用中可能遇到的各种环境如高、低温、潮湿、磁场、真空、粉尘、雨淋、腐蚀等因素的影响，在设计上要采取对付环境作用的措施。在设备设计、制造阶段，要进行以可靠性试验为主的耐久性、寿命、高低温、环境、振动、冲击等试验。在设备上装设特别的调节器或缓冲器，可以用来预防设备在运输、搬运、贮存和使用中遇到的高温、振动、冲击等外界作用的影响。

④简化结构和采用标准化零、部件在满足设备功能要求的前提下，提高设备可靠性的秘诀是尽可能使用结构简单的零件，减少零件数量和种类，采用标准零件和标准电路，概括地说，就是简单化和标准化。标准化零件，由于有丰富的批量生产和使用经验，能充分消除缺陷和薄弱点。标准化零件的互换性好，在维修中可加速故障的诊断和修复，市场供应充足，可减少备件的贮备，价格便宜，还可减少加工工具及测试设备的品种和数量。

在采用简单化和标准化设计时，应注意：

a有些设计人员可能不满足于简单设计和使用标准零件，而想有所创新。应该使他们了解：采用已规范化的以及经过性能试验或现场使用考验过的设计和零件是提高可靠性的成功经验。作为提高可靠性的对策与复杂化的方案相比，简单化和标准化是比较现实的作法。

b用户可能要求设计人员设计能在各种不常出现的最恶劣使用条件下确保其可靠性的设备，即进行极端性的极限设计。由于是预防极端情况，会使设备结构复杂化，使用的非标准零件也会增加，降低设备正常使用中的可靠性，反而不能取得理想的结果。

c设计时应考虑制造的难易程度：即采用现行的工艺；所需工艺的数量和种类；各工艺对设备性能的影响；是否需要开发新工艺等。采用成熟的制造工艺，有利于提高可靠度。

⑤提高联接部位和可动零部件和可靠度 设备的联接部位有螺栓、焊接部位、销子、键、密封器等；可动零、部件有轴和轴承、啮合的齿轮、皮带和皮带轮、联轴节等。这些部位故障率高，易诱发事故，是设计中应充分注意的重点部位，应采取措施提高其可靠度。

⑥配备必要的安全防护装置安全防护装置可以防止误操作、超载和外部环境突变，如停电而引起的故障和事故，或控制故障和事故的影响范围。

⑦采用状态监测，故障诊断技术和自动控制技术。状态监测和故障诊断技术的作用。为了使设备长期保持出厂时的精度和功能，现代设备应具有适应条件变化的功能，以及恢复丧失的工作性能和输出参数变化的功能，可以采用自动化技术自动补偿零部件的磨损量，使机械长期保持标准工作精度。自动化技术还广泛应用自动监测、自动报警、自动排除故障、自动停机、自动切换备用设备、自动喷水灭火等场合。

⑧充分考虑人的因素。机械是由人操作的，机械与人形成了人机系统。与机械出现故障一样，人机操作不是绝对可靠的。人的可靠性一般要低于机械的可靠性。设计时应充分考虑人的特点和能影响他正确操作的因素。要根据人的正常工作能力如反应能力、接受信息和处理信息的能力、耐疲劳性、容许限度、人的局限性等，设计合理的作业环境和操作方法。

人对各种刺激的反应时间大体范围是：视觉信号50~225ms，听觉信号120~180ms，温度触觉信号150~240ms，疼痛信号400~1000ms。由此可见，人对听觉信号反应最快，设备采用听觉报警信号，可以使操作者尽早引起注意。

设备的显示器应使人容易看到和听到，而且在长期观察和监听时不易疲劳。设备操纵动作应合乎人的习惯，如手柄向上扳就是操纵运动部件向上运动。操纵力要适当，用力过小易于意外启动或停机，用力过大，使操作者费力而容易受伤或疲劳。

控制器和显示器要集中，数量尽可能少。人的差错率与操作的复杂程度和工作量成正比。应尽量发挥机械控制器和传感器对信号感觉灵敏、反应速度快，能够准确重复完成大量规定动作等特点，减少操作者的劳动强度。

由于生理、心理、体力、疾病等因素，操作者出现误操作是不可避免的。为了保证安全，应考虑到一旦操作失误可能引起的后果，在设计中采取必要的预防措施。

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文章名称：《机械设备的安全设计》

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