第四章 安全人机工程.docx
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第四章安全人机工程
第四章 安全人机工程
第一节 安全人机工程基础知识
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 安全人机工程基本知识
4.1.1大纲要求与分析
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。
4.1.2教材重点提示
一、安全人机工程的概念、主要研究内容及其分类
安全人机工程是运用人机工程学的理论和方法研究“人——机——环境”系统,并是三者在安全的基础上达到最佳匹配,以确保系统高效,经济运行的一门综合性的科学。
(二)安全人机工程的主要研究内容
安全人机工程主要研究内容包括如下4个方面:
1.分析机械设备及设施在生产过程中存在的不安全因素,并有针对性地进行可靠性设计、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,以建构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环境中彻底解脱出来,实现安全生产。
(三)人机系统的类型
机械化、半机械化控制的人机系统,以人机工体或机为主体、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。
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。
在全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。
其结构框图如图4—2所示。
图4—1 机械化、半机械化人机系统简图
图4—2 全自动化人机系统简图
二、机械设计本质安全
(一)机械设计本质安全的定义
机械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隐患的一种实现机械安全的方法。
包括在设计中排除危险部件,减少或避免在危险区工作,提供自动反馈设备并使运动的部件处于密封状态等。
(二)机械失效安全
机械设计者应该在设计中考虑到当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)机械部件的定位安全
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。
设计者必须考虑到人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)机器的安全布置
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。
布局时要考虑如下因素:
(1)空间。
便于操作、管理、维护、调试和清洁。
(2)照明。
包括工作场所的通用照明(自然光及人工照明,但要防止炫目)和为操作机器而需的照明。
(3)管、线布置。
不要妨碍人员在机器附近的安全出入,避免磕绊,有足够的上部空间。
保证维修时人员的出入安全。
第二节 人的特性
4.2.1大纲要求与分析
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。
4.2.2教材重点提示
一、人的生理因素与安全的关系
(一)人的感觉与感觉器官
1.视觉
(1)常见的几种视觉现象
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1min,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,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,并容易引发事故。
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。
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:
破坏暗适应,产生视觉后像;降低视网膜上的照度;减弱被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。
3)视错觉。
人在观察物体时,光线不仅使神经系统产生反应,而且由于视网膜受到光线的刺激,会在横截面上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。
2.听觉
(1)听觉特性
1)听觉绝对阈限
2)听觉的辨别阈限
3)辨别声音的方向和距离
(2)听觉的掩蔽
3.人的感觉反应
(1)反应时间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0.1-0.5秒。
(2)减少反应时间的途径
(二)人体的特性参数
1.人体特性参数
与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4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,如人体高度及各部位长度尺寸。
(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等两方面的参数。
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的人体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。
2.人体劳动强度参数
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4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。
(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
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,保证合理的温湿度、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)能力影响能力的因素很多,主要有感觉、知觉、观察力、注意力、记忆力、思维想象力和操作能力。
(二)性格性格的主要表现形式,可归纳为冷静型、活泼型、急躁型、轻浮型和迟钝型5种。
(三)气质
(四)需要与动机
(五)情绪与情感
(六)意志
第三节 机械安全的特性及故障诊断技术
4.3.1大纲要求与分析
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。
4.3.2教材重点提示
一、机械安全的定义及特性
(一)机械安全的定义:
机械安全是指及其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。
(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,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消耗来提高安全性,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
(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,即两旋转件之间或旋转件与固定件之间的运动将人体某一部分卷入或挤压。
这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,做往复直线运动的工作台或滑枕等执行件撞击人体;高速旋转的工具、工件及碎片等击中人体;起重作业中起吊物的坠落伤人或人从高层建筑上坠落伤亡等。
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.机械设备存在先天性潜在缺陷
属于这一类的潜在安全隐患涉及面很广,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.设备磨损或老化
使用过程中由于磨损、老化降低了设备的可靠性而产生潜在危险因素,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。
三、机械设备故障诊断技术
(二)故障诊断的基本流程及实施步骤
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的预测和干预。
(三)故障诊断与状态监测
故障诊断与状态监测如图4—5所示,是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。
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
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。
(五)其他故障诊断技术
第四节 机械的可靠性设计与维修性设计
4.4.1大纲要求与分析
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。
4.4.2教材重点提示
一、可靠性定义及其度量指标
(一)可靠性定义
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。
这里所说的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、操作者的技术水平等)、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
主要包括:
可靠度、故障率、平均寿命、维修度、有效度
2.故障率(或失效率)
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。
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
产品的失效过程可分为以下3个阶段:
(1)早期故障期。
产品在使用初期,由于材质、设计、制造、安装及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,但经过不断的调试和排除故障,加之相互配合件之间的磨合,使故障率较快地降下来,并逐渐趋于稳定运转。
(2)偶发故障期。
这个期间的故障率降到最低,且趋向常数,表示产品处于正常工作状态。
这段时间较长,是产品的最佳工作期。
这时发生的故障是随机的,是偶然原因引起应力增加,当应力超过设计规定的额定值时,就可能发生故障。
(3)磨损故障期。
这个时期的故障迅速上升,因为产品经长期使用后,由于磨损和老化,大部分零组部件将接近或达到固有寿命期,所以故障率较高。
二、系统或产品的可靠性预计
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。
(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
(一)确定零件合理的安全系数
(二)储备设计(冗余设计)
(三)耐环境设计
(四)简单化和标准化设计
(五)提高结合部的可靠性
(六)结构安全设计
(七)设置齐全的安全装置
(八)人机界面设计
(四)简单化和标准化设计
在简单化和标准化设计中应注意如下几点:
1.应避免单纯追求高水平及复杂化,尽量选用标准件。
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。
(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;
操纵机构应设计成在操作时需要用的操作力不大,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
(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,能容易地发现故障,易拆、易检修、易安装,即可维修度要高。
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。
维修性设计中应考虑的主要问题
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3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
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人员的安全外,还必须考虑维修人员的安全,而这后一项工作往往最容易被人们忽视。
第五节 人机系统
4.5.1大纲要求与分析
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。
4.5.2教材重点提示
二、人机系统
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”。
所谓“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,利用其有一定可塑性这一特点。
三、人机功能分配
(一)人在人机系统中的主要功能
人在人机系统中主要有3种功能:
1.传感功能。
通过人体感觉器官的看、听、摸等感知外界环境的刺激信息,如物体、事件、机器、显示器、环境或工作过程等,将这些刺激信息作为输入传递给人的中枢神经。
2.信息处理功能。
大脑对感知的信息进行检索、加工、判断、评价,然后做出决策。
3.操纵功能。
将信息处理的结果作为指令,指挥人的行动,即人对外界的刺激作出反应,如操纵控制器、使用工具、处理材料等,最后达到人的预期目的,如机器被开动运转、零件被加工成形、机器的故障已被排除、缺陷零件已被修复或者更换等。
(二)人机特性的比较
由表4—2可见,
人优于机器的能力主要有:
信号检测、图像识别、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应、操作速度快,精确性高,输出功率大,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。
四、人机系统可靠性计算
(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。
五、人机系统可靠性设计基本原则
1.系统的整体可靠性原则
2.高可靠性组成单元要素原则
3.具有安全系数的设计原则
4.高可靠性方式原则
5.标准化原则
6.高维修度原则
7.事先进行试验和进行评价的原则
8.预测和预防的原则
9.人机工程学原则
10.技术经济性原则
11.审查原则
12.整理准备资料和交流信息原则
13.信息反馈原则
14.设立相应的组织机构
1.机械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安全隐患的一种机械方法。
下列安全技术方法不属于此类的是( )。
A.失效安全
B.个体防护
C.机械作业管、线的合理布置
D.定位安全
提示:
参见教材P168
[答疑编号500223040201]
『正确答案』B
2.下列不符合人机系统可靠性设计的基本原则的是( ):
A.尽量采用手工作业
B.采用可靠性高的零部件
C.安全系数
D.采用自动保险装置
提示:
参见教材P192
[答疑编号500223040202]
『正确答案』A(P192)
3.人机界面设计是人与机器交换信息的环节,如果人机界面设计不当,人与机器接触造成能量逸出,将直接发生事故,在人机界面设计时,应做到( )。
A.考虑人的心理因素
B.操纵机构的合理用力
C.控制器相对分散
D.工作节奏的变化
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