机械产品安全设计及评价研究-田艳云.pdf

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1、独创性声明l熘哕必本人郑重声明：今所呈交的机械产品安全设计及评价研究论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的科研成果。尽我所知，文中除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的内容及科研成果，也不包含为获得首都经济贸易大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。作者签名：关于论文使用授权的说明本人完全了解首都经济贸易大学有关保留、使用学位论文的有关规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅、借阅或网络索引：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采取影印、缩印或其它复制手段保存论文。(保密的论文在解密后应遵守此规定)兰基日期：衅上月王日首都经济贸易大学硕

2、士学位论文 机械产品安全设计及评价研究摘要随着社会进步和科学技术飞速的发展，人民生活水平得到了不断的提高，机械已经成为人类进行生产活动的主要工具。如今机械产品在结构、性能和作用上不断趋于复杂多样性，同时机械产品引发的事故也曰趋增多。为了有效提高机械产品安全性，在产品的研制过程中通过设计手段控制产品生命周期内的危险因素是解决问题最根本的方法。机械安全设计是在此背景下，以物的安全为中心的现代安全设计方法。安全评价是机械安全设计的关键支撑环节，现有的安全评价大都是针对已有的产品进行数据收集，建立评价模型进行安全评价，缺少对于设计阶段的产品安全性的评价研究。并且国内很多学者都致力于人机工程、可靠性设计

3、等方面的研究，关于如何对机械产品进行安全设计及评价的研究还不多见。资料显示，设计阶段决定了产品性能的70一80，如何在设计阶段对机械产品全生命周期的安全性做出正确评价，是机械安全设计能否成功的关键。在此背景下，本文对机械产品安全设计方法进行了研究，建立了针对上游设计阶段的机械产品安全设计方法框架。首先，本文在现代产品设计方法的基础之上，结合产品的一般设计流程，建立基于安全特征的机械产品安全设计方法框架，供产品设计开发人员参考、使用。其次，针对机械产品安全设计的重要内容和关键技术，本文研究了一种面向机械安全设计的机械产品安全评价方法，对产品设计的安全性进行评价，在文中阐述了该评价方法的评价流程。

4、最后，本文以某砂轮机为实例论证研究内容的有效性。关键词：机械产品；安全设计；安全特征；安全评价首都经济贸易大学硕士学位论文 机械产品安全设计及评价研究ABSTRACTWitll me rapid development of social and technology，t11e 1evel of nationallife hasbeen contiIluously improvedMore aIld more security issues in1e life cycle ofmechanical products are paid attention graduallyDue to mech

5、aIlical productS on mes仇lcture，pemmlance and mnction const觚tlV tend t0 be diversity，various kiIlds ofdallPrerous accidents also happenedA110ugh t11e safbty desi霉m study of t11e mech粕icalproducts has been a long histor砜the cullrent咖dy level also cannot mlly cope withsome mechanical product sa王ety iss

6、uesWim me ralpid development of也e level ofeconomy and science aIld the appearing of也e modem product design metllodsBasedon廿1e i11tuitive desi擘：11，experience in desi星皿aJld static desi擘皿，nIaditional desigll me10dc籼ot如lly meet me requirements of todays socie钾As a result，the safe田design willbe researche

7、d in the paper and me risk of t11e 6ltllre life cVcle will be idemmed aJldevaluated i芏1 the stage of production desigllationFirst of all，the modem product design method，combined with tle general designprocess of product is applied in this paperF删!llework of mechaJlical product safetydesign based on

8、the safle田characteristics is established to giVe a reference to the personwho works witll product design and developmentSecondly，An important link in廿1emechanical safe田design is risk evaluation，aIld the definition of risk evaluation a11dsafety analysis are summed in this paperWhats more，a method of

9、safetV analVsis andrisk evaluation are rese踟ched to decide risk acceD切nce criteria of tlle mechanicalproductS and to evaluate也e saf乱y level of mechanical product designFinally；a grinderis taken for an exaI】le to demons舰te the validi钾of也e research of this paperKey words：mechanical product；saflety des

10、ign；safe够chmcteristic；Safe哆evaluationII首都经济贸易大学硕士学位论文 机械产品安全设计及评价研究目录1绪论111 研究背景l12研究目的及意义113机械安全设计的国内外研究现状2131 国外研究现状2132国内研究现状314研究内容42机械产品安全设计方法521传统的机械产品设计522现代产品设计方法5221 并行设计5222面向产品全生命周期的设计6223 TRIZ方法7224系统化设计方法8225基于产品特征知识的设计方法8226结构模块化设计方法9227智能化设计方法923产品设计的一般过程924机械安全设计主要内容及原则12241 机械安全设计的主

11、要内容13242机械产品安全设计主要遵循原则1 525机械产品安全设计方法框架16251机械产品安全设计流程16252机械产品安全设计方法18253安全特征的具体内容203机械产品安全评价2131安全评价概述21311安全评价简介2l312机械产品安全评价的一般流程2132机械产品危险因素识别22321事故链建模23322场景事件建模2433机械产品事故概率及后果严重度计算25331 事故概率计算25332后果严重度计算2834机械产品危险度计算2835机械产品危险度可接受标准29351 影响危险度可接受水平的因素分析29352可接受标准确定时应遵循的通用的基本原则30353 ALARP原则3

12、0354确定危险度可接受标准33355机械产品安全评价结论33TTl首都经济贸易大学硕士学位论文 机械产品安全设计及评价研究4实例验证3441 除尘式砂轮机基本概况3442除尘式砂轮机的安全评价35421事故概率计算35422事故后果严重度计算38423产品造成事故危险度38424结果分析及改进措施395结论和展望40参考文献41致谢44攻读硕士学位期间发表学术论文情况45IV首都经济贸易大学硕士学位论文 机械产品安全设计及评价研究1绪论1一研究背景随着科技和经济的快速发展，人们的生活水平在逐步提高，机械设备在人们的生活和生产中扮演着越来越重要的角色。不仅如此，很多产品的种类随着技术的发展变得

13、更加繁多，技术构成愈加复杂，产品功能得到了不断的完善。更有复杂产品往往由数以万计的元件组成，元件与元件之间又以非常复杂的关系相连接，在研制和利用这些元件的过程中常常涉及高能量的控制问题，丝毫的差错就可能引起大量的能量意外释放，导致灾难性事故的发生121。根据经验，机械事故主要形式有碾、剪、割、刺、划、绞、卷、撞、挤、夹等伤害，每种事故类型发生的次数均很多，约l万人次每年。可见机械作业是一种事故多发性作业，近年来，机械设备的事故比较多，发生机械事故的原因可归纳为人的不安全行为、设备的不安全状态和环境的不安全因素三个方面，据统计，由于设备的不安全状态而造成的各类事故占机械伤害事故的7156。我国机

14、械伤害事故中，多数事故也与防护不当密切相关，因此，重视机械的安全性是十分重要的。机械安全作为可持续发展的重要组成部分，关系到企业的财产安全和生产人员的人身安全。为了从根本上防止机械伤害的隐患，应尽量采用各种有效的先进的技术手段，从根本上消除危险的存在，使机器具有自动防止误操作的功能、完善的自我保护能力以及优先采用安全保护措施，就必须从设计入手。对于机械产品，学者们更多的开始关注采取何种措施来尽可能的实现机械产品的安全功能pJ。最常见的提高产品安全性的方法，就是应用设计手段消除或控制导致产品发生事故的危险因素，从而提高产品的本质安全度。而且识别危险并对其进行评价是机械产品安全设计的必经之路，遂提

15、出了该论文题目。12研究目的及意义产品设计开发尽管是一类工程性活动，但其中包含着丰富的科学基础问题，德国学者在20世界70年代就提出了“设计就是科学”的论断。多年来，世界各国学者和组织在不断地探寻各种提高机械产品安全性的理论、技术与方法，先后提出了并行设计、面向产品全生命周期设计、系统化设计方法、基于产品特征知识的设计方法、结构模块化设计方法等多种理论方法。通过这些方法，产品在某些方面的设计需求得到了不同程度上的满足，也促进了产品设计质量的提高。与此同时，国内外也建立了一系列的系统安全大纲，大纲中也对产品安全性的控制与管理做出了规第l页，共45页首都经济贸易大学硕士学位论文 机械产品安全设计及

16、评价研究定，制定了条款。至此，该领域的研究集中到产品在设计阶段就将全生命周期中某一特性纳入其中的理论研究、技术与方法开发方面，并形成了将现代产品设计理论与信息技术相结合的研究热点。随着社会进步和科学技术飞速的发展，国民生活水平得到了不断的提高，机械已经成为人类进行生产活动的主要工具。如今机械产品在结构、性能和作用上不断趋于复杂多样性，机械产品引发的事故形式五花八门。为了有效提高机械产品安全性，在产品的研制过程中通过设计手段控制产品生命周期内的危险因素是解决问题最根本的方法。机械安全设计是在此背景下，以物的安全为中心的现代安全设计方法。安全评价是机械安全设计的关键支撑环节，现有的安全评价大都是针

17、对已有的产品进行数据收集，建立评价模型进行安全评价，缺少对于设计阶段的产品安全性的评价研究。并且国内很多学者都致力于人机工程、可靠性设计等方面的研究，关于如何对机械产品进行安全设计及评价的研究还很少。设计阶段决定了产品性能的70一80，如何在设计阶段对机械产品全生命周期的安全性做出正确评价，是机械安全设计能否成功的关键。在此背景下，本文对机械产品设计阶段的安全设计方法进行重点研究，建立针对上游设计阶段的机械产品安全设计方法框架，支持我国机械产品的安全设计。13机械安全设计的国内外研究现状131国外研究现状人类使用机械装置己有几千年的历史。机械安全在机械的使用过程中得到了发展和重视，20世纪60

18、年代时，机械安全形成了一门专业的技术甚至是一门专业学科，究其原因，主要与科学的进步和技术的发展有关。机械故障诊断技术是机械安全技术得以发展的根源所在，美国是其发源地。机械事故频发现象，引起人们对机械安全广泛关注的同时也意识到其重要性。因此，美国1967年4月设立机械故障预防小组(MFPG，Mechallical Fault Prevemion Group)对机械故障做专门研究。受其影响，美国AS、EP对的等知名组织与机构也纷纷效仿，成立了从事机械故障研究方面的专门机构，并进行学术交流活动【4】。英国是在欧洲最早开展这项活动的国家，虽然瑞典、葡萄牙、法国、丹麦、挪威等国家起步较晚，但是进步却很快

19、。与之相比亚洲的反应相对慢些。20世纪70年代初，日本才开始进行对机械故障这项技术的研究。随着经济的快速发展，市场竞争愈来愈激烈，针对机械事故频发的现象，专家学者们一直都在寻求减少机械事故的方法，20世纪80年代，他们以机械设计为基础，正式提出了机械安全设计的概念。第2页，其45页首都经济贸易大学硕士学位论文 机械产品安全设计及评价研究20世纪90年代，欧盟和美国针对“符合性”安全工作，以系统安全工程方法为指导，为了在设计过程的每一个环节上消除危险，提高机械产品的本质安全度，相继制定和颁布了具有一致性的机械安全风险评价模式，对开展系统安全性分析评价工作起到了强调的效果。如今，机械风险评价作为机

20、械安全设计的重要环节，其理论和方法已经得到了全面的应用，在技术贸易壁垒中，机械风险评价成为了消除或降低机械产品风险的必经之路。132国内研究现状相比其他先进国家我国对于机械产品安全方面的研究起步较晚。我国于1970年代后期才开始接触机械故障诊断技术，正式对其进行研究是在20世纪80年代，90年代才将其真正应用到实际中【51。目前，虽然我国已经在安全人机工程、可靠性工程等学科方面取得了一定的成绩，但应用安全系统工程来指导机械设计的研究还处于几乎空白的阶段。最近几年，我国不断加强对机械安全设计的研究，并取得了相当可人的成绩。1994年我国成立了机械安全标准化技术委员会(SACTC208)，主要负责

21、组织我国机械安全方面的国家标准的制定工作。1997年发布了由SACTC208组织制定的国家标准机械安全一风险评价的原则。此标准等效采用欧盟在1994年制定的标准草案，在当时较为先进。时隔10年之久，终于在2009年4月1日实施了机械安全一风险评价原则第1部分：原则(GBT 1685612008)这一新标准，代替了1997年实行的老标准，给出了进行风险评价所需的信息指南，规定了识别危险、评估和评定风险的程序等内容。与GBT 168561997相比，在术语和定义、风险评价信息、机械限制的确定、危险识别、危险评估、风险评定等技术内容做出了修改【6】。2013年3月1日又实施了机械安全设计通则风险评估

22、与风险减小(GBT 157062012)新标准，标准中规定了实施机械产品在生命周期内进行危险识别、估计和评价风险的程序【71。近年来，国内的一些学者陆续的开展了对于机械安全设计和风险评价的理论与方法的研究及应用工作。机械工业技术发展委员会组织相关单位进行了机械产品安全设计及计算机辅助设计信息系统的研究项目研究，主要研究机械产品的通用安全设计、金属切削机床的安全设计以及机械产品行业安全数据库的建立等18J。山东科技大学的陈磊提出了一种面向高速机床安全性能的评价及优化方法，这种方法的提出，主要根据是系统安全工程的理论。其内容主要包括：高速磨床系统安全性能优化安全程序设计、高速机床系统安全目标和要求

23、、高速机床系统危险分析、高速机床系统风险评价等四个部分【91。实事求是地讲，我国在机械安全性方面，包括在产品设计阶段如何进行安全性评价等领域的研究还远落后于工业发达国家。目前还没有相对成熟的机械安全评价第3页，共45页首都经济贸易大学硕士学位论文 机械产品安全设计及评价研究模式和安全设计规范，不能很好地开展机械安全评估。14研究内容针对目前我国机械安全设计的研究现状，在借鉴前人对机械安全设计的研究成果基础上，本文主要做了以下几个方面的研究：1随着经济和科学水平的快速发展，现代产品设计方法应运而生，以直觉设计、经验设计、静态设计为基础的传统设计方法己不能充分满足当今社会的要求，遂本文应用现代产品

24、设计方法，结合产品的一般设计流程，建立基于安全特征的机械产品安全设计方法框架，供产品设计开发人员参考、使用；2安全评价作为机械安全设计的一个重要环节和关键技术，本文研究了一种面向机械产品安全性的评价方法，对设计阶段的机械产品安全性进行评价，本文首先通过故障树和事件树方法求出危险事件发生概率；其次以机械安全事故对操作者及设备两方面的最大可能损失为根据计算后果严重度，通过计算求出危险度，以危险度和机械产品危险度可接受标准确定机械产品的安全性是否为人们可接受的，根据结果得出结论。本文研究内容为北京市教委科技面上项目(汜01210038002)“面向安全性的产品设计理论和方法研究”的部分研究内容，同时本文的研究工作还得到了首都经济贸易大学研究生科技创新项目的资助。第4页，共45页