安全生产技术--人机工程

科目3：安全生产技术主讲人：张兴容上海市劳动保护科学研究所2005.7安全生产技术第四章安全人机工程第一节安全人机工程基本知识主要内容：安全人机工程的定义，研究内容，人机系统的类型，机械设计本质安全。一、安全人机工程的概念、主要研究内容及其分类(一)安全人机工程的定义安全人机工程是研究人机环境系统的安全本质，并使三者从安全的角度上达到最佳匹配，以确保系统高效、经济运行的一门应用科学。(二)安全人机工程的主要研究内容安全人机工程在所研究的诸多因素中，主要是研究人与机器的关系，主要内容包括如下4个方面：⑴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⑵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佳人机系统。⑶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。⑷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人机系统主要有两类，一类为机械化、半机械化控制的人机系统；一类为全自动化控制的人机系统。机械化、半机械化控制的人机系统，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。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。二、机器设计本质安全（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安全隐患的一种机械安全方法。包括在设计中排除危险部件，减少或避免在危险区处理工作需求，提供自动反馈设备并使运动的部件处于密封状态之中等。（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：⑴空间：便于操作、管理、维护、调试和清洁。⑵照明：包括工作场所的通用照明（自然光及人工照明，但要防止眩目）和为操作机器而需的照明。⑶管、线布置：不要妨碍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主要内容：人的生理因素包括：感觉器官（视觉、听觉）、机能特性（反应时间）、形态特性（人体特征参数）、生理节奏、疲劳等；人的心理因素包括：心理过程（认识与情感意志）、个性心理（能力、性格、气质与需要、动机）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⑴常见的几种视觉现象⑵视觉损伤与视觉疲劳⑶视觉的运动规律2．听觉听觉的功能有分辨声音的高低和强弱，还可以判断环境中声源的方向和远近。⑴听觉特性⑵听觉的掩蔽3．人的感觉反应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，即存在一段反应时间。⑴反应时间反应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。反应时间是从包括感觉反应时间（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）的总和。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，反应时问约为0.1～0.5s。对于复杂的选择性反应时间达1～3s，要进行复杂判断和认识的反应时间平均达3～5s，具体的带有判别的反应时间t可用下式求得：t=klog2(n+1)式中，k为常数；n为等概率出现的选择对象数；(n+1)是考虑判明是否出现刺激。为了保证安全作业，一方面在机器设计中，应使操纵速度低于人的反应速度。另一方面应设法提高人的反应速度。⑵减少反应时间的途径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，则是直接影响动作时间的重要因素。①合理地选择感知类型。比较各类感觉的反应时间，发现听觉和知觉反应时间最短，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，尽量选用反应时间短的通道去控制和调节机器。②适应人的生理心理要求，按人机工程学原则设计机器。③操作者操作技术的熟练程度直接影响反应速度，应通过训练来提高人的反应速度。(二)人体的特性参数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：⑴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，如人体高度及各部分长度尺寸。我国6大区域人体尺寸及体重见表4—1。⑵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。⑶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。⑷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。(三)大脑的觉醒水平与生理节奏1.大脑的觉醒水平大脑的觉醒水平划分为5个等级。从表中可以看出，Ⅲ级觉醒水平是最佳觉醒状态,工作能力最强,但这种状态只能维持15min左右。在超常态（Ⅳ级）下,由于过度紧张,造成精神恐慌,失误率也会明显增高。2.人体生物节律人体存在着一个以23d为周期的体力盛衰和以28d为周期的情绪波动规律，以33d为周期的智力波。人处于正半周期为高潮期，这时人的心情舒畅，精力充沛，工作成功率高；负半周期为低潮期,这时人的心情不佳,容易疲劳、健忘,工作成绩低。正弦曲线与横轴交点这一天称为“临界点”。3个临界点互不重叠称单临界点,两个临界点重叠称双临界点,3个临界点重叠称3临界点,临界点前后各一天称临界期,临界期也包括3个周期在负半周的重叠日期。在临界点或临界期,体力、情绪和智力极不稳定,最易发生事故。(四)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经⑴疲劳的原因超过生理负荷的激烈动作和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、肌体状况不良以及长期劳逸安排不当等人的生理、心理因素及管理方面的因素,都是造成疲劳的原因。另外,机器本身在设计制造时,没有按人机工程学理论设计或设计不周,也是人体过早出现疲劳的原因。⑵消除疲劳的途径消除疲劳的途径归纳起来有以下几方面：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；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。⑶疲劳的测定二、人的心理因素（一）能力（二）性格（三）气质（四）需要与动机（五）情绪与情感（六）意志第三节机械的安全特性及故障诊断技术主要内容：机械安全的定义及特性，人机系统常见事故及原因，机械设备故障诊断技术。一、机械安全的定义及特性（一）机械安全定义（二）机械安全的特性现代机械安全应具有以下几方面的特性: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,其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所做的无意行为,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。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(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。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)故障诊断的基本流程及实施步骤故障诊断包括诊断文档建立和诊断实施两大部分。诊断实施过程是故障诊断的中心工作，它可以细分为4个基本步骤:(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