2005 年全国注册安全工程师应试辅导讲座

2005年全国注册安全工程师应试辅导讲座 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

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0.1～0.5 s。对于复杂的选择性反应时间达1～3 s，要进行复杂判断和认识的反应时间平均达3～5 s，具体的带有判别的反应时间t可用下式求得：

t = k log2 (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干预。

( 三) 故障诊断与状态监测 • 故障诊断与状态监测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 • 故障诊断与状态监测的技术包括振动监测与诊断技术等内容。

第四节机械的可靠性设计与维修性设计 • 主要内容：机械的可靠性度量指标，可靠性设计，维修设计。 • 一、可靠性的度量指标 • 1.可靠度 • 可靠度数值应根据具体产品的要求来确定, 一般原则是根据故障发生后导致事故的后果和经济损失而定。

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3个阶段： • ⑴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。 • ⑵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。 • ⑶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。

3. 平均寿命( 或平均无故障工作时间) • 对非维修产品称平均寿命, 其观测值为产品发生失效前的平均工作时间, 或所有试验产品都观察到寿命终了时，们寿命的算术平均值3于维修产品来说, 称平均无故障工作时间或平均故障问隔时间, 其观测值等于在使用寿命周期内的某段观察期间累积工作时间与发生故障次数之比。

4. 维修度 维修度是指维修产品发生故障后, 在规定条件( 备件贮备、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r 的函数, 用M（z）表示, 称为维修度函数。 • 5. 有效度狭义可靠度R(t) 与维修度 M (τ )的综合称为有效度, 也称广义可靠度。其定义是, 对维修产品, 在规定的条件下使用, 在规定维修条件下修理, 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。

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。 • 可靠性预计的目的是为可靠性设计选择最佳设计方案提供可靠依据, 且在产品定型投产之前就可以对新产品的可靠性做出估计, 若达不到预定指标, 就可以针对发现的问题及时进行改进设计, 从而取得事半功倍的效果。

( 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: • ⑴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。 • ⑵ 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。在进行串一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安全系数是指零件在理论上计算的承载能力与实际所能承担的负荷之比值。确定安全系数时应考虑以下几个因素: • (1)环境条件的影响如温度、湿度、冲击、振动等； • (2) 使用中发生超负荷或误操作时的后果； • (3) 为提高安全系数所付出的经济代价是否合算等。安全系数的提高应通过优化结构设计来达到, 而不是简单地通过增加构件尺寸、增加重量或增加费用等方法来实现。 • ( 二) 贮备设计( 冗余设计) • （三）其他设计

四、维修性设计 • ( 一) 维修及维修性 • 所谓维修是指使产品保持在正常使用和运行状态, 以及为排除故障或缺陷所采取的一切措施, 包括设备运行过程中的维护保养、设备状态监测与故障诊断以及故障检修、调整和最后的验收试验等直至恢复正常运行等一系列工作。简言之, 为保持或恢复产品规定功能采取的技术措施叫做维修。 • 维修性是指对故障产品修复的难易程度, 即在规定条件和规定时间内, 完成某种产品维修任务的难易程度。

( 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有可达性、零组部件的标准化和互换性等内容。

( 三)可靠性设计与维修性设计的关系 • 可靠性设计和维修性设计是从不同的角度来保证产品的可靠性。前者着重从保证产品的工作性能出发, 力求不出故障或少出故障, 是解决本质安全问题, 在方案设计和结构设计阶段就设法消除危险与有害因素；后者则是从维修的角度考虑, 一旦产品发生故障, 其本身就能自动及时发现故障, 并且显示故障或发出警报信号, 并能自动排除故障或中止故障。

第五节人机系统 • 主要内容：人机信息及能量交换系统模型、人机系统人机功能分配、人机系统可靠性计算、人机系统可靠性设计基本原则。 • 一、人机信息及能量交换系统模型 • 人机系统的任何活动实质上是信息及能量的传递和交换。人机之间在进行信息及能量的传递和交换中, 首先是人的感觉器官( 眼、耳等) 从显示装置上感受到机器及环境作用于人的信息, 经大脑中枢神经的综合、分析、判断做出决策, 然后命令运动器官( 手或脚) 向机器的控制器发出控制信息, 即操纵机器相应的执行机构( 手柄或按钮等) 完成各种相虚的运动机能 ( 移动或转动 ), 且将控制的效果反映在显示器上, 构成一个信息及能量传递的闭环系统。到此, 人机系统完成了一次功能循环。

二、人机系统 • 在人机系统中, 人与机器为完成一定功能, 各自发挥自己的作用, 又必须相互联系, 相互配合, 二者之间有着相互依存、相互影响、又相互制约的关系, 而且这些关系随系统自动化程度的变化而变化。 • 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a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, 利用有一定可塑性这一特点。 • 在人机系统中, 机宜人与人适机是相对的。机适宜于人是以人的因素为条件的, 而人的因素是比较复杂的, 而且是变化的, 有的是随时代的进步而变化, 有的是因时、因地、因性别、因年龄等不同而变化；人的因素有的可量化, 有的则难以准确量化。机器本身也在不断发展, 自动化程度越来越高, 控制系统智能化, 所以机适宜于人的程度也在不断提高。而人适应于机的程度是有限的, 因为尽管人的因素有一定的可塑性, 但是毕竟有一定的限度。解决的办法是通过学习和训练, 提高人的文化和技术素质, 或采取必要的辅助措施( 如使用劳保用品等) 去适应机器的要求。

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