2014年安全工程師《生產技術》考點:機械行業(yè)安全概要(11)

　　第九節(jié) 機械的特性

　　一、機械安全的定義及特性

　　(一)機械安全定義

　　機械安全是指機器在按使用說明書規(guī)定的預定使用條件下，執(zhí)行其功能和在對其進行運輸、安裝、調試、運行、維修、拆卸和處理時對操作者不發(fā)生損傷或危害其健康的能力。它包括兩個方面的內容：

　　(1)在機械產品預定使用期間執(zhí)行預定功能和在可預見的誤用時，不會給人身帶來傷害;

　　(2)機械產品在整個壽命周期內，發(fā)生可預見的非正常情況下任何風險事故時機器是安全的。

　　(二)機械安全的特性

　　現(xiàn)代機械安全應具有以下幾方面的特性：

　　1. 系統(tǒng)性

　　現(xiàn)代機械的安全應建立在心理、信息、控制、可靠性、失效分析、環(huán)境學、勞動衛(wèi)生、計算機等科學技術基礎上，并綜合與系統(tǒng)地運用這些科學技術。

　　2.防護性

　　通過對機械危險的智能化設計，應使機器在整個壽命周期內發(fā)揮預定功能，包括誤操作時，其機器和人身均是安全的，使人對勞動環(huán)境、勞動內容和主動地位的提高得到不斷改善。

　　3.友善性

　　機械安全設計涉及到人和人所控制的機器，它在人與機器之間建立起一套滿足人的生理特性、心理特性，充分發(fā)揮人的功能的、提高人機系統(tǒng)效率的安全系統(tǒng)，在設計中通過減少操作者的緊張和體力來提高安全性，并以此改善機器的操作性能和提高其可靠性。

　　4.整體性

　　現(xiàn)代機械的安全設計必須全面、系統(tǒng)地對導致危險的因素進行定性、定量分析和評價，整體尋求降低風險的最優(yōu)設計方案。

　　二、機械設備故障診斷技術

　　(一)機械設備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷模型

　　故障診斷是研究機械設備運行狀態(tài)變化的信息，進而識別、預測和監(jiān)視機械運行狀態(tài)的技術方法。

　　故障診斷的基本模型如圖4―5所示。圖中St(f)是載荷或應力向量，M(f)是故障機理傳遞函數，E(f)是異常模式(模型)向量，x(f)是設備狀態(tài)向量，H(f)是E(f)和X(f)之間的傳遞函數。機器或設備在正常工作時[M/(f)=l]其狀態(tài)向量X(f)是由外因St(f)和內因H(f)共同決定的，當出現(xiàn)異常或故障[即M(f)不為1或St(f)超過正常值。前者稱為結構異常，后者稱為偏離操作規(guī)范]之后，X(f)除與外因St(f)和內因H(f)有關外，還與載荷超差及故障機理傳遞函數M(f)有關。

　　圖4-3 故障診斷的基本模型

　　在設備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷中，設備的狀態(tài)向量是設備異?；蚬收闲畔⒌闹匾d體，是設備故障診斷的客觀依據，所以及時而正確地掌握狀態(tài)向量是進行診斷的先決條件，為此就要用傳感器或其他檢測手段進行狀態(tài)信號的監(jiān)測。

　　(二)故障診斷的基本流程及實施步驟

　　故障診斷的基本工藝流程如圖4―4所示，它包括診斷文檔建立和診斷實施兩大部分。

　　診斷實施過程是故障診斷的中心工作，它可以細分為4個基本步驟：

　　(1)信號檢測。按不同診斷目的選擇最能表征設備狀態(tài)的信號，對該類信號進行全面地檢測，并將其匯集在一起，形成一個設備工作狀態(tài)信號子集，該子集稱為初始模式向量。

　　(2)特征提取(或稱信號處理)。將初始模式向量進行維數變換、形式變換，去掉冗余信息，提取故障特征，形成待檢模式。

　　圖4-4 故障診斷的基本方法

　　(3)狀態(tài)識別。將待檢模式與樣板模式(故障檔案)對比，進行狀態(tài)分類。

　　(4)診斷決策。根據判別結果采取相應的對策。對策主要是指對設備及其工作進行必要的預測和干預。

　　(三)故障診斷技術

　　1.振動信號的檢測與分析

　　振動信號一般用位移、速度或加速度傳感器來測量。

　　傳感器應盡量安裝在診斷對象的振動敏感點或離核心部位最近的關鍵點。對于低頻振動，一般要從3個互相垂直的方向上進行檢測。對于高頻振動，通常只從一個方向上進行檢測即可。

　　2.油液分析技術

　　油液分析中，目前應用較多的有光譜油液分析和鐵譜油液分析兩種。

　　光譜油液分析方法是利用原子吸收光譜來分析潤滑油中金屬的成分和含量，進而判斷零件磨損程度的方法。物質的原子有其特定的吸收光譜譜線，利用元素的特征吸收光譜譜線及其強度可以分析潤滑油中特定金屬元素的含量。

　　鐵譜分析是通過檢查潤滑油或液壓系統(tǒng)的油液中所含磁性金屬磨屑的成分、形態(tài)、大小及濃度來判斷和預測機器系統(tǒng)中零件的磨損情況。

　　3.溫度檢測及紅外線監(jiān)測技術

　　溫度是工業(yè)生產中很普遍、很重要的熱工參數之一。一方面許多生產過程中在工藝上要求對溫度進行監(jiān)測和控制，另一方面，機電設備運行是否正常往往在溫度上會有所反映，根據溫度變化特征可以了解設備的運行狀態(tài)。因此，生產中經常會遇到溫度測量的問題。

　　物體表面發(fā)射的紅外線與其溫度有關。紅外線測溫的原理是利用紅外線探測器將紅外線輻射產生的熱效應和光電效應轉換成人們能識別的信號。常用的探測儀器有紅外測溫儀、紅外成像儀和紅外攝影機等。

　　4.超聲探傷技術

　　超聲波是比聲波振動頻率更高的波，檢測中常用的是1～5MHz的超聲波。與聲波相比，超聲波具有方向性好、波長短、在高密度固體中損失小及在不同密度介質的界面上反射大等特點。因此，利用超聲波可以對所有固體材料進行探傷和檢測。它常用來檢查內部結構的裂紋、搭接、夾雜物、焊接不良的焊縫、鍛造裂紋、腐蝕坑以及加工不適當的塑料壓層等。還可以檢查管道中流體的流量、流速以及泄露等。

　　5.表面缺陷探傷技術

　　常見材料缺陷檢測方法包括磁粉探傷、滲透探傷和渦流探傷等幾種。

　　磁粉探傷的原理是利用鐵磁性試件的導磁性實現(xiàn)的。鐵磁性物質的導磁性要比空氣的導磁性強得多，因此表面缺陷處磁阻大，易產生漏磁場，吸引磁粉，形成磁粉堆積。通過觀察磁粉聚集情況就可以確定被探測工件的表面缺陷或近表面缺陷。

　　滲透探傷的依據是物理化學中的液體對固體的潤濕能力和毛細現(xiàn)象(滲透和上升)。首先將被探傷工件的表面涂上具有高度滲透能力的滲透液，滲透液由于潤濕作用及毛細現(xiàn)象而進人工件的表面缺陷中，然后將工件表面多余的滲透液清洗干凈，再涂一層親和力強的顯像劑，將滲入裂紋中的滲透液吸出來，在顯像劑上便顯現(xiàn)出缺陷的形狀和位置的鮮明圖案。

　　渦流探傷是當通電線圈接近被測表面時，導電的試件表面層將產生渦電流(簡稱渦流)，渦流又會產生交變磁場，該交變磁場又會在激勵線圈中感應出電流。由于渦流與表面狀態(tài)有關，感應電流的大小、方向及相位等就會反映出表面缺陷的信息。渦流探傷就是利用這種信息來檢測表面缺陷的。

　　【例題】故障診斷實施過程是故障診斷的中心工作，它可以細分為()等基本步驟。

　　A. 信號檢測

　　B、特征提取

　　C、狀態(tài)識別

　　D、數值比對

　　E、診斷決策

　　【答案】ABCE

　　三機械的可靠性設計與維修性設計

　　(一)可靠性定義及其度量指標

　　1.可靠性定義

　　所謂可靠性是指系統(tǒng)或產品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時間內，完成規(guī)定功能的能力。

　　這里所說的規(guī)定條件包括產品所處的環(huán)境條件(溫度、濕度、壓力、振動、沖擊、塵埃、雨淋、日曬等)、使用條件(載荷大小和性質、操作者的技術水平等)、維修條件(維修方法、手段、設備和技術水平等)。在不同規(guī)定條件下，產品的可靠性是不同的。

　　規(guī)定時間是指產品的可靠性與使用時間的長短有密切關系，產品隨著使用時間或儲存時間的推移，性能逐漸劣化，可靠性降低。所以，可靠性是時間的函數。這里所規(guī)定的時間是廣義的，可以是時間，也可以用距離或循環(huán)次數等表示。

　　2.可靠性度量指標

　　1.可靠度

　　可靠度是可靠性的量化指標，即系統(tǒng)或產品在規(guī)定條件和規(guī)定時間內完成規(guī)定功能的概率?？煽慷仁菚r間的函數，常用R(t)表示，稱為可靠度函數。

　　產品出故障的概率是通過多次試驗中該產品發(fā)生故障的頻率來估計的。例如，取N個產品進行試驗，若在規(guī)定時間t內共有Nf(t)個產品出故障，則該產品可靠度的觀測值可用下式近似表示：

　　R(t)≈[N―Nf(t)]/N(1―14)

　　與可靠度相反的一個參數叫不可靠度。它是系統(tǒng)或產品在規(guī)定條件和規(guī)定時間內未完成規(guī)定功能的概率，即發(fā)生故障的概率，所以也稱累積故障概率。

　　不可靠度也是時間的函數，常用F(t)表示。同樣對N個產品進行壽命試驗，試驗到瞬間的故障數為Nf(t)，則當N足夠大時，產品工作到 t 瞬間的不可靠度的觀測值(即累積故障概率)可近似表示為：

　　F(t)≈Nf(t)/N(1―15)

　　可靠度數值應根據具體產品的要求來確定，一般原則是根據故障發(fā)生后導致事故的后果和經濟損失而定。

　　2.故障率(或失效率)

　　故障率是指工作到 t 時刻尚未發(fā)生故障的產品，在該時刻后單位時間內發(fā)生故障的概率。故障率也是時間的函數，記為γ(t)，稱為故障率函數。

　　產品的故障率是一個條件概率，它表示產品在工作到 t 時刻的條件下，單位時間內的故障概率。它反映 t 時刻產品發(fā)生故障的速率，稱為產品在該時刻的瞬時故障率且γ(t)，習慣稱故障率。

　　故障率的觀測值等于N個產品在t時刻后單位時間內的故障產品數△Nf(t)/△t與在t時刻還能正常工作的產品數Ns(t)之比，即：

　　γ(t)=△Nf(t)/[Ns(t)•△t](1―16)

　　故障率(失效率)的常用單位為(1/106h)。

　　3.平均壽命(或平均無故障工作時間)

　　對非維修產品稱平均壽命，其觀測值為產品發(fā)生失效前的平均工作時間，或所有試驗產品都觀察到壽命終了時，它們壽命的算術平均值;

　　對于維修產品來說，稱平均無故障工作時間或平均故障間隔時間，其觀測值等于在使用壽命周期內的某段觀察期間累積工作時間與發(fā)生故障次數之比。

　　4.維修度

　　維修度是指維修產品發(fā)生故障后，在規(guī)定條件(備件貯備、維修工具、維修方法及維修技術水平等)和規(guī)定時間內能修復的概率，它是維修時間τ的函數，用M(τ)表示，稱為維修度函數。

　　5.有效度

　　狹義可靠度R(t)與維修度M(f)的綜合稱為有效度，也稱廣義可靠度。其定義是，對維修產品，在規(guī)定的條件下使用，在規(guī)定維修條件下修理，在規(guī)定的時間內具有或維持其規(guī)定功能處于正常狀態(tài)的概率。

　　二、維修性設計

　　(一)維修及維修性

　　所謂維修是指使產品保持在正常使用和運行狀態(tài)，以及為排除故障或缺陷所采取的一切措施，包括設備運行過程中的維護保養(yǎng)、設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷以及故障檢修、調整和最后的驗收試驗等直至恢復正常運行等一系列工作。簡言之，為保持或恢復產品規(guī)定功能采取的技術措施叫做維修。

　　維修性是指對故障產品修復的難易程度，即在規(guī)定條件和規(guī)定時間內，完成某種產品維修任務的難易程度。

　　(二)產品結構的維修性設計

　　維修性設計是指產品設計時，設計師應從維修的觀點出發(fā)，保證當產品一旦出故障，能容易地發(fā)現(xiàn)故障，易拆、易檢修、易安裝，即可維修度要高。維修度是產品的固有性質，它屬于產品固有可靠性的指標之一。維修度的高低直接影響產品的維修工時、維修費用，影響產品的利用率。下面就維修性設計中應考慮的主要問題做簡要介紹。

　　1.可達性

　　所謂可達性是指檢修人員接近產品故障部位進行檢查、修理操作、插入工具和更換零件等維修作業(yè)的難易程度

　　2.零組部件的標準化與互換性

　　產品設計時應力求選用標準件，以提高互換性，這將會給產品的使用維修帶來很大方便。因為標準化零件質量有保證，品種和規(guī)格大大減少，于是就可以減少備件庫存和資金積壓，既能保證供應，又簡化管理。

　　3.維修人員的安全

　　產品在結構設計時除考慮操作工人的安全外，還必須考慮維修人員的安全，而這后一項工作往往最容易被人們忽視。

　　(三)可靠性設計與維修性設計的關系

　　可靠性設計和維修性設計是從不同的角度來保證產品的可靠性。前者著重從保證產品的工作性能出發(fā)，力求不出故障或少出故障，是解決本質安全問題，在方案設計和結構設計階段就設法消除危險與有害因素;后者則是從維修的角度考慮，一旦產品發(fā)生故障，其本身就能自動及時發(fā)現(xiàn)故障，并且顯示故障或發(fā)出警報信號，并能自動排除故障或中止故障的擴展。

　　【例題】40.下列項目中，不屬于機械產品結構維修性設計的是()。07

　　A.可達性

　　B.零組部件的標準化與互換性

　　C.維修人員的安全

　　D.耐環(huán)境設計

　　【答案】D