2014年安全工程師《生產(chǎn)技術(shù)》考點(diǎn):機(jī)械行業(yè)安全概要(11)

　　第九節(jié) 機(jī)械的特性

　　一、機(jī)械安全的定義及特性

　　(一)機(jī)械安全定義

　　機(jī)械安全是指機(jī)器在按使用說(shuō)明書規(guī)定的預(yù)定使用條件下，執(zhí)行其功能和在對(duì)其進(jìn)行運(yùn)輸、安裝、調(diào)試、運(yùn)行、維修、拆卸和處理時(shí)對(duì)操作者不發(fā)生損傷或危害其健康的能力。它包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：

　　(1)在機(jī)械產(chǎn)品預(yù)定使用期間執(zhí)行預(yù)定功能和在可預(yù)見(jiàn)的誤用時(shí)，不會(huì)給人身帶來(lái)傷害;

　　(2)機(jī)械產(chǎn)品在整個(gè)壽命周期內(nèi)，發(fā)生可預(yù)見(jiàn)的非正常情況下任何風(fēng)險(xiǎn)事故時(shí)機(jī)器是安全的。

　　(二)機(jī)械安全的特性

　　現(xiàn)代機(jī)械安全應(yīng)具有以下幾方面的特性：

　　1. 系統(tǒng)性

　　現(xiàn)代機(jī)械的安全應(yīng)建立在心理、信息、控制、可靠性、失效分析、環(huán)境學(xué)、勞動(dòng)衛(wèi)生、計(jì)算機(jī)等科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上，并綜合與系統(tǒng)地運(yùn)用這些科學(xué)技術(shù)。

　　2.防護(hù)性

　　通過(guò)對(duì)機(jī)械危險(xiǎn)的智能化設(shè)計(jì)，應(yīng)使機(jī)器在整個(gè)壽命周期內(nèi)發(fā)揮預(yù)定功能，包括誤操作時(shí)，其機(jī)器和人身均是安全的，使人對(duì)勞動(dòng)環(huán)境、勞動(dòng)內(nèi)容和主動(dòng)地位的提高得到不斷改善。

　　3.友善性

　　機(jī)械安全設(shè)計(jì)涉及到人和人所控制的機(jī)器，它在人與機(jī)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(jī)系統(tǒng)效率的安全系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中通過(guò)減少操作者的緊張和體力來(lái)提高安全性，并以此改善機(jī)器的操作性能和提高其可靠性。

　　4.整體性

　　現(xiàn)代機(jī)械的安全設(shè)計(jì)必須全面、系統(tǒng)地對(duì)導(dǎo)致危險(xiǎn)的因素進(jìn)行定性、定量分析和評(píng)價(jià)，整體尋求降低風(fēng)險(xiǎn)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

　　二、機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)

　　(一)機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷模型

　　故障診斷是研究機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)變化的信息，進(jìn)而識(shí)別、預(yù)測(cè)和監(jiān)視機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的技術(shù)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(yīng)力向量，M(f)是故障機(jī)理傳遞函數(shù)，E(f)是異常模式(模型)向量，x(f)是設(shè)備狀態(tài)向量，H(f)是E(f)和X(f)之間的傳遞函數(shù)。機(jī)器或設(shè)備在正常工作時(shí)[M/(f)=l]其狀態(tài)向量X(f)是由外因St(f)和內(nèi)因H(f)共同決定的，當(dāng)出現(xiàn)異?；蚬收蟍即M(f)不為1或St(f)超過(guò)正常值。前者稱為結(jié)構(gòu)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(nèi)因H(f)有關(guān)外，還與載荷超差及故障機(jī)理傳遞函數(shù)M(f)有關(guān)。

　　圖4-3 故障診斷的基本模型

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

　　(二)故障診斷的基本流程及實(shí)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(shí)施兩大部分。

　　診斷實(shí)施過(guò)程是故障診斷的中心工作，它可以細(xì)分為4個(gè)基本步驟：

　　(1)信號(hào)檢測(cè)。按不同診斷目的選擇最能表征設(shè)備狀態(tài)的信號(hào)，對(duì)該類信號(hào)進(jìn)行全面地檢測(cè)，并將其匯集在一起，形成一個(gè)設(shè)備工作狀態(tài)信號(hào)子集，該子集稱為初始模式向量。

　　(2)特征提取(或稱信號(hào)處理)。將初始模式向量進(jìn)行維數(shù)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(shí)別。將待檢模式與樣板模式(故障檔案)對(duì)比，進(jìn)行狀態(tài)分類。

　　(4)診斷決策。根據(jù)判別結(jié)果采取相應(yīng)的對(duì)策。對(duì)策主要是指對(duì)設(shè)備及其工作進(jìn)行必要的預(yù)測(cè)和干預(yù)。

　　(三)故障診斷技術(shù)

　　1.振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)與分析

　　振動(dòng)信號(hào)一般用位移、速度或加速度傳感器來(lái)測(cè)量。

　　傳感器應(yīng)盡量安裝在診斷對(duì)象的振動(dòng)敏感點(diǎn)或離核心部位最近的關(guān)鍵點(diǎn)。對(duì)于低頻振動(dòng)，一般要從3個(gè)互相垂直的方向上進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于高頻振動(dòng)，通常只從一個(gè)方向上進(jìn)行檢測(cè)即可。

　　2.油液分析技術(shù)

　　油液分析中，目前應(yīng)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(lái)分析潤(rùn)滑油中金屬的成分和含量，進(jìn)而判斷零件磨損程度的方法。物質(zhì)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(qiáng)度可以分析潤(rùn)滑油中特定金屬元素的含量。

　　鐵譜分析是通過(guò)檢查潤(rùn)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(lái)判斷和預(yù)測(cè)機(jī)器系統(tǒng)中零件的磨損情況。

　　3.溫度檢測(cè)及紅外線監(jiān)測(cè)技術(shù)

　　溫度是工業(yè)生產(chǎn)中很普遍、很重要的熱工參數(shù)之一。一方面許多生產(chǎn)過(guò)程中在工藝上要求對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，另一方面，機(jī)電設(shè)備運(yùn)行是否正常往往在溫度上會(huì)有所反映，根據(jù)溫度變化特征可以了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。因此，生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到溫度測(cè)量的問(wèn)題。

　　物體表面發(fā)射的紅外線與其溫度有關(guān)。紅外線測(cè)溫的原理是利用紅外線探測(cè)器將紅外線輻射產(chǎn)生的熱效應(yīng)和光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成人們能識(shí)別的信號(hào)。常用的探測(cè)儀器有紅外測(cè)溫儀、紅外成像儀和紅外攝影機(jī)等。

　　4.超聲探傷技術(shù)

　　超聲波是比聲波振動(dòng)頻率更高的波，檢測(cè)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(zhǎng)短、在高密度固體中損失小及在不同密度介質(zhì)的界面上反射大等特點(diǎn)。因此，利用超聲波可以對(duì)所有固體材料進(jìn)行探傷和檢測(cè)。它常用來(lái)檢查內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(dāng)?shù)乃芰蠅簩拥?。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(shù)

　　常見(jiàn)材料缺陷檢測(cè)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(dǎo)磁性實(shí)現(xiàn)的。鐵磁性物質(zhì)的導(dǎo)磁性要比空氣的導(dǎo)磁性強(qiáng)得多，因此表面缺陷處磁阻大，易產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，吸引磁粉，形成磁粉堆積。通過(guò)觀察磁粉聚集情況就可以確定被探測(cè)工件的表面缺陷或近表面缺陷。

　　滲透探傷的依據(jù)是物理化學(xué)中的液體對(duì)固體的潤(rùn)濕能力和毛細(xì)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(rùn)濕作用及毛細(xì)現(xiàn)象而進(jìn)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(qiáng)的顯像劑，將滲入裂紋中的滲透液吸出來(lái)，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(dāng)通電線圈接近被測(cè)表面時(shí)，導(dǎo)電的試件表面層將產(chǎn)生渦電流(簡(jiǎn)稱渦流)，渦流又會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，該交變磁場(chǎng)又會(huì)在激勵(lì)線圈中感應(yīng)出電流。由于渦流與表面狀態(tài)有關(guān)，感應(yīng)電流的大小、方向及相位等就會(huì)反映出表面缺陷的信息。渦流探傷就是利用這種信息來(lái)檢測(cè)表面缺陷的。

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

　　A. 信號(hào)檢測(cè)

　　B、特征提取

　　C、狀態(tài)識(shí)別

　　D、數(shù)值比對(duì)

　　E、診斷決策

　　【答案】ABCE

　　三機(jī)械的可靠性設(shè)計(jì)與維修性設(shè)計(jì)

　　(一)可靠性定義及其度量指標(biāo)

　　1.可靠性定義

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

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

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

　　2.可靠性度量指標(biāo)

　　1.可靠度

　　可靠度是可靠性的量化指標(biāo)，即系統(tǒng)或產(chǎn)品在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率。可靠度是時(shí)間的函數(shù)，常用R(t)表示，稱為可靠度函數(shù)。

　　產(chǎn)品出故障的概率是通過(guò)多次試驗(yàn)中該產(chǎn)品發(fā)生故障的頻率來(lái)估計(jì)的。例如，取N個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，若在規(guī)定時(shí)間t內(nèi)共有Nf(t)個(gè)產(chǎn)品出故障，則該產(chǎn)品可靠度的觀測(cè)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(gè)參數(shù)叫不可靠度。它是系統(tǒng)或產(chǎn)品在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)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(shí)間的函數(shù)，常用F(t)表示。同樣對(duì)N個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)到瞬間的故障數(shù)為Nf(t)，則當(dāng)N足夠大時(shí)，產(chǎn)品工作到 t 瞬間的不可靠度的觀測(cè)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(shù)值應(yīng)根據(jù)具體產(chǎn)品的要求來(lái)確定，一般原則是根據(jù)故障發(fā)生后導(dǎo)致事故的后果和經(jīng)濟(jì)損失而定。

　　2.故障率(或失效率)

　　故障率是指工作到 t 時(shí)刻尚未發(fā)生故障的產(chǎn)品，在該時(shí)刻后單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的概率。故障率也是時(shí)間的函數(shù)，記為γ(t)，稱為故障率函數(shù)。

　　產(chǎn)品的故障率是一個(gè)條件概率，它表示產(chǎn)品在工作到 t 時(shí)刻的條件下，單位時(shí)間內(nèi)的故障概率。它反映 t 時(shí)刻產(chǎn)品發(fā)生故障的速率，稱為產(chǎn)品在該時(shí)刻的瞬時(shí)故障率且γ(t)，習(xí)慣稱故障率。

　　故障率的觀測(cè)值等于N個(gè)產(chǎn)品在t時(shí)刻后單位時(shí)間內(nèi)的故障產(chǎn)品數(shù)△Nf(t)/△t與在t時(shí)刻還能正常工作的產(chǎn)品數(shù)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(wú)故障工作時(shí)間)

　　對(duì)非維修產(chǎn)品稱平均壽命，其觀測(cè)值為產(chǎn)品發(fā)生失效前的平均工作時(shí)間，或所有試驗(yàn)產(chǎn)品都觀察到壽命終了時(shí)，它們壽命的算術(shù)平均值;

　　對(duì)于維修產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，稱平均無(wú)故障工作時(shí)間或平均故障間隔時(shí)間，其觀測(cè)值等于在使用壽命周期內(nèi)的某段觀察期間累積工作時(shí)間與發(fā)生故障次數(shù)之比。

　　4.維修度

　　維修度是指維修產(chǎn)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(shù)水平等)和規(guī)定時(shí)間內(nèi)能修復(fù)的概率，它是維修時(shí)間τ的函數(shù)，用M(τ)表示，稱為維修度函數(shù)。

　　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(duì)維修產(chǎn)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(shí)間內(nèi)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(shè)計(jì)

　　(一)維修及維修性

　　所謂維修是指使產(chǎn)品保持在正常使用和運(yùn)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(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的維護(hù)保養(yǎng)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷以及故障檢修、調(diào)整和最后的驗(yàn)收試驗(yàn)等直至恢復(fù)正常運(yùn)行等一系列工作。簡(jiǎn)言之，為保持或恢復(fù)產(chǎn)品規(guī)定功能采取的技術(shù)措施叫做維修。

　　維修性是指對(duì)故障產(chǎn)品修復(fù)的難易程度，即在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成某種產(chǎn)品維修任務(wù)的難易程度。

　　(二)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的維修性設(shè)計(jì)

　　維修性設(shè)計(jì)是指產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師應(yīng)從維修的觀點(diǎn)出發(fā)，保證當(dāng)產(chǎn)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(chǎn)品的固有性質(zhì)，它屬于產(chǎn)品固有可靠性的指標(biāo)之一。維修度的高低直接影響產(chǎn)品的維修工時(shí)、維修費(fèi)用，影響產(chǎn)品的利用率。下面就維修性設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的主要問(wèn)題做簡(jiǎn)要介紹。

　　1.可達(dá)性

　　所謂可達(dá)性是指檢修人員接近產(chǎn)品故障部位進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)化與互換性

　　產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)力求選用標(biāo)準(zhǔn)件，以提高互換性，這將會(huì)給產(chǎn)品的使用維修帶來(lái)很大方便。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)化零件質(zhì)量有保證，品種和規(guī)格大大減少，于是就可以減少備件庫(kù)存和資金積壓，既能保證供應(yīng)，又簡(jiǎn)化管理。

　　3.維修人員的安全

　　產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)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(xiàng)工作往往最容易被人們忽視。

　　(三)可靠性設(shè)計(jì)與維修性設(shè)計(jì)的關(guān)系

　　可靠性設(shè)計(jì)和維修性設(shè)計(jì)是從不同的角度來(lái)保證產(chǎn)品的可靠性。前者著重從保證產(chǎn)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(zhì)安全問(wèn)題，在方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段就設(shè)法消除危險(xiǎn)與有害因素;后者則是從維修的角度考慮，一旦產(chǎn)品發(fā)生故障，其本身就能自動(dòng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，并且顯示故障或發(fā)出警報(bào)信號(hào)，并能自動(dòng)排除故障或中止故障的擴(kuò)展。

　　【例題】40.下列項(xiàng)目中，不屬于機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)維修性設(shè)計(jì)的是()。07

　　A.可達(dá)性

　　B.零組部件的標(biāo)準(zhǔn)化與互換性

　　C.維修人員的安全

　　D.耐環(huán)境設(shè)計(jì)

　　【答案】D