设备设计
中国歌剧-股三角
2023年2月23日发(作者：发电技术)机械设备的安全设计
为了保证安全生产，必须根据对机械设备的安全要求，进行安全
设计。在设计阶段采取本质安全的技术措施。本质安全是指操作员在
错误判断和误操作情况下的总体水平，生产系统和设备仍能保证安全。
一、设备安全设计的主要内容
1．设备本质安全的重要性
“安全第一、预防为主”的方针体现在当安全和生产发生矛盾时，
安全是第一位的。所有机械设备必须符合安全使用要求，在设备的使
用寿命期内保证操作者的安全。应该要求操作者正确操作，但将所有
希望寄托在操作员的正确操作上是危险的，必须使设备本身达到本质
安全。在设计阶段必须考虑各种因素。经过综合分析，正确处理设备
性能、产量、效率、可靠性、实用性、先进性、使用寿命、经济性和
安全性之间的关系。其中安全性是必须首先考虑的。
不安全的设计会导致不必要的伤害和事故。最好的方法是采纳用
户的建议，包括操作员的建议，不断改进设计，提高设备的安全性。
安全设计的目标是产品100%达到质量要求，具有100%可靠性和100%的
操作维修安全性。本质安全的设备具有高度的可靠性和安全性，可以
杜绝或减少伤亡事故，减少设备故障，从而提高设备利用率，实现安
全生产。
2．设备本质安全指导思想
根据生产设备安全设计的基本要求和制定安全技术措施的基本原
则，为了实现设备的本质安全，可以从三方面入手：
（1）设计阶段。采用技术措施来消除危险，使人不可能接触或接
近危险区，如设计中齿轮的远程润滑或自动润滑，即可避免因加润滑
油而接近危险区；将危险区安全封闭；采用安全装置；实现机械化和
自动化等；这些都是设计阶段应该解决的。
（2）操作阶段。建立计划维护和预防性维护系统；采用故障诊断
技术，对运行中的设备进行状态监测；避免或及早发现设备故障；对
安全装置进行定期检查，保证安全装置始终处于可靠和待用状态；提
供必要的个人防护用品等。
（3）管理措施。指导机械的安全使用，向用户和操作员提供有关
设备危险的信息、安全操作规程、维修安全手册等技术文件；加强对
操作人员的教育和培训，提高工人发现危险和处理紧急情况的能力。
上述三方面中，在设计阶段采取的措施主要有。后两方面的措施
只是补充。
二、本质安全的主要措施。
1．本质安全的目的
本质安全是指操作失误时，设备能自动保证安全；当设备出现故
障时，能自动发现并自动排除，能确保人身和设备安全。研究设备的
本质、设计、改造和采取各种措施的最佳组合，都称为本质安全化。
本质安全化的目的是：运用现代科学技术，特别是安全科学的成
就，从根本上消除能形成事故的主要条件；如果暂时达不到时，则采
取两种或两种以上的相对安全措施，形成最佳组合的安全体系，达到
最大限度的安全。同时尽可能采取完善的防护措施，增强人体对各种
危害的抵抗能力。本质安全强调先进的技术手段和物质条件在确保安
全生产中的重要作用。随着科学技术的进步，设备本质安全化程度也
会不断提高。不会停留在现有的水平上。
2．本质安全的主要内容
设备的本质安全措施可以通过设备本身和控制器的安全设计来实
现。
（1）本质安全的基本思想。
①从根本上消除发生事故的条件。这是最理想的措施。许多机械
事故是由于人体接触了危险点，如果将危险操作采用自动控制，用专
用工具代替人手操作，机械化是确保人身安全的有效措施。
②设备能自动防止操作失误和设备故障。操作失误是操作人员违
反操作规程的行为，设备故障是设备或其零、部件的功能受到损伤或
破坏，使其不能正常运行，其技术性能将降低甚至完全丧失。这些现
象在生产中是难以完全避免的。因此设备应有自动防范措施，以避免
发生事故。这些措施应能达到：即使操作失误，也不会导致设备发生
事故；即使出现故障，应能自动排除，切换或安全停机；当设备发生
故障时，不论操作人员是否发现，设备应能自动报警，并作出应急反
应，更理想的是还能显示设备发生故障的部位。
（2）常用措施。
⑴采用机械化、自动化和遥控技术。这是消除危险因素和人接触
最佳方案。机械的可靠性一般比人的可靠性高，人易受生理、心理以
及外界因素的影响，一般认为的人失误率在1%以上。设计优良的机械，
其故障率至少在0.1%以下，使用可靠性高的零、部件，机械的故障率
可达到0.01%。采用机械化、自动化和遥控技术代替人的手工操作，是
提高劳动生产率，降低劳动强度，减少设备故障率，防止错误操作，
保证操作者安全和设备安全最有效的措施。特别适用于危险作业和操
作，而不是恶劣工作环境中的人员。
⑵采用可靠性设计，提高机械设备的可靠性。
⑶采用安全防护装置。当无法消除危险因素时，使用安全保护装
置隔离危险因素是最常用的技术措施。带有联锁装置的防护罩是最好
的本质安全措施。
⑷安装保险装置，保险装置又叫故障保险装置。该装置的功能与
安全保护装置略有不同。它能在设备产生超压、超温、超速、超载、
超位等危险因素时，进行自动控制并消除或减弱上述危险。安全阀、
单向阀、超载保护装置、限速器、限位开关、爆破片、熔断器、保险
丝、力矩限制器、极限位置限制器等都是常用的保险装置。
⑸采用自监测、报警和处理系统。利用现代仪器仪表对运行中的
设备状态参数进行在线监测和故障诊断。当出现异常现象时，能自动
报警，发出声、光报警信号，并且动作出应急反应，如自动停机、自
动切换到备用设备等。
⑹采用冗余技术。可靠性设计中经常使用冗余技术，即在设计中
增加冗余元件或冗余（备用）设备，平时只用其中一个，当发生事故
时，冗余设备或冗余元件能自动切换。
⑺采用传感技术在危险区域设置光电、感应式、压力传感式传感
器，当人进入危险区，可立即停机，终止危险运动。
⑻安装紧急停机开关。
⑼提供给操作员的机器关键安全功能是否正常（设备的自检功能）
的信息。
⑽设计程序联锁开关。设计对出现错误指令时，禁止启动的操纵
器。这些关键程序只能在正常操作说明下启动机器。
⑾配备使操作者容易观察的，能够显示设备运行状态和故障的显
示器。
⑿采用多重安全保障措施。对于危险性大的作业，要求设备运行
绝对安全可靠。为了防止故障和误操作，应采用双重或多重安全保障
措施，使设备运行万无一失。
二、可靠性设计
1．可靠性技术与可靠性设计
设备在规定的时期内，在规定的条件下，完成指定功能的能力称
为设备的可靠性。可靠性技术已成为提高使用寿命、减少设备故障、
实现安全生产的重要手段。可靠性技术和安全技术有密切的关系，但
两者又不完全相同。
许多可靠性技术采用的方法已被安全技术所采用，许多基本概念
也用到安全技术和安全管理上。安全技术所用到的事故树分析（FTA）
就是沿用可靠性工程的故障树分析方法。故障模式影响分析（FMEA）
和故障模式影响及危害度分析（FMECA）也是可靠性工程的重要方法。
有许多安全技术措施，在可靠性技术中也常用。因此，可以说安全技
术的基础是可靠性技术。但是可靠性技术不能完全代替安全技术。可
靠性技术只能解决物质条件的安全，安全技术还要解决操作设备的人
的安全。当然如果没有可靠性技术提供物质保证，安全技术也是无能
为力的。设备的本质安全在很大程度上要依靠可靠性技术。
可靠性设计是设备安全设计的重要组成部分。任何设备都必须具
备一定的工作性能，要求使用方便、容易维修、经久耐用。在设计时，
应该综合考虑下列因素：
（1）经济性、设备使用和使用条件；
（2）设备设计的复杂性和成熟度；
（3）设备制造的复杂性和难度；
（4）设备结构中没有故障，即“结构可靠性”高；
（5）精度满足使用要求，即“使用可靠性高”；
（6）在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力高，
即设备的可靠性高。这个时期的使用寿命（无故障工作时间），在可
靠性工程中称为“保险期”，要求使用寿命长；
（7）设备效率高，即故障率低；
（8）维修性高，当故障发生时，可以快速发现并轻松消除；
（9）设备安全要求。
后6所有这些因素都与设备的可靠性有关。
2．可靠性设计基础知识
（1）可靠性设计的意义。
可行性设计是可靠性工程的重要组成部分。这里只介绍与机械安
全有关的基本知识，以便设备管理人员、安全人员可以使用介绍的知
识正确处理工作中的以下问题：
①比较和选择高可靠性设备；
②对设备故障进行记录、分析，研究故障机理，随时将故障数据
反馈给设备设计、制造单位，以便改进设计和提高制造质量，从而提
高设备的可靠性；
③针对现有设备运行过程中暴露的不安全因素，在现有设备上设
计一些简单易行、可靠的安全装置，以确保设备的安全运行；
④指导配方以提高可靠性、维修性的方案。
（2）可靠性和故障率。
①可靠性和可靠度。可靠性是评估设备在其使用寿命内的可靠性
的指标。是指设备在规定条件下、规定时间内，完成规定功能的能力。
而设备在规定条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率为可靠度。
可以用可靠度对设备的可靠性进行具体的试验、测量和比较，也就是
可以对可靠性进行定量的测定和衡量，并加以表示。
a可靠度研究的对象可靠度研究的对象可以是一个系统、一台设
备或其中一个零件。设备是由千百个零件组成的，如果其中一个零件
出现故障，有可能使整个设备出现故障；因此，对设备可靠性的研究
应该从部件的研究开始。
b规定的条件包括设备的操作环境、使用条件和维修条件。
工作环境：温度、湿度、压力、振动、冲击、粉尘、日晒、雨淋
等；
使用条件：负荷大小和性质，操作员的技术水平等；
c规定的时间随着设备使用时间的延长、零部件的磨损、材料的腐
蚀老化而使性能下降，可靠性也将下降，因此可靠性是时间的函数。
使用时间不同的设备，其可靠性是不能等价比较的。规定时间通常应
根据最低维修成本和停机损失确定，如机床一般选定为两次计划修理
之间的时间（无故障工作时间）
d规定的功能指既有明确的功能指标，如功率、流量、速度等，
又有明确的失效（出现故障、不能正常工作）界限，如果设备的质量
下降到制造时质量的几%，则应予以报废等。
②故障和故障率。故障表示设备处于不正常状态。设备在投入使
用和运行过程中，由于某种原因，使设备或其零、部件丧失了其规定
功能的事件称为故障。由此可见，可靠性和故障反映了设备运行的积
极和消极状态。
故障率是指任何给定时间，设备或零件出现故障的概率以λ表示。
随着时间延长，故障率增加。
③零件可靠性和设备可靠性