載重汽車輪胎成型機安全防護方案探討

李言堂

作者通聯：萊茵技術-商檢（青島）有限公司 山東青島市嶗山區(qū)株洲路175號2號樓6 層 266101

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一、載重汽車輪胎成型機安全防護

1.載重汽車輪胎成型機（圖1）

圖1 輪胎成型機外觀

輪胎成型機橫向導軌上，從左到右依次分布有胎體貼合鼓、胎體傳遞環(huán)、成型轂、帶束層傳遞環(huán)和帶束層轂。橫向導軌的前方，從左到右依次為墊膠供料架、卸胎機構和胎面供料架。

橫向導軌的后方左側為主供料架，其底層依次分布六個料卷開卷機構，二層用于調整和檢修；右側為帶束層供料架，其底層依次分布四個料卷開卷機構，二層也用于調整和檢修。

2.分區(qū)及危險識別

輪胎成型機的主要危險為傳遞環(huán)往復運動的撞擊危險，三個鼓的纏繞危險。在開卷機構處也存在纏繞危險。表1 分別按工作區(qū)，主供料架二層，主供料架底層，帶束層料架二層，帶束層料架底層五個分區(qū)列明輪胎成型機的主要危險源。

表1 輪胎成型機危險源明細

3.安全方案設計

從使用方便性、防護有效性、成本經濟性觀點出發(fā)，輪胎成型機采用防護圍欄，安全地毯，安全光柵，安全觸邊，聯鎖開關，安全腳踏和急停開關七類安全裝置。

安全地毯的使用場合和選型時應注意，在設備主操作區(qū)鋪滿安全地毯，并根據實際工作需要將其劃分為SM1-SM5 五個區(qū)域。主要危險是傳遞環(huán)往復運動引起的沖擊危險，其次是表1 工作區(qū)內的其他運動引起的危險。該區(qū)域采取的安全方案是當操作者踩到安全地毯的某一區(qū)域時，該區(qū)域以及緊鄰區(qū)域的危險運動都要停下來，并禁止這些運動再次被啟動，只有操作者退出此區(qū)域并按下操作屏上的復位按鈕后，機器才能正常運轉，但貼合鼓和帶束層轂除外，原因是這個工位的工作需要操作人員介入，根據歐洲機械指令附錄I，1.2.5 節(jié)[1]的規(guī)定，貼合鼓和帶束層轂的正翻轉必須是腳踏點動控制，并且低速運轉。

二、兩個最容易忽視的問題

1.點動控制方式

目前的點動操作是由腳踏開關實現的，急停裝置例如拉繩開關安裝在操作區(qū)的上方，急停按鈕安裝在離地1m 以上操作盒上，方便用手來操作。在現場，用塑料棒模擬人手指被千層輥和貼合轂（圖2）拖入時，由于本能反映，操作者會一直狠踩腳踏點動，以此作為身體的支撐點，想把手臂拽出來，由于腳踏點動一直被踩著，點動控制反而不起作用。人急于拽出手臂也無暇去找急停設備。受操作者加力踩腳踏開關這一細節(jié)啟發(fā)，選擇復位按鈕與腳踏開關在一起的安全腳踏開關（圖3），來使操作者從此危險中解脫出來。這種安全腳踏開關，正常操作時踏板處在初始和中間位置即可工作，腳踏力一般在10N。操作者驚慌時腳踏力會＞100N，而觸發(fā)第三位置，并一直保持在該位置，相當于急停開關的作用。危險情況消除后，按下其上的復位按鈕，腳踏開關回復到初始位置。

圖2 千層輥和貼合轂拖入危險點

圖3 安全腳踏

2.確定地毯寬度

現場調查發(fā)現，大多數工廠安全地毯的寬度是400mm，與技術人員交流后，發(fā)現400mm 寬度的選擇是沒有依據的。根據 ISO 13855:2010[2]第 七 章‘ 安全地毯布置的計算方法’的要求，安全地毯的最小寬度不能＜750mm（考慮大部分人的跨步尺寸，以防止跨過而沒有踩踏地毯）。假設從地毯的外邊緣到危險運動部件的距離為S，則有式1。

式中 1600——人的步行速度，mm/s

T——從地毯觸發(fā)到危險部件停下來的時間，ms

1200——人站在地毯最外邊緣探身后，手指可以碰到的最大距離，mm

考慮到傳遞環(huán)的主要危險是對身體撞擊，應只考慮跨步尺寸750mm（參見ISO 13855:2010），不應采用1200mm。公式1 應調整為式2：

從安全地毯和控制器查得相應時間為tc=35ms；由停止時間測試儀測得從控制儀給出信號到傳遞環(huán)停下來的時間為tf=374ms，則T=tc+tf=409ms，S=1400mm。停止時間測試儀器及裝置見圖4、圖5。

圖4 停止時間測試儀器

圖5 停止時間測試裝置

三、安全光柵的選型和安裝要求

LB1-LB4，LB6-LB9和 LB11 -LB12 是每個開卷工位安裝的安全光柵。由于開卷小車要經常出入該工位，所以選擇安全光柵作為保護措施方 便 操 作。LB5，LB10和LB13為 二層巡視平臺的樓梯口處安裝的安全光柵；LB14為成品小車的進出口處安裝的安全光柵。

開卷工位發(fā)生過操作者的手臂被絞斷的事故，所以該區(qū)域也是重點保護區(qū)域。該區(qū)域采取的安全方案是當操作者進出這一區(qū)域時，進出口的光柵被阻斷，該區(qū)域的危險運動都要停下來，并禁止這些運動再次被起動，只有操作者退出這個區(qū)域并按下復位按鈕后，機器才能正常運轉。但是墊布纏繞除外，原因是這個工作也需要操作人員的介入，根據歐洲機械指令附錄I，1.2.5 節(jié)的規(guī)定，墊布纏繞輥必須是點動控制，由于本身轉速很低，點動轉速和自動轉速是一樣的。在選用安全光柵時，需要考慮以下幾點。

（1）開卷工位的操作盒上只允許設點動按鈕和急停按鈕。

（2）復位按鈕的安裝位置必須在危險區(qū)外，既可以使站在該復位位置的操作者觀察到該危險區(qū)，又要保證處在危險內的人員無法復位它。例如圖2中的Reset（LB1-5）就是LB1-LB5 安全光柵的復位按鈕安裝位置。

（3）每一工位的安全光柵采用兩束光，離地高度分別為400mm和900mm。見ISO 13855 附錄E。

四、聯鎖開關安裝要求

圖6中SQ1 是二層樓梯口處的安全門，SQ2 是防護圍欄上的安全門。該區(qū)域采取的安全方案是當安全門打開后，該區(qū)域的危險運動都要停下來，并禁止這些運動再次被起動，只有操作者退出將這個區(qū)域，并按下復位按鈕后，機器才能正常運轉。選用安全門時，需要考慮以下幾點。

（1）復位按鈕的安裝位置必須在危險區(qū)外，既可以使站在該復位位置的操作者觀察到該危險區(qū)，又要保證處在危險內的人員無法復位它。例如安全門裝置中的SQ1，就是安全門的復位按鈕安裝位置。

（2）安 全 門 上聯鎖開關的觸點必須是肯定斷開形式的，帶有或標志 。參 見 ISO 14119 [3]。

（3）安 全 觸 邊選型。實際工作中對于安全觸邊的選型，技術人員也不清楚選型依據。危險運動的停車滑行距離可用公式3 求出，根據ISO 13856-2[4]附錄C，安全觸邊的最小過行程可按公式4 計算。

圖6 安全門與聯鎖開關

兩式中 S1——危險運動的停車滑行距離，mm

V——危險運動速度mm/s

T——總停車時間，s

t1——安全觸邊的響應時間，s

t2——機器停車時間，s

S——最小過行程，mm

c——安全系數，一般選1.2

墊膠或胎面供料架的伸出速度V=60mm/s，t1=90ms，t2=265ms，則S1=10.65mm，S=12.78mm。即安全觸邊的最小過行程為12.8mm。查規(guī)格書發(fā)現SL/NO GP 58（L）EPDM的最小過行程值為19mm，這個值明顯大于要求的12.8mm。

（4）圍欄的設計和安裝要求。安裝圍欄，根據ISO 13857[5]，圍欄網格為32mm×32mm，高度1600mm。

五、安全性能等級的確定

根據ISO 13849-1[6]附錄A，利用S，F和P 三個風險參數，可以確定每個危險區(qū)域的性能級別要求值見表2。

以安全地毯區(qū)域內的傳遞環(huán)快速往返運動為例，說明性能級別的確定。因為傳遞環(huán)的撞擊為嚴重傷害（S2），操作者在該風險下暴露的時間很長（F2），并且一旦發(fā)生撞擊幾乎不可能躲開（P2），故從1 點開始沿圖7 粗線對應的性能級別為e。圖7中風險參數，S為傷害程度，P 是避免危險或限制傷害的可能性，S1為輕傷(通?？赡娴膫?，P1在特定條件下可能性，S2嚴重(通常不可逆的損傷或死亡)，P2為幾乎不可能，F 頻率和/或暴露于危險，F1很少-不太經常和/或暴露時間短，F2頻繁-連續(xù)的和/或曝光時間很長。

表2 性能級別要求值

圖7 安全功能性能等級風險圖

六、安全電路的設計

為了更清楚地說明問題，以下安全電路只反映安全信號的輸入、邏輯處理單元和執(zhí)行機構。安全電路見圖8，安全地毯、安全光柵和安全門開關分別為輸入信號，PONZ multi為安全PLC，繼電器K1和K2，Kinetix 6200 伺服驅動器，M為電機，安全設備清單及參數見表3。一旦有安全信號輸入，K1和K2 由常閉轉換為分斷狀態(tài)，Kinetix 6200 驅動電機緊急停止并置于安全狀態(tài)。

七、安全性能計算

有關安全設備的操作周期，見表4的假設。

圖8 安全電路示意圖

表3 安全設備清單及參數

表4 設備操作周期

德國社會意外傷害保險職業(yè)安全和健康研究所（IFA）于2010年開發(fā)了基于ISO 13849-1 性能級別計算軟件（Version 1.1.4）。將表4的安全數據輸入該軟件后的計算結果可見圖9。

八、結論

上述安全方案，安全電路以及表5 安全部件的選型滿足ISO 13849-1的要求。

圖9 安全回路性能等級計算結果

表5 安全回路性能級別