通用機械的安全性設(shè)計方法研究與策略分析

魏 巍

(北京勞動保障職業(yè)學(xué)院，北京 100029)

1 引言

對于機械設(shè)計者、制造者(機械制造商)和使用者(最終用戶)而言，安全性無疑是必須優(yōu)先關(guān)注的決定性因素。現(xiàn)在已經(jīng)不再討論“要不要加裝安全裝置？”的問題，轉(zhuǎn)而研究“應(yīng)該采用怎樣的安全系統(tǒng)才可靠？”的問題。從機械設(shè)計的角度評判一臺機器的優(yōu)劣，不再是簡單地視其自動化程度或加工效率的高低而定，更應(yīng)強調(diào)考核其整機全生命周期的安全性是否有可靠的保證。

以往關(guān)于機械安全性方面的研究，偏重于對國內(nèi)外機械安全標(biāo)準(zhǔn)的介紹和宣貫，或局限于對某一種安全產(chǎn)品應(yīng)用的性能介紹。欠缺關(guān)于通用機械的安全性設(shè)計理論，方法和策略方向的研究。本文將結(jié)合對近幾年新頒布的3項通用機械安全A類標(biāo)準(zhǔn)(包括：GB/T 15706-2012 《機械安全 設(shè)計通則 風(fēng)險評估與風(fēng)險減小》、GB/T 16856-2015 《機械安全 風(fēng)險評估 實施指南和方法舉例》和GB/T 20850-2014 《機械安全 機械安全標(biāo)準(zhǔn)的理解和使用指南》)的解讀，提出可供通用機械設(shè)計人員參考借鑒的安全性設(shè)計流程、策略、方法和安全標(biāo)準(zhǔn)的適用規(guī)范。

2 通用機械的安全性設(shè)計流程

通用機械的安全性設(shè)計流程一般應(yīng)當(dāng)包括3個主要環(huán)節(jié)，分別是風(fēng)險評估、風(fēng)險減小和持續(xù)改進(jìn)。

風(fēng)險評估環(huán)節(jié)針對機器在每種使用條件下的每種危險和危險狀態(tài)的風(fēng)險進(jìn)行分析和評價。

風(fēng)險減小環(huán)節(jié)是在風(fēng)險評估結(jié)果顯示存在超出承受范圍的風(fēng)險時，采取保護(hù)措施消除危險或減小危險伴隨的風(fēng)險的迭代過程。

持續(xù)改進(jìn)環(huán)節(jié)既是指在初始設(shè)計時重復(fù)多次“風(fēng)險評估-風(fēng)險減小”的迭代過程；也是指在產(chǎn)品全生命周期中應(yīng)該持續(xù)視情啟動新的安全性設(shè)計流程。

3 風(fēng)險評估的設(shè)計方法和策略

風(fēng)險評估是設(shè)計者以系統(tǒng)方法對與機械有關(guān)的風(fēng)險進(jìn)行分析和評價的一系列邏輯步驟，依次為：①確定機器的各種限制，包括預(yù)定使用和任何可合理預(yù)見的誤用；②識別危險及其伴隨的危險狀態(tài)；③對每一種識別出的危險和危險狀態(tài)進(jìn)行風(fēng)險估計；④評價風(fēng)險并決定是否需要減小風(fēng)險。

GB/T 16856-2015 《機械安全 風(fēng)險評估 實施指南和方法舉例》(以下簡稱GB/T 16856)是實施風(fēng)險評估的指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)文件。GB/T 16856推薦采用評估組方式進(jìn)行風(fēng)險評估，除非該種機械的危險已被充分認(rèn)知。該標(biāo)準(zhǔn)還給出了評估組的人員組成原則。

3.1 機械限制的確定

機械限制的確定應(yīng)考慮機械生命周期的所有階段，包括預(yù)定使用和任何可合理預(yù)見的誤用。根據(jù)使用限制、空間限制、時間限制和其他限制對基于機器的機械功能和基于任務(wù)的機械使用給于清晰的綜合描述。

3.2 危險識別

危險識別在任何風(fēng)險評估中都是最重要的步驟，其目的是要形成一份危險、危險狀態(tài)和(或)危險事件的清單。GB/T 16856給出了兩種系統(tǒng)性識別危險的方法供選擇：以潛在后果(傷害)的核查清單為起點的 “自上而下法”和以檢查所有的危險為起點的 “自下而上法”。比較而言，后者更加有效且全面徹底，但耗時較長。推薦在通用機械安全設(shè)計時采用。

3.3 風(fēng)險評估

風(fēng)險評估的目的是確定每個危險狀態(tài)的最高風(fēng)險，通常以等級、指數(shù)、或分?jǐn)?shù)表述被估計風(fēng)險的大小，但也可以是描述性內(nèi)容。影響風(fēng)險估計結(jié)果的兩個要素是傷害的嚴(yán)重程度和該嚴(yán)重程度傷害發(fā)生的概率。GB/T 16856給出風(fēng)險評估的三種常用工具或方法包括：基于多維表格的風(fēng)險矩陣法；基于決策樹的風(fēng)險圖法；基于參數(shù)等級分加權(quán)復(fù)合的數(shù)值評分法。

除此之外，匯率預(yù)期與實際匯率往往具有相互強化的效應(yīng)，使得前者對跨境資金流動的影響程度更大。實體經(jīng)濟(jì)中的交易主體會因?qū)嶋H匯率升貶值形成對人民幣匯率走勢的預(yù)期，從而通過資金配置進(jìn)一步改變商品市場、資本市場以及信貸市場的均衡關(guān)系，又通過外匯市場供求關(guān)系的變化將影響傳導(dǎo)至實際匯率，實際匯率的波動則進(jìn)一步增強市場主體的匯率預(yù)期，形成“匯率升貶值——預(yù)期升貶值——加劇匯率升貶值——強化預(yù)期升貶值”的循環(huán)，實際匯率與匯率預(yù)期的自我強化也加大了對跨境資金流動的沖擊。

比較而言，風(fēng)險圖法更適宜對復(fù)雜危險狀態(tài)的風(fēng)險估計，建議在通用機械的風(fēng)險估計中選用。

3.4 風(fēng)險評價

風(fēng)險評價的目標(biāo)有兩個：一是確定哪些已有的危險狀態(tài)需要進(jìn)一步減小風(fēng)險；二是確定已實施的風(fēng)險減小是否達(dá)到要求，且沒有引入進(jìn)一步的危險或增加其他風(fēng)險。風(fēng)險評價應(yīng)同時考慮相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(如GB5226.1)以及法律、法規(guī)、勞動組織和慣例、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等多重因素的影響。對于風(fēng)險極低(輕微)的危險狀態(tài)，可記錄為“不做進(jìn)一步考慮”，不作處理；但對于風(fēng)險較低且容易實施有效減小的危險狀態(tài)，一般應(yīng)實施風(fēng)險減小的技術(shù)措施；對于會產(chǎn)生顯著風(fēng)險的危險狀態(tài)，依照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定予以減小；對于引起高風(fēng)險的危險狀態(tài)，建議作多次的風(fēng)險估計后作出結(jié)論。

4 風(fēng)險減小的設(shè)計方法和策略

風(fēng)險評估之后需要進(jìn)行風(fēng)險減小，即：“采取保護(hù)措施消除危險或減小危險伴隨的風(fēng)險”。風(fēng)險減小的措施應(yīng)盡可能充分將機器的危險性降低到可以承受的程度，因此有必要重復(fù)進(jìn)行該過程，即風(fēng)險減小的迭代。

GB/T 15706-2012 《機械安全 設(shè)計通則 風(fēng)險評估與風(fēng)險減小》(以下簡稱GB/T 15706)是實施風(fēng)險減小的指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)文件。風(fēng)險減小所采取的保護(hù)措施是設(shè)計者和使用者共同采取措施的組合。在設(shè)計階段采取的措施優(yōu)于在使用階段由使用者采取的措施，而且通常更有效。因此按照優(yōu)先級順序，設(shè)計者應(yīng)依次采取以下3步措施實施風(fēng)險減小措施。

4.1 通過本質(zhì)安全設(shè)計措施減小風(fēng)險

本質(zhì)安全設(shè)計措施是通過改變機器設(shè)計或工作特性，而不是使用防護(hù)裝置或保護(hù)裝置來消除危險或減少與危險相關(guān)的風(fēng)險的保護(hù)措施。如有可能，通過設(shè)計消除危險是減小風(fēng)險最有效的方法，因為它能去除危險源。例如在食品機械的喂料口等區(qū)域，改進(jìn)部件的造型輪廓，去除鋒利的銳邊和剪切點；為沖壓機械配置自動上下料機構(gòu)，消除重復(fù)動作和有害姿勢等。對于無法消除的危險，應(yīng)基于機器本身的設(shè)計特點和暴露人員與機器的交互關(guān)系，從降低傷害嚴(yán)重程度、危險暴露度、危險發(fā)生概率等方面合理選擇設(shè)計措施減小風(fēng)險。

4.2 通過安全防護(hù)減小風(fēng)險，實施補充保護(hù)措施

安全防護(hù)措施使人員遠(yuǎn)離那些不能合理消除的危險或者通過本質(zhì)安全設(shè)計措施無法充分減小的風(fēng)險。GB/T 30574-2014 《機械安全 安全防護(hù)的實施準(zhǔn)則》是實施安全防護(hù)的指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)文件。

安全防護(hù)措施及其裝置一般對傷害的嚴(yán)重程度幾乎沒有影響，但能限制暴露于危險，減小危險事件發(fā)生概率或限制傷害可能性。例如，在高速注塑機的合模區(qū)，存在著擠壓危險的高危險區(qū)域，必須加裝安全防護(hù)擋板或護(hù)欄；在大型塑料中空成形機的機架和活動防護(hù)門之間,加裝安全地毯、光幕等保護(hù)裝置，以減小危險事件發(fā)生概率。

此外，機器的預(yù)定使用和可合理預(yù)見的誤用有要求，可采用補充性保護(hù)和(或)風(fēng)險減小措施來進(jìn)一步減小風(fēng)險。GB/T 17506指出了對規(guī)避和限制傷害的能力影響最大的補充保護(hù)和(或)風(fēng)險減小措施：包括急停、被困人員逃生和援救的措施、安全進(jìn)入機器的措施、便捷安全搬運機器及其重型零部件的裝置等；對暴露有顯著影響的補充保護(hù)和(或)風(fēng)險減小措施則包括用于隔離和能量耗散的措施(如隔離閥或隔離開關(guān)、鎖定裝置、防止移動的機械擋塊等)。

4.3 通過使用信息減小風(fēng)險

使用信息是在需要時，當(dāng)采取上述第1、2步措施減小風(fēng)險后，用于警示使用者注意存在的剩余風(fēng)險。使用信息由設(shè)計者提供，使用者實施，為機器的正確和安全使用提供了指導(dǎo)。使用信息是由信息載體(如文本、文字、標(biāo)記、信號、符號、圖表)組成的保護(hù)措施，可單獨或組合使用這些載體向使用者傳遞信息。這些使用信息既可以存在于機器上(如警告標(biāo)記、信號和報警裝置等)，也可以存在于使用手冊中(可包括關(guān)于所需的培訓(xùn)以及個體防護(hù)裝備的信息)。使用者依據(jù)設(shè)計者提供的使用信息采取相應(yīng)的保護(hù)措施，包括但不僅限于組織措施(如安全工作程序、監(jiān)督、工作許可制度等)、使用附加安全防護(hù)裝置、使用個體防護(hù)裝備、培訓(xùn)等。

在通用機械的安全性設(shè)計中，應(yīng)采取措施保證所有使用信息應(yīng)醒目易識別，易懂可執(zhí)行。如在《使用說明書》中應(yīng)將安全類使用信息按警告、注意、提示3個層級采用不同的字體或版式分別標(biāo)注；如在熱處理機械、擠出機等加熱圈外壁加裝“高溫表面，切勿觸摸”的警告標(biāo)識，相關(guān)安全標(biāo)志的圖案及顏色應(yīng)符合GB 2894 和GB/T2893系列標(biāo)準(zhǔn)的要求。

5 持續(xù)改進(jìn)的設(shè)計方法和策略

通用機械的安全性設(shè)計過程是一個“迭代+嵌套”的體系結(jié)構(gòu)，從底層的面向單一危險狀態(tài)的風(fēng)險評估、風(fēng)險減少；到次級的風(fēng)險評估的迭代、風(fēng)險減少的迭代；再到更高級的“風(fēng)險評估-風(fēng)險減少的迭代”；直至最高級的面向整機全生命周期的安全性設(shè)計過程的迭代，貫穿全局的核心設(shè)計思想和理念就是“持續(xù)改進(jìn)”。

安全性設(shè)計的持續(xù)改進(jìn)不應(yīng)僅局限于原始設(shè)計階段，而是要貫穿產(chǎn)品的全生命周期。通過利用現(xiàn)有技術(shù)對風(fēng)險評估和和風(fēng)險減小設(shè)計多次迭代，重復(fù)反饋的過程，最終目的是要盡可能消除危險或充分減小風(fēng)險。一般而言，持續(xù)改進(jìn)的驅(qū)動力源于兩點：一是產(chǎn)品風(fēng)險評估信息的更新，改變了原有的風(fēng)險評估結(jié)果；二是安全裝置(技術(shù))的進(jìn)步，出現(xiàn)了風(fēng)險更低的等效機器設(shè)計，使原本可接受的機器設(shè)計可能不再合理。這樣的變化在產(chǎn)品的全生命周期中可能會隨時發(fā)生，例如，用戶提供了新的故障或事故信息；在實驗室或試運行中發(fā)現(xiàn)了原先沒有預(yù)見的風(fēng)險；相關(guān)法規(guī)、安全標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)規(guī)范修訂改版；安全裝置的零部件供應(yīng)商提供的質(zhì)量警示報告；發(fā)明了新的安全裝置(技術(shù))或原有安全裝置(技術(shù))的改進(jìn)；在設(shè)計審核中發(fā)現(xiàn)了安全設(shè)計缺陷等等。

對設(shè)計者而言，持續(xù)改進(jìn)可以是主動的也可以是被動的。持續(xù)改進(jìn)的過程中應(yīng)按下列優(yōu)先次序考慮4個因素：機器在生命周期所有階段內(nèi)的安全；機器執(zhí)行其功能的能力；機器的易用性；制造、使用和拆卸機器的成本。

對上述原則的最佳應(yīng)用需要掌握機器的使用、事故歷史和健康記錄、可用的風(fēng)險減小技術(shù)以及有關(guān)機器使用的法律方面的知識，作出綜合的評估和決策。對于已經(jīng)投入量產(chǎn)的產(chǎn)品，設(shè)計者在新的安全性設(shè)計改進(jìn)實施并得到肯定性驗證后，應(yīng)作出新設(shè)計改進(jìn)是否要追溯到已經(jīng)投放市場的產(chǎn)品批次的設(shè)計結(jié)論。

6 結(jié)語

在通用機械的安全性設(shè)計中，對相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行和引用具有不可替代的指導(dǎo)地位。其中，A類安全標(biāo)準(zhǔn)為安全性設(shè)計提供方法和原則；B類標(biāo)準(zhǔn)提供安全特性或裝置的設(shè)計規(guī)范；C類標(biāo)準(zhǔn)則給出特定產(chǎn)品的強制性技術(shù)要求和具體解決方案。在安全性設(shè)計中正確使用相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)無疑將收到事半功倍的效果。

當(dāng)然，也要認(rèn)識到安全標(biāo)準(zhǔn)(特別是C類標(biāo)準(zhǔn))自身的局限性：受行業(yè)整體發(fā)展水平、安全裝置技術(shù)滯后、產(chǎn)品風(fēng)險信息不全等諸多因素的制約，即便是C類安全標(biāo)準(zhǔn)也僅能提供現(xiàn)有技術(shù)條件下機械設(shè)備應(yīng)該達(dá)到的安全防護(hù)最低要求。這顯然不是安全性設(shè)計的終極目標(biāo)。

因此，通用機械的設(shè)計者在安全性設(shè)計中不能滿足于簡單執(zhí)行現(xiàn)有的強制性安全標(biāo)準(zhǔn)，而應(yīng)秉承“持續(xù)改進(jìn)”的設(shè)計理念實現(xiàn)對現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)的超越，設(shè)計出具有更高安全保障水平的通用機械產(chǎn)品。