产品安全性设计原理探究

造成产品安全的责任事故的原因为：

1）产品设计缺陷。常见的问题有：计算不正确、使用了劣质的材料、检验不够、没有遵守安全设计规范。

2）没有设置必要的安全装置。当产品的固有安全性不充分时，设计则应设置附加的安全装置或在使用说明书中给用户以明确的警示。在多数产品责任中，警告的标志并不充分，特别是可以通过设计来保证产品的固有安全性，或可以通过防护装置来保障安全的情况下。在设计时预见所有合理的危及安全的情况，是对设计人员的基本要求。

3）设计者没有预见到产品使用时可能出现的情况。在美国曾经有这样一个判例：一个人用割草机去修剪他的树篱并因此受到伤害，设计者存在疏忽吗？一般都会觉得是使用不当。但分析认为，割草机相对水平面倾斜超过30°时应不再运转，因为在这种情况下即使4轮着地也会翻倒。而修整树篱时割草机可能翻转90°，但它还在转动。这个事实暗示设计有缺陷。同时，从这个例子可以看出并不是所有的判断都是符合逻辑的，要求产品都是“傻瓜”型的。

产品的安全性设计在国内外都有许多标准、规范和规程可以遵循，既有机电产品安全设计通则，也有特定产品专业的安全规程。符合适用的产品安全标准、规范规程的要求，是产品安全设计必须遵守的准则。在申请各种产品的安全认证时，更应注意具体的、有针对性的要求。

这里，仅从设计安全技术的角度考虑，阐述一般设计思想和原理。安全技术可分为直接的、间接的和提示性的三类。原则上其优先顺序是：首先力求通过直接安全技术去满足产品安全性的要求，即在设计、开发时采取措施，以使所设计出的产品本身就不会产生危险；在不可能采用直接安全技术的情况下，才考虑间接的安全技术，即建立安全保护系统和安全防护装置，以防止危险事故的发生；只有在直接和间接安全技术都无法采用的情况下，不得已才采用提示性安全技术，在危险发生之前发出警告，通过指示器（如闪红灯或响警铃）进行预先警示，指明危险部位和危险状况，提醒操作人员采取紧急措施，以免发生险情造成危害。

1.直接安全技术

常用的直接安全技术的原理和方法主要有：

（1）构件可靠性原理 为了确保构件的可靠性，设计时应力求做到：

1）搞清构件的负载情况，避免出现过载状态，特别要防止出现脆性断裂。

2）尽可能使材料具有一定的韧性，因为当应力分布不均匀，特别是有较大的应力集中时，韧性对于断裂来说，是有价值的安全因素。

3）考虑材料性质可能出现的变异，必须注意辐射、腐蚀、老化、温度、介质、表面涂层及制造等因素，对材料性能变异的影响。变异往往是随时间渐变的，其中，脆裂最危险，例如，钢制过盈配合件遇到酸性介质，就可能出现氢脆引起的自裂现象。

4）所选择的设计计算方法适用而可靠。

5）在加工和装配过程中，按ISO9001：1994的要求，除零件工序检验外，增加“台阶检”，即出车间前进行零件全面复验，装配前经总检确认有关检验和记录完全合格。

6）进行过载试验，以判定其可靠程度。

7）严格限定适用范围。

（2）有限损坏原理 有限损坏原理又称小损失容许法。其思路是为了防止造成大的损失，而容许小损失发生。当出现功能干扰甚至零件断裂时，要力求把危险性控制在不致上整机受到损伤的局部范围内。为此，可采用特定的功能元件。在出现危险时这个功能元件先遭破坏，但不会引起整机受到损伤的事故，并且这种元件一旦损坏易于查觉。例如，高压锅内的气压超过安全限度时，安全阀就会自动放气减压，锅炉和压力容器也多采用这一原理；为了防止内燃机因缸体内冷却水冻结膨胀而将缸体胀裂，除防冻液外，还可以在缸体上设置结冰时会自动飞出的防冻安全塞；对可能松脱或断裂的零件加以限位，使其不致逸出伤害整机，如连杆螺栓的防松装置。

（3）冗余配置原理 如前所述，采用备用机组或零部件（如电站的备用机组、坦克中的备用发动机、飞机的副油箱等），是通过系统可靠性的有效方法。在这些系统中，通常装有可对失效进行报警的功能元件。当这种功能元件失效时，系统可自动切换到备用系统，以确保整机能接续正常运行。

（4）排除危险性 这方面的措施有：去除粗糙的边缘、尖锐的角和凸起部分，防止造成伤害，这对于液压系统尤为重要；合理设计机器中的空隙和间隙，避免人的手指、手臂、脚和头部被夹伤；金属表面的温度不要超过60℃；电器绝缘物品应采用阻燃材料；使用电器烹调器具代替燃气具，以防止煤气中毒等等，彻底排除事故的隐患。(www.xing528.com)

（5）限制危险性的程度 这方面的措施有：采用低压蓄电池，防止电击事故；安装溢流保护装置；在有可燃性物质存在的场所，采用半导体电子装置，以保证在环境条件下不超过其起燃限度等，来降低现实在存在的危险程度，避免人身伤害和物件损坏事故的发生。

上述排除危险隐患、限制危险程度的设计方法，可称之“彻底安全”法。

（6）隔离、阻断和连锁装置 这种原理得到了广泛的应用，例如：将易燃物质贮存在有惰性气体的容器中保存；火灾只有在可燃性物质、氧化剂和火源同时存在的条件下，才可能发生，如果将其任何一个因素隔离开，就不会发生火灾；对放射性物质要可靠地隔离使用和保存，这次日本福岛的严重核泄漏事故，迫使人类不得不反思如何确保不发生核事故的问题；汽车中的安全气囊和安全带；从上海11.13重大火灾事故中，我们深刻认识到，在热源周围要放置不可燃或阻燃的隔热材料；采用控制行程的限位开关，防止机床操作时的撞车事故；采用连锁装置，防止误操作引起的事故；对于高速旋转的物体，在设计上应采用即使由于离心力过大，也能确保所产生的物件碎片不致飞出的结构等。

（7）安全防护装置 设计使用安全防护装置是为了使产品保持安全状态，即使在发生故障时也不会受其影响，不会造成人身伤害和物件损坏。例如：采用断路器或熔断器来切断电源；当煤气罐内部压力达到限定值时，为防止爆炸而自动停止向其供气等。

安全保护装置设计的优先保护顺序为：人、环境、机器、防止功能被破坏和引起生产率下降。

2.间接安全技术

间接安全技术的指导思想在于预防，立足于无论事故发生与否，如何避免和减少损伤。常用的方法有：

（1）防护装置 例如：对物体运动部分设防护罩，防止接触性伤害；在高压电路和高压装置周围，安装护栏等。

（2）防护用具 这是指为使人不受到伤害而穿着和佩戴的服装和器具等，例如：防毒面具、防辐射服、太空服、防弹衣、阻燃材料内衣、安全头盔、安全鞋、防护镜以及在客机中配备的氧气面罩等。

（3）配备救生器具 当事故已发生并无法使其恢复到正常状态时，必须设法使人脱离险境。在这种情况下，逃脱和救生器具是必不可少的，例如：安全门、安全梯、救生服、救生船和降落伞等。因为这是减小事故损失的最后手段，所以，在设计上必须保证这些装置的功能，在事故发生时要有效、可靠并在紧急状态下易于操作使用。

3.指示性安全技术

指示性安全技术是一种补救性措施，常用的方法有：

（1）报警装置 报警的方法通常是采用监控装置和警告提示等。监控装置的作用是通过监视温度、压力等参数，表征系统的运行状况，一旦出现异常及时报警，以避免意外事故的发生。警告提示，例如：在公路上标明转弯、交叉口、铁路道口等地段标志；高压、河道危险等标志；汽车燃油余量的显示；头顶部注意的标志；开关及电路切断器的标牌等。

（2）标明使用方法 如果在设计上没有标志产品安全的适当方法时，作为最后的手段，可以采用向使用者指明安全使用程序和方法。无论什么产品，向使用者提供保证安全的产品使用说明书，是供货方必须履行的义务。

有关安全技术具体应用的例证，在第6章结构设计中还将进一步介绍。

[1]可装配设计（DFA）是指通过对产品装配过程进行深入分析，设计出能够实现产品设计优化组合的装配流程，其主要目标是使装配成本最小化。

[2]可制造性设计（DFM）是指主要研究产品本身的物理设计与制造系统各部分之间的相互关系，并把它用于产品设计中，以便与整个制造系统融合。