Предохранительные устройства

По существующим требованиям безопасности ни одна машина, станок или оборудование не могут считаться пригодными для выполнения работ, если они не имеют предохранительных защитных устройств на случай аварийных режимов. В основу предохранительных устройств положен принцип отключения оборудования при выходе контролируемого параметра (давление, температура, усилие, перемещение и т.д.) за допустимые пределы.

Принципиальные решения и конструктивное оформление предохранительных устройств разнообразны и зависят от особенностей данного оборудования и технологического процесса.

В зависимости от природы возникновения опасного производственного фактора все предохранительные устройства можно подразделить на четыре группы:

- предохранители от механических перегрузок;

- предохранители от перемещения частей машины за установленные габариты;

- предохранители от превышения давления и температуры;

- предохранители от увеличения силы электрического тока свыше допустимых пределов.

Для защиты от механических перегрузок и предотвращения, связанных с этим аварий, используют муфты, ограничители грузоподъемности, регуляторы частоты вращения, срезаемые штифты и шпильки. В сельскохозяйственных машинах широко распространены фрикционные муфты, в которых давление между поверхностями трения создается пружинами, отрегулированными на передачу предельного момента. Муфта срабатывает при перегрузках рабочего органа. Грузоподъемные механизмы снабжают ограничителями грузоподъемности, что исключает опасную перегрузку во время подъема и перемещения груза.

Простейший тип грузового рычажного ограничителя показан на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 – Схема работы грузового рычажного ограничителя грузоподъемности

При перегрузках крана усилие Р от нажатия ветвей грузового каната 1 превысит величину уравновешивающего момента от груза 4. Рычаг 3 повернется, а его правый конец нажмет на рычаг конечного выключателя 5 и разомкнет цепь управления электродвигателя. Момент срабатывания регулируют передвижением груза G по рычагу. Механизм срабатывает, если будет соблюдаться условие:

(3.6)

Если шкивы и шестерни фиксируются на приводном валу с помощью предохранительных штифтов или шпилек, то при превышении допустимых нагрузок они срезаются и шкив (шестерня) вращается на валу вхолостую. Для возобновления работы механизма необходимо заменить срезанную шпильку (штифт).

Регуляторы частоты вращения работают по принципу автоматического ограничения подачи топлива в цилиндр двигателя и предотвращают опасное нарастание оборотов при неисправностях топливоподающих устройств в двигателях внутреннего сгорания.

Для защиты от перехода движущихся частей машины за установленные пределы и предотвращения, связанных с этим поломок машин, используют концевые выключатели (ограничители хода), остановы, захваты и упоры. Концевые выключатели широко применяют в грузоподъемных механизмах для ограничения пути движения груза как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях, на металлорежущих станках – для выключения движения суппорта, для изменения направления движения рабочего органа и т.д.

Для предупреждения аварий (взрывов) механизмы, работающие под давлением пара, газа или жидкости выше атмосферного, снабжают предохранительными устройствами в виде клапанов и мембран. Все паровые котлы, гидравлические и пневматические системы снабжают предохранительными клапанами, которые при превышении давления сверх установленных норм открываются и тем самым сбрасывают избыточное давление пара, жидкости или газа (воздуха).

Конструкции клапанов различны, но назначение у них одно – предупредить аварию и не допустить несчастный случай с обслуживающим персоналом.

Если пренебречь массами рычагов клапанов, то условие, при котором рычажный клапан начнет открываться, будет иметь вид:

(3.7)

а для пружинного клапана:

(3.8)

где a – коэффициент расхода пара через клапан; Н – предельное рабочее давление в сосуде, Па; G – масса подвижного груза, кг; Т – усилие пружины, Н; , – плечи рычага, м; d – диаметр отверстия, м.

Предохранительные клапаны могут эффективно защищать оборудование только при условии, что давление будет нарастать сравнительно медленно, не потребуется большей степени герметичности и не будет коррозионного воздействия среды. В условиях, когда работоспособность предохранительного клапана недостаточна, применяют предохранительные мембраны. На изготовление мембраны идет тонкая металлическая пластина, толщина которой должна быть такой, чтобы при давлении свыше допустимых пределов произошел ее разрыв и разрывная волна вышла в атмосферу.

Предохранительные устройства такой конструкции установлены на некоторых моделях пенных огнетушителей. Для котельных установок мембрану изготовляют из листового асбеста. Конструкция и размеры мембраны должны быть такими, чтобы после ее разрыва была исключена возможность дальнейшего повышения давления в сосуде.

На рисунке 3.5 изображена схема работы предохранительного водяного затвора низкого давления, устанавливаемого на ацетиленовых генераторах для предотвращения их взрыва. При обратном ударе взрывчатая смесь попадает в затвор, при этом часть воды вытесняется по газоотводной трубке 4. Когда обнаружится конец трубки 5, газ начнет выходить в атмосферу. После того как избыток газа выйдет по трубке 5 и давление упадет, затвор начнет нормально работать.

Большую опасность представляет появление электрического тока на частях оборудования, которые при нормальных режимах не находятся под напряжением. Для предотвращения нарастания тока до опасных величин на частях оборудования применяют плавкие предохранители. При достижении силы тока сверх установленных пределов предохранитель расплавляется и прерывает электрическую цепь. На более ответственных установках для защиты применяют автоматические отключатели.

Рисунок 3.5 – Схема работы водяного затвора низкого перепада давления: а) при нормальной работе; б) при обратном ударе; 1 – корпус; 2 – воронка; 3 – запорный клапан; 4 – газоотводящая трубка; 5 – предохранительная трубка; 6 – контрольный клапан

Тормозные устройства

Тормозные устройства применяют для быстрой остановки движущихся машин и частей оборудования, удержания машин на преодолеваемом ими подъеме или спуске, для исключения самопроизвольного опускания груза и т.д.

Рабочие органы некоторых машин обладают большой массой и большой частотой вращения и, следовательно, могут длительное время вращаться по инерции, что создает для работающих опасность получить травмы.

Степень опасности травмирования обслуживающего персонала во многом зависит от времени срабатывания тормозной установки.

Полное время t_п аварийной остановки движущегося оборудования при внезапном появлении опасности можно расчленить на отдельные элементы:

(3.9)

где t₁ – время получения информации и реакции оператора; t₂ – время задержки сигнала в звеньях привода тормоза; t₃ – время торможения до полной остановки рабочего органа.

Время реакции зависит от индивидуальных особенностей оператора, возраста, навыков и т.п. Оно может колебаться от 0,4 до 1,5 с и более. Время задержки сигнала в приводе тормоза зависит от его конструкции и определяется экспериментально. Его можно условно принять: для гидравлического привода тормозов – 0,2 с, механического – 0,3 с, пневматического – 0,6…0,7 с. Время торможения для механических тормозов зависит от частоты вращения тормозного вала, размеров, массы деталей и величины тормозного момента. Тормозной момент зависит от усилия, с которым фрикционные элементы тормозов (колодки, ленты, диски) прижимаются к поверхности трения барабана, и от свойства материалов трущейся пары.

Исходя из требований безопасности тормоз рассчитывают с учетом коэффициента запаса торможения К_з, равного отношению тормозного момента М_т к моменту сопротивления М_с.

Согласно правилам устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов К_з = 1,5 – для кранов с ручным приводом и К_з = 1,5…2,5 – для кранов с машинным приводом.

В целях безопасности время торможения желательно сократить. Однако при этом следует иметь в виду, что с его уменьшением резко возрастут динамические нагрузки, которые могут привести к поломке деталей.

Эффективность торможения мобильных машин оценивают по величине остановочного пути, который пройдет машина с момента обнаружения опасности до момента ее остановки. Остановочный путь упрощенно можно выразить в следующем виде:

(3.10)

где v₀ – начальная скорость при торможении, км/ч; К_эт – коэффициент эксплуатационных условий торможения; j – коэффициент сцепления шин с почвой.

Если автомобиль (трактор) буксирует прицеп, не имеющий тормозов на колесах, то остановочный путь увеличится:

(3.11)

где G_а – масса автомобиля (трактора), кг; G_п – масса прицепа, кг.

В электрических приводах транспортных и грузоподъемных машин применяют торможение электродвигателя противовключением. Сущность этого способа состоит в том, что к выключенному электродвигателю подводится обратный порядок чередования фаз, в результате чего возникает значительный тормозной момент и частота вращения рабочего органа быстро уменьшается. При торможении противовключением сразу же после остановки электропривод должен быть отключен во избежание изменения направления вращения электродвигателя на противоположное.

Блокировочные устройства

Блокировка – это совокупность методов и средств, обеспечивающих фиксацию частей механизма в определенном состоянии, которое сохраняется независимо от того, устранено или нет блокирующее воздействие. В ряде механизмов наличие одного или даже нескольких средств безопасности (ограждение, предохранительное устройство или торможение) не всегда обеспечивает требуемую безопасность. Так, наличие в конструкции ограждения опасной зоны не гарантирует, что травмирования не произойдет, так как в ряде случаев имеется возможность работать на оборудовании и без ограждений, что может привести к тяжелым последствиям, если на плоскости прилегания ограждения кожуха установить контакты, размыкающие цепь питания пускового устройства (электродвигателя), то при снятом ограждении оборудование не включится в работу. Включение его происходит только при установленном ограждении.

По этому принципу срабатывает блокировочное устройство металлообрабатывающего станка. При поднятом защитном экране контакты выключателя размыкаются, а при опускании экрана – замыкаются, обеспечивая включение электродвигателя.

Особо важную роль играют блокировочные механизмы в оборудовании, требующем определенной последовательности включения отдельных элементов. Статистика травматизма отмечает большое число травм, происшедших при заводке трактора. Согласно требованиям безопасности перед запуском двигателя рычаг коробки передач необходимо установить в нейтральное положение. Несоблюдение этого требования может привести к тягчайшим последствиям. Чтобы исключить запуск двигателя при включенной передаче, на современных тракторах устанавливаются блокировочные устройства.

У ряда станков, представляющих большую опасность при работе (например, прессов, штампов, ножниц для резки металла), для защиты опасных зон применяется фотоэлектрическая блокировка. Луч света от источника проходит через опасную зону и попадает на фотоэлемент. Если опасная зона перекрывается (рукой или каким-либо предметом), то рычаг исполнительного механизма размыкает цепь питания электродвигателя оборудования. В ряде конструкций защиты рычаг удерживает пусковую педаль, тем самым не давая включить станок в момент нахождения руки в опасной зоне.

В машинах с гидравлическим или пневматическим приводом рычаг перекрывает клапаны питающей среды.

Применяют и другие типы блокировочных устройств, в частности радиационную блокировку. Сущность ее состоит в следующем. На руку рабочего надевается браслет с источником слабого ионизирующего излучения. Когда рука приближается к опасной зоне, излучение улавливается счетчиком Гейгера и передается на тиратронную лампу, которая передает импульс на реле, разрывающее цепь магнитного пускателя.

Сигнализация

Сигнализация о наступающей или наступившей опасности как метод зашиты довольно широко применяется в современной сельскохозяйственной технике.

По функциональному назначению сигнализация подразделяется на предупредительную (предупреждение о необходимости соблюдения требований безопасности труда, регулирование движения транспортных средств), аварийную (извещение о возникновении опасного режима работы), контрольную (контроль производственных процессов по заданным параметрам температуры, давления, уровня жидкости и т.д.) и переговорную (оперативная связь между группой людей, обслуживающих один механизм или агрегат, условными сочетаниями звуковых и зрительных сигналов).

По способу действия различают сигнализацию световую, звуковую, цветовую и знаковую. Световая сигнализация как средство безопасности широко применяется на транспортных средствах. Она предупреждает встречный и идущий сзади транспорт об опасности. С этой целью транспортное средство оборудуют различными сигнализационными световыми приборами: фарами, габаритными огнями, стоп-сигналами, указателями поворота.

Световая сигнализация на автомобильных дорогах предупреждает о принятии необходимых мер как водителями движущегося транспорта, так и пешеходами. Световую сигнализацию широко применяют в электроустановках, на пультах управления полуавтоматическими и автоматическими линиями.

Двухсторонней световой сигнализацией следует оборудовать тракторные агрегаты. На оборудовании, создающем повышенный шум, необходимо применять световые сигналы, а на оборудовании с низким шумом (до 60…70 дБ) – звуковые. Использование цвета в качестве закодированного носителя информации об опасности позволяет во многих случаях предупредить аварии и несчастные случаи на производстве. ГОСТ 12.4.026-06 устанавливает следующие сигнальные цвета и их назначение: красный – «Запрещение», «Стоп», «Явная опасность»; желтый – «Внимание», «Предупреждение о возможной опасности»; зеленый – «Безопасность», «Разрешение», «Путь свободен», синий – «Информация».

В последнее время все больше внимания уделяется проблеме окраски рабочей и специальной одежды. Традиционные черные и темно-синие цвета заменяют более яркими и разнообразными. Так, для человека, работающего в опасной зоне, предпочтительна одежда, резко контрастирующая с фоном местности. Для работы на открытом воздухе наиболее целесообразным является оранжевый цвет одежды. Такую одежду используют рабочие, занятые на ремонте железнодорожных путей и строительно-дорожных работах.

Знаковую сигнализацию применяют давно, в виде дорожных знаков. Знаковая сигнализация используется на производстве как средство обеспечения безопасности труда. По ГОСТ 12.4-026-06 установлено четыре группы знаков безопасности: запрещающие, предупреждающие, предписывающие и указательные (рисунок 3.6). Для каждой группы установлены форма, цвет и размеры знаков в зависимости от расстояния до наблюдателя.

Рисунок 3.6 – Знаки безопасности: а – запрещающий; б – предупреждающий; в – предписывающий; г – указательный

Для каждого знака рекомендованы места их установки.

Запрещающие знаки запрещают или ограничивают какие-либо действия (запрещение купания, применение открытого огня, движение транспорта или пешеходов, ограничение скорости движения и др.). Запрещающие знаки выполняются в виде красного круга с белым полем внутри и символическим изображением черного цвета, перечеркнутого красной полосой либо красного круга с белым полем и поясняющей надписью черного цвета.

Предупреждающие знаки говорят о возможной опасности (взрыв, воспламенение, поражение электрическим током, падение каких-либо предметов и др.). Эти знаки выполняют в виде желтого равностороннего треугольника с закругленными углами, вершиной кверху, с символическим изображением и каймой черного цвета.

Предписывающие знаки разрешают действия только при соблюдении конкретных требований безопасности и представляют собой квадрат зеленого цвета с белой каймой по контуру с белым полем, на котором изображается символ или надпись черного цвета, а для пожарной безопасности – красного.

Указательные знаки определяют местонахождение различных объектов на предприятии и представляют собой прямоугольник синего цвета с белой стрелкой и символическим изображением или надписью черного цвета внутри белого квадрата, для обозначения пожарной безопасности символ или надпись красного цвета.

Стандартом предусмотрено 12 вариантов размеров: шесть для обычных знаков и шесть для уменьшенных, наносимых на производственное оборудование.