Bezpieczna maszyna - zasady projektowania

Projektowanie bezpiecznej maszyny11 min read

Projektowanie bezpiecznej maszyny

Podczas projektowania maszyny najistotniejszą rzeczą jest przede wszystkim stosowanie rozwiązań bezpiecznych z założenia, aby zminimalizować ryzyko tak daleko, jak to tylko możliwe.

Rozwiązania te będą istnieć przez cały czas cyklu życia maszyny, aż do jej złomowania. Projektowanie bezpiecznej maszyny musi odbywać się z uwzględnieniem całego cyklu jej życia, od jej przetransportowania, poprzez montaż, przekazanie do eksploatacji, na wycofaniu z eksploatacji skończywszy. Powszechnie uważa się, że eliminowanie ryzyka poprzez rozwiązania bezpieczne same w sobie są najpewniejszymi rozwiązaniami. Dlatego rozwiązania bezpieczeństwa poprzez odpowiedni projekt maszyny są wymaganiem zasadniczym, opisanym w dyrektywie maszynowej 2006/42/WE w p. 1.1.2 b) i mają swoje miejsce w fundamencie tzw. triady bezpieczeństwa.

O tym, co to znaczy, że maszyna jest bezpieczna pisałem już w artykule “Co to znaczy bezpieczna maszyna? Ogólnie o bezpieczeństwie w systemach sterowania”.

Temat ten chcę jednak bardziej rozwinąć, rozpoczynając cykl artykułów pt. “bezpieczna maszyna – zasady projektowania”. Jest to bowiem temat, o którym wiele można pisać. Myślę, że wielu doświadczonych projektantów – mimo ogromnej wiedzy na ten temat – znajdzie tu coś dla siebie. Postaram się napisać o przypadkach, które tylko z pozoru są oczywiste, aby podkreślić ich niebagatelne znaczenie. Będzie też sporo wskazówek, o których zapominają projektanci maszyn, a które pomogą w projektowaniu bezpiecznych maszyn.

Ten cykl artykułów pierwotnie miał być kontynuacją cyklu “manipulacje przy urządzeniach ochronnych”. Z tego jednak względu, że temat dotyczący projektowania maszyn staje się rozległy i odbiegający od pierwotnego tematu, postanowiłem założyć nowy temat.

Cykl dotyczący projektowania bezpiecznych maszyn będzie zawierał praktyczne wskazówki, jakie warto brać pod uwagę przystępując do projektowania. Produkcją maszyn zajmuję się od kilkunastu lat i mogę powiedzieć, ze mam spore doświadczenie w tym temacie. Nie da się niestety napisać recepty na wszystkie problemy związane z projektowaniem i budową maszyn, ale praktyczne wskazówki z tej dziedziny będą na pewno korzystne. Zwłaszcza, że pisząc o tym będę polegał nie tylko na własnym doświadczeniu, ale również na przepisach, które można znaleźć w rozporządzeniach i normach.
Projektant musi się przede wszystkim nauczyć, że techniczne środki ochronne, takie jak osłony i urządzenia zabezpieczające należy stosować wówczas, gdy wyczerpane zostaną wszelkie możliwe bezpieczne rozwiązania projektowe. Jest to najważniejsza zasada, którą powinien stosować projektant. Pozostawienie ryzyka resztkowego, którego można było zredukować nie rozwiązuje piktogram lub ostrzeżenie o zagrożeniu, tak jak na poniższym, nawiązującym do tego zagadnienia zdjęciu.
Projektowanie bezpiecznej maszyny - ryzyko resztkowe
Projektowanie bezpiecznej maszyny musi uwzględniać zasady bezpieczeństwa kompleksowego wg p. 1.1.2 b) dyrektywy maszynowej MD 2006/42/WE, które przestawione są poniżej w postaci tzw. triady bezpieczeństwa.
Zabezpieczenia, które nie chronią - triada bezpieczeństwa
Powszechną tendencją wśród projektantów maszyn jest to, że podczas projektowania najczęściej skupiają się głównie na tym, aby maszyna nadawała się do zadania, do jakiego ma być przeznaczona. Jest to poniekąd słuszne podejście i zgodne z p. 1.1.2 a) dyrektywy maszynowej (więcej o tym napisałem w artykule “Zabezpieczenia, które nie chronią”). Projektanci widzą projektowaną przez siebie maszynę okiem wyobraźni, skupiając swą uwagę na jej głównym zadaniu. Przede wszystkim wyobrażają sobie maszynę pracującą bezawaryjnie bez udziału człowieka. Dlatego, że podczas samodzielnej pracy maszyny – najczęściej w trybie pracy automatycznej – taka maszyna nikomu nie zagraża, zapominają o tym, że bezpieczeństwo użytkowania maszyny należy zapewnić dla całego cyklu jej życia. Na zaawansowanym etapie projektu okazuje się nagle, że projektant pominął fakt, że operator będzie miał utrudniony wgląd do strefy roboczej, albo wymiana narzędzi będzie na tyle trudna, że operator będzie musiał przyjąć wymuszoną pozycję ciała. Ergonomia to temat na odrębny artykuł, podkreślić jednak muszę, że wszelkie naruszenia zasad ergonomii podczas projektowania mogą skutkować trudnością w wycofaniu się człowieka ze strefy zagrożenia. A przypomnę, że możliwość uniknięcia zagrożeń należy wziąć pod uwagę podczas oceny ryzyka dla każdego zidentyfikowanego zagrożenia. Cofnięcie się na zaawansowanym etapie projektowym w przypadku wykrycia wady w projekcie nie zawsze jest możliwe ze względów czasowych i ekonomicznych i najczęściej pozostawia się tą wadę, która w późniejszym etapie może stanowić zagrożenie, którego można było uniknąć.

Norma PN-EN ISO 12100 opisuje 7 faz cyklu życia maszyny, pomijając cykl projektowania, co nie oznacza, że projektowanie jest w całym cyklu życia maszyny najmniej istotne.

Norma podaje te cykle życia maszyny, które dotyczą gotowego produktu, jakim jest maszyna, a czynność projektowa ma za zadanie uwzględnić wszelkie możliwe zadania dotyczące cyklu życia fizycznego obiektu. Powszechnie wiadomo, że na powstanie wypadku może mieć wpływ wiele czynników i nie da się analizy wypadku uprościć. Skupmy się jednak na elementarnych przyczynach powstawania sytuacji zagrażającej dla poszczególnych faz życia maszyny, aby mieć pogląd na najczęściej występujące zagrożenia dla każdej z tych faz. Pozwoli nam to na opracowanie wstępnej koncepcji projektowej, która będzie fundamentalnym kierunkiem w opracowaniu zasad bezpieczeństwa kompleksowego wg p. 1.1.2 b) dyrektywy maszynowej MD 2006/42/WE. Ciężkość ryzyka w zależności od cyklu życia maszyny pokazuje, jakie czynności są najbardziej niebezpieczne dla użytkownika maszyny i na co projektant powinien zwrócić szczególną uwagę podczas projektowania maszyny.

1. Transport


Ta faza cyklu życia jest bardzo niebezpieczna i zależna oczywiście od konstrukcji i wielkości maszyny. Ryzyko można zredukować uwzględniając w projekcie punkty podnoszenia maszyny wraz z jej ciężarem i punktem ciężkości (p. 1 triady bezpieczeństwa). Niebagatelne znaczenie będzie miał wpis w instrukcji maszyny o kolejności rozłączenia komponentów maszyny i warunkach ich transportowania (p. 3 triady bezpieczeństwa). Czynność ta powinna być wykonywana przez wykwalifikowany zespół i należy o tym również napisać w instrukcji. Na tym etapie na bezpieczeństwo pracy największy wpływ będą miały czynności organizacyjne, głównie przestrzeganie przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy.

2. Montaż i instalowanie; Przekazanie do eksploatacji


Ta czynność następuje po przetransportowaniu maszyny i jej komponentów w miejsce ustawienia. Najczęściej wykonywana przez wykwalifikowany zespół. Projekt maszyny musi uwzględnić ograniczenia środowiskowe, sposób ustawienia maszyny i jej komponentów, oraz warunki zasilania maszyny w energię. Musi także przewidzieć możliwość przytwierdzenia maszyny (kotwienia) i próby uruchomieniowe. Na tym etapie na bezpieczeństwo pracy największy wpływ będą miały czynności organizacyjne, głównie przestrzeganie przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy. W instrukcji musi się znaleźć informacja o specjalnych uprawnieniach osób podłączających maszynę do źródeł energii. Użytkownik na tym etapie powinien zapoznać się z instrukcją użytkowania maszyny i przejść szkolenie producenta.

3. Nastawianie; uczenie/programowanie i/lub zmiana procesu


To jedna z trzech faz życia maszyny, podczas której statystycznie najczęściej występuje narażenie na zagrożenie. Dlatego projektant maszyny musi przeanalizować każdą czynność użytkownika, która w tej fazie życia maszyny jest niezbędna dla użytkowania. Są to takie czynności jak regulowanie, sprawdzanie parametrów, mocowanie przedmiotów, napełnianie, badanie parametrów i inne. Czynności te wiążą się często z koniecznością dostępu użytkownika do niebezpiecznej strefy maszyny i o ile techniczne środki bezpieczeństwa (p. 2 triady bezpieczeństwa) mogą skutecznie zabezpieczać maszynę przed niespodziewanym uruchomieniem, to istnieje jeszcze energia skumulowana lub potencjalna, która może stanowić zagrożenie (np. podczas wykręcania narzędzi). Wszelkie czynności związane z przezbrojeniem maszyny nie powinny być kłopotliwe, a już na pewno nie mogą stanowić zagrożenia. Znane są mi przypadki, w których wymiana pewnych elementów maszyny podczas przezbrojenia jej do produkcji innego typu detali jest o tyle niebezpieczna, że podczas wykręcania element ten (dosyć ciężki) może być przyczyną zmiażdżenia ręki lub innej części ciała, jeśli operator nie podstawi pod nim np. drewnianej podpory, która rzecz jasna nie jest wyposażeniem maszyny. Bywa również, że dostęp do śrub mocujących takich elementów wymaga od operatora sporej gimnastyki i o ile jakimś sposobem mógł się wsunąć pomiędzy elementy konstrukcyjne maszyny, aby te śruby wykręcić, to już uwolnić się ze szponów maszyny było mu niezwykle trudno. Tego typu czynności są bardzo często pomijane w ocenie ryzyka i dlatego podczas analizy ryzyka należy poświęcić szczególną uwagę na tę fazę cyklu życia maszyny. Jeśli elementy wymienne znajdują się w trudno dostępnym miejscu, oznacza to, że projektant nie zastosował w pełni zasad wskazywanych przez p. 1 triady bezpieczeństwa, czyli uwzględnienia bezpieczeństwa za pomocą założeń projektowych.

4. Działanie


Podczas normalnego działania maszyny wypadki – w zależności od charakteru pracy – występują najrzadziej. Pomijam tu całkowicie sprawy organizacyjne, takie jak np. ustawienie maszyny wraz z innymi maszynami i powstawanie przez to dodatkowego ryzyka, którego projektant mógł przed tym ustawieniem nie rozpoznać, a które również mają wpływ na bezpieczeństwo podczas tej fazy życia. Podczas projektowania należy skupić się na dających się przewidzieć potencjalnych zdarzeniach wypadkowych, jakie mogą mieć miejsce dla tej fazy życia maszyny. Projektant wie wszystko na temat maszyny. Dokładnie wie, jakie czynności będzie musiała wykonywać obsługa podczas normalnego działania maszyny i jeśli na tej fazie cyklu życia dojdzie do wypadku, najczęściej jest to wynikiem ominięcia technicznych środków bezpieczeństwa. Przyczyną ominięcia środków bezpieczeństwa dla tej fazy cyklu życia może być utrudniona obserwacja procesu. Dlatego projektant musi uwzględnić w projekcie możliwość ominięcia urządzeń zabezpieczających, albo zmienić projekt maszyny w taki sposób, aby użytkownik nie stanął przed koniecznością ominięcia technicznych środków bezpieczeństwa.

5. Czyszczenie; konserwacja


To druga z trzech faz życia maszyny, podczas której statystycznie najczęściej występuje narażenie na zagrożenie. Ta czynność wiąże się z koniecznością dostępu do niebezpiecznej strefy maszyny. Dla użytkownika istotne podczas tej fazy życia będą informacje o ryzyku resztkowym (p. 3 triady bezpieczeństwa) w postaci piktogramów i informacji zawartych w instrukcji maszyny. Powinny się tam znaleźć informacje, jakiego rodzaju środki czyszczące można użyć i jakie są zabronione. Pomijam tu sprawy organizacyjne związane z kartami charakterystyk zastosowanych środków chemicznych, ale na pewno istotną informacją od projektanta będzie to, jakich środków chemicznych na pewno nie wolno stosować (niektóre materiały, z którego zbudowana jest maszyna, mogą wchodzić w reakcję na środek chemiczny). Jeśli podczas tej fazy życia występuje możliwość uwięzienia człowieka w maszynie, projektant musi zastosować odpowiednie środki eliminujące to ryzyko. O ile człowiek nie zawsze i nie w każdej sytuacji musi mieć zapewniony dostęp do wnętrza maszyny, to możliwość wyjścia z niej powinien mieć zawsze.

6. Wykrywanie defektów; usuwanie usterek


To ostatnia z trzech faz życia maszyny, podczas której statystycznie najczęściej występuje narażenie na zagrożenie. Wszystkie te trzy fazy życia występują wielokrotnie podczas całego cyklu życia maszyny, podczas gdy transport oraz wycofanie z eksploatacji występują najrzadziej. Wykrywanie usterek może się wiązać z koniecznością obserwacji ruchów i jeśli widoczność procesu jest ograniczona, maszyna będzie wymagała włączenia maszyny w takim trybie pracy, który umożliwi bezpieczne zdiagnozowanie problemu podczas jej ruchu. Jeśli wykrycie usterki podczas konieczności włączenia maszyny w ruchu nie będzie możliwe bez ominięcia technicznych środków bezpieczeństwa, dojdzie do jej nieprawidłowego użycia. Będzie to wówczas oznaczało, że maszyna została zaprojektowana bez możliwego do przewidzenia jej niewłaściwego użycia (p. 1.1.2 c MD). Na etapie projektowania należy uwzględnić dostępność punktów obserwacyjnych, a jeśli jest to niemożliwe ze względu na specyfikę maszyny, należy przewidzieć dodatkowy tryb pracy maszyny, który umożliwi włączenie jej w ograniczonym zakresie, umożliwiającym bezpieczne wykrywanie usterek.

7. Wycofanie z eksploatacji, demontaż


Dla tej fazy cyklu życia, tak jak dla fazy transportu, projekt musi uwzględniać punkty podnoszenia maszyny wraz z jej ciężarem i punktem ciężkości (p. 1 triady bezpieczeństwa). W instrukcji maszyny musi się znaleźć wpis o kolejności odłączania zasilania i rozpraszania energii oraz rozłączenia komponentów maszyny i warunkach ich utylizacji (p. 3 triady bezpieczeństwa). Na tym etapie na bezpieczeństwo pracy największy wpływ będą miały czynności organizacyjne, głównie przestrzeganie przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy.

We wszystkich 7 faz życia maszyny bardzo ważną rolę odgrywa instrukcja maszyny. W następnych artykułach bardziej szczegółowo opiszę jej ogromne znaczenie.