作者：应露瑶 俞波 汪中亨

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安全防护系统中的物理隔离方案，从字面上来理解，就是用物理结构来实现危险区域隔离。本文中的物理隔离方案，主要介绍的是应用专业机械防护围栏进行人机物理隔离，防止人员非预期的进入和机械部件冲击来减小风险。物理结构有很多类型，在机械安全的相关标准中，这类物理结构被称为防护装置。标准符合性是安全防护系统设计的首要原则，设计人员需要能够理解标准的语言；而方案的设计，最终要具体落地在产品的选型上。通用的产品命名与机械安全标准中的概念并不是一一对应的。设计人员需要理解标准中的相关概念与市场上产品的对应关系，以满足方案设计时的标准符合性。机械安全标准体系及标准中对防护装置的定义如表1所示。

表1 机械安全标准体系及标准中对防护装置的定义

结合表1，围栏属于固定式防护装置中的一种，是一种距离防护装置，凭借其尺寸、与危险区的距离起到防止或减少人员非预期进入危险区的作用。因围栏常与安全门、联锁装置组合使用，这三者构成的系统称为围栏防护系统。围栏及围栏防护系统结构如图1、图2所示。

GB/T 15706-2012《机械安全　设计通则　风险评估与风险减小》中提出，防护装置能实现的功能如下:

——防止进入被防护装置封闭的空间，和/或；

——容纳或捕获由机器抛出或掉下的材料、工件、切屑、液体，减少由机器产生的排放(噪声、辐射、有害物质，如粉尘、烟雾、气体等)。

此外，防护装置可能还需要具有与电、温度、火、爆炸、振动、能见度(见 GB/T8196)以及操作者位置人类工效学(如易用性、操作者的运动、姿势、重复运动)相关的独特特征。

那么，在具体的物理隔离方案设计时，如何设计才能使其满足上述功能，下文将展开详细介绍。围栏与安全门属于物理隔离方案的范畴，将在本篇中进行介绍；而联锁装置属于联锁保护方案的范畴，将在下篇中介绍。

围栏的尺寸是一个项目非常重要的参数，主要有围栏高度、围栏的下沿离地高度、金属丝网围栏面板的网格尺寸（或其他面板的开口尺寸）这三个要点。GB/T 23821－2022《机械安全 防止上下肢接触及危险区的安全距离》这一标准给出了设计参考。

在确定围栏高度之前，应按照GB/T 15706－2012中的5.5确定伤害的严重程度和发生的概率，并测量危险区高度。如果通过围栏防护的危险仅会造成轻微伤害且发生概率低，则应按照GB/T 23821－2022的表1选择围栏的高度（即保护结构高度），否则应按照GB/T 23821－2022的表2选择围栏的高度。在不采用附加保护措施的情况下，围栏的高度越低，围栏距离危险区的尺寸应越大。通常，围栏的高度宜选用1600mm、1800mm、2000mm或2200mm。当围栏高度小于1400mm时，应采取附加保护措施。附图3及表2辅助理解。

图3 越过防护结构触及的安全距离及相关参数说明

表2 高风险情况下越过防护结构触及的安全距离（GB/T 23821－2022的表2）

危险区高度是一个相对确定的值，参考表2，在确定安全距离的情况下，可以选择合适的围栏高度；也可以在确定围栏高度的情况下，选择合适的安全距离。

除非风险评估结果表明可行，否则围栏下沿离地高度不应超过180mm，以避免人员从下沿开口进入危险区。围栏下沿离地高度如图4所示。

图4 围栏下沿离地高度示意图

金属丝网围栏面板的网格尺寸及其他面板的开口应符合GB/T 23821－2022中4.2.4的规定。开口尺寸e表示方形开口的边长、圆形开口的直径和槽形开口的最窄处尺寸。对应不同的身体部位，可以通过安全距离的要求，确定开口尺寸（对于围栏，即为网格尺寸）。也可以通过开口尺寸，确定安全距离的要求。

防护装置要能够防止人非预期进入被防护装置封闭的空间，要求围栏应至少具备防止人员非预期进入危险区的功能，其抗冲击能力的基础值应不小于115J。115J为模拟总质量为90kg的人体从防护区外以1.6m/s的速度撞击围栏前的能量。

防护装置要能够容纳或捕获机器抛出或掉下的材料、工件，就需要具备一定的强度，要求围栏应具备足够抵抗来自危险区内可预见撞击的抗冲击能力，应对防护区域内机器的部件或工件的冲击风险和冲击能量进行评估，并选用抗冲击能力不小于可预见冲击能量的围栏。如果机械运动部件冲击能量难以评估，宜选用抗冲击能力不小于1600J的围栏。1600J为模拟总质量为200kg的机械运动部件从防护区内以4m/s的运行速度撞击围栏前的能量。

表3 通过规则开口的安全距离——14岁及以上人员

围栏的抗冲击能力可以用摆锤试验的方法进行检测。

围栏作为一种通过螺栓螺母、焊接等方式固定的固定式防护装置，其固定用的组件（立柱及附件）的强度与固定方式、固定间距等也关系到围栏的整体强度。立柱柱体及底板应具备足够强度，相邻立柱的间距不应超过1500mm，每根立柱与地面使用不少于4个膨胀螺栓或化学锚栓进行固定。用于面板与立柱固定的连接件及紧固件应使用工具才能安装和拆卸。将立柱固定于地面的附件应采用不小于M10的膨胀螺栓或化学锚栓。

防护装置要容纳或捕获由机器抛出或掉下的材料、工件、切屑、液体，减少由机器产生的排放(噪声、辐射、有害物质，如粉尘、烟雾、气体等)，要有与电、温度、火、爆炸、振动、能见度(见 GB/T8196)等相关的独特特征，基本都是由不同特性的围栏面板实现的。围栏面板材质与面板设计考虑要素如图5所示。

图5 面板材质与设计考虑要素

除了根据安全距离选择合适的围栏开口尺寸，还要考虑其产生的飞溅物与排放物的类型，根据噪声、辐射、爆炸性环境的情况选择合适的面板材质与表面处理，根据观察能见度的需求选择合适的面板颜色。例如强腐蚀环境选用不锈钢材质的围栏，对于存在熔融金属飞溅的场景选用铁板围栏面板。

如何根据观察能见度的需求选择合适的面板形式和颜色，GB/T8196的5.9和5.22中给出了指导。当需要通过防护装置观察机器的运行时，选择的材料应具备合适的特性。如果采用穿孔材料或金属网，则宜有大小合适的开口和适当的颜色以便于观察。如果穿孔材料的颜色比观察区域暗，则会有增强观察的效果。在防护装置打开或不用时，可以使用合适的颜色来凸显出危险，引起人员对危险的注意。例如：防护装置与机器涂刷相同颜色，而危险部件涂刷鲜艳的对比颜色。如果需要观察过程，则穿孔材料制作的防护装置不宜涂上鲜艳的颜色，如黄色，这可能会干扰对过程的观察。对应到围栏上，也就是如果需要观察防护区内部，则金属丝网等穿孔材料面板应选用深色面板，如黑色（可搭配黄色立柱突出整体的危险区）。如果需要突出对危险区的注意，宜选用黄色面板。比机器颜色深的面板颜色利于观察，黄色不利于观察，比对效果图如图6。

图6 黑色面板与黄色面板观察效果对比

此外，围栏防护系统中的安全门作为一种活动式防护装置，要实现防护装置的功能，在设计时也需要一些考虑要素。安全门面板的强度应不低于围栏面板的强度。安全门的铰链或滑轨应具有足够的强度以及稳定性。在开关门的过程中应运行平稳可靠，在100000次完整启闭循环内不应出现卡滞和关闭不严的现象。安全门的宽度不应小于800mm。围栏高度为2000mm及以下时，安全门高度宜与围栏高度保持一致；围栏高度为2000mm以上时，安全门高度宜为2000mm，且应加装门框。铰链式安全门应采用向外打开方式，便于危险区内的人员逃生。