- Сначала определите пути нагрузки посредством принудительной механической опоры и механического самоудержания, затем настройте приведение в действие и мониторинг.
- После неисправности удерживайте нагрузку, прекратите опасное движение, заблокируйте разблокировку и обеспечьте безопасный путь восстановления.
- Разработать случаи впрыска неисправностей для давления, клапанов, блокировки, датчиков, связи, несоответствий и команд непреднамеренного выпуска.
- Поэтапный переход от моделирования и суррогатных нагрузок к реальным аккумуляторным блокам с записью, прослеживаемой в соответствии с соответствующими требованиями безопасности.
00Резюме
Тяговые аккумуляторные батареи тяжелые и имеют сложные центры тяжести. Их корпуса, уплотняющие поверхности, высоковольтные соединения и интерфейсы охлаждения чувствительны к механическим повреждениям, а поврежденные элементы могут представлять дополнительную опасность. Потеря воздуха или электроэнергии, неполная блокировка, неверные сигналы датчиков или непреднамеренное разблокирование могут привести к падению и повреждению корпуса, изоляции или системы охлаждения. GB 38031-2025 вступил в силу 1 2026 и определяет требования безопасности к тяговым батареям, используемым в электромобилях [1]. Он касается безопасности аккумуляторных изделий и не заменяет конструкцию механической безопасности погрузочно-разгрузочных инструментов. Поэтому конструкция оснастки должна исключать механические повреждения и аномальные энергетические явления.
Отказоустойчивая архитектура сочетает в себе надежную механическую поддержку, механические самоудерживающиеся блокировки, блокировку разблокировки поддерживаемой нагрузки и диагностику с использованием нескольких сигналов. Удержание тяжелых грузов не должно зависеть в первую очередь от трения или постоянного давления воздуха. Путь механической нагрузки и закрытое, заблокированное состояние должны быть явными; Поддержка должна быть подтверждена перед освобождением, при этом давление, положение, состояние блокировки и нагрузки контролируются одновременно. Функции управления, связанные с безопасностью, могут быть разработаны в соответствии с ISO 13849-1:2023 и проверены посредством анализа и испытаний в соответствии с ISO 13849-2:2012 [2][3]. Требуемый уровень производительности определяется конкретной оценкой рисков.
Основные выводы
- Тяжелые аккумуляторные блоки должны использовать геометрическую опору и механически самоудерживающиеся элементы в качестве основного пути нагрузки; одна функция пневматического давления, вакуума или трения не должна быть единственной мерой предотвращения падения.
- Безопасное поведение направлено на удержание нагрузки, прекращение опасного движения и запрещение освобождения, сохраняя при этом диагностируемый путь восстановления. Продолжение производства после неисправности не должно быть целью.
- Внесение неисправностей должно охватывать заедание датчиков, замыкание/размыкание сигнала, застревание клапанов, разрыв труб, падение давления, перебои в передаче данных, несоответствие рецептур и ложные команды на выпуск.
- Переход от низкой энергии к высокой, от суррогатных нагрузок к реальным аккумуляторным блокам и от одиночных неисправностей к обоснованным комбинациям неисправностей.
- Записи о валидации должны связывать каждое требование безопасности с его предположениями о неисправности, этапами тестирования, необработанными сигналами, результатами оценки и корректирующих действий, чтобы обеспечить полную прослеживаемость.
01Объем исследования и цели безопасности
В данном исследовании рассматриваются специальные инструменты для аккумуляторных модулей, нижних корпусов, аккумуляторных лотков и комплектных тяговых аккумуляторных блоков во время сборки, проверки, ремонта и перемещения со стороны линии. Носителем может быть пневматический промышленный манипулятор, подъемное устройство, робот или специальная машина. В объем работ входят инструменты и интерфейсы управления ими, за исключением проектирования электрохимических элементов, сертификации алгоритмов BMS и правил транспортировки.
Цели безопасности подразделяются на четыре категории: защита персонала от опасностей падения груза и защемления; предотвращать повреждение корпуса аккумуляторной батареи, уплотняющих поверхностей или интерфейсов, выходящее за пределы ограничений продукта; не допускать, чтобы одна неисправность инструмента напрямую вызывала опасный выброс; и предусмотреть определенные шаги для перевода нагрузки на безопасную опору во время ненормального состояния. ISO 12100 требует выявления опасностей и снижения рисков на протяжении всего жизненного цикла оборудования [4], а ISO/TR 20218-1 содержит рекомендации по безопасности при проектировании и интеграции конечных исполнительных механизмов роботов [5].
| Функция безопасности | Условие триггера | Целевой ответ | Обязательные записи |
|---|---|---|---|
| Подтверждение захвата/поддержки | Перед получением | Без подтверждения подъем запрещен | Положение, давление/сила, заблокированное состояние |
| Удержание нагрузки | Потеря подачи воздуха, потеря электроэнергии, отказ клапана | Никаких опасных выбросов; движение остановлено | Время выдержки, смещение и структурное состояние |
| Релиз с поддерживаемой нагрузкой | Заготовка поддерживается в разрешенной ориентации | Разблокировка/разжим разрешена только после этих проверок. | Поддержка записи сигнала, положения и команды |
| Предотвращение несоответствия | Модель аккумулятора/инструмент/рецепт не соответствуют друг другу. | Зажим и подъем заблокированы | Идентификатор, версия рецепта, журнал блокировки |
| Восстановление после ненормального состояния | Любая неисправность, связанная с безопасностью | Войдите в состояние контролируемой установки или технического обслуживания. | Этапы восстановления и записи авторизации |
02Несущая архитектура и принципы отказоустойчивости
02.1 Положительная механическая опора
Определите путь опоры от структурных и бесконтактных зон на нижней стороне аккумуляторной батареи. Отдавайте предпочтение опорным рычагам, вилочным опорам, расположенным в несущих отверстиях или боковых направляющих, или механическим точкам захвата, одобренным поставщиком продукции. Когда цилиндры или двигатели закрываются, позиционируются или блокируются инструменты, конструкция должна по-прежнему учитывать удержание нагрузки после потери энергии и не должна немедленно терять всю удерживающую способность.
Если сила передается посредством зажима трением, получите поддающиеся проверке данные о минимальном коэффициенте трения, контактных материалах, состоянии поверхности и усилии зажима. Также оцените влияние зажима на корпус, охлаждающую пластину, уплотнительные поверхности и покрытия. Для удержания большой нагрузки сначала оцените положительную механическую поддержку; Увеличение силы зажима само по себе не является адекватным способом устранения риска.
02.2 Варианты нагружения и примеры расчетов
F_eq = m · (g + a_z) + F_shock
F_design = S_L · F_eqПредположим, что масса аккумуляторной батареи составляет 650 kg и максимальное ускорение вверх 0.25g без дополнительной ударной нагрузки. Эквивалентная вертикальная нагрузка составляет примерно 7.97 кН. При коэффициенте запаса прочности S_L=2.0 расчетная вертикальная нагрузка составляет примерно 15.9 кН; четыре идеальные, равномерно нагруженные точки опоры несут в среднем примерно 4.0 кН на точку. Фактическая конструкция также должна учитывать смещение центра тяжести, неодинаковую жесткость опор, производственные допуски, наклон, торможение и выход из строя одной точки опоры. Этот пример не является ни номинальной проектной нагрузкой, ни рекомендуемым коэффициентом безопасности.
Когда центр тяжести смещен, рассчитывают каждую реакцию опоры, используя статическое равновесие или анализ методом конечных элементов; не делите общую нагрузку поровну. Сравните максимальную реакцию на любой отдельной опоре для аккумуляторных блоков различной длины, массы и конфигураций аксессуаров и используйте ее в качестве входных данных для поддержки проектирования.
02.3 Блокировка и разблокировка
После закрытия запирающий механизм должен обеспечивать поддающееся проверке механическое состояние. Если энергия привода потеряна, она должна сохранить нагрузку или, по крайней мере, предотвратить опасный выброс. Для освобождения требуется подтверждение того, что заготовка поддерживается, инструмент находится в разрешенном положении, движение остановлено, зона персонала безопасна и рабочая команда действительна. Любой конфликт датчиков должен приводить к консервативному состоянию, а не к замене фактической обратной связи программным обеспечением по умолчанию.
03Архитектура безопасности пневматической, электрической и управляющей систем
ISO 4414:2010 применяется к пневматическим системам и компонентам машинного оборудования и устраняет значительные опасности, связанные с их предполагаемым использованием [6]. Для аккумуляторных инструментов пневматическая конструкция должна учитывать разрыв линии, отсоединение фитинга, заклинивание золотника клапана, колебания давления питания, остаточную энергию и изоляцию при обслуживании. Воздушные ресиверы или устройства поддержания давления могут лишь задержать потерю производительности; они не являются автоматически безопасным удержанием груза.
Диагностика должна охватывать давление питания, давление в обеих камерах привода или критических контурах, положение блокировки, положение захвата/опорного рычага, наличие заготовки, состояние поддерживаемой нагрузки, достоверность нагрузки/веса и работоспособность связи. По возможности используйте физически разнесенные сигналы. Два сигнала, полученные от одной и той же механической цели или передаваемые по одному и тому же кабелю, не могут рассматриваться как независимые резервные сигналы только потому, что их два.
Lift_Enable = Load_Present ∧ Clamp_Closed ∧ Lock_Confirmed ∧ Pressure_OK ∧ Recipe_Match
Release_Enable = Supported ∧ Safe_Position ∧ Motion_Stopped ∧ Operator_Command ∧ Diagnostics_OKЭти логические выражения описывают функциональные отношения; они не демонстрируют уровень производительности. Разработайте и утвердите архитектуру управления, связанную с безопасностью, диагностическое покрытие, меры по устранению отказов по общей причине и программное обеспечение в соответствии с выбранными стандартами проекта [2][3].
04Анализ рисков и FMEA
| Режим отказа | Местная причина | Возможные последствия | Проектный контроль | Метод проверки |
|---|---|---|---|---|
| Внезапная потеря основной подачи воздуха | Потеря воздуха в главном коллекторе или отсоединенный фитинг | Усилие зажима уменьшается, и груз проскальзывает. | Механическая опора, самоудерживающийся замок, обратный клапан и мониторинг. | Включение неисправности потери воздуха |
| Разрыв одной ветви | Изношенные шланги или поврежденные фитинги. | Разрушение одной челюсти и эксцентричная нагрузка | Изоляция зон, резервирование точек поддержки и мониторинг давления | Ввести утечку в указанном месте |
| Золотник клапана застрял в положении выпуска. | Загрязнение, механическая неисправность | Непреднамеренное разжатие | Изоляция выпуска, разрешение при двух условиях и механическое удержание | Имитация заклинивания клапана |
| Неполная блокировка | Допуски, посторонние предметы, несоосность | Отключение при переноске груза | Независимая обратная связь замка и принудительное механическое удержание. | Тест частично заблокированного состояния |
| Датчик застрял на высоком уровне (1) | Короткое замыкание линии, зависание программного обеспечения | Не зажат, но может подниматься | Дополнительные сигналы и диагностика синхронизации/достоверности | Сигнал принудительно установлен на 1 |
| Датчик завис на низком уровне (0) | Разомкнутая цепь, отклонение от заданного значения | Запрет на выпуск или неправильная диагностика неисправности | Диагностика обрыва цепи и состояние технического обслуживания | Сигнал принудительно установлен на 0 |
| Неправильный рецепт модели. | Ошибка считывания штрих-кода, сети или оператора | Неправильная точка передачи нагрузки и помехи | Защита от механических ошибок, согласованность идентификаторов, контроль версий | Введение несоответствия |
| Непреднамеренная команда освобождения | Человеко-машинный интерфейс или ошибка программы | Падение подвешенного груза | Блокировка подтверждения поддержки, ограниченное положение, двойное действие | Команда освобождения выдана при подвешенной нагрузке |
| Прерывание связи | Сбой шины, перезапуск ПЛК | Статус неизвестен | Нагрузка сохранена; движение остановилось; выпуск запрещен | Отключение/перезапуск впрыска |
| Ненормальная нагрузка | Две упаковки собраны вместе, посторонние предметы или неправильный центр тяжести | Перегрузка конструкции или подъемного механизма | Проверка достоверности веса и предотвращение двойного подбора | Тестирование суррогатной нагрузки |
Объедините FMEA с деревом отказов или матрицей требований безопасности для анализа события падения нагрузки и определения минимальных наборов сокращений, таких как «нет положительной механической поддержки + отказ блокировки + непреднамеренная команда разблокировки» или «отказ датчика по общей причине + отсутствие диагностики программного обеспечения». Если единственная ошибка может вызвать главное событие, расставьте приоритеты в структурных изменениях; Одного снижения показателя встречаемости недостаточно.
05Стратегия проверки внедрения ошибок
ISO 13849-2:2012 определяет проверку функций безопасности, категорий и уровней производительности путем анализа и тестирования [3]. Внесение ошибок — это одна часть проверки; Также требуется полный анализ конструкции, данные о компонентах, расчеты и проверка программного обеспечения. Перед тестированием выполните оценку рисков, исключение испытательной зоны, проектирование альтернативной нагрузки, планы экстренной поддержки и восстановления.
05.1 Поэтапное тестирование
- Этап модели и логики: принудительно вводите входные данные в моделировании или автономной логике для проверки состояний автомата и ответов на сигналы тревоги.
- Стендовый этап с низким энергопотреблением: используйте пустые инструменты или легкие заменители для выявления неисправностей проводки, клапанов и давления.
- Ступень номинальной эквивалентной нагрузки: проверьте удержание, смещение и структуру с помощью неаккумуляторных нагрузок эквивалентной геометрии и массы.
- Фактический этап аккумуляторной батареи: тестируйте только интерфейс и элементы защиты продукта, не охваченные предыдущими этапами, при контролируемых рисках и авторизации.
- Этап интеграции объекта: проверка взаимоблокировок с манипулятором, подъемным оборудованием, конвейерами, приспособлениями и системами безопасности.
05.2 Матрица внесения ошибок
| Нет. | Внесенная неисправность | Время впрыска | Ожидаемое состояние системы | Ключевые записи |
|---|---|---|---|---|
| FI-01 | Отключите основную подачу воздуха. | Стационарное положение после подъема/во время движения | Нагрузка сохранена; опасное движение прекращено; выпуск запрещен | Давление, смещение, время остановки |
| FI-02 | Быстрая утечка в одной ветви | Наихудшая ориентация | Изолируйте неисправность, подайте сигнал тревоги и поддерживайте состояние, позволяющее контролируемую установку. | Зонное давление и опорные реакции |
| FI-03 | Обратная связь блокировки зависла на высоком уровне (1) | Перед закрытием | Подъем запрещен. | Вход/выход и журнал тревог |
| FI-04 | Обратная связь блокировки зависла на низком уровне (0) | Состояние частичной блокировки | Запускается диагностика достоверности; подъем запрещен | Положение, давление, противоречия сигналов |
| FI-05 | Команда выпускного клапана застряла в активном состоянии | Загрузка приостановлена | Физический уровень или уровень управления предотвращают опасные выбросы. | Ток клапана, давление, состояние блокировки |
| FI-06 | Ложный сигнал подтверждения поддержки | До поддерживаемого размещения | Двойные/разнообразные проверки отклоняют выпуск | Опора, положение, изменения нагрузки |
| FI-07 | Перезапуск контроллера/потеря связи | Во время обработки | Выходы переходят в определенное безопасное состояние; нагрузка сохраняется | Время перезапуска, состояние выхода |
| FI-08 | Неправильная модель/рецепт аккумулятора. | Перед получением | Обнаружено несоответствие рецепта; движение заблокировано | Идентификатор, версия рецепта, CRC/подпись |
| FI-09 | Аварийная остановка | Максимальная вероятная рабочая скорость | Остановка без снятия нагрузки | Пиковое ускорение, смещение конструкции/нагрузки |
| FI-10 | Неправильная операция по выпуску обслуживания | Загрузка не поддерживается | Зависит от разрешений и механических условий. | Разрешения, шаги, статус блокировки |
Заранее определите три возможных результата для каждого случая: «пройден», «не пройден» и «требуется инженерная проверка». Помимо падения груза, запишите пиковое смещение, изменения в блокировке, видимость сигнала тревоги, требует ли восстановление обхода функции безопасности, а также любые скрытые повреждения аккумуляторной батареи.
06Критерии приемки и подтверждающие записи
Получите критерии приемки из оценки риска проекта и технического соглашения, определяя, по меньшей мере, категории критериев и условия их эксплуатации. Типичные категории включают номинальные и наихудшие нагрузки, индивидуальные реакции опор, допустимую деформацию корпуса, время удержания, максимальное скольжение, ускорение при остановке, время обнаружения неисправности, сигналы тревоги и сброс, разрешение на разблокировку и изоляцию для технического обслуживания. Значения должны отражать условия воздействия аккумуляторной батареи, носителя и персонала; универсальные ценности не должны применяться.
| Категория записи | Типовые документы | Требования к качеству |
|---|---|---|
| Требования | Спецификация требований безопасности, клиентские интерфейсы, запрещенные/ограниченные зоны продукта. | Уникальный номер, версия и источник |
| Анализ | Расчет нагрузки, метод конечных элементов, FMEA/FTA, оценка PL | Допущения являются явными, и наихудшие условия эксплуатации прослеживаются. |
| Дизайн | Чертежи, спецификация, пневматическая схема/электрическая схема, версия программного обеспечения | Соответствует анализу и физическому оборудованию |
| Проверка | План испытаний, оригинальные кривые, фотографии, журналы | Полностью записаны неисправность, временная шкала и критерии оценки. |
| Утверждение выпуска | Отклонения, выполненные корректирующие действия, требования к утверждению и техническому обслуживанию. | Определены ограничения для нерешенных проблем. |
Записывайте команды, срабатывание клапана, изменения давления, смещение затвора и сигналы остановки носителя на общей временной основе, чтобы можно было анализировать последовательности и взаимосвязи реакций на неисправности. Одних только снимков экрана HMI для этой проверки недостаточно.
07Безопасное восстановление, обслуживание и изменения
Аномальное восстановление должно быть определено во время проектирования. Типичные шаги включают остановку носителя, подтверждение удержания груза, установку временной поддержки, отключение энергии, устранение неисправности, повторное подтверждение включения блокировки, понижение скорости и одобрение сброса. Персонал не должен стоять под аккумуляторным блоком или полагаться на постоянную поддержку вручную. Если механический замок необходимо разблокировать вручную, это действие должно контролироваться инструментами, разрешением и подтвержденными условиями поддержки.
Проверки при техническом обслуживании охватывают износ замка, деформацию опорного рычага, крепежные детали, износ шлангов, загрязнение клапана, цели датчиков, изгиб кабеля, материалы контактных площадок и состояние калибровки. Изменения массы аккумуляторной батареи, центра тяжести, конструкции корпуса, разрешенных точек опоры, модулей инструментов, рецептов программного обеспечения или ускорения носителя требуют оценки воздействия и любой необходимой повторной проверки.
08Выводы и требования к применению
Безопасное проектирование начинается с путей структурной нагрузки и механического удержания. Пневматические, электрические системы и системы управления затем обеспечивают подтверждение состояния, диагностику неисправностей и контролируемый выпуск. В случае неисправности система должна предотвратить опасный выброс и перейти в состояние, из которого возможно безопасное восстановление, а не поддерживать время производственного такта. Случаи возникновения неисправностей должны соответствовать требованиям безопасности, FMEA/FTA, логике управления и фактической структуре, с проверяемыми критериями приемки и результатами корректирующих действий.
Квалифицированные специалисты должны разрабатывать и утверждать проектные заявки в соответствии с применимыми правилами, стандартами, требованиями клиентов и реальными рисками. Соответствие продукта уровням производительности GB 38031, ISO 13849, проверка третьей стороной и приемка заказчиком требуют соответствующих записей оценки и испытаний. В этом отчете представлены метод исследования и план проверки.
Ссылки
- GB 38031-2025 Требования безопасности к силовым батареям для электромобилей. https://openstd.samr.gov.cn/bzgk/std/newGbInfo?hcno=3AB693FAFF5D9716DF61C61D6FD2187A
- ISO 13849-1:2023. Безопасность машин. Детали систем управления, связанные с безопасностью. Часть 1: Общие принципы проектирования. https://www.iso.org/standard/73481.html
- ISO 13849-2:2012. Безопасность машин. Детали систем управления, связанные с безопасностью. Часть 2: Валидация. https://www.iso.org/standard/53640.html
- ISO 12100:2010. Безопасность машин. Общие принципы проектирования. Оценка риска и снижение риска. https://www.iso.org/standard/51528.html
- ISO/TR 20218-1:2018. Робототехника. Проектирование безопасности промышленных робототехнических систем. Часть 1: Конечные рабочие органы. https://www.iso.org/standard/69488.html
- ISO 4414:2010. Пневматическая гидросистема. Общие правила и требования безопасности для систем и их компонентов. https://www.iso.org/standard/44790.html
- ISO/TR 14121-2:2012. Безопасность машин. Оценка риска. Часть 2: Практическое руководство и примеры методов. https://www.iso.org/standard/57180.html
- Министерство транспорта США/NHTSA. Управление безопасностью автомобильных аккумуляторных систем хранения энергии. https://rosap.ntl.bts.gov/view/dot/38221/dot_38221_DS1.pdf
- Хелд, М.; Бронниманн, Р. Безопасный элемент, безопасная батарея? Расследование пожара на аккумуляторе с использованием FMEA, FTA и практических экспериментов. Надежность микроэлектроники 64, 2016. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2016.07.051
