包头市电梯质量可靠性研究

2018-02-28王志强张晨娈吴云天

中国特种设备安全 2018年1期

王志强张晨娈吴云天

（1.内蒙古科技大学包头 014010）

（2.包头市特种设备检验所包头 014030）

电梯作为公共建筑中的垂直交通工具，已经成为人们生活中不可缺少的一部分，在电梯为人们带来便利的同时，电梯安全事故也随之而来，国家质检总局2017年1月公布的数据中显示，2016年，全国共发生电梯事故48起，死亡41人。包头市作为内蒙古自治区的第二大城市，电梯的使用数量在自治区内也居前列，根据包头市特种设备检验所（以下简称“特检所”）的统计数据可得，截至2017年6月包头全市在用电梯数量是12683台，并以平均18%的增长率逐年递增。在电梯使用范围如此广泛并且有着不断扩大的趋势下，电梯质量可靠性的研究为今后电梯的安全运行提供了保障，使人们更加安心放心乘梯。特检所每年对包头市在用电梯进行统计和检验，把收集的数据录入特检所电梯检验系统，从而形成电梯检验大数据库，此大数据库成为本文研究的基础，为研究包头市电梯可靠性提供了数据支持。

电梯可靠性研究起源于欧盟，欧盟也是世界最早把电梯安全评价纳入电梯技术规范进行推行的，如EN 115—2008中把电梯安全评价贯穿于电梯安装到报废的整个生命周期，且处于核心地位。世界上对电梯安全可靠性的研究也有很多，G Gruppie（2009）认为要避免因维修保障疏忽产生的安全事故[1]。S-T Park（2010）提出电梯风险检测技术对电梯的安全具有重要作用[2]。V Zarikas等（2013）对希腊过去12年的电梯事故进行了整理和分析，提出应该对电梯安全进行立法和规定定期的检查服务[3]。

中国专家学者也对电梯的可靠性运用自己的方法进行了研究和分析。庆光蔚等（2013）运用模糊综合安全评价方法衡量了南京市102台老旧电梯的运行状况及安全性能[4]。李中兴等（2014）通过基于预先危险性分析—故障类型和影响分析(PHA-FMEA)的评估方法，建立了电梯系统综合风险评估模型[5]。郑强（2016）运用FMEA理论研究分析建立人为因素、设备因素、环境因素、管理因素四个方面的电梯风险评价指标体系，为改善电梯风险状况的对策措施提供依据[6]。

大数据分析，是基于大数据的全面覆盖性和蕴藏规律性进行的分析，维多克认为，从海量数据中发觉的规律可以引导未来的行为。将大数据思维应用在电梯宏观评价和监管中是电梯研究的发展方向。苏健等（2014）认为大数据是一种全新的思维监管模式，可以有效弥补当前广州电梯监管的不足[7]。林穗贤（2016）提出通过分析电梯大数据，建立的电梯故障预诊断模型是电梯技术的重要发展方向[8]。张贞贞等（2016）通过对目前的电梯监管现状的分析，建立了一套基于大数据的新的电梯监管新模式[9]。徐斌等（2017）通过构建武汉市近十万台电梯信息资源数据库，并运用大数据分析技术设计智慧电梯综合分析预警平台，实现了对武汉市电梯的动态监管[10]。

可靠性即产品在规定的时间和条件下能够完成规定功能的能力，可以通过寿命、失效率、可靠度等指标来进行评价。[11]本文主要研究对象是曳引驱动电梯（以下简称“电梯”），将其主体机械设备划分为可靠性研究的指标，通过故障模式及影响分析（FMEA）法，计算得出危险优先数（RPN），再将RPN进行归一化计算得出电梯各指标所占上级指标可靠度的比例，以此作为模糊综合评价方法的权重进行评价模型的构建，最后将评价模型应用于特检所2014～2016年进行检验的电梯，通过调取特检所归纳整理电梯检验数据所形成的电梯检验大数据库里的数据，以此大数据为基础，对包头市电梯质量可靠性进行宏观评价。通过本文的研究论证，包头市电梯监管机构可以得出包头市电梯主体机器设备的不可靠程度，为包头市电梯监管机构更好地对包头市电梯进行监管提供指导性监管意见和建议。

1 电梯可靠性综合评价指标体系

分级评价指标的建立，是为了通过分析电梯整机及其子系统发生故障的单元和原因，从而对电梯整机的可靠性做出评价。可靠性评价指标是以电梯整机为主体，并结合TSG T7001—2009《电梯监督检验和定期检验规则—曳引与强制驱动电梯》[12]以及特检所的电梯定期检验项目进行划分，同时参照了GB/T 7024—2008《电梯、自动扶梯、自动人行道术语》[13]。

Ⅰ级评价指标是对电梯整体机器设备系统（E）的划分，即电梯整体机器设备的子系统。Ⅰ级评价指标包括机房及相关设备（E1），井道及相关设备（E2），轿厢与对重（E3），悬挂装置、补偿装置及旋转部件防护（E4），轿门与层门（E5）5项。Ⅱ级评价指标是对Ⅰ级评价指标的再度划分，即Ⅰ级评价指标的子系统。Ⅲ级评价指标是综合特检所的资料文件记录和业内专家意见，兼顾资料获取的难易程度及现场评价的可操作性，对Ⅱ级评价指标的再细分化指标。

整个评价指标体系中，共有Ⅰ级评价指标5个，Ⅱ级评价指标41个，Ⅲ级评价指标114个，具体划分见表1，由于篇幅限制，Ⅱ级评价指标和Ⅲ级评价指标只列出部分。

表1 电梯可靠性综合评价指标体系

（续表）

故障模式及影响分析（FMEA）是一种从可靠性角度出发查找故障的分析方法，通过分析系统中每个组成单元故障的发生情况，得出此故障对系统产生的影响，同时按照影响程度划分出等级，并根据需要对故障的预防和对系统的改进提出建议，完善整个系统的可靠性程度，FMEA经常被用于设计开发阶段，但后来的学者专家也将其用于对象后续试用阶段的可靠性评价[14]。FMEA的分析过程是从画可靠性框图开始的，通过分析每个单元的功能和参数，找出可能的故障模式，根据相应的评价体系对可能的故障模式进行危险量化评估，用危险优先数（RPN）对每个可能故障模式的危险优先级进行评定，最后根据需要提出相应的完善意见。本文目的是对整个电梯系统的可靠性进行综合评价，由于RPN的值可以对可能的故障模式进行排序，RPN的值越高的故障模式就越应该受到重视，RPN是对故障模式从定性分析向定量分析的转变，所以FMEA所得出的RPN可以作为综合评价中的权重来使用，FMEA最后需要提出的建议和意见将在结论中阐述，本节将不进行建议和意见的赘述。

可靠性框图便于研究系统中各部分的相互关系，根据逻辑关系进行可靠度和故障率的计算，计算结果用于评价系统的可靠性。可靠性框图有串联和并联两种组合方式，电梯整体的机器设备是一个完整的系统，各部分是相互关联的，某一部分的故障都会引起电梯整体的不运作，所以将电梯各子系统的关系用串联形式进行可靠性框图的构建，见图1，由于篇幅限制，电梯各子系统没有进行再进一步划分。

图1 电梯系统可靠性框图

危险优先数（RPN）是每个故障可能发生的危险程度，它的值等于故障严重度（S），故障发生率（O）和故障不易探测程度（D）三个值的乘积，即RPN=S×O×D。S表示指标的故障所产生影响的严重程度，根据具体的判别标准，将故障影响分为从无警告的危险到无危险10个影响级别，并从危险的高级别到低级别赋予10到1分。O表示指标的故障出现的概率，按照调查的不合格电梯中此指标故障的发生概率，给出一个可能故障的比例标准，按照这个标准用一个10分值对这个概率进行描述，故障发生率越高则分值越高，并根据分值将故障概率从非常高到极小划分为5个评价等级。D表示在现有的探测方法下，指标的故障能被探测出来的难易程度，从几乎肯定可能找出的故障模式到几乎不可能找出的故障模式划分为1～10级，评分1～10分，即故障越不易探测则分值越高，一般来说，故障发生率低，不易探测度也低。S、O、D的具体划分标准见表2。

RPN值越大的故障越应该引起研究者的重视，根据RPN的值可以将同系统同级指标进行故障优先级排序，RPN值太低的指标作为“弱危险权重指标”可以从指标系统中剔除，因为其发生故障的可能性和影响都比较小，对整个系统的可靠性的影响不是很大。通过对不合格电梯的检验数据分析，并且通过与电梯标准数据的对比，特检所的负责电梯检验的专职人员对表1中Ⅲ级评价指标的S、O、D进行了评分，通过计算可以得出其RPN值。根据层级递推原则，通过计算Ⅲ级评价指标的RPN值的比例并进行归一化运算，把此比例作为在Ⅱ级评价指标中的权重，并根据此比例依次计算Ⅱ级评价指标、Ⅰ级评价指标的S、O、D、RPN值，并通过比例计算、归一化运算计算出Ⅰ级评价指标在主体评价指标中的比例权重。

Sij，Oij，Dij为对i级第j个指标的故障严重度，故障发生率和故障不易探测程度评分，1≤Sij，Oij，Dij≤ 10，则可算得RPNij：

表2 严重度评价标准（S），故障发生频率的判别标准（O），不易探测度的判别标准（D）

根据RPNij数值进行归一化比例运算可以算得i级第j个指标在其所属i级指标中的权重：

根据此权重可以算得i级指标的Si，Oi，Di和RPNi值：

按照层级递推的原则，可以依次计算出i级指标占i-1级指标可靠性的权重。

包头市在用电梯的检验周期为一年，从近几年的电梯检验情况来看，影响电梯可靠性的指标主要有“表1Ⅰ级评价指标”中的E1、E2、E3、E5以及此四项所涵盖的部分Ⅱ级、Ⅲ级评价指标。E4指标是由曳引钢丝绳及其端部装置、张力调节装置组成，其安装质量关系到电梯的整体性能和运行安全，所以该指标对电梯可靠性的影响应在电梯交付使用前进行评估。特检所的电梯定期检验工作一般在电梯投用后开展，因此E4指标及其涵盖的Ⅱ级、Ⅲ级评价指标应作为弱权重指标，对此本文不作讨论。同理，根据电梯检验数据，E1、E2、E3和E5指标所涵盖的部分Ⅱ级、Ⅲ级评价指标也作为弱权重指标进行剔除。对包头市电梯可靠性的评价指标共包括4个Ⅰ级评价指标，22个Ⅱ级评价指标和54个Ⅲ级评价指标。

根据检验数据和电梯标准，检验人员对54个Ⅲ级评价指标进行了S，O，D评分，并且由上述式（1）～式（6）由层级递推公式推得4个Ⅰ级评价指标占主体指标权重，见表3。

表3 Ⅰ级评价指标占主体指标权重

通过计算Ⅰ级评价指标占主体指标的权重，可以看出每个指标对电梯可靠性的影响是大致平均的，因为在特检所检验的过程中，由于每次检验的侧重点的不同，导致电梯维修管理单位对电梯维护的侧重点也有不同，从而导致每次检验时引起电梯不可靠的原因不同。在各Ⅰ级评价指标中，E1指标和E3指标对电梯可靠性影响相对较大。随着技术发展和节能的要求，无机房电梯的使用越来越广泛，但是机房作为电梯驱动主机及其附属设备的专用空间，直接决定了电梯的运行情况。轿厢和对重是电梯运动的主体部件，电梯的一切运行最终都要通过轿厢反映给乘客[15]，所以轿厢和对重决定着乘客乘梯的舒适度，决定着对电梯可靠性的直观感受，是电梯可靠性最根本的落脚点。

2 电梯可靠性模糊评价模型

模糊数学是借助数学的方法对不能用数学方法精确描述的事物进行处理和评价，但是想要对于任何一个事物做出评价，就要全面的考虑到影响这个事物的多个因素或者多个指标，通过对这些因素和指标的分析，得到对这个事物的综合评价，这就是本文中电梯可靠性研究所用到的模糊综合评价方法[16]。由表1可知，影响电梯可靠性的因素是多种多样的，为了评价总体指标电梯整体机器设备系统（E）的可靠性，就要先对Ⅰ级评价指标、Ⅱ级评价指标和Ⅲ级评价指标进行单独的可靠性评价，再对所有指标进行综合评判，其中Ⅲ级评价指标模糊综合评价之后得出Ⅱ级评价指标的可靠性，同理Ⅱ级评价指标模糊综合评价之后得出Ⅰ级评价指标的可靠性，Ⅰ级评价指标模糊综合评价之后得出总体指标电梯整体机器设备系统（E）的可靠性。以Ⅰ级评价指标作为模糊综合评价因素进行电梯整体机器设备系统可靠性评价为例，构建模糊综合评价模型[17]。

可靠性评价等级是对电梯的各指标是否可靠的评级和评分，把对电梯可靠性的评级分为可靠、较可靠、中等、较危险、危险5个级别[18]，具体对电梯可靠性评价等级及评分见表4，设第j个指标的可靠性评级隶属度为Vj={vj1，vj2，vj3，vj4，vj5}，其中vj1+vj2+vj3+vj4+vj5=1。根据特检所专职检验人员对电梯的检验数据的评估，并且与电梯指标标准的对比，给出每个指标的可靠性评级的隶属度。

表4 电梯可靠性评价等级及评分

K={k1，k2，k3…kn}表示n个指标在可靠性评级中所占的权重，Vn×5表示n个指标的隶属度所组成的n行5列矩阵，则对上一级指标可靠性的评级隶属度为：

根据此模糊综合评判模型求隶属度的关键在于层级递推，子指标的权重向量与指标可靠性评级所构成的矩阵相乘所得的是母指标的可靠度评级隶属度，一级一级类推计算，最后得出整个系统的可靠性评级隶属度[19]。因为权重之和与各子指标可靠性评级隶属度之和均为1，则算得上一级可靠性评级隶属度之和也为1，则不用再进行归一化计算，此隶属度则可以作为电梯可靠性评价标准。

根据上述方法和2014～2016年特检所对包头市电梯的检验数据，并参考电梯标准规范[20]，对评价包头市可靠性的54个Ⅲ级评价指标进行评级和评分，得到Ⅲ级评价指标的可靠性评级隶属度，由层级递推和式（7）可以算得Ⅰ级评价指标的可靠性评级隶属度，见表5，再由Ⅰ级评价指标的可靠性评级隶属度和表3中权重可以算的包头市电梯主体机器设备的可靠请评级隶属度为V={0.5758，0.2965，0.1078，0.0199，0}，平均得分为89.2。总体而言，包头市电梯总体评价为“较可靠”级别。其中，绝大部分电梯处于“可靠”状态，“较可靠”级别电梯所占比例也比较大，有部分电梯处于“异常”和“较危险”级别，几乎没有电梯处于“危险”级别。

表5 Ⅰ级评价指标的可靠性评级隶属度

2014～2016年特检所对包头市电梯的检验数据，见表6，表中数据显示，包头市每年参加检验的电梯数占电梯使用总数的97%以上，检验不合格电梯占电梯使用总数的4%左右，与上述所得可靠性评价隶属度较为吻合，证明对包头市电梯可靠性评价模型的建立是有实际评价价值的，评价结果也有一定的代表性，折射出包头市电梯的总体情况。

表6 特检所2014～2016年检验统计

3 结论

包头市电梯总体可靠性水平较高，特检所每年所进行的安全检查的覆盖面也比较全面，但是仍然存在部分不可靠级别电梯，作为与人们生活息息相关的设备，这部分不可靠级别电梯就是安全隐患所在，所以仍要加强实际的安全管理和监督检验，避免安全事故的发生。在安全管理方面，特检所要加强与电梯安装、使用、管理部门的交流，形成互相监督的安全管理模式，避免因为人为不可靠因素所带来的影响。在机器设备方面，电梯的使用和管理者应该定时进行维护保修工作，对于每个零部件应该按照标准及时换新和保养[21]，把由于机器设备老化所带来的危险降至最低。

本文应用FMEA方法进行指标划分和权重计算，并与模糊综合评判方法相结合评价包头市电梯的可靠性，具有一定的创新性。通过查阅电梯标准规范，并由有多年电梯检验经验的专职检验人员根据检验数据结果对电梯进行S、O、D评分和确定可靠性评级隶属度，数据来源有一定的科学性和准确性。在今后的研究中，要更加优化电梯可靠性评价指标，并对评价评分的科学性做出验证，使得评价结果更加准确。

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