提前维护

以可靠性为中心的电梯维护——简介

拉克什马南·拉贾

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介绍

电梯维护的主要目标是使电梯保持在可接受的状态，以便它们能够充分发挥其预期功能而不会受到任何损害。 不幸的是，电梯维护并不总是得到应有的重视，并且单元出现故障。 然后，投入所需的资源来维修或更换故障设备。 这在早期是可以接受的，当时建筑物不那么高，停机时间也不那么重要。 同时，大多数电梯系统都很简单，并且组件设计过度。 因此，除了简单的清洁、维修和润滑程序之外，无需进行系统维护。 随着建筑高度的增加，停机时间成为当务之急。 这导致了预防性维护的概念。 因此，基于检查、部件更换和定期检修的维护策略（无论条件如何）现在已付诸实践。 目前，业界非常重视正确执行计划的维护任务，而不能确保计划的任务是必需的任务。 那么，这种维护方式有效吗？ 如何进一步改进以适应现代电梯系统，这是一个基于功能的模型，结合了机械、电气、电子和软件工程？ 我们将在本文中研究如何改进维护。 首先，为了有效地计划维护，我们需要了解组件是如何发生故障的。

理解失败

没有物理项目具有零故障率。 使用时施加在机器零件上的负载会对其物理结构造成压力。 如果应力很高，则承载部分的键会分离，材料会断裂：这就是过载。 如果加载是重复的，则只有几个键分开，剩余的未断裂的键以较低的结构强度承受负载：这就是疲劳。 理想情况下，材料强度和机器负载是确定性的，但在实际世界中，它们本质上是概率性的。 这不仅适用于机械部件，也适用于电子设备。 电子设备上的负载可能是它承载的电流或晶体管的开关次数。 效果是一样的，设计容量对于相同类型的组件不会是确定性的。

下图显示了载荷和强度的概率密度函数曲线。 它们显示了从不同供应商购买的相同指定材料的应力和承载能力变化的自然分布。

图 1 显示了一组曲线，其中设备以设计者预期的方式运行和维护。 所用材料的强度分布和预期的工作应力范围相差很大。 设计的安全裕度/安全系数是该间隙的函数。

图 2 显示了工作应力分布与强度曲线重叠的过载情况。

当材料受到重复应力时，它会在低于屈服点应力的应力水平下失效。 这种类型的材料失效称为疲劳。 图 3 显示了这种情况，材料性能因疲劳而退化，直到材料太弱而无法承受额定载荷，并开始发生故障。

当载荷增加时，会引起更多的变形。 金属中的这种关系称为胡克定律，如图 4 所示。在弹性区域，载荷和应变成正比，金属的作用类似于弹簧。 如果载荷增加，应变上升到微观结构不能承受载荷的程度，并进入发生失效的塑性范围。 材料过应力发生在电气、电子和机械部件中，这些部件承受过大的操作负载和振动、温度波动等环境应力。过应力部件被损坏，故障开始出现。

失败模式

优化设备可用性的传统观点是定期进行一些大修或部件更换。 这种失败模式的经典思维如图 5 所示。

从模式中我们可以理解：假设设备使用X年之后有一个明显的磨损区。 然而，较新的系统比 20 年前更加复杂。 这导致了故障模式的变化，在对民用飞机行业进行的研究中确定了六种主要的故障模式，如表 1 所示。这里需要注意的重点是，故障模式 A、B和 C 与年龄有关，而 D、E 和 F 与年龄无关。 发生百分比表明，故障模式 D、E 和 F 占分析的故障的 89% 以上，它们没有任何明确的磨损区。 这意味着按照现行做法按特定间隔进行的大修和更换可能无效。 此外，由于不需要的侵入性维护活动，它可能会导致婴儿死亡。 客户反馈“电梯运行良好，但电梯人员维修后，开始经常出现故障”，就是上述情况的一个很好的例子。

故障检测

从上述讨论中，我们了解到许多故障模式缺乏明确的磨损区。 但是，大多数故障都会对即将发生的故障发出某种警告。 图 6 解释了故障传播的最后阶段，称为 PF 曲线。 检测到退化的点是点 P。在此之后，最终会发生故障。 多久将取决于施加在故障部分上的压力。 功能故障发生在 F 点。P 点和 F 点之间的时间间隔称为 PF 间隔，也称为故障提前期。 这是潜在故障变得可检测的时间间隔以及它降级为功能故障的时间点。

为了及时发现潜在故障并纠正它们，预防性维护任务之间的间隔应小于 PF 间隔。

如果在早期检测到潜在故障，我们会得到更长的 PF 间隔。 更长的PF间隔意味着检查间隔可以更长，维护人员将有更多的时间采取必要的措施来避免故障的后果。 但这里的挑战是，为了及早检测潜在故障（点 P），需要检测到与正常条件的较小偏差。 这将是困难的，尤其是当恶化的最后阶段不是线性的时。

使用人类感官的检测技术非常普遍且便宜。 这种技术在电梯和自动扶梯行业中很常见。 使用人类感官进行这种检测的主要优点是，它们可以使用四种感官来检测范围非常广泛的潜在故障情况，如图 7 所示。 

然而，我们人类的感官可能不够灵敏或精确，无法始终检测到如此小的偏差，这将导致 PF 间隔非常短。 当我们依靠技术，使用合适的仪器来监测和检测设备的状态时，称为状态监测。 这种状态监测仪器，如果经过适当校准，将及早发现潜在的故障症状，这将导致比人类感觉更长的PF间隔。 大多数机械部件，如悬挂绳索、驱动滑轮、车门中的机械联动装置、滚轮等，都会经历可识别的退化阶段。 但是电子元件（带有固态器件的 PCB）不会显示出任何明显的潜在故障迹象。 用人类感官识别它们的退化是非常具有挑战性的。

系统性故障

到目前为止看到的故障涉及物理项目，这些项目本质上是随机的，并且是硬件中一种或多种可能的退化机制的结果。 然而，有些故障以确定的方式与某个原因相关，只能通过修改设计或制造过程、操作程序、文件或其他相关因素来消除。 这些类型的故障称为系统故障。 示例：调整和维护程序提供了有关曳引机制动弹簧设置的错误信息。 也有由人为错误引起的故障，根据错误的性质，有时可以将其归类为随机或确定性。

因此，应采用不同的维护方法来解决现代系统中所有这些类型的故障。

维护任务

我们可以将维护任务大致分为三种类型——预防性、故障发现和纠正性——如图 8 所示。

在发生故障之前进行预防性维护。 这可以是条件导向的，这可以通过监控条件直到故障迫在眉睫，或者通过预定的（时间导向的）以固定的时间间隔（例如日历时间、运行时间、周期数）来实现，包括计划的恢复或更换一个项目或其组成部分。

故障发现不能被视为预防性维护任务，因为它只是检测系统隐藏功能健康状况的功能测试。 示例：为验证调速器和安全钳的功能而进行的定期测试。

如果故障查找任务的结果显示出某种形式的功能退化，则可以进行可能的预防性维护。 如果故障查找任务结果显示完全功能故障，则必须执行纠正性维护任务。

在发生故障或性能未能达到规定的限制后，纠正性维护可恢复项目的功能。 如果故障的后果与预防性维护的成本和故障造成的后续损失相比是可以容忍的，那么一些故障是可以接受的。 这导致了有计划的从运行到故障的维护方法。 示例：呼叫按钮、楼层指示灯故障或车内灯/风扇故障。

预防性维护通常是计划的或基于一组预定的条件，而纠正性维护是非计划的。 有一种新的维护方式，称为以可靠性为中心的维护 (RCM)，现在正受到关注。 RCM 确定最佳的预防性和纠正性维护任务（方法）并取决于故障模式，我们将在后续部分中看到。

电梯RCM

执行预防性维护以保护设备的传统思维会导致许多问题。 其中最重要的是：

• 它对所有故障一视同仁，不考虑电梯的使用和环境，只因有机会就进行维护，浪费资源。

• 通过执行此类维护，未损坏部件的活动可能会因侵入性动作而造成损坏，从而增加人为错误的机会。

RCM 的目的不是为了设备而保留设备，而是保留其功能。 在 RCM 过程中，您必须识别每个功能的重要性并选择有效的维护任务来检测和缓解已识别的功能故障。 严格的 RCM 分析已用于飞机、航天、国防和核工业，其中功能故障可能导致大量生命损失或极端环境影响。

基本上，RCM 流程回答了以下七个基本问题：

1. 在当前运营环境下，资产的功能和相关的预期绩效标准是什么？
2. 资产会以何种方式无法实现其功能（功能故障）？
3. 导致每个功能故障（故障模式）的原因是什么？
4. 每次故障发生时会发生什么（故障影响）？
5. 每个失败的重要性（失败后果）是什么？
6. 应该做些什么来预测或防止每次故障（维护任务）？
7. 如果找不到合适的主动任务（默认操作），应该怎么做？

对于问题1，预期的性能标准可以从EN 81或ASME A17等相关规范中获得。运行环境取决于电梯的安装环境。

对于问题 2 到 5，失效模式影响分析 (FMEA) 将是获取该信息的相关工具。 FMEA 类似于根本原因分析，但在故障发生之前完成以避免故障。 然而，FMEA 主要用于评估风险，而 RCM 使用结构化决策过程来确定任务，通过选择适当的维护任务来检测、消除或减少每种特定故障模式的发生/后果的频率，该任务由问题解决6 和 7. RCM 根据故障模式的性质使用维护任务的最佳组合，例如时间定向 (TD)、条件定向 (CD)、故障查找 (FF) 和运行至故障 (RTF)。

表 2 提供了有关任务的更多信息以及它们在电梯中的相关应用示例。

维护任务类型	产品描述
条件导向 (CD)	适用于大多数故障模式，其中潜在的故障症状在功能故障发生之前很容易检测到，只要它在经济上是合理的。 示例：机械部件的故障模式，如门机、牵引机部件（如齿轮、滑轮、联轴器衬套和绳索）。
时间导向 (TD) 预定恢复/预定丢弃	适用于使用寿命已知的老化失效模式。 也用于在功能故障发生之前不易发现潜在故障症状且故障影响较大的某些情况下。 但是，这在经济上应该是合理的。 示例：在 VFD 使用寿命过后更换 VFD。 每年对曳引机制动器进行大修。
故障发现 (FF)	旨在确定隐藏故障是否已发生或即将发生的计划任务。 例如：类别测试、测试安全钳的例行年度检查、防止汽车意外移动和防止上升汽车超速。
运行失败 (RTF)	仅在发生故障后才完成组件的任务/更换。 适用于故障成本和影响小于基于TD的早期更换成本的情况。 示例：车内灯泡、呼叫按钮灯和楼层指示灯等。

如前所述，维护任务需要重点关注故障模式的预防。 例如，您的作者将机电制动系统的故障模式与表 3 中推荐的维护任务制成表格。您可能已经注意到，某些故障模式需要通过培训来提高能力，而有些则需要进行设计审查或更改，它们是系统性故障的例子。 图 9 给出了针对给定故障模式选择维护任务的一般指导。 选择的维护任务应该在技术上可行并且值得去做。 

表 3 中的分析指导我们为不同的故障模式选择合适的维护任务。 选择任务间隔是下一个挑战。 对于 CD 任务，状态监测的时间间隔应该小于 PF 时间间隔。 通常使用等于 PF 间隔一半的任务间隔，因为它提供了两次检测降级的机会。 当需要更高级别的准确度时，选择更小的任务间隔，但成本应该是合理的。

电梯系统 子系统——机电鼓式制动器
功能 当电流供给电磁线圈时，制动器应打开。 当电磁阀的电流中断时，应通过弹簧力施加制动。 当轿厢以额定速度和额定负载加 25% 向下行驶时，单独使用的制动器应能够使机器停止。 停车时，轿厢的平均减速不应超过安全钳动作或停在缓冲器上所产生的平均减速。 如果其中一个制动组由于部件故障而不能工作，则应继续行使足够的制动力来使轿厢减速、停止和保持，以额定速度和轿厢额定负载向下行驶，并在空车时向上行驶。 .
功能故障	故障模式（故障原因）	失效影响（失效的后果）	推荐任务
不开放	电磁铁开路	电机电流超限，过流跳闸动作	RTF/ TD – 预定丢弃
	电磁铁短路	制动电流超过限制，过电流裂口将被激活	RTF/ TD - 预定丢弃
	机械部件在封闭状态下卡住	电机电流超限，过流跳闸动作	CD / TD 预定恢复
	弹簧力设置在非常高	电机电流超限，过流跳闸动作	能力问题——培训
向线圈通电时部分开路	机械部件运动受摩擦影响	刹车片磨损或电机电流超限，过流保护跳闸。	CD / TD-预定恢复
	弹簧力设置在中等高	刹车片磨损或电机电流超限，过流保护跳闸。	能力问题——培训
125%额定负载无法停车	一个刹车片磨损	另一套刹车应该能把车停住	CD
	两个刹车片磨损	电梯轿厢将经历不受控制的运动，直到它被其他一些机械装置停止	CD
	由于控制电路问题，制动线圈永久通电	电梯轿厢将经历不受控制的运动，直到它被其他一些机械装置停止	设计问题 - 设计审查
	一个制动柱塞在打开状态下被机械卡住	另一套刹车应该能把车停住	CD / TD-预定恢复
	两个制动柱塞也在打开状态下卡住	电梯轿厢将经历不受控制的运动，直到它被其他一些机械装置停止	CD / TD-预定恢复
	一个制动杆在打开状态下卡住	另一套刹车应该能把车停住	CD / TD-预定恢复
	两个制动杆在打开状态下卡住	电梯轿厢将经历不受控制的运动，直到它被其他一些速度控制装置停止	CD / TD-预定恢复
	刹车鼓油腻	电梯轿厢将经历不受控制的运动，直到它被其他一些速度控制装置停止	能力问题——培训
减速停车超过规定限制	弹簧力设置在非常高	突然停车和相关的颠簸可能会对乘客造成伤害。	能力问题——培训

对于计划恢复或更换，时间间隔基于对故障模式、安全寿命或使用寿命的评估。 安全寿命 - 规定的使用寿命，并宣布发生灾难性故障的可能性。 使用寿命——从第一次使用到不再满足用户要求的时间间隔，由于运营和维护的经济性或过时。

笔者根据表4中部件的潜在故障征兆，列出了很多电梯部件并提出了维修任务，并不全面。 读者可以通过对每个组件进行故障模式分析来进一步完善它，以根据导出的故障模式找到合适的维护任务。 此外，已确定的维护任务还将有助于查找支持活动的信息，例如备件供应、维修分析水平、工具和测试设备的要求、人力技能水平等。由于每栋建筑都不同，应不断获取有关已实施维护任务/计划绩效的反馈，以进行持续改进。

	子系统	平台组件	潜在故障症状	维护任务
1	牵引和制动系统
	电机	轴承	振动/噪音	CD
		曲折	因过电流、绝缘强度而频繁跳闸	CD
		Encoder 编码器	间歇性停止并出现速度控制故障错误	道明、光盘
	婴儿车	蜗轮	反弹/磨损/裂纹 油品测试	CD
		齿轮	反弹/磨损/裂纹 油品测试	CD
		轴承	振动/噪音	CD
		曲轴油封	轻微泄漏	CD
		联轴器衬套	噪音，耦合连接处自由游隙	CD
	制动	刹车片	减薄、刹车鼓划伤	CD
		制动线圈	没有容易察觉的症状	TD
		刹车柱塞	自由移动/响应时间	CD
		制动杆	自由移动/响应时间	CD
		刹车弹簧	裂纹，超过压缩极限	CD
		刹车开关	没有容易察觉的症状	TD
	机械支撑结构	光束	腐蚀	CD
		隔离垫	压缩极限/振动	CD
2	绳索和滑轮
		悬索/补偿绳	直径/磨损标志/绳滑	CD
		滑轮	凹槽上的标志磨损，凹槽下方的绳索就位，过度的绳索滑动，嘈杂，旋转时摇晃	CD
		滑轮轴承	振动/噪音	CD
		转向滑轮	绳索座椅低于格罗夫水平，嘈杂，旋转时摇晃	CD
3	安全钳和调速器系统
	安全钳	挖起杆	变形、开裂	TD
		安全装置开关	没有容易察觉的症状	TD
	管理者	州长大会	嘈杂，旋转时摇晃	CD
		调速绳	直径/磨损标志/绳滑	CD
		超速开关	无明显症状	TD
		张紧轮	嘈杂，旋转时摇晃	CD
		松绳开关	除了物理损伤外，没有容易察觉的症状	TD
4	缓冲区
		液压缓冲器	裂纹、腐蚀、漏油、修复时间长	CD
		缓冲开关	无明显症状	TD
		PU缓冲器	裂纹、解体、寿命	光盘，TD
		弹簧缓冲器	裂纹、腐蚀、生锈
5	层门和轿门系统
	层门	空气绳索	断股	CD
		衣架滚轮	嘈杂、振动	CD
		门轨	门运行时有噪音、振动、变形	CD
		上推/偏心滚子	卡住，生锈	CD
		门开关	无明显症状	TD
		联锁滚轮	损坏，磨损的标志，难以旋转	CD
		门鞋	磨损、噪音、振动	CD
		空气绳索	断股、噪音	CD
	轿门	带	伸展到极限，磨损	CD
		链条类型	伸展到极限，磨损	CD
		门衣架	嘈杂、异常振动	CD
		门轨	磨损，门操作噪音	CD
		门鞋	磨损，门操作噪音	CD
		门开关	无明显症状	TD
		门编码器	间歇性门操作失败，错误代码	CD
		光幕	故障 LED 数量	CD
		安全边缘开关	关门时门的间歇性停止	道明、光盘
		安全边缘电缆	关门时门的间歇性停止	道明、光盘
6	电梯轿厢和着陆	灯光	监测症状不划算	RTF格式
		风扇	RTF格式
		按钮	RTF格式
		指标	RTF格式
		调平开关/传感器	间歇性失平，错误代码	CD
		汽车结构	腐蚀、生锈	CD
7	井道项目
		减速和限位开关	错误日志中捕获的间歇性错误。	CD
		缓冲区	腐蚀、生锈、修复时间	CD
		补偿皮带轮	轴承嘈杂，绳索座椅低于格罗夫水平	CD
		补偿绳/链	生锈，磨损	道明、光盘
		滑轨	腐蚀、生锈	CD
		导向支架	腐蚀、生锈	CD
		导鞋	腐蚀、振动	CD
		导靴衬垫	磨损 - 超出限制的自由发挥	道明、光盘
		移动电缆	断断续续的连接丢失，可见的损坏	道明、光盘
8	控制器
		逆变器	与速度控制故障、过热症状、错层有关的错误代码	道明、光盘
		控制器电路板	错误代码，间歇性停止	道明、光盘
		继电器	错误代码，更高的接触电阻	道明、光盘
		接触	错误代码，更高的接触电阻	道明、光盘

结论

有句话说：“如果你总是做你一直在做的事情，你将永远得到你一直得到的东西。” 对于任何改进，都需要改变行动。 提高大楼电梯的正常运行时间以适应现代、快节奏的世界是现在的一项基本需求。 为此，了解电梯部件的故障很重要，更准确地说，了解部件的故障模式非常重要。 维护策略应根据每个组件的故障模式来决定。 状态监测和远程监测的发展将有助于在不进行现场访问的情况下获得所需的数据。 然而，收集的数据/信息应由熟练的人员分析，以选择适当的维护策略。 我希望这篇文章对理解故障和维护策略有所帮助，并对 RCM 进行了一些介绍。 建议读者参考参考部分了解更多信息。

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参考资料

[1] 约翰·穆布雷。 以可靠性为中心的维护。 工业出版社，2001 年。

[2] 古拉蒂、拉梅什和瑞奇·史密斯。 维护和可靠性最佳实践。 工业出版社，2009 年。

[3] BS EN 60300-3-11:2009 — 可靠性管理。 申请指南。 以可靠性为中心的维护

[4] 松达里尼，迈克。 “工业和制造业健康。” 工业出版社，2016 年。

[5] NASA — 设施和附属设备的可靠性慢速维护指南 — 2008

[6] IEC 61508 – 4 电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全 - 第 4 部分：定义和缩写

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另请参阅： 垂直推拉门维修