电梯曳引机工作寿命预测方法研究

前言：电梯是一种典型的垂直运输设备，对人们的日常生活有着重要的影响。随着当今社会的飞速发展，人们对电梯的需求越来越高。为了有效地满足人们的需求，电梯的数量迅速增加，使用率也不断提高。虽然电梯在很大程度上方便了人们的生活，但电梯安全问题经常发生，如人员被困、人员受伤等严重恶性事故。特别是电梯使用时间越长，电梯重要部位存在潜在的运行风险。电梯曳引机作为电梯的动力源，主要实现输出与传递动力，驱动电梯运行的功能，其可靠性对于电梯能否正常安全的工作至关重要。因此，电梯在实际运行中超速、滑车、夹人、蹲底等安全隐患时有发生，电梯带来的不安全问题己不容忽视。

1.寿命预测方法研究现状

1.1寿命预测

寿命预测也称为剩余寿命预测或剩余使用寿命，即在规定的运行条件下，保证机器安全经济运行的剩余时间问题。传统的寿命预测是基于失效数据的，即基于失效数据的寿命预测方法。该方法是通过大量试验获取故障数据，然后对故障数据进行统计分析，选择合适的统计模型（包括指标、正态、威布尔、对数正态等）。确定产品寿命概率分布，预测产品剩余寿命

（1）小样本问题。在工业生产中，由于开发资金和时间有限，不允许进行大量的寿命试验，因此获得的失效数据较少。这与传统的基于失效数据的寿命预测方法依赖于大量失效数据的事实相反。

(2)长寿命问题。随着科学技术的发展和设计制造水平的不断提高，高可靠性、长寿命的产品广泛应用于国防军工产品、航空航天、电子工业等重要领域。因此，在有限的试验周期和成本下，传统的寿命预测很难获得足够的寿命数据。

(3)故障分析的问题。产品失效可分为降级失效和突发失效。据统计，产品退化不足导致70%的产品失效80%。传统的可靠性侧重于突然失效，这与当前的情况不兼容。基于性能退化的寿命预测方法是对传统寿命预测方法的补充。它在预测小样本、高可靠性、长寿命产品寿命方面具有独特的优势，已成为现代可靠性工程的一个新的研究方向。事实上，许多产品的性能在出现故障之前是逐渐降低的。如果效益下降到一定程度，将被判定为失败，而退化最终将导致失败。这种失效过程也称为退化过程。

1.2典型随机过程模型的方法

在可靠性工程领域，wiener过程和Gamma过程被广泛应用于对进行产品退化建模，近年来逆高斯过程(IG)也被应用于对产品进行退化建模，由于其物理意义明确可靠性指标能够解析表达成为最新的研究方向。

2.电梯可靠性发展现状及存在的问题

电梯是大型综合特殊机械设备，随着电梯总量的扩大，新电梯的安装增加和旧电梯的老化加剧，电梯事故也增加了。据统计，电梯事故已经位于八大特殊设备的顶端。随着电梯系统的综合化，智能化持续发展，其研发、生产、特别是维护和保障的成本与日俱增。另一方面，由于系统的复杂化，故障发生的概率也越来越高。因此，电梯的安全和可靠性高的运行成为社会广泛关注的焦点和智慧城市民生工程的核心部分。

电梯曳引机故障引发的事故频发，严重威胁乘客的生命财产安全，对此问题国内外对电梯曳引机故障模式和故障机制的深入研究不足。因为没有确认曳引机的性能劣化和故障机械装置的问题的关系，所以制作曳引机的寿命预测模型很难。此外，有效降低曳引机的故障率。对电梯曳引机的工作寿命进行研究，分析电梯曳引机的故障模式，研究其故障机械装置，探索其性能劣化参数的特性评价方法，构建有效的寿命预测模型预测电梯曳引机的工作寿命。根据寿命预测结果调整电梯的检查和维护周期，减少事故发生和死伤。

3.电梯曳引机工作寿命预测

3.1电梯曳引机故障失效机理

分析电梯的曳引机的故障模式，研究故障的机理。通过曳引机的工作机构确定曳引机的失效阈值：随后针对曳引机退化特性建立基于wiener过程的退化模型，推导其寿命分布；再利用白助法和极大似然估计法对退化模型中的参数进行估计；最后提出曳引机寿命预测方法实现对曳引机工作寿命的预测。具体工作如下：

（1）通过研究曳引机的结构特点和工作环境，分析曳引机的故障模式，确定其主要故障模式。

（2）对电梯曳引力，钢丝绳与曳引轮之间的当量摩擦系数进行分析计算，研究电梯钢丝绳与曳引轮打滑机理并对钢丝绳相对于曳引轮的弹性滑动量进行建模计算。根据曳引机工作机理确定表征曳引机性能退化的特征参量并确定其失效阈值。

（3）根据电梯曳引机的退化特点，建立基于Wiener过程的退化模型，该模型将漂移系数视为随机变量，以刻画个体问的差异。推导曳引机的寿命分布：提出自助法和极大似然法相结合的模型参数估计方法。

（4）根据钢丝绳在曳引轮上出现打滑的机理设计试验采集现场的退化数据，对现场采集的数据进行理论分析确定滑动量随时问的变化符合wiener过程；采用自助法对样本进行自助抽样，运用极大似然估计法对模型参数进行估计，提出寿命预测方法对电梯曳引机工作寿命进行预测。

3.2曳引式提升机构的工作原理

为了预测电梯曳引机的使用寿命，有必要对乘客电梯曳引机进行研究，包括：电梯的工作原理、乘客电梯曳引机的基本组成及其部件的结构特点；在此基础上，分析了客梯曳引机的故障模式，绘制了曳引机故障树，确定了曳引机的主要故障模式。

常见的电梯驱动方式有牵引式、强制驱动式（卷扬机式）、液压式、螺旋式等。曳引电梯通过曳引机驱动曳引轮驱动钢丝绳，实现轿厢与对重的相对运动，实现电梯的运行；强力钢丝绳一端连接简氏线圈，另一端连接起重机械，用机械力使电梯上下运行；在液压式中，液压油的流量由液压泵上的阀组控制，用于提升操作；这种类型的螺钉使用发动机作为动力源，驱动螺母在螺钉上移动，从而使升降机工作。牵引式电梯是世界电梯行业中最常见的驾驶模式，占世界上使用的乘客电梯的99%以上。曳引机由发动机、制动器和牵引装置组成，为升降机提供动力。钢丝绳绕过牵引轮，两端分别与提升机和对重装置连接。绳索的两端受起重车辆和配重装置的重力影响。在重力作用下，牵引钢丝绳被压缩到牵引轮绳槽中。牵引轮底部钢丝绳与牵引钢丝绳之间的摩擦力带动起重对重机上下运动，反之，牵引具有以下优点：

（1）安全可靠。当电梯运行中发生碰撞或蹲起事故时，轿厢或对重碰到缓冲器，另一侧的对重或轿厢停止并继续提升。同时，电梯通常至少配备3根牵引钢丝绳，因此断绳导致轿厢坠落的可能性较低；（2）允许起吊高度大。当牵引驱动的提升高度增加时，驱动设备不会像绞车驱动那样变得非常庞大和难以承载，因此牵引驱动更容易实现大高度提升；（3）结构紧凑。根据有关规定，垂直提升装置的牵引轮（或卷筒）直径与钢丝绳直径之比不得小于40。增加钢丝绳数量，减小钢丝绳直径，可以减小曳引电梯的体积，因此曳引电梯的结构比卷扬式电梯更紧凑；（4）高速电机使用方便，价格低廉，结构紧凑。当电梯的额定运行速度逐个固定时，牵引轮的直径与牵引轮的速度成反比。牵引轮直径越小，要求驱动电机的速度越高。因此，牵引电梯可以采用结构紧凑、价格低廉的高速电机。

结语

本文介绍了电梯的工作原理和曳引机基本组成的结构特点，并以无齿轮曳引机为研究对象分析了电梯曳引机的故障模式。针对曳引机的主要故障模式、原因进行了分析，确定了电梯随着运行年限的增长各零部件磨损老化引起曳引力不足，最终导致电梯钢丝绳在曳引机上出现打滑。当电梯出现打滑时，可能会造成电梯溜车、蹲底、冲顶等危害乘客生命安全的事故。

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