故障树法在电梯安全评价中的应用

摘要：为了保证电梯系统的安全稳定运行和故障的精确定位，本文以一起电梯作业人员进入轿顶发生的电梯剪切事故为案例，分析故障树法在电梯安全评价中的应用。

关键词：电梯；故障树法；评价；剪切；溜车

随着社会的快速发展，电梯已成为当代生活、生产中必不可少的立体运输工具，由于电梯的使用范围极广，与人们的日常生活和安全保障息息相关，电梯能否长期安全稳定的运行已然成为人们的聚焦点。

一、基于故障树的故障诊断方法

故障树分析法（Fault Tree Analysis，FTA）又叫因果树分析法．它是目前国际上公认的一种简单、有效的可靠性分析和故障诊断方法，是指导系统最优化设计、薄弱环节分析和运行维修的有力工具．故障树分析法首先要在一定环境与工作条件下，找到一个系统最不希望发生的事件，通常以人们所关心的影响人员、装备使用安全和任务完成的系统故障为分析目标，再按照系统的组成、结构及功能关系，由上而下，逐层分析导致该系统故障发生的所有直接原因，并用一个逻辑门的形式将这些故障和相应的原因事件连接起来，建立分析系统的故障树模型，从而，形象地表达出系统各功能单元故障和系统故障之间的内在逻辑因果关系．这种方法既能分析硬件本身的故障影响，又能分析人为因素、环境以及软件的影响．不仅能对故障产生的原因进行定性分析，找出导致系统故障的原因和原因组合，确定最小割集和最小路集，识别出系统的薄弱环节及所有可能失效模式，还能进行相关评价指标的定量计算。根据各已知单元的故障分布及发生概率，求得单元概率重要度，结构重要度、关键重要度和系统失效概率等定量指标．把故障作为故障树分析的顶事件，既能通过演绎分析，直接探索出系统的故障所在，指出故障原因和原因组合，帮助人们加深对系统故障和故障原因的理解，并加以排除；又能清晰表达出与人们所关注的失效模式有重要关系的系统状态，为系统可靠性定性分析和定量计算提供依据．此外，还能直观勾画系统的原理、结构及功能关系，为系统使用、管理和维护提供指南，并能自动生成系统改进建议。图1所示为基于故障树的故障诊断流程．由于发生故障时，人们总希望能够尽快确定故障原因，找出故障部位，加以排除．为实现这一目标，可从系统的特定故障现象人手，进行故障求出系统最小实时诊断．通过系统监控模块，对运行信息进行实时采集，并与给定的域值进行比对。超出规定范围时，则给出系统故障判断。并以此为顶事件，按照故障树的建树规则，建建立相应的分析模型．采用下行法和不交最小割集算法，可方便地求得分析模型的所有最小割集和顶事件的发生概率．从故障角度看，由于此时各底事件为系统可测可控的最低分析单元，也是造成系统故障的基本原因，因而，最小割集就是这些能够导致系统故障发生的基本原因的最小组合．它囊括了分析系统的全部故障原因，描绘了系统最薄弱的环节，是故障诊断需要把握的重点和关键．而顶事件的发生概率则定量刻画了系统发生故障的可能性． 二、电梯剪切事故分析

1.事故原因分析。在本文中，以电梯作业人员进入轿顶过程中发生轿厢意外移动，轿厢向上或者向下运行，对电梯作业人员造成剪切伤害事故为例。由于作业人员进入轿顶之前，需要保证电梯处于检修状态并核实门锁的有效性，此时不响应外召和内呼，即本案例中不考虑门锁故障事件。因此顶上事件是维保人员进入轿顶过程中被剪切，溜车的主要原因如下。（1）超载失效产生的溜车事故。当轿厢满员甚至过载时电梯发生故障，这时电梯作业人员进入轿顶实施救援安抚工作时会使轿厢一侧重量增加，如果超载开关失效或者轿厢侧重量超

过电梯设计标准，则会导致溜车剪切事故的发生。（2）曳引失效导致的溜车事故。电梯本身出现故障，导致曳引系统和制动系统失效，很容易发生溜车剪切事故。电梯系统失效产生的主要原因有平衡系数不符和制动器功能失效两种，制动器失效形式有闸瓦磨损、机械卡阻、抱闸检测开关失效以及钢丝绳油污、磨损等。电梯作业人员进入轿顶过程中发生剪切事故的中间事件和基本事件分析如表1所示。 表1 进轿顶剪切事故中间事件和基本事件

2.构建故障树。根据分析的故障原因，按照故障树的绘制原理，以溜车剪切为顶上事件，以超载、曳引系统失效和曳引机失效为中间事件，其余故障因素为基本事件，构建故障树形式表达式如图2所示。

图1 剪切事故故障树

3.故障树的描述。（1）最小割集。我们知道，如果产生事故的所有隐患（基本事件）都发生，那么必然会发生事故故障。但是，事故故障的发生不一定需要所有的隐患全部发生，只需要某个或者某些隐患组合在一起就能发生故障。所有可能导致顶上事件发生的最低限度的基本事件的集合为最小割集，全部最小割集的完整集合代表了系统的全部故障，故障树的构建其实就是绘制了故障的所有可能发生情况。通过分析最小割集，可以找出系统的薄弱环节、系统设计缺陷等，从而采取预防措施。从表1中可以看出，B3为不可控事件，将该故障树模型进行简化，得到顶上事件发生的11个最小割集 T=B1·B2+D1+D2+D3+D4+D5+D6+D7+D8+D9+D10。（1）

（2）风险发生的概率分析。将一年作为电梯安全评价周期，利用电梯故障率来评价电梯风险发生的概率，电梯的故障率可以由该电梯在单位时间（比如说一个月或者一年）内出现的故障次数与该段时间内电梯启动的次数的比值描述，计算公式为：

式中：n0—单位时间内电梯故障次数；n—单位时间内电梯的启动次数。维保检修人员进入轿顶发生剪切事件有11个最小割集，如果知道每个割集的发生概率，就可以计算该电梯出现风险伤害事件的概率

P（T）=1-（1-λB1λB2）（1-λD1）（1-λD2）（1-λD3）（1-λD4） （1-λD5）（1-λD6）（1-λD7）（1-λD8）（1-λD9）（1-λD10）。（3）

其中：λB1、λB2、λD1…λD10表示基本事件B1、B2、D1…D10的发生概率。（3）安全评价结论。如果知道基本事件的发生概率，就可以根据公式（3）得出整个电梯系统发生故障的概率P，将故障概率P带入评定体系表中，可以得出该电梯系统故障发生的可能性，一般情况下事件发生概率可以参考表2。 表2 事故概率等级表

根据故障树的分析，结合实施措施的难易程度，可以从如下几个方面减少电梯在作业人员进入轿顶过程中发生剪切事故。加强维保和监护使用力度。加强电梯维保力度，可以及时发现事故隐患并进行整改。制动轮与制动闸瓦间隙可以通过日常的维保和检查发现，对电梯定期清洗、润滑能够有效减缓设备老化，在本例案例中超载保护装置是一个重要的安全部件，

加强维保力度可以有效的保证超载保护开关的功能。建立和完善电梯使用技术档案。认真准确地记录电梯的使用和故障情况，可以真实地得到电梯的使用频率时段、频繁使用载荷区段，从而有针对性地采取相对的维保方案，有效真实的电梯使用技术档案可以为电梯的大数据处理和评估提供支持。定期检验。根据TSG T7001《电梯监督检验和定期检验规则—曳引与强制驱动电梯》中“电梯使用单位应当在电梯使用标志所标注的下次检验日期届满前一个月，向检验机构申请定期检验”。个人用别墅电梯也建议定期委托检验，对电梯进行专业的定期检验，可以及时发现未知的使用风险，降低伤亡事故。

故障树法作为安全系统工程中非常重要的分析方法之一，能够对系统的危险性进行定性分析和定量分析，简洁、形象地分析出事故发生的直接原因和其发生的逻辑关系，能够深入提示事故的潜在原因。但是，故障树构建难度较大，工作量繁重，对参与构建和分析的人员的要求较高，如果分析人员主观因素判断失误或者漏掉重大系统故障的事件会导致结论失真。因此，故障树分析法只能用于处理设备的工作或故障情况，不能处理降低性能能够满足要求的情况。 参考文献：

[1]史伟.智能故障诊断专家系统平台[J].计算机测量与控制，2018，13（11）：1167-1169. [2]陶晓超.基于神经网络推理策略的电梯故障诊断法[J].武汉理工大学学报：信息与管理工程版，2018，31（6）：950-953．