摘要：高层建筑和地铁车站的电梯设备经常处于高负荷的运行状态，故障率较高。对电梯故障诊断问题进行了优化设计，从2个方面介绍了电梯机械故障的类型及其产生的原因，提出了6种电梯机械故障诊断方法的优化设计措施，采用数字分析法建立起关于电梯机械振动信号的数字排列方式，利用电梯信号等测试装置对电梯机械故障中传出的振动信号进行检测，分析电梯机械振动信号数据获得电梯机械振动的变化规律。所提方法是对电梯机械故障振动信号的采集方式以及使用设备的补充与创新，具有一定参考意义。

　　关键词：电梯；机械故障；诊断；优化

　　Abstract:Elevator equipment in high-rise buildings and subway stations are often in high-load operation and have a high failure rate.Optimal designed is carried out for elevator fault diagnosis,the types of elevator mechanical faults and their causes are introduced from two aspects,six optimal design measures for elevator mechanical fault diagnosis methods are proposed.The digital arrangement about the elevator mechanical vibration signals is established by using the digital analysis method,the vibration signals from the elevator mechanical faults are detected by testing devices,and the elevator mechanical vibration signal data are analyzed to obtain the change law of elevator mechanical vibration.The proposed method is a supplement and innovation to the collection method of elevator mechanical fault vibration signals and the equipment used,and has certain reference significance.

　　Key words:elevator;mechanical failure;fault diagnosis;optimization

　　0引言

　　随着高层建筑数量的增多，电梯使用的范围也逐渐扩大，极大方便了人们的出行。但近年来我国电梯事故频繁出现，造成了较为严重的人员伤亡，对人民财产造成了形成了重大损失。因此分析与掌握电梯机械故障存在的原因，以及对电梯故障进行优化设计是解决当前电梯存在问题中的首要任务。

　　从电梯出现以来，国外专家学者就开始对电梯机械故障问题进行了全面研究，并结合故障问题出现的特点以及电梯内部结构提出针对性解决措施，例如美国电梯技术主要以OTIS电梯技术为主，而我国对于电梯机械故障的处理也在不断提升，对于电梯机械故障诊断的过程取得了技术性的创新，并取得了一定的成绩。

　　文献[1-4]详细阐述了电梯机械故障存在的特点，文献[5-8]对电梯内部系统流程内容做出了详细介绍。文献[9-12]以某大厦电梯事故为例，具体分析了电梯机械故

　　障所产生的原因，其中包括润滑系统故障、机械损耗故障以及机械疲劳故障。文献[13-15]详细阐述了对电梯机械故障优化设计的具体方法，包括对振动速度信号的设计、活动轿厢以及活动地板上的设计。上述文献虽然详细分析出了电梯出现机械故障的详细原因，但是却没有涉及到具体的优化措施，因为在优化过程中存在着一定问题。

　　基于此本文将从3个方面分析电梯机械故障产生的原因，基于电梯振动速度信号的频率分析出电梯信号波动出现的规律，提出关于计算电梯波动信号的计算公式，采用数字分析法建立相关的数字规律，归纳总结电梯信号波动所发生的规律，最后针对电梯机械故障类型所出现的原因进行分析，验证其准确性与有效性。

　　1电梯机械故障诊断分析

　　1.1电梯机械故障特点

　　(1)混合性特点。大部分电梯均采用微机控制，一旦出现机械故障，可能会使电梯内部机械零件以及操作系统软件发生故障，两者之间产生严重的影响效果，从而阻碍了后续的维修判断[2]。

　　(2)关联性特点。电梯主要以电气控制系统为主，整合多种功能性电路[3]，具体组成框架如图1所示。从图1中可以看出，电梯内部各个系统之间有着很强的关联性。电气系统故障会对电路所对应的功能造成影响，导致电梯后续使用发生故障问题[4]。在电梯内部各个系统之间除了具有强关联性图1电梯内部组成外，还存在一定的逻辑关系[5]，某一部分的故障极易通过连锁反应影响整个系统。

　　(3)未知性特点。随着科学技术的不断发展，电梯内部控制系统也变得越来越复杂，再加上外界影响因素的干扰，使得电梯机械故障现象存在一定的未知性，对维修人员造成了一定的困难，影响了维修的效率[1]。

　　1.2电梯机械故障案例分析

　　案例一：以某大厦三菱GPS-I电梯为例，在运行过程中出现无法启动以及安全指示灯熄灭的现象，在分析故障问题时提前切断电梯主电源，断开逆变器到交流电机之间的连线。检测逆变主凹路的大功率驱动模块，如果驱动模块没有产生问题，则需要恢复逆变器到交流电机之间的连线。在对检测电流的交流互感器进行检查时，发现交流互感器接线插头出现短路的现象，在经过重新处理后，使电梯能够恢复正常运行[6]。

　　案例二：以某大厦电梯为例，经过维修检查后发现一个大功率驱动模块发生损坏[7]，在进行更换后，电梯轿厢向上运行一小段距离后会出现停顿[8]，故障代码显示为“E3”，在维修处理时，任意交换电机的接线顺序，发出指示信号向下运行，而电梯轿厢却仍然向上运行一小段距离后显示停顿，说明电梯轿厢的运行失控。最后对逆变主线路接线重新检查时，发现人工驱动模块与逆变电源之间断开，电梯内部逆变部分无电源。重新连接后[9]，电梯恢复了正常行驶。通过该案例可以得出电梯机械故障代码在故障处理过程中虽然能够提供很大的方便，但是却不能拘泥于故障代码的提示[2]。

　　1.3电梯机械故障原因分析

　　1.3.1润滑系统出现故障

　　电梯要能够进行负重移动工作，润滑系统扮演了重要的角色，同时也直接影响着电梯系统的正常运行。电梯润滑系统出现故障现象时会影响电梯内部的活动组件[10]，在较短的时间内发生严重的磨损现象，使活动组件出现故障问题。从影响效果来看，电梯润滑系统故障现象相比其他故障问题更加容易被发现，所出现的频率也更高。为此需要维修人员继续加强对电梯润滑系统的维修力度，保证电梯始终处于非常良好的工作状态。另外电梯门系统出现故障也会影响电梯润滑系统的运行[11]，一般电梯门系统安装两种不同微动开关，利用螺丝将其固定在电梯轿厢的顶部。如果电梯负载压力较大时，门系统中的微动开关会使电梯处于满载的状态，这时就会影响着润滑系统的运行。同时在电梯内部发出呼救信号才会给予响应。当电梯负载程度超出预期值，那么另一个微动开关就会停止运作，使润滑系统运行出现明显的故障现象，进而影响了电梯整体的运行效果[3]。

　　1.3.2机械损耗所引发的故障

　　在长时间的使用下，电梯内部不可避免出现一些磨损现象，使电梯运行受到严重影响。比如电梯齿轮、蜗轮蜗杆在长时间使用后，会出现严重的变形现象，造成电梯减速箱内部齿轮出现卡顿，使电梯轿厢出现振动以及噪音的问题。电梯轮槽出现严重磨损会直接影响着电梯的运行平稳。另外电梯系统中的滚动系统以及滑动系统在长时间使用后都会产生不同程度的磨损。如果磨损程度非常严重，就会导致机械报废，使电梯失去正常的运转能力。因此要想保证电梯能够正常运行，降低危险事故出现的概率，需要维修人员提高维修频率和次数，不断缩短维修周期，一旦检查出事故，要立即采取针对性的解决措施，及时消除安全隐患[4]。

　　1.3.3机械疲劳所引发的故障

　　电梯在运行过程中，内部金属活动零件会一直保持着持续反复运作，极易处于疲劳的状态[12]，进而造成零件损坏，影响电梯系统的正常运行。为了加强对电梯系统的控制，很多电梯安装单位采用群控技术对系统进行有效控制，而以往的电梯开关量荷载信号对于群控技术难以适应，使得电梯负荷程度不断扩大，引发较为严重的机械疲劳行为。随着电梯技术的不断发展，电梯系统控制技术也发生了很大的改变，在电梯内部开始安装电磁式称量装置，以此来加强对电梯系统的控制。电磁式称量装置监测电梯荷载信号的持续变化，如果发现电梯负荷较高，就会发出报警信号。由此可以看出，通过对电磁式称量装置的设置，能够对电梯的群控系统进行调节控制，在有限的时间范围内，将电梯荷载信号及时传送到推动系统中。如果电梯处于运行的状态，那么需要控制好电梯的电流供给，以此来保证电梯运行的稳定[13]。

　　2电梯机械故障诊断优化设计分析

　　2.1加强对电梯振动速度信号的计算

　　电梯在运行的过程中，所发出的振动信号包含着非常丰富的系统状态信息。电梯技术的不断进步也使电梯内部系统变得更加复杂，影响了电梯轿厢的输出信号以及电梯信号测试装置的使用，该装置具体制作方法如图2所示。

　　电梯输出信号具有非常明显的非线性、非平稳性以及复杂性的特点，因此需要采用合适的信号分析法对电梯振动速度信号展开计算。一般所采用的是GP算法。GP算法是推导混沌吸引子关联维数的计算方法，假设一维时间顺序表示为(Xk，k=1，2，3，…，N)，在选择好维数后，可以对一维时间序列进行相空间的重构，最后所得到的轨迹矩阵表示为X1={x1，x1+t，...，x1+(m-1)t}。目前GP算法已经广泛应用于电梯故障诊断中，但以往GP算法的计算量较大，耗时较长，很难达到良好的检测效果。为此需要对GP算法进行改进。比如可以对相空间中点的距离计算进行改进，以往在电梯系统的计算公式

　　2.2对电梯机械疲劳故障的优化设计

　　针对电梯疲劳故障现象可采用疲劳强度为15的钢丝绳，要求钢丝绳必须满足该强度要求，维修人员需要进一步加强对钢丝绳疲劳强度的检验[14，16]，以此来确保能够在合理的范围之内。假设钢丝绳的直径为20 mm，该电梯类型属于曳引式客梯，那么得出该钢丝绳的安全系数为：KP=(DT/DP)4=2.574，其中DT代表电梯曳引轮节圆直径，DP代表电梯反绳节圆的直径。

　　2.3做好前提预防工作

　　由于电梯类型众多，故障诊断方法存在较大的差异性，即使处理完故障后也无法避免该故障再次出现。因此要求维修人员必须时刻保持着认真负责的态度去面对电梯维护检修工作，同时要求电梯用户能够严格按照电梯使用流程进行操作，尽量减少对电梯的影响。首先结合当地电梯实际的运行环境，制定合理完善的电梯管理制度以及电梯保养制度，以制度为基础，进一步规范维修人员的管理意识，在激发维修人员工作责任心的同时，不断提高维修工作的效率，及时发现电梯各种潜在性的危险因素，不断减少电梯发生故障现象的风险。其次需要加强对电梯用户的宣传力度，强化电梯用户的安全保养意识，设置电梯使用规范注意事项，引导用户正确使用电梯。针对突发情况，为了进一步减少伤亡现象，高层建筑物应定期开展电梯自救训练，帮助用户掌握更多的自救方法，使用户在面对电梯故障时能够沉着冷静，等待救援[15]。

　　2.4电梯活动轿厢的设计

　　电梯活动轿厢一般在轿厢底盘与轿厢架之间设计固定一些橡胶垫。橡胶垫一般被当作成活动轿厢的承重元件，当电梯轿厢出现超载现象时，所承载的动力会向轿厢底盘方向进行运行，经过长时间的影响，会使橡胶垫的外观发生改变，触发电梯微动开关，电梯失去控制。活图3电梯活动轿厢设计效果动轿厢的维修虽然过程比较繁琐，而且操作难度较高，但能够保障安全性，并且维修价格较低，得到了广泛的使用。具体设计效果如图3所示。

　　2.5活动轿厢地板的设计

　　活动轿厢地板一般被固定在电梯轿厢的顶部，与周围轿壁之间保持着一定距离。由于轿厢内部质量分布不均匀，轿厢底部所承载的重量发生很大不同，会向下产生位移。当电梯轿厢荷载量过大，活动轿厢地板就会出现下沉，由于电梯轿厢地板与轿壁之间存在孔隙，使得电梯承重设备能够一直支撑起电梯轿厢的底部，当荷载量过大时，轿厢地板的凹陷部分会进一步触发电路开关，电梯控制信号发送到电梯运行系统中，中断电梯的运行，减少安全事故出现的概率。

　　2.6加强电梯润滑系统的维护以及电梯故障诊断概率

　　针对电梯润滑故障现象，要求维修人员定期对电梯润滑系统展开排查，提高维修的频率。比如曳引式客梯在长时间运行后，需要对润滑系统进行换油，如果润滑系统使用的是合成油，那么更换时间可根据油质情况适当后延。如果电梯运行2 000 h后，需要将合成油更换成矿物油，换油周期最长不能超过1 a。

　　针对电梯机械磨损现象，需要维修人员不断提高对电梯故障的诊断水平，及时发现电梯存在的各种安全隐患，将风险问题控制在最小范围内，另外在采购电梯时需要合理选择电梯生产商，做好电梯质量测试，从源头处加强对电梯质量的控制。为了确保增强电梯的安全运行能力，第一需要不断完善电梯的运维制度，制定有效的管理措施，明确好养护制度，保证对电梯的养护工作能够积极实行。第二需要积极强化工作人员的安全意识，由于电梯运维工作难度较高，内容比较复杂，因此要求位孔未入定位销的情形，检测准确率达到100%，完全可以满足预期的检测需求。

参考文献：

　　[1]董欣阳.汽车总装输送技术与应用综述[J].现代制造技术与装备,2021,57(11):50-52.

　　[2]高春生,袁喜报.汽车车身输送线改造与定位一致性的探讨[J].汽车工艺与材料,2016(9):65-67.

　　[3]闫营阁.光电传感器初探[J].硅谷,2012,5(20):38.

　　[4]光电传感器简介[J].电子测试,2007,149(1):46.

　　[5]龚惠斌,朱秀球,方军华.双凹料自动送料装置的视觉定位系统设计[J].机电工程技术,2019,48(10):32-33.

　　[6]黄南海,汪志成,周显恩.基于机器视觉的3C外壳工件螺孔位置尺寸测量系统[J].机电工程技术,2022,51(5):78-83.

　　[7]黄志富,黄俊彬,陈朝大,颜士朋,梁莉,李晋东.视觉定位激光打标装置的设计[J].机电工程技术,2022,51(8):141-143.

　　[8]赵巧敏.机器视觉行业投资分析报告[J].机器人技术与应用,2015(5):12-24.

　　[9]梁振,吴庆华.视觉识别技术在工业电气自动化控制中的运用分析[J].中国高新科技,2021(23):47-48.

　　[10]朱红高.图像边缘检测技术研究现状[J].制造业自动化,2010

　　[11]范振辉.机械手自动上料的视觉识别定位系统研究[D].广州:华南理工大学,2021.

　　[12]邹楠,厉志成.基于统一建模语言的软件需求分析应用研究[J].电脑知识与技术,2022,18(35):22-24.

　　[13]康耐视的视觉系统成为汽车流水线上的标准解决方案[J].汽车工艺与材料,2007(12):25-26.

　　[14]Cognex Corporation.机器视觉图像传感器[EB/OL].[2023-03-20].https://www.cognex.cn/zh-cn/what-is/machine-vision/com⁃ponents/image-sensor.

　　[15]Cognex Corporation.In-Sight®5000系列视觉系统安装手册[EB/OL].[2023-03-20].https://support.cognex.com/docs/is_ 631/ISE/ZH/Manuals/is5000instZH.pdf.

　　[16]Cognex Corporation.In-Sight®5000 Series Vision System Manual[EB/OL].[2023-03-20].https://support.cognex.com/docs/is_631/support/is5000manual.pdf.

　　[17]龚仲华.S7-300/400系列PLC应用技术[M].北京:人民邮电出版社,2011.