Обоснование периодичности технического обслуживания пассажирских лифтов на основе исследований режимов и условий их эксплуатации

Введение. От технического состояния пассажирских лифтов зависят их безопасность и эксплуатационные затраты. Каждый цикл функционирования лифтовой системы сопровождается многократным действием усилий для ее пуска и торможения. Пассажирские лифты работают в режиме случайных воздействий по длительности, величине и частоте нагрузок. Для изучения функционирования таких машин широко применяются методы имитационного моделирования (ИМ). Это позволяет получить достоверные результаты при существенно меньших затратах и сроках исследований. Для пассажирских лифтов устанавливаемая периодичность технического обслуживания (ТО) не зависит от условий и режимов эксплуатации. Она определяется нормативными документами[1]^, [2] и руководствами по эксплуатации[3], принимается одинаковой для всех лифтов и не зависит от этажности дома, плотности заселения, параметров лифтовой установки (грузоподъемность, скорость), а также текущего технического состояния объекта.

Для комплексной оценки текущего технического состояния лифтовой установки в конкретный период используются временны́е показатели: чистое машинное временя (ЧМВ), частота включений, нагрузка и уровень отработки ресурса [1]. Их целесообразно выражать через безразмерные величины: K_m — коэффициент ЧМВ; n — удельное число включений главного привода и механизма дверей, в минуту ЧМВ; λ_экв — относительная величина силовой нагрузки; K_RO — доля отработки нормативного ресурса.

Авторы настоящей работы задействовали два способа, чтобы установить перечисленные показатели, формируемые в процессе функционирования объекта как результат последовательности случайных циклических воздействий:

– регулярные наблюдения — для эксплуатируемых машин [2];

– ИМ — для проектируемых лифтовых установок [3, 4].

В зависимости от сочетания значений указанных случайных показателей изменяются темпы износа оборудования, частота и тяжесть отказов. Поэтому целесообразно корректировать периодичность ТО (в частности, ремонтных и профилактических работ). Однако, как отмечалось выше, нормативы не предусматривают вариативность графика ТО[4]. Возможно, в некоторых случаях это ведет к более высокой, чем необходимо, частоте ТО и, соответственно, к затратам, которых можно было избежать. Более значимая цель корректировок — исключить необоснованное увеличение интервалов между ТО, что связано с рисками преждевременной потери работоспособности и снижения уровня безопасности.

Вопросы динамики лифтового оборудования и повышения его надежности изучали А. И. Антоневич, П. В. Архангельский, Д. П. Волков, Н. А. Лобов, А. В. Мечиев[5], П. И. Чутчиков,[6] Н. А. Шпет и др. [1, 5–10].

В некоторых публикациях [1, 6] и нормативных документах отмечается, что интервалы между плановыми ремонтными воздействиями должны учитывать такие характеристики объектов, как этажность дома, высота подъема, грузоподъемность, плотность заселения. При этом не сообщается, как именно их нужно учитывать, и не приводятся примеры.

Цель данной работы — обоснование требуемой периодичности ТО пассажирских лифтов на основе установленных комплексных оценок технического состояния с учетом условий и режимов их эксплуатации.

Материалы и методы. Для реализации цели исследования необходимо, во-первых, научно обосновать взаимосвязи условий, режимов работы лифтовых установок с периодичностью ТО. Затем, базируясь на полученных данных, следует разработать методы определения целесообразной частоты ТО, которая обеспечит поддержание необходимого технического состояния пассажирского лифта.

Отечественные и зарубежные авторы предлагали аналитические методы решения задачи оптимизации периодичности ТО машин, в том числе лифтовых установок. Фундаментальные разработки велись в институте машиноведения АН СССР[7]^, [8]. Авторы данной статьи предлагают руководствоваться схемой, представленной на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема аналитического решения задачи установления оптимальной периодичности ТО лифтового оборудования

Аналитические решения по обоснованию интервалов проведения ТО базируются на представлении о конкретной функции эволюции системы во времени. Возможны обусловленные трансформации — x(t) или случайные — ξ(t). Решение задачи на основе такого алгоритма требует детальных формализованных представлений о поведении технической системы во времени, что описывается случайной функцией ξ(t). Эти данные неизвестны, если речь идет о лифтовых установках.

В последние 10–15 лет задача оптимизации периодичности ТО лифтов активно обсуждается в Китайской Народной Республике [11–14]. Решение предполагает изменение функции частоты отказов системы путем введения коэффициента корректировки в зависимости от интенсивности отказов. В качестве целевой функции используется математическая модель поддержания технического состояния оборудования, построенная с учетом затрат на ремонт и потерь от простоя лифтового оборудования.

Приведенный выше краткий анализ позволяет утверждать, что у задачи по обоснованию периодичности ТО нет прямого аналитического решения, т. к. лифт функционирует циклично, в режиме стохастического изменения внешних и внутренних воздействий. Поэтому результирующие временны́е и силовые показатели лифта, характеризующие его техническое состояние, представляют собой случайные величины с заранее неизвестными законами распределения.

В качестве альтернативы прямому использованию показателей надежности для определения требуемой периодичности ТО в настоящей работе принята гипотеза о взаимосвязи нормативных ресурсных показателей отдельных узлов и всей установки с вероятностными характеристиками режимов и условиями эксплуатации. Авторы интегрировали эту информацию с анализом экспериментальных данных и адекватных им результатов ИМ [3, 4]. Такой подход позволил определить характеристики нагрузочных режимов и условий эксплуатации лифтов, а также разработать методы и программы ИМ[1] для их воспроизведения. Это дает возможность сформулировать задачу корректировки нормативной периодичности ТО. Она основывается на утверждении, что упомянутые вероятностные показатели нагруженности лифта определяют его техническое состояние. Для конкретных условий решение задачи о необходимой периодичности ТО будет учитывать данные нормативных документов, результаты наблюдений или ИМ (рис. 2).

Рис. 2. Структурная схема приближенного решения задачи по корректировке периодичности ТО лифтовых установок на основе вероятностных показателей их технического состояния

На рис. 2 обозначены процедуры, необходимые для решения задачи по формированию периодичности ТО лифтовой установки на основе комплексных показателей технического состояния объекта. Приведем их краткую характеристику.

• Описание объекта, условий и режима эксплуатации для оценки его технического состояния и корректировки периодичности ТО. Речь идет о лифтовой установке с параметрами: R, Q_п, v, N_дв, i_ред, r_КВШ (грузоподъемность, масса противовеса, скорость кабины, мощность двигателя, передаточное отношение редуктора, радиус канатоведущего шкива) и др. в жилом доме с параметрами H, N, h_эт, Z (высота подъема, этажность, межэтажное расстояние, число жителей). Режим эксплуатации: время суток, чередование циклов по видам, функция загрузки кабины и др.
• Определение нормативных ресурсов узлов согласно ГОСТам и другим нормативным документам: по чистому времени эксплуатации (τ), по числу включений (n), по номинальной длительной нагрузке (M), по сроку службы до капитального ремонта или замены — T(для двигателя, редуктора, тормоза, дверей, канатов и других узлов).
• Обоснование номенклатуры и числа независимых относительных показателей для оценки технического состояния объекта (K_i).
• Установление вероятностных показателей для оценки расчетного (фактического) технического состояния объекта на основе ИМ или регулярных наблюдений (K_mф, n_ф, λ_ф).
• Обоснование формальных процедур для установления комплексного показателя, оценивающего нормативное техническое состояние объекта — W_Σ.норм.
• Обоснование формальных процедур для установления комплексного показателя-индекса, оценивающего расчетное (фактическое) техническое состояние объекта — W_Σрасч.
• Оценка соотношения нормативного и фактического показателей технического состояния основных узлов лифтовой установки.

Итоги этих процедур позволяют сформулировать рекомендации по корректировке периодичности ТО (K_кор).

Основные показатели, характеризующие работоспособность и долговечность объекта и его отдельных узлов, — это нормативы, устанавливаемые заводом-изготовителем или профильными документами. В общем случае для каждого узла лифта должны приводиться следующие предельные ресурсные характеристики до капитального ремонта или замены: чистое время эксплуатации τ, число включений (пусков-торможений) n, номинальная длительная нагрузка M, срок службы T. Номенклатура ресурсных показателей может быть различной для узлов, эксплуатирующихся в разных условиях.

Согласно нормативным документам[1] фактическое техническое состояние оценивается по результатам непосредственного контроля, диагностики и мониторинга объекта на основе сравнения зафиксированных показателей с заявленными в нормативно-технической документации. Для выбора косвенных показателей технического состояния лифта и его узлов нужен иной подход. Главные требования: косвенные показатели должны быть независимыми и полнее характеризовать техническое состояние объекта. В нашем случае это коэффициент чистого машинного времени, удельное число включений главного привода и механизма дверей, уровень силовой нагрузки и степень отработки нормативного ресурса, то есть K_m, n, λ_экв и K_RO. Все они устанавливаются путем непосредственных наблюдений за группой лифтов или на основе ИМ. Эти показатели приняты как базовые по итогам анализа их взаимной независимости и достаточности для косвенной оценки технического состояния лифта. Они описывают основные характеристики нагруженности объекта. С каждым из них можно соотнести аналог, зафиксированный в паспорте лифта или нормативном документе и представленный в ином виде, размерности. Так, например, в ГОСТе на электродвигатели указаны нормативные показатели: чистое время работы — 30 тыс. часов, срок службы — 15 лет. Условный нормативный коэффициент машинного времени электродвигателя определяется расчетом.

Результаты исследования. Авторы обосновали подход к решению вопроса о корректировке интервалов ТО лифтов. Методика базируется на четырех показателях: K_m, n, λ_экв и K_RO.

В соответствии с последовательностью процедур (см. рис. 2) сначала уточняются нормативные ресурсы основных узлов лифта. Эти данные задействуют для определения соответствующих значений временны́х параметров: K_m норм, n_норм. По ГОСТу Р 55964-2014[2] лифт должен служить 25 лет. Его узлы и механизмы — от 5 до 15 лет.

Размерностями ресурсного показателя узла могут быть:

– продолжительность работы оборудования в часах (ЧМВ);

– количество включений в единицу времени или за весь период эксплуатации.

Так, например, согласно ГОСТу 31592-2012[3] для червячных редукторов, применяемых в лифтовом оборудовании, ресурс до капитального ремонта — не менее 10 тыс. часов. Это значение можно принять за минимальный нормативный ресурс, который должен обеспечиваться за весь установленный срок службы редуктора (12,5 лет). Для электродвигателей установлен срок службы 15 лет. При этом согласно пункту 5.1.4 ГОСТа 31606-2012[4] ресурс до капитального ремонта — не менее 30 тыс. часов.

Другой источник для определения нормативного числа включений — ГОСТ 59155-2020[5]. Он устанавливает типовые эксплуатационные режимы лифтов. Для различных по грузоподъемности и скорости лифтов допустимое число включений — 120–180 в час. Так, для лифтов в 9-этажках с номинальной скоростью 0,67–1,0 м/с число включений n_норм не должно превосходить 120 час^–1 или 2 мин^–1. Включения двигателя лифта и всех кинематически связанных с ним узлов: редуктора, тормоза, канатоведущего шкива (КВШ), канатов — происходят только в машинное время, поэтому требование n_норм ≤ 2 вкл./мин должно относиться к ЧМВ. То есть для всех этих узлов в лифтах 9-этажных домов базовое значение числа включений для двигателя, тормоза, редуктора, КВШ должно приниматься n_норм = 2 вкл./(мин ЧМВ).

В таблице 1 обобщены нормативы ресурса по времени, количеству циклов работы узлов и агрегатов за определенный контрольный отрезок времени. На основе этих показателей рассчитаны нормативные силовые и временны́е параметры работы узлов лифтовой установки. Для примера приводятся расчетные нормативные показатели K_{mcp норм} и n_cp норм лифтов 9-этажных домов со скоростью кабины ≤ 1 м/с.

Таблица 1

Нормативные ресурсы и временны́е параметры работы узлов лифтовой установки

Контрольный отрезок времени устанавливается в нормативных документах и паспортах оборудования. Это может быть:

— полный срок службы до замены или капитального ремонта,

— конкретное значение (год, час, минута).

Расчетный нормативный параметр K_{mcp норм} определяется как частное от деления чистого годового времени работы узла на число часов в году. Например, для электродвигателя:

K_{mcp норм}= (30·10³/15)/(365·24) = 0,228.

Аналогично определяется нормативное число включений — 1/(мин ЧМВ). В качестве примера приведем включения в минуту для тормоза, ЧМВ:

n_{cp норм} = (7·10⁶/12,5)/(365·24·60) = 1,065.

Для привода дверей n_cp.норм выбирается минимальным из двух вариантов:

1) согласно паспорту лифта — не менее 400 1/час или 6,7 1/(мин ЧМВ);

2) согласно ГОСТу — 2 1/(мин ЧМВ).

На одно включение привода лифта приходится два включения привода дверей, поэтому n_{ср норм} = 4 1/(мин ЧМВ). Для канатов нормативное годовое количество включений (600 1/год) приводится в инструкции по ТО стальных канатов[1].

Найдем коэффициенты, отражающие относительный уровень нагрузки на узел лифта. Они определяются как отношения:

— расчетных или экспериментальных значений временны́х и силовых показателей к нормативным,

— отработанного ресурса к полному нормативному ресурсу.

 .

Для оценки общего уровня загрузки, результирующего технического состояния лифта и его основных узлов предложен единый обобщенный показатель — индекс загруженности W_Σ. Он должен представлять некоторую комбинацию исходных относительных показателей K_i. Согласно рекомендациям квалиметрии[1] при формировании единого обобщенного показателя-индекса применили принцип суммирования (или суперпозиции) с весовыми коэффициентами, равными единице. Учитывается обоснованное выше допущение: в данной задаче признаются независимыми и равноценными факторы, характеризующие техническое состояние и нагруженность лифтовой системы. Принцип суперпозиции справедлив для систем, которые описываются линейными уравнениями.

Итак, определим единый условный показатель-индекс нагруженности лифта W_Σ:

.

Для каждого силового узла необходимо вычислить комбинацию четырех коэффициентов: K₁, K₂, K₃, K₄. Это нужно для сравнительной оценки уровней загруженности узлов или лифтов. Если таких данных нет в нормативных документах, то в качестве базовых необходимо принимать величины, соответствующие средним значениям группы лифтов с близкими параметрами, работающих в схожих условиях.

Суммирование относительных коэффициентов влияния различных режимных, временны́х факторов и состояния отработки ресурса предполагает, что конечный результат рассматривается по принципу: чем меньше значение  , тем менее напряженным будет режим эксплуатации данного узла лифтовой установки. По методике суммирования K₁, K₂, K₃ и K_RO нормальным, не перегруженным техническим состоянием лифта нужно считать такое, при котором сумма коэффициентов не превышает 4.

Узлы лифта делятся на группы:

1) работающие непрерывно в течение ЧМВ (двигатель, редуктор, КВШ и канаты);

2) работающие импульсно, например двери лифта.

Для 1-й группы расчет  нужно вести по сумме 4 коэффициентов, для 2-й — 2 коэффициентов, исключив K_m и М_экв. Соответственно изменится и нормативная сумма : для 1-й группы , для 2-й . Возможен и вариант  = 3, при котором учитывается нагрузка двух видов и уровень отработки ресурса.

На рис. 3 представлена структурная схема методики определения скорректированной периодичности ТО лифтового оборудования на основе нормативных документов, результатов ИМ силовых и временн х показателей работы.

Рис. 3. Структурная схема принятия решения о корректировании периодичности ТО лифтового оборудования

Для примера в таблице 2 приведены результаты сравнительной оценки нагруженности узлов и коэффициенты корректирования периодичности ТО, выполненные в соответствии с изложенными методическими положениями для лифтов, отработавших 5 лет.

Таблица 2

Результаты исследования лифтовых установок в двух 9-этажных домах Ростова-на-Дону: оценка нагруженности узлов и корректировка интервалов между ТО*

По мере отработки ресурса при сохранении величины временны́х и силовых показателей расчетная периодичность ТО будет сокращаться для обеспечения необходимого уровня технического состояния оборудования. Рассмотрим для примера редуктор лифта в доме на Капустина, 14. Учтем, что W_Σнорм = 4. Если K_RO возрастет с 0,4 до 0,9, то отношение W_Σ расч/W_Σ норм увеличится с 1,03 до 1,15. Окончательное решение об изменении интервалов ТО лифта в зависимости от приращения КТО принимает сервисная организация. Рекомендуемый порог изменения КТО — 5–10 %.

Обсуждение и заключения. Разработанные программы ИМ режимов работы пассажирских лифтов и методика корректировки периодичности ТО позволяют прогнозировать реальную нагруженность узлов лифтовых установок на протяжении длительного периода эксплуатации с учетом этажности, заселенности здания и технических характеристик лифта. Это дает возможность установить прогнозную скорость отработки нормативного ресурса каждой лифтовой установки и определить для нее межсервисные интервалы, обеспечивающие поддержание узлов лифта в работоспособном состоянии на протяжении всего срока службы.

Прикладная ценность описанных в статье итогов научных изысканий обусловлена тем, что нормативные документы, требуя заявленной периодичности ТО, не учитывают режимы и условия эксплуатации лифтовых установок.

Характеристики режимов и условий эксплуатации для лифтовых установок определяются по данным, полученным на основе ИМ и проверенным на адекватность в ходе диспетчерского мониторинга. Речь идет о таких показателях, как чистое машинное время работы, удельное количество включений, уровень силовой нагрузки привода и кинематически связанных с ним узлов, а также величина отработки установленного ресурса. До введения лифта в эксплуатацию можно построить график ТО в созданной авторами программе «ИМ режимных характеристик пассажирского лифта».

[1] Чекмарев А. Н. Квалиметрия и управление качеством. Ч. 1 . Квалиметрия / Самара: Изд-во СГАУ, 2010. 172 с.

[1] Стальные канаты Gustav Wolf. Инструкция по эксплуатации / Реватор // revator.ru : [сайт]. URL: https://revator.ru/upload/docs/Rope_inst_GW_v4.pdf (дата обращения: 03.09 2022).

[1] ГОСТ 27.002–2015. Надежность в технике. Термины и определения / Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. М.: Стандартинформ, 2016. 31 с.

[2] ГОСТ Р 55964-2014. Лифты. Общие требования безопасности при эксплуатации / Технический комитет по стандартизации ТК 209. М.: Стандартинформ, 2019. 30 с.

[3] ГОСТ 31592-2012. Редукторы общемашиностроительного применения. Общие технические условия / Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. М.: Стандартинформ, 2014. 22 с.

[4] ГОСТ 31606-2012. Машины электрические вращающиеся. Двигатели асинхронные мощностью от 0,12 до 400 кВт включительно. Общие технические требования / Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. М.: Стандартинформ, 2013. 22 с.

[5] ГОСТ Р 59155-2020. Лифты. Технические условия / Технический комитет по стандартизации ТК 209. М.: Стандартинформ, 2020. 15 с.

[1] Имитационное моделирование режимных характеристик пассажирских лифтов : св-во о гос. регистрации программы для ЭВМ № 202661811 Рос. Федерация / А. В. Отроков, Г. Ш. Хазанович, Д. С. Апрышкин ; ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет». Заявл. 16.06.2022 ; опубл. 27.06.2022, Бюл. № 7.

[1] ГОСТ Р 55964-2014. Лифты. Общие требования безопасности при эксплуатации / Технический комитет по стандартизации ТК 209. М.: Стандартинформ, 2019. 30 с.

[2] ГОСТ 34303-2017. Лифты. Общие требования к руководству по техническому обслуживанию лифтов // Технический комитет по стандартизации ТК 209. М.: Стандартинформ, 2019. 12 с.

[3] Руководство по эксплуатации. 0621ЭМ.00.00.000РЭ. Лифт пассажирский / ОАО «МЭЛ» // burmistr.ru : [сайт]. URL: https://www.burmistr.ru/upload/forum/fc5/fc50d9b45781d2c11cafb3b2651567f7 (дата обращения: 14.11.2022).

[4] Об организации безопасного использования и содержания лифтов, подъемных платформ для инвалидов, пассажирских конвейеров (движущихся пешеходных дорожек), эскалаторов, за исключением эскалаторов в метрополитенах / Правительство РФ // base.garant.ru : [сайт]. URL: https://base.garant.ru/71707662/ (дата обращения: 03.09.2022).

[5] Мечиев А. В. Разработка путей обеспечения безопасной эксплуатации лифтов : автореф. дис. … канд. тех. наук. М., 2018. 18 с.

[6] Чутчиков П. И. Исследование пассажирских лифтов с целью повышения их эксплуатационной надежности : дис. канд. тех. наук. М., 1973. 148 с.

[7] Математические методы в теории надежности и эффективности // Надежность и эффективность в технике: справочник. В 10 т. Т. 2. / Под ред. Б. В. Гнеденко. М.: Машиностроение, 1987. С. 165–180.

[8] Эксплуатация и ремонт // Надежность и эффективность в технике: справочник. В 10 т. Т. 8. / Под ред. В. И. Кузнецова, Е. Ю. Барзиловича. М.: Машиностроение, 1990. С. 112–146.