基于FMEA对施工升降机故障类型和影响分析

【摘 要】施工升降机是建筑施工现场经常使用的载人载货施工机械，一旦发生事故，将会造成较大的人员死亡和经济损失。故障类型和影响分析（FMEA）是将系统分为子系统、设备和元件，分析各自可能发生的故障类型及生产的影响，以便采取相应的措施，因此应用故障类型和影响分析（FMEA）对施工升降机进行安全评估，通过对施工升降机工序特点进行剖析，识别出每种故障模式及每种故障模式对系统或装置造成的影响，增加施工升降机运行的可靠性。

【关键词】施工升降机；FMEA分析；故障类型；事故案例

1 引言

近年来，施工升降机安全事故时有发生，结合对北京市各大施工现场的实地调研发现，施工升降机出现的故障主要体现在滑轮、齿轮齿条、减速器、滚动轴承四个方面，以及工人的安全意识薄弱。本文将FMEA思路引入施工升降机施工的风险评估，找出可能出现的故障类型，进而提出增加设备可靠性的建议。其FMEA思路如图1所示。

图1 FMEA的分析思路

2 FMEA的基本理论

FMEA的目的是辨识单一设备和系统的故障及每种故障模式对系统或装置造成的影响，评价人员通常提出增加设备可靠性的建议、进而提出工艺安全对策。FMEA的主要分析步骤是①确定系统本身的情况；②确定分析程度和水平；③绘制系统图和可性框图；④列出所有故障类型；⑤并选出对系统有影响的故障类型，列出造成故障的原因；⑥计算风险序数RPN值，根据RPN值确定故障的风险，制定确实可行的控制措施。FMEA通过标准的表格形式进行分析时，其分析流程如图2所示：

图2 FMEA分析过程

3 施工升降机FMEA分析

3.1 施工升降机的基本情况

建筑施工升降机是较大型的垂直运输设备，被普遍应用到建筑施工中，近年来施工升降机的恶性事故时有发生，根据事故发生的原因分析，剖析故障的源头，将建筑施工升降机分为钢结构、传动系统、电气设备、安全控制系统四个子系统进行FMEA分析。

3.2确定分析程度和水平

筛选施工升降机关键的子系统和次要的子系统，将钢结构、传动系统、和电气设备确定为关键子系统，针对这些关键的子系统进一步分析；将安全控制系统的过载开关、断绳开关、短路开关、超速开关视为系统中次要的部分，对这些单元进行简单分析。

3.3 绘制系统图和可靠性框图

为了便于分析，对复杂的施工升降机运行系统绘制各功能子系统相结合的系统图，以表示各个子系统间的关系。其系统图如图3所示。

图 3 施工升降机系统可靠性框

3.4 故障等级的划分

故障等级的确定是根据损失的严重程度、故障的影响范围、故障的发生频率、防止故障的难易程度和工艺设计等情况来确定半定量等级。通过研究，运用评点法对施工升降机进行故障等级划分，主要的方法是将施工升降机的每个单元进行点评法分析，通过点评因素求出点数，然后将各点评因素（）的点数相加，确定总点数（），然后根据评点数与故障等级表进行划分。选取出故障等级。如表1所示

表1 评点数与故障等级

故障等级 评点数（） 内容 应采取的措施

I致命

7-10 完不成任务

有人员伤亡 变更计划

II重大 2-7 大部分任

务完不成 重新讨论，也

可以变更计划

III轻微 1-2 一部分任务完不成 不必变更计划

IV小

3.5 风险顺序数的计算

参考通用的FMEA评估原则，根据施工升降机的施工特点，设计适合施工升降机运行的施工风险评估的FMEA评估标准。施工升降机各故障类型的FMEA-严重度（S）评估标准分为严重危害-无警告、严重危害-有警告、很高、高、中等、低、很低、轻微、很轻微、无10项，对应分值10-1；施工升降机各故障类型的FMEA-发生率（O）评估标准分为很高、高、中等、低、极低5项，可能失效频率分为10档，对应分值为10-1；施工升降机各故障类型的FMEA-可测度（D）评估标准分为几乎不可能、很微小、中等、高、几乎肯定等10项，对应分值为10-1。

根据FMEA评估结果，将故障发生的严重度、频率和检测度的分值相乘，得出风险顺序数，其数值愈大说明此单元潜在问题愈严重，数值用来衡量施工升降机可能出现故障的风险程度。以便采取可能的预防措施减少故障的发生，使施工升降机运行更加可靠。RPN值的范围是1000-1，最坏的情况是1000，最好的情况是1，筛选RPN>125的故障，采取纠正措施，努力减小该值。然后进行第二次筛选RPN>80，不断地制定相应的整改措施和预防措施。

3.6 各子系统的故障类型和影响分析

运用上述的方法，根据施工升降机的施工特点、实地调研和专家意见，确定施工升降机的基本情况。筛选施工升降机关键的子系统，确定分析程度和水平。将施工升降机复杂的运行系统绘制成各子系统相结合的系统图，识别出各单元故障模式，并找出相应故障模式的原因和故障发生的后果。应用点评法计算出施工升降机各子系统的各个单元的故障类型的总点数，求出每个故障类型的故障等级。根据符合施工升降机运行的施工风险评估的FMEA的评估准则，计算出施工升降机每种故障类型的风险顺序数。将以上的分析结果汇总到一张表，得出相应的施工升降机系统故障类型和影响分析表。如表2所示

表2 施工升降机系统故障类型和影响分析表

子系统名称 元件名称 故障类型 发生原因 后果 故障等级 RPN值

钢结构 吊笼 钢结构出现裂缝 超载运行，焊接不良，检查不到位 吊笼出现晃动 IV

62

自动开门机构失灵 连锁装置失效，检查不到位 门开着吊笼可以运行 II

85

外笼 防护围栏断裂 检查，维护不到位 不慎进入导致死亡，异物进入，影响运行 II 86

无缝钢管和角钢焊接出现裂缝 焊接不良，检查不到位 施工升降机运行整体晃动 II 85

标准节 标准节松动 螺丝松动，检查，维修不良 倾翻 I 126

齿条松动 螺丝松动，维修不良 运转时吊笼出现振动 II 91

导轨架松动 螺丝松动，维修不良 倾翻 I 130

对重 钢丝绳断裂 质量问题，检查，维修不到位 吊笼停止运行 III 70

附墙架 附墙架松动 螺栓松动，维修不良 附墙架晃动 II 87

传动

系统 电动机 不转 质量问题，开关按钮卡住，继电器接点不闭合 传动系统功能丧失 II 88

线圈短路 质量问题，运转时间过长 烧毁熔丝，不能运转 II 86

联轴器 主动轴和从动

轴相对位移 质量问题，安装误差，运转时间过长，维修不良 吊笼振动，损害运行系统 II 88

减速器 减速器失效 质量问题，安装误差，运

行时间过长。维修不良 吊笼运行速度过快 II 87

齿轮 齿轮折断 载荷过大，运行时间过

长，缺少油，维护不良 传动系统失效 II 87

齿面磨损 不清洁的油，维护不良 齿轮过度减薄导致断齿 III 71

电气

系统 电源箱 烧毁 电路短路，维护不良，操作不当 损害电动机，吊笼停

止运行，引起触电 I 128

电控箱 烧毁 开关短路、短路，操作不当，维修不良 损害用电设备，施工升降停止运行，引起触电事故 I 130

操纵箱 操纵箱失效 操纵盒受损，维护不良 操纵盒失去操控作用 IV 56

安全控制系统 过载开关 失效 检查不到位，长期使用未更换 施工升降机自动停车 IV 60

断绳开关 失效 检查不到位，长期使用未更换 施工升降机自动停车 IV 59

短路开关 失效 检查不到位，长期使用未更换 施工升降机自动停车 IV 61

超速开关 失效 检查不到位，长期使用未更换 施工升降机自动停车 IV 58

3.7 结果分析

将FMEA的方法引入施工升降机安全问题的评估领域，根据施工升降机运行的特点，结合FMEA的评估标准，编制了简单的FMEA分析表格，从上述FMEA分析表可以看出关键风险和故障类型主要分布在钢结构、传动系统、电气系统和安全控制系统上。在施工升降机的日常检查中可以把这些故障类型作为检查对象，再根据故障等级和故障类型的风险顺序数找出重点防护的对象，制定相应的防护措施和应急预案，提高施工升降机施工的可靠性。

4 应用案例

4.1 选取典型的事故案例

以2012年湖北施工升降机事故为例，事故发生在外墙装饰和电梯安装施工阶段，作业工人自行开门进去开施工升降机，搭载了19人（该施工升降机核定载员为12人），该施工升降机本应该在30层停靠，结果失控继续往上升，造成冲顶从33层坠落，施工升降机顶端数节导轨架是与吊笼一起坠落，从升降机残骸中找到螺栓却找不到螺母，从螺栓的螺纹来看，也看不出有任何摩擦痕迹，根据该报道和事故视频资料显示事故原因主要是操作司机处置不当、设备安装不到位、维护保养缺失、极限开关处于失效状态等原因造成的，此外该设备有效使用期为2011年6月23日至2012年6月23日，到时未作保养、检测超出有效使用期。

4.2 湖北施工升降机冲顶坠落FMEA分析

确定施工升降机的基本情况，该施工升降机高达34层，此升降机存在使用超期，事故发生后，电梯完全散架，从散架的残骸看螺栓没有上螺母，极限开关处于失效状态。

根据造成事故的根本原因，将施工升降机分为钢结构和安全控制系统两个子系统，钢结构分为吊笼、外笼、标准节、导轨架和附墙架五个单元；安全控制系统分为极限开关、过载开关和超速开关三个单元。针对与此次事故有关的系统绘制可靠性框图，如图4所示

图4 可靠性框图

确定上诉事故出现的故障类型，运用评点法对施工升降机进行故障等级的划分，上述施工升降机的故障主要体现在钢结构和安全控制系统两个子系统上，其故障为极限开关和减速开关处于失效状态、吊笼和标准节松动。以标准节为例进行故障等级划分，点评因素（1）故障影响程度造成生命损失，则=5.0，（2）对系统的影响程度，造成两处以上的重大影响，则=2.0，（3）发生频率为不易发生，则=0.7，（4）防止事故的难易程度为能够防止，则=1.0，（5）是否新设计的工艺，内容和过去的相类似的设计，则=1.0。所以=5.0+2.0+0.7+1.0+1.0=9.7，根据评点数与故障等级表1可知，评点数在7-10之间，故障等级属于I致命。

计算系统单元故障的风险顺序数，以标准节为例，根据施工升降机运行的施工风险评估的FMEA评估标准，分别让10个专家对标准节进行评分，将得出的评分去平均值，运用公式：风险顺序数（RPN）=严重度（S）X发生率（O）X检测度（D），计算出标准节的风险顺序数。专家评分结果的平均值为：严重度（S）=7.8，发生率（O）=5.1，检测度（D）=3.6，得出顺序数为（RPN）=143.2，属于高风险故障类型。将以上的分析结果汇总到一张表，得出相应的故障类型和影响分析表。如表3所示

表3 2012年施工升降机事故的故障类型和影响分析

子系统名称 元件名称 故障类型 发生原因 后果 故障等级 RPN值

钢结构 吊笼 钢结构焊接出现裂缝 焊接不良，螺栓松

动，检查不到位 吊笼晃动 I

138

外笼 自动开门机构失效 联锁装置失效 门开着吊笼可以运行 I 135

标准节 标准节松动 标准节上螺丝未上螺母，日常检查，维修不到位 倾翻 I 143

导轨架 导轨架松动 螺栓未上螺母，日常检查，维修不到位 倾翻 I 130

附墙架 附墙架松动 螺栓未上螺母，日常检查，维修不到位 导轨架晃动 I 134

安全控制系统 极限开关 失效 检查不到位，维护保养不到位 吊笼失去控制，一直运行 II

92

过载开关 失效 检查不到位，维护保养不到位 吊笼失去控制，一直运行 II 91

超速开关 失效 检查不到位，维护保养不到位 吊笼失去控制，一直运行 II 95

5 结论

施工升降机的故障类型和影响分析与2012年湖北施工升降机冲顶坠落事故施工升降机的FMEA分析相对比，证明了FMEA方法在施工升降机上的可行性，由于此种分析能够提前预见危险源，可以做到在事故发生前控制住危险源，达到预防事故发生的效果。此次制作的FMEA表格相对粗糙，仅在于论证FMEA在施工升降机的实用性和表明FMEA分析结果有助于提高施工升降机的可靠性。

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