自动扶梯制动器故障调查

专家分析此次自动扶梯超速事故的成因

作者：Anthony Boom

介绍

几乎每个人都听过这样一句话：“事故不会‘无缘无故发生’。事故是由一人或多人的行为或不作为造成的。”我知道在我职业生涯中参加的几乎每一次安全会议上我都多次听到过这句话。但我从调查自动扶梯事故的经验中也发现这句话是正确的。 

以下是我担任专家证人的一宗案件的简要概述，该案件表明“事故不会无缘无故发生”。该案涉及一辆载满乘客的自动扶梯向下行驶。某一天，自动扶梯突然加速，以至于许多乘客无法离开自动扶梯，否则就会摔倒。幸运的是，受伤人数很少，而且伤势较轻。我称这起事件为“险情”。自动扶梯超速可能导致自动扶梯严重损坏，乘客严重受伤。因此，需要仔细调查这起事件，以确定问题出在哪里，以便采取措施防止将来再次发生此类事件。

提供的信息

当代表自动扶梯制造商的律师最初联系我时，我被告知了事件的大致情况以及有关事件原因的各种理论。经过与律师的讨论，我们一致认为，由于我在自动扶梯制造期间是自动扶梯控制系统和自动扶梯制动控制系统的设计师，我应该查看案件信息并前往现场对自动扶梯进行检查。

律师随后提供了信息，包括但不限于以下内容： 

• 事件视频
• 存款
• 涉事自动扶梯的品牌、型号及位置

信息审查

通常，我会先获取和查看制造文档，包括但不限于接线图、控制器信息、制动控制类型、制动器类型、电机数据、安全装置、一般机械细节等，然后开始调查。但由于提供了事故视频，我决定先观看视频。

我反复看了好几遍这个视频，甚至一帧一帧地看，看能不能了解到事件的起因、持续时间和结局。

我从视频中了解到

• 下行自动扶梯以正常额定速度运行，与相邻的上行自动扶梯速度相同，但很快加速到额定速度的两倍以上。视频没有显示自动扶梯加速的原因，但确实显示负载不是超速的原因。
• 自动扶梯上载有大量乘客，但尚未达到规范负载。我如何确定这一点？自动扶梯的高度很高，但许多乘客之间有一两个空着的台阶，而且通常每个有人的台阶上最多只有一个人。事实上，在两组乘客之间有几层台阶没有乘客。如果看自动扶梯的人不知道规范负载要求或自动扶梯的设计负载，乍一看自动扶梯可能会认为负载很重。但我知道规范负载要求，也知道这款自动扶梯的最低设计负载，所以我可以排除自动扶梯超载的可能性。所以，超载不是导致自动扶梯超速的原因。
• 下行的自动扶梯加速后，继续向下移动，直到除三四名乘客外，所有乘客都从扶梯的下端出来。从自动扶梯开始加速到停止，大约用了 20 秒。自动扶梯缓缓滑行至停止。在我看来，自动扶梯好像没有刹车，或者即使有刹车，也没有刹车。

接下来，我获取并审查了制造文件，其中包括接线图、控制器信息、安全装置、一般机械细节等。 

从制造文档中，我了解到

• 自动扶梯控制器是一款基于微处理器的控制器，具有许多安全功能，包括闭环制动控制、超速检测、停车距离过长检测等。此外，该控制器还保留了可通过 PC 或手持服务工具访问的故障和事件日志。
• 制动控制是经 CSA 认证的闭环控制，它可以在停止自动扶梯的同时改变制动力矩，以保持设定的减速率。
• 有两个 CSA 认证的磁力制动器，它们是具有“自动间隙”功能的自调节制动器。制动器不需要调整扭矩。制动器只需正确设置即可。制动间隙（制动器处于打开位置时电枢板和制动定子之间的距离）由“自动间隙”功能决定，而不是通过某种手动调整。要将制动间隙设置为正确的测量值，只需执行以下操作：
  • 电动打开制动器
  • 手动将制动电枢板和固定硬件拉出，超过“自动间隙”机制的设置
  • 手动将制动电枢板推至闭合位置。手动将制动电枢板推至闭合位置时，“自动间隙”功能会将制动间隙设置为正确的测量值。正确安装后，制动器无需调整或重新调整。 
• 自动扶梯制造商提供：
  • 详细说明如何正确设置刹车的文件。 
  • 详细说明如何检查和维护刹车以及何时更换刹车的文件。（我写了这份文件。）
• 根据我写的检查和维护程序，如果出现以下任何情况，则需要更换刹车，而不是重新调整：
  • 测量的制动器静扭矩不符合且无法达到文件所规定的最小值。
    • 如果静态制动扭矩测量值较低，可以对制动器进行打磨以清洁制动表面。如果打磨制动器后静态制动扭矩符合规格，则无需更换制动器，因为静态扭矩较低。
  • 刹车已磨损至磨损指示器。
  • 如果配备磨损传感器，则显示刹车磨损率为 90%。
  • 制动磨损材料受到油或其他减摩剂的污染。
  • 经过正确设置后，制动间隙不会自动保持所需的间隙测量值。
  • 制动线圈断路或者短路。
  • 制动电枢板在高速旋转时会摆动或发出嘎嘎声。
  • 刹车无法干净地打开。
  • 该制动器没有正确的 Montgomery 或 KONE 零件编号。
  • 电枢板上印的序列号与定子上印的序列号不匹配。（我的注释：定子和电枢板是制动器制造商提供的配套产品。）
• 有两个三相鼠笼式异步感应电动机保持恒定速度。
  • 我的注释：三相异步鼠笼感应电动机的运行转速由施加到电动机端子的电压频率决定，而不是由施加到电动机端子的电压水平决定。
• 提供一个大型、具有节能功能的软启动器，用于平稳启动自动扶梯。
  • 我的注释：当电机轻载时，节能功能会降低电机端子的电压。使用自动扶梯和电动步道时，应关闭此功能。根据我自己在实验室的测试，此功能不会节省自动扶梯的能源。降低电机端子的电压会降低电机扭矩。此功能不节能的原因是另一个讨论的主题。

接下来，我审查了已记录并提供给我的证词。

维护记录显示，事故发生前一周内，自动扶梯控制器曾多次发生超速故障。每次超速事件发生后，自动扶梯都会重新投入使用，但未采取任何纠正措施，因为“不清楚”是什么原因导致自动扶梯控制器发生超速故障，而且超速情况无法重现。

从证词中我了解到

• 维护记录显示，事故发生前一周内，自动扶梯控制器曾发生过几次超速故障。每次超速事件发生后，自动扶梯都会重新投入使用，而无需采取任何纠正措施，因为“不清楚”是什么原因导致自动扶梯控制器产生超速故障，而且超速无法重现。（我的注释：超速/停止距离过长故障是在一天结束时关闭自动扶梯时产生的。超速/停止距离过长故障的产生是因为自动扶梯长时间停止。） 
• 事故发生后，一名自动扶梯技工对自动扶梯进行了检查，确定左制动器未通过扭矩测试，但超速的原因尚未确定。技工报告的扭矩值仍超过最低要求扭矩测量值的 90%。（我的注释：即使应该更换制动器，但如果第二个制动器通过扭矩测试，一个制动器的 90% 扭矩仍足以使自动扶梯停止。）
• 机械师似乎不知道自动扶梯控制器如何运行，也不知道控制器在什么时候会由于超速而关闭自动扶梯。
• 机械师似乎没有意识到制动系统是一个闭环控制系统，该系统在停止过程中会改变制动力矩以保持预定的减速率。他们认为制动器的功能与许多其他自动扶梯制动器一样，即制动器在每次停止时都会施加全制动力矩。
• 事故发生后，机械师通过启动和停止自动扶梯来测试刹车。他发现两个刹车都已启动，自动扶梯也正常停止。
• 机械师没有检查“刹车间隙”。
• 机械师并未注意到刹车有任何延迟。
• 超速的实际原因尚不清楚，但有些人认为软启动器在某种程度上出现故障，导致超速情况。因此，在将自动扶梯重新投入使用之前，决定将软启动器从自动扶梯控制系统中移除。（我的注释：没有证据表明软启动器出现故障。无论如何，软启动器被移除，自动扶梯在不知道是什么原因导致超速的情况下重新投入使用。）
• 维修记录显示刹车已重建。（我的注释：这些刹车无法重建，但需要更换。）
• 机械师说“调整了刹车片”。 （我的注释：此自动扶梯的刹车片没有“调整刹车片”的功能。也许他的意思是“刹车间隙”？无论如何，间隙不可调。）
• 自动扶梯制造商的一位前雇员作为专家证人表示，他能够在自动扶梯上无人的情况下使自动扶梯产生超速情况。他说，他观察到自动扶梯停止时（使用停止开关）制动器延迟设置。他说，超速故障是由于制动器延迟设置或接合而产生的。（我的注释：如果自动扶梯超速 10% 或停止距离太长，此特定控制器将产生超速故障。）

接下来，我创建了一份现场检查的清单。 

尽管在事故发生前数周以及自动扶梯恢复运行后，自动扶梯超速的问题就已存在，但其原因始终未得到解决。

我的现场检查简表

• 记录事故发生当天的自动扶梯控制器服务工具日志。
  • 拍摄服务工具屏幕的照片。
• 检查服务工具编码器频率参数设置并将其与实际编码器频率进行比较。
• 查看所有服务工具参数设置。
• 多次启动和停止自动扶梯，并记录自动扶梯控制器记录的停止距离。
• 检查制动软件零件编号和日期。
• 检查刹车。
  • 1号制动器间隙测量
  • 2号制动器间隙测量
  • 1号制动器扭矩测量
  • 2号制动器扭矩测量
  • 拍照。
• 检查已从自动扶梯上拆除的刹车。
• 检查已从自动扶梯控制系统中拆除的 Nordic 软启动器。
  • 拍摄软启动器的照片。
  • 拍摄软启动器电位器的照片。
  • 拍摄软启动器接线的照片。
  • 将软启动器重新接入自动扶梯控制系统。
  • 通过将软启动器连接到自动扶梯控制系统来启动和停止自动扶梯，以测试软启动器。重复几次。
• 测试超速检测。
  • 在扶梯运行时，使用服务工具将编码器频率参数修改为实际实时编码器频率的90%。
• 拍摄控制器的照片并记录软件修订。

接下来我到现场对自动扶梯进行了检查。 

我从现场检查中了解到了什么

• 自动扶梯控制器服务工具故障日志中有大量超速故障条目，其日期和时间戳均为事故发生前几天。
• 服务工具编码器频率参数设置正确。
• 所有其他服务工具参数设置均正确。
• 自动扶梯启动和停止均正确。停止距离符合要求。
• 制动软件零件编号和日期正确。
• 刹车检查：
  • 1号制动器间隙测量值过大，在停止自动扶梯时会延迟设置。
  • 2 号制动器间隙测量值太小，制动器无法干净地打开。
  • 1号制动器扭矩测量符合规格。
  • 2 号制动器扭矩测量值远远低于额定扭矩。
  • 两个刹车都需要更换。
  • 我的注释：如果自动扶梯满载，在向下运行时，如果安全装置跳闸，则该自动扶梯将再次超速。自动扶梯目前正在运行。
• 北欧软启动器重新接入控制系统。
  • 软启动器似乎没有烧毁或损坏。
  • 软启动器电位器设置正确。
  • 软启动器接线是这样的，软启动器被绕过。
• 我的注释：在事故发生时，如果软启动器的接线与我发现的一样，那么软启动器就不可能在自动扶梯超速中发挥作用。
  • 按照图纸接线后，软启动器运行正常。软启动器没有缺陷。
• 超速检测功能工作正常。
• 控制器是正确的控制器，并且加载的软件是正确的零件编号和修订版。

我的调查让我得出了关于导致自动扶梯超速的原因的结论

• 自动扶梯承受的重量过大不是导致自动扶梯超速的原因。自动扶梯并未超载。 
  • 自动扶梯上的乘客负荷完全在自动扶梯的设计负荷范围内。 
  • 从我多年来在研发实验室进行的电机测试中，我知道三相鼠笼感应电动机（就像该自动扶梯中使用的电动机）可以产生远远超过额定扭矩的扭矩，然后电动机才无法再承受负载。
  • 在自动扶梯上的负载导致电机“失控”之前，电机电流会足够大，足以跳闸电机过载继电器或跳闸断路器。
  • 只要在电机端子上施加正确的电压，电机就会保持速度。
• 北欧软启动器不是导致自动扶梯超速的原因。
  • Nordic 软启动器没有损坏或烧坏。Nordic 软启动器运行正常。
  • 软启动器上的电位器设置正确，节能功能已关闭。如果节能功能已打开，并且软启动器未被绕过，则自动扶梯每次载重时都会加速，如事件提供的安防视频中所示。
  • Nordic 软启动器的输入线和输出线直接连接到输出端子，有效地绕过了软启动器。事故发生时，软启动器被绕过了——也就是说，如果事故发生后，在我进行检查之前没有修改过线路的话。其中一名机械师证实线路没有被“摆弄过”。
• 自动扶梯控制器未能指令制动器接合并不是导致超速的原因。
  • 自动扶梯的超速检测装置动作正常，当自动扶梯的速度超过额定速度的10%时，自动扶梯停止。
  • 自动扶梯服务工具参数设置正确。
  • 制动控制器工作正常。
• 尽管在事故发生前数周以及自动扶梯恢复运行后，自动扶梯超速的问题就已存在，但其原因始终未得到解决。
  • 维护记录显示，事故发生前几天，至少发生过七次超速/停车距离过长故障，并已重置。每次重置故障后，自动扶梯都会重新投入使用，而不会纠正故障的根本原因。
  • 维修记录显示刹车已重建，但这是无法做到的。
  • 维修记录显示刹车已调整，但这是不可能做到的。
  • 维护记录显示“镐”已被调整，但这是无法做到的。
  • 维护记录显示，自动扶梯已启动和停止，一切正常。
  • 服务工具还指出，事故发生时，自动扶梯控制器的内存中列出了多起超速故障。

我的调查让我得出了关于导致自动扶梯超速的原因的结论

• 至少一个安全装置跳闸，导致驱动机器电机断电。
• 由于驱动机电机的电源被切断，电机不再产生扭矩来防止自动扶梯超速。
• 安全装置跳闸还导致制动控制器切断驱动机制动器的电源。
• 驱动机制动器未接合或扭矩不足以支撑任何负载。自动扶梯滑行至停止。
• 由于测试中只有一个制动器的扭矩略低，因此我不得不断定制动器没有啮合。自动扶梯滑行至停止的事实证实了这一点。
• 一位专家证人称，当他测试刹车时，他看到刹车延迟设置。
• 事故发生前几天记录的超速/停止距离过长故障是由于自动扶梯停止时间过长而产生的。自动扶梯停止时间过长是因为每次关闭自动扶梯时制动器都会延迟。
• 制动器延迟启动的原因是，当时制动器需要施加制动间隙，而磁铁无法将电枢板拉入定子的制动表面。如果制动间隙太大，制动器要么延迟启动，要么根本不启动。
  • 我以前在多部刹车磨损的自动扶梯上都看到过这种现象。我曾见过在自动扶梯滑行停止后才设置磨损的刹车。

结语

正如我在引言中所说，“事故不会‘无缘无故发生’。事故是由一人或多人的行为或不作为造成的。”在这种情况下，事故是由维护人员的不作为造成的。维护自动扶梯的机械师没有：

• 了解导致超速的原因。
• 了解自动扶梯控制器和制动器的功能。
• 了解如何正确保养刹车。
• 似乎了解制造商的有关如何正确设置刹车的详细说明。 
• 似乎了解制造商的文件详细说明如何检查和维护刹车以及何时更换刹车。

我相信，在这种情况下，机械师尽了最大努力来防止自动扶梯超速。然而，由于他们没有接受过该控制系统和制动器的操作和维护培训，他们无法防止超速情况。

如果负责维护自动扶梯的机械师遵循自动扶梯制造商提供的两份文件中的说明，他们就会知道如何设置和维护制动器。因此，他们就会更换两个制动器并正确设置它们，超速情况就不会发生。

我曾与该领域的许多自动扶梯机械师合作过，几乎无一例外，他们都对自己的工作感到自豪。我相信，在这种情况下，机械师尽了最大努力来防止自动扶梯超速。然而，他们无法防止超速情况，因为他们没有接受过该控制系统和制动器的操作和维护培训。

结语

• 由于安全装置跳闸，刹车没有启动，导致自动扶梯超速运行。
• 由于刹车间隙太大，刹车未能启动。
• 由于自动扶梯制动器磨损，导致制动间隙过大。
• 机械师在不知情的情况下多次将刹车已经磨损的自动扶梯重新投入使用。
• 由于未接受过适当的培训，机械师不知道刹车已磨损。