基于FMEA 的自動扶梯故障模式危害度研究

丁樹慶 周前飛 馮月貴 慶光蔚 陳嘉華

（1.南京市特種設備安全監督檢驗研究院 南京 210000）

（2.東南大學 南京 210000）

1 引言

自動扶梯是地鐵、機場、車站、商場、醫院等人員密集場所的重要交通工具，具有運輸量大、啟動頻繁、長期承受重載變載、部分運動部件裸露與乘客肢體直接接觸等特點，使得自動扶梯事故率遠遠大于垂直電梯，與自動扶梯相關的傷害頻繁見報[1]，如北京地鐵北京動物園站A 口上行自動扶梯逆行事故等。自動扶梯傷害事故的主要類型有墜落、擠壓與逆轉，其風險管控主要聚焦于物理保護裝置的設置，如出入口防護裝置、扶手帶出入口防翻越防墜落裝置、防攀爬安全裝置等，也涉及重要安全距離的設定與檢查，如固定護欄高度、梯級間隙等。為了減少安全事故和經濟損失，從自動扶梯各機械設備和部件的實際運行情況出發，以可靠性為中心，研究基于經濟性與可靠性要求的自動扶梯維護保養與檢驗技術，對提升維護效率與保障安全運行具有十分重要的現實意義[2-6]。

在風險識別和可靠性分析方面，Wang 等[7]提出了自動扶梯逆轉事故的風險分析模型，通過實地調查和信息收集，識別危險源，采用LEC 評價方法設計了風險等級，根據L(Likelihood，事故發生的可能性)、E(Exposure，人員暴露于危險環境中的頻繁程度)和C(Consequence，一旦發生事故可能造成的后果)三要素的不同等級分別確定不同的分值，再以三個分值的乘積D（Danger，危險性）來評定自動扶梯運行風險等級。張巍等[8]采用失效模式與影響分析(Failure Mode and Effects Analysis，FMEA)方法，結合功能安全理論，構建面向現場檢測的自動扶梯驅動系統風險評價模型，以期為降低在用自動扶梯運行風險提供參考。林燕等[9]對老舊自動扶梯的評估數據進行分類統計，獲得了自動扶梯各級別風險項目的分布情況。李隆[10]將Bowtie 模型應用于自動扶梯客傷分析，給出安全對策。王小輪[11]以LEC 評價法為基礎，將E(Exposure，人員暴露于危險環境中的頻繁程度)衍變為V(高峰時段0.5 h 的客流量等級)，形成適用于城市軌道交通領域自動扶梯的LVC 風險評價方法，針對不同風險等級制定改進措施使風險得到有效控制。

丁世革[12]建立了電壓不平衡導致自動扶梯故障的失效機理風險傳播鏈條，獲得了自動扶梯故障率與特征量變化的關系，并通過仿真建模得到自動扶梯的動態風險后果。胡曉萍等[13]從設備、乘客、使用環境、安全管理4 個方面建立自動扶梯安全綜合評價指標體系，采取模糊綜合評價和概率神經網絡進行安全狀態的初級評價，并通過轉換函數轉化為安全狀態等級的信度函數。Wang 等[14]構建了自動扶梯事故風險評價指標體系，采用層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)計算風險指標權重，結合廣義遺傳算法和模糊數學對自動扶梯事故風險進行評價。楊旭彬[15]利用從電梯制造、安裝、檢驗、維保、使用、監督抽查、監察投訴、事故處理等方面收集的數據，提出一種動態的電梯安全評估機制，實現電梯系統性風險預警。

目前，在特種設備安全監管部門牽頭下，參照GB/T 20900—2007《電梯、自動扶梯和自動人行道風險評價和降低的方法》[16]，已經將大數據、物聯網、人工智能等技術應用于自動扶梯監管。現有的自動扶梯還主要采用定期維護與檢驗，已經不能適應在自動扶梯保有量日益增長情況下的安全監管需求，因此，有必要對自動扶梯維護與檢驗相關技術進行深入研究。本文從自動扶梯實際運行工況出發，分析自動扶梯故障的發生與發展過程，通過FMEA 和故障樹分析獲取自動扶梯故障規則，進行關鍵部件危害度分析，指導檢驗維修人員選擇控制、預防各種故障發生的對策，并基于以可靠性為中心的維修（Reliability Centered Maintenance，RCM）方法科學制定維保計劃與檢驗方案，對于保障自動扶梯安全平穩可靠運行，實現城市公共交通自動扶梯精準監管、降低安全風險和事故發生率等方面都具有十分重要的意義。

2 自動扶梯關鍵部件故障樹分析

2.1 自動扶梯結構形式與整機FMEA 分析

自動扶梯是一個以機械構件為主的大型復雜運輸設備，其結構組成如圖1 所示，按功能可拆分為支撐結構、梯級系統、扶手帶系統、導軌系統、安全保護裝置、電氣控制系統和自動潤滑裝置等8個部分。其中，梯級系統是自動扶梯的工作部分，主要由驅動主機、主驅動軸、梯級鏈、梯級、梯級鏈張緊裝置等組成。梯級在驅動主機、主驅動軸和梯級鏈的驅動下，做向下或向上的循環往復運動，以此輸送乘客。

圖1 自動扶梯結構圖

采用基于功能分析的FMEA 方法對自動扶梯的故障模式及影響進行分析[17]，獲取自動扶梯重要部件的故障類型、故障原因、故障征兆、故障趨勢等信息。見表1，FMEA 分析表包括設備部件的功能、故障模式、故障原因，故障模式是指部件功能喪失后具有哪些形式，或者說部件的某一功能，其功能故障有哪些具體的表現形式，故障原因是導致功能故障的任何事件。為了正確地描述故障原因，以便后面故障樹分析時能夠方便地選擇適當的對策，故障原因的描述至少應由“一個名詞+一個動詞”組成，動詞應盡量選擇專業具體的動詞，例如“軸承卡死”比“軸承工作不正常”要明確得多，以便在后續進行的故障樹分析中很容易確定針對性的維修保養措施。

表1 自動扶梯重要部件故障模式和原因分析表

從表1 可以看出自動扶梯常見故障包括驅動主機故障、梯級鏈故障、導軌系統故障及扶手帶故障，以各個功能結構分解其故障，進一步分析故障產生的位置及其原因，建立自動扶梯故障樹如圖2 所示。下面對驅動主機、梯級鏈、導軌系統、扶手帶等關鍵部件進行詳細的故障樹分析。

圖2 自動扶梯故障樹

2.2 驅動主機故障樹分析

驅動主機是自動扶梯的核心部件，由電動機、驅動鏈條、減速箱、主驅動輪和制動器等組成，分為立式主機、臥式主機等形式，如圖3 所示。重載型扶梯驅動主機一般采用齒輪傳動，而普通型扶梯驅動主機通常采用蝸輪蝸桿傳動。自動扶梯驅動主機在重載、變載等嚴苛工況下長期運行，特別是在早晚高峰、換乘站點和火車站等重點時段和交通樞紐站點，基本處于滿載或超載狀態，風險點多，故障多且具有較大的危險性。因此，對驅動主機的故障診斷、維護和修理是確保自動扶梯可靠運行的重要環節。

圖3 驅動主機一般結構

由于驅動主機的結構較為復雜，內部故障類型和成因多樣，以各個功能結構分解其故障可以有效地分析故障產生的位置及其原因，可分為電動機故障、驅動鏈條故障、減速箱故障、蝸輪蝸桿故障、主驅動輪及帶傳動故障、整體故障以及制動器故障，建立驅動主機故障樹如圖4 所示。

圖4 驅動主機故障樹

如圖4 所示，以驅動鏈條故障和電動機故障為例進行故障模式分析。

●2.2.1 驅動鏈條故障

驅動鏈由于需要傳遞整個自動扶梯運作的動力，其強度要求較高，也較容易出現故障。驅動鏈條的故障表現在驅動鏈條上下振動或嚴重跳出和驅動鏈斷裂或失效。

1）上下振動或嚴重跳出是由于驅動鏈條過松和鏈輪嚴重磨損導致。

（1）鏈條過松主要是因為主機未按照需要移動以及驅動鏈條嚴重伸長超出許用范圍：

①主機未按照需要移動：驅動主機應具有移動的能力，根據驅動鏈正常范圍內的伸長做出相應的調整，來補償伸長量。若不能按需移動則會導致故障發生。

②超出許用伸長：鏈條在使用中的伸長，主要是因銷軸與軸套之間的磨損引起的。過度磨損會引起強度不足，還會導致與鏈輪的配合不良。

（2）鏈輪嚴重磨損也會使鏈條與鏈輪配合不良，引起振動，導致跳出。

2）驅動鏈斷裂失效主要原因是驅動鏈質量低劣以及驅動鏈長期磨損嚴重。

（1）驅動鏈條中鏈板斷裂多是制造質量低劣或長期工作疲勞造成的。

（2）驅動鏈條中銷軸斷裂大多因磨損嚴重截面變小導致鏈條承載能力不足引起。磨損嚴重、磨損速度過快也有可能是因為潤滑不足或是鏈條長期負載過大引起：

①潤滑不足：潤滑不足會導致驅動鏈條與鏈輪摩擦過大，加速磨損，定期添加潤滑油或是加裝自動潤滑裝置可以大幅延長驅動鏈條的壽命。

②鏈條長期負載過大：驅動鏈條負載超出許用范圍會導致原本的潤滑液無法在其表面形成油膜，也會因為壓力過大導致摩擦變大，磨損加快。

●2.2.2 電動機故障

電動機是驅動主機內部最核心的部件，其故障主要表現在電動機噪聲或者摩擦較大、電動機振動過大、電動機燒壞以及自動扶梯逆行故障。

1）電動機噪聲或者摩擦主要發生在電動機的軸承部分，在軸承的內圈、外圈、保持架等位置發生了磨損。

2）電動機振動主要是由于轉子動不平衡或是電動機缺相導致：

（1）轉子動不平衡：不平衡主要是因為轉子-定子偏心導致，進一步是電動機制造、裝配導致不平衡或是由于腐蝕、磨損、結垢、零件脫落等原因造成偏心。

（2）電動機缺相：電動機缺相運行時穩定性下降，振動增大。

3）電動機燒壞大多是因為電動機內部線圈短路或者長期超載：

（1）電動機內部線圈短路會導致短時間通過大量電流從而產生大量的熱致使電動機燒壞。

（2）電動機過載運行會使得能量的轉化效率下降，一部分電能因無法轉變成機械能而變為熱量，長期的過載運行會使得電動機的溫度不斷升高，最終導致電動機燒毀。

4）自動扶梯逆行故障也與電動機故障相關，雖然現在驅動主機以及安全保護裝置都會配有制動器防止逆行產生，但電動機反轉或是驅動力不足仍是導致自動扶梯逆行的根本因素之一。

（1）電動機反轉一般是電網錯相導致。

（2）電動機驅動力不足的原因分為電網斷相、電網失壓供電不足及嚴重超載：

①電網斷相致使電動機無法穩定提供足夠的動力而導致逆行。

②電網失壓供電不足導致電動機動力不足，無法帶動扶梯向上而導致逆行。

③嚴重超載則是負載過大超出了電動機能夠提供的扭力，導致逆行。

2.3 梯級鏈故障樹分析

梯級鏈故障可分為鏈條故障、梯級鏈張緊裝置故障、潤滑系統故障[17]。從各個功能結構可能出現的故障分析其故障產生的原因，建立故障樹，如圖5 所示，以梯級鏈鏈條和張緊裝置故障為例進行故障模式分析。

圖5 梯級鏈故障樹

梯級鏈鏈條故障主要表現為梯級鏈嚴重伸長以及梯級鏈斷裂，具體故障原因分析如下：

1）梯級鏈鏈條嚴重伸長一般是長期過載并且沒有及時更換導致。

2）梯級鏈鏈條斷裂主要是因為鏈條磨損嚴重或是鏈條選型錯誤導致質量低下無法承受長期的工作載荷，主要有以下兩方面原因：

（1）梯級鏈中鏈板斷裂多是制造質量低劣或長期工作疲勞造成的。鏈條選型錯誤會導致其質量不能滿足實際需求。

（2）梯級鏈中銷軸斷裂大多因磨損嚴重截面變小導致鏈條承載能力不足引起。磨損嚴重、磨損速度過快也有可能是因為潤滑不足或是鏈條長期負載過大引起。

梯級鏈張緊裝置故障一般表現為鏈條過松打滑甚至掉落以及鏈條松緊無法調整，具體故障原因分析如下：

1）鏈條過松主要是由于張緊裝置的彈簧彈力不足、螺栓脫絲等問題導致調節能力有限，所提供的張緊力不足。

2）鏈條松緊無法調整是由于張緊裝置的調節部分出現卡死、過緊等故障，無法實現其功能。

2.4 導軌系統故障樹分析

自動扶梯導軌系統主、副輪導軌的軌跡稱為梯路，是由工作導軌和返回導軌組成的供梯級運行的封閉循環導向系統。導軌故障可分為梯路故障、導軌故障、導軌支架故障，從各個功能結構可能出現的故障分析其故障產生的原因，建立故障樹如圖6 所示，以梯路故障和導軌故障為例進行故障模式分析。

梯路故障主要表現為梯級在梯路上運行不水平以及梯級跑偏。

1）梯級在梯路上運行不水平主要是因為主、副輪本身以及與導軌之間配合出現故障：

（1）因主、副輪故障而使梯級無法正常地在導軌上運行。

（2）導軌與主、副輪之間的配合出現了問題導致運行過程中不順滑流暢而出現顛簸等問題。

2）梯級跑偏主要是因為導軌與主、副輪配合間隙過大，不能很好地約束梯級橫向運動而導致其跑偏。

導軌故障主要表現為梯級在運行過程中與其他部件發生碰撞以及兩導軌水平方向不平行。

1）梯級在運行過程中與其他部件發生碰撞主要是因為導軌半徑大小及鋪設位置的設計問題。

2）兩導軌水平方向不平行是因為軌道鋪設及安裝不到位。

2.5 扶手帶故障樹分析

扶手帶在扶梯運作時容易產生溫度過高、噪聲以及抖動等問題，主要原因是橡膠材質的扶手帶安裝偏移、傾斜、縫隙控制不當等，與扶手導軌、入口等部分發生摩擦，同時扶手滾輪的軸承故障也會產生噪聲，建立故障樹如圖7 所示，以扶手帶溫度過高和扶手帶有噪聲為例進行故障模式分析。

圖7 扶手帶故障樹

扶手帶溫度過高是由于扶手帶與扶手導軌之間摩擦或是扶手帶張力過大或者過小導致。

1）扶手帶與扶手導軌摩擦主要是因為驅動軸出現偏斜或是導向裝置接口不平滑。

（1）驅動軸偏斜會導致扶手帶與扶手導軌存在偏移或傾斜，引起扶手帶滑動層與導軌產生較大的摩擦。

（2）導向裝置接口不平滑，一些凸起或毛刺也會與扶手帶產生摩擦，同時也容易損壞扶手帶，帶來安全隱患。

2）扶手帶張力過大或者過小主要是因扶手帶選型錯誤而導致其質量不符合要求或是張緊裝置故障無法正確調節扶手帶張力大小。

扶手帶有噪聲一般是由扶手帶在入口處產生摩擦或是扶手滾輪軸承損壞而產生的。

1）噪聲因為扶手帶外覆蓋層橡膠摩擦產生：一般是因為扶手帶在入口處安裝偏斜或是入口不平滑導致入口處部件與扶手帶外側橡膠摩擦產生噪聲。

2）軸承噪聲：扶手滾輪軸承也是比較容易損壞的部件，軸承的磨損、老化、潤滑不足等都會導致運行時產生噪聲，軸承磨損還包括內圈磨損、外圈磨損、保持架磨損等。

3 自動扶梯關鍵部件危害度分析與RCM 技術研究

3.1 自動扶梯關鍵部件危害度分析

自動扶梯中各類裝置數量繁多，對整個自動扶梯進行RCM 分析非常煩瑣，且很多零部件沒有必要實施RCM 分析。因此，在進行RCM 分析之前，需要對各零部件每一故障模式的嚴重程度和發生概率的綜合影響進行量化分析，對設備關鍵部件的故障危害度進行評估，從而確定哪些零部件需要進行RCM 分析。自動扶梯零部件故障危害度CRi按式（1）計算：

式中：

n——零部件i出現的故障模式數量；

αij——零部件i以故障模式j發生故障的概率；

nj——零部件i第j種故障模式出現的次數；

ni——零部件i全部故障發生的總次數；

βij——零部件i以故障模式j發生故障導致其損傷的概率，即故障模式的嚴酷度，βij的取值與含義定義見表2；

表2 故障模式嚴酷度取值表

λi——零部件i的故障率；

Ni——零部件i在指定時間內的故障總次數；

Σt——零部件i在指定時間內的累積動作次數或工作時間。

以梯級鏈的故障危害度計算為例，對某公司近2年自動扶梯維修記錄進行統計和整理，得到自動扶梯的系統故障統計，其中故障模式1 梯級鏈張力不均次數為2 次，故障模式2 梯級鏈斷裂次數為4 次，故障模式3 梯級鏈跳出次數為4 次，故障總次數為10，由式（2）得，模式1 下，α1=1/5；模式2 下，α2=2/5；模式3 下，α3=2/5。模式1 下梯級鏈可能會發生損傷，取β1=0.5；模式2 下梯級鏈肯定發生損傷，取β2=1；模式3 下梯級鏈可能會發生損傷，取β3=0.5。

統計2 年內自動扶梯故障，取自動扶梯每天工作10 h，由式（3）得梯級鏈基本故障率：

由式（1）計算梯級鏈故障危害度：

按此過程可以依次計算出剩余零部件的危害度，得到零部件故障危害度見表3。

表3 自動扶梯主要部件故障危害度

由表3 可知設備故障危害度較高的機械部件是電動機、梯級鏈、軸承和制動器等部件，自動扶梯檢驗維修時應重點關注這些對象，部件的故障危害度大小可為部件的故障分析和檢驗維修提供參考。

3.2 基于RCM 的自動扶梯維護與檢驗技術研究

自動扶梯的維修與保養是指對使用中的自動扶梯進行日常性、周期性的檢查、潤滑、調整、測試，對于可能出現的癥狀和故障進行提前維護與檢修，使自動扶梯不正常狀態得以修正[18]。自動扶梯的檢驗是對生產和使用單位執行相關法規標準，落實安全責任，開展為保證和自主確認自動扶梯安全的相關工作質量情況的查證性檢驗[19]。做好自動扶梯維護與檢驗工作，可以強化使用單位的安全責任意識，督促使用單位嚴格執行規范標準，有效地降低自動扶梯的故障率，延長自動扶梯的使用壽命，延長大修修理周期。現有的自動扶梯維護與檢驗具有如下特點：

1）維修與保養專人負責制。指派專業人員負責維修保養，值班維修人員須堅守崗位，經常性檢查各項系統運轉情況，發現異常應暫停使用，及時排查。

2）維修保養周期制。維保人員定期（半月、季度、半年、年度）對主要安全裝置和易耗損件進行1 次重點檢查，進行必要的調整、維護和加油潤滑。

3）維護與檢驗年檢制。第三方檢驗機構每年對自動扶梯設備進行1 次定期檢驗，根據檢驗結果，修復或更換磨損嚴重的部件。使用單位應每3 到5 年對自動扶梯進行1 次大修，根據自動扶梯零部件損壞情況確定修理項目。

在自動扶梯功能與故障分析基礎上，通過現場情況統計分析、專家評價、定量化模型等技術手段，對關鍵部件危害度進行分析計算，以維修停機風險最小化為宗旨優化系統的維修策略，指導優化現有自動扶梯檢驗周期、維修方式以及維修周期，制定對各種故障后果的預防性措施。表3 所列自動扶梯關鍵部件故障危害度，可以對檢驗、維保起到重要的指導作用，包括：

1）在檢驗過程中，需要重點關注設備危害度較高的梯級鏈、軸承、制動器等。對于梯級鏈的檢驗，優先關注梯級鏈磨損與潤滑狀態；對于制動器，優先關注制動距離；對于軸承，優先關注電動機、減速箱、驅動輪等部位。結合檢驗報告編制，增加對應的檢驗項，突出檢驗工作重點，使檢驗更有針對性。

2）在維修過程中，對設備危害度較高的電源、控制柜、制動器、超速保護裝置、電動機、導軌等進行重點關注，依據統計數據制定維修計劃，合理優化自動扶梯維修周期；對于設備危害度較高的關鍵部件，可以適度提高維保頻次，例如，對于梯級鏈、制動器、軸承可以在現有維保周期基礎上縮短到每周維保1 次；對于設備危害度較低的部件，可以適度降低維保頻次，例如，對于蝸輪蝸桿、防逆轉裝置、照明系統等，將維保周期延長到每月維保1 次。

4 結論

本文在研究自動扶梯風險識別和可靠性分析現狀基礎上，結合自動扶梯維修與檢驗的特點，提出基于FMEA 的自動扶梯故障模式及故障原因分析方法，建立了自動扶梯驅動主機、梯級鏈、導軌系統、扶手帶等關鍵部件的故障樹模型，并根據統計數據對重要部件的故障危害度進行評估，為后續的RCM 分析打下基礎，推動自動扶梯風險管控能力提升、智能監管水平提高、維修與檢驗的質量提升。