二甲醚客車燃料系統(tǒng)失效的故障樹分析

崔東周，曹鬯震

（1.上海汽車集團股份有限公司，上海200041；2.上海申沃客車有限公司，上海201108）

二甲醚客車燃料系統(tǒng)失效的故障樹分析

崔東周1，曹鬯震2

（1.上海汽車集團股份有限公司，上海200041；2.上海申沃客車有限公司，上海201108）

介紹二甲醚客車燃料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和常見故障模式；確定頂事件、中間事件和底事件及其關(guān)系；建立燃料系統(tǒng)失效故障樹；定性分析故障現(xiàn)象、原因和排除方法，并提出防止燃料系統(tǒng)失效的對策建議。

二甲醚；燃料系統(tǒng)；失效模式；故障樹

二甲醚因在替代柴油、改善排放污染物方面具有優(yōu)勢而受到關(guān)注。二甲醚物化性質(zhì)與傳統(tǒng)燃油有較大的不同［1-4］。因此，為了使車輛安全、穩(wěn)定地運營，需要采用與傳統(tǒng)燃油車不同的燃料系統(tǒng)，以實現(xiàn)燃料加注、儲存、輸送及多余燃料回流的功能。二甲醚客車研制和示范運營中的故障記錄表明，燃料系統(tǒng)故障導致發(fā)動機不能起動或發(fā)動機熄火發(fā)生的次數(shù)約占全部故障的78%。為了總結(jié)排除二甲醚燃料系統(tǒng)故障的經(jīng)驗，本文采用故障樹分析法，梳理燃料系統(tǒng)的各種故障模式及其與燃料系統(tǒng)失效的邏輯關(guān)系，為指導二甲醚客車使用、維護和排故提供一個簡潔、直觀的方法。同時，通過對該故障樹的定性分析，可以優(yōu)化車輛的設(shè)計、制造和管理，提高二甲醚客車的可靠性。

1　燃料系統(tǒng)及其主要失效模式

1）燃料系統(tǒng)。二甲醚客車的燃料系統(tǒng)由快插式車用二甲醚加注口，車用液化二甲醚鋼瓶組、增壓泵、二甲醚粗精濾清器、壓力控制閥、壓力表、發(fā)動機供液管路、發(fā)動機回液管路、電磁閥等組成。燃料系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

2）主要失效模式。燃料系統(tǒng)主要失效模式是燃料系統(tǒng)的工作壓力建立不起來，發(fā)動機不能起動或發(fā)動機起動后燃料系統(tǒng)壓力下降，導致車輛熄火［5］。

2　故障樹分析及建議

故障樹分析法是一種圖形演繹的方法，是失效事件在一定條件下的邏輯推理方法。在故障數(shù)據(jù)齊全的情況下，可以通過故障樹定量計算復雜系統(tǒng)的故障概率和有關(guān)可靠性參數(shù)，為評估和改善系統(tǒng)的可靠性，優(yōu)化系統(tǒng)的維護策略，提供定量的依據(jù)［6-7］。

2.1故障樹的建立

1）確定頂事件。據(jù)車輛研制和示范運營記錄，二甲醚客車燃料系統(tǒng)失效模式有：發(fā)動機不能起動、發(fā)動機行駛途中熄火、發(fā)動機動力不足、系統(tǒng)因密封失效、管路接頭失效泄漏、液位顯示失效等。由于發(fā)動機不能起動或行駛途中熄火的故障占全部故障的78%，故障發(fā)生直接影響運營并導致“路援”，這是最不希望發(fā)生的事件，因此，被確定為故障樹的頂事件P1。

2）確定第一級中間事件。導致頂事件P1發(fā)生的中間事件有兩個方面：一是管路問題導致二甲醚流量不足；二是增壓泵輸送能力下降或喪失。在本項研究中，將二甲醚管路故障流量不足P2和增壓泵故障P3作為第一級中間事件。頂事件與第一級中間事件之間的邏輯關(guān)系為或門G1的關(guān)系。

3）管路故障P2的下級中間事件與底事件。能夠?qū)е露酌压苈妨髁坎蛔鉖2的下級中間事件有：管路有氣體P4、壓力控制閥故障P5和管路阻力大P6，其邏輯關(guān)系是或門G2關(guān)系。對下級中間事件進一步分析：導致管路進入氣體P4的下級事件有二甲醚鋼瓶中的氮氣未排凈C3、鋼瓶液位低P8，它們與上級事件P4間的邏輯門是或門G4。C3是底事件，發(fā)生鋼瓶液位低P8的兩種可能：一是距增壓泵最近的第3鋼瓶液位過低（其余鋼瓶液位并不低）使氣體吸入C10；二是所有鋼瓶液位均過低C11。C10、C11與P8間的邏輯門是或門G8。導致壓力控制閥故障P5的底事件是壓力調(diào)節(jié)不當（氣溫升高未及時調(diào)整）C4或閥芯密封失效C5，與上級事件P5的邏輯門是或門G5。導致管路阻力大P6的下級事件有濾清器堵塞C6和電磁閥開啟不足C7，與上級事件P6的邏輯門是或門G6。

4）增壓泵故障P3的下級中間事件與底事件。增壓泵總成由葉片泵、直流電機和聯(lián)軸器組成。增壓泵葉片磨損C1、聯(lián)軸器失效C2和電機失效或異常P7都會導致增壓泵輸送能力下降或失效。其中C1、C2是底事件，P7是二級中間事件。它們與一級中間事件P3間的邏輯門是或門G3。對下級中間事件P7的進一步分析：電機失效或異常P7的原因有電機碳刷失效C8、繞組失效C9或供電壓力低P9。C8、C9是底事件；而供電壓力低P9則可能是電壓低C12或因線路接插件電阻大C13所導致。P7與C8、C9和P9間的邏輯門是或門G7。P9與 C12和C13間的邏輯門是或門G9。

根據(jù)以上分析，構(gòu)建二甲醚客車不能起動或行駛途中熄火的故障樹如圖2所示。

2.2失效故障樹的定性分析

由于圖2所示的故障樹中所有邏輯門都是或門，按照最小割集的定義，所有13個底事件都是最小割集，而每個最小割集則代表一個故障模式。以增壓泵磨損C1、聯(lián)軸器失效C2為例進行分析。

2.2.1增壓泵磨損

1）故障現(xiàn)象。起初表現(xiàn)為起動困難、動力下降，隨后發(fā)展到車輛加速時易熄火，最后導致車輛不能起動。該故障最明顯的特征是起動后燃料壓力迅速下降、增壓泵的工作噪聲明顯減小。因此，可以從系統(tǒng)壓力變化和增壓泵的工作噪聲來判斷。

2）故障原因。增壓泵長期、高速運轉(zhuǎn)，增壓泵葉片的徑向和端面間的密封性因磨損下降，導致內(nèi)部泄漏增大，使輸出壓力下降。發(fā)動機大負荷時，故障導致噴射泵前管路壓力不能維持在二甲醚的飽和蒸汽壓以上，使部分二甲醚氣化，發(fā)動機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，以致于熄火。

3）排除方法。更換增壓泵。

4）預防措施。按規(guī)定維護濾清器，考慮定期強制性更換增壓泵。

2.2.2聯(lián)軸器失效

1）故障現(xiàn)象。接通電源，增壓泵電機工作，但系統(tǒng)壓力不升高，發(fā)動機無法起動。拆檢可見聯(lián)軸器碎裂。

2）故障原因。葉片泵卡死或聯(lián)軸器材料老化。

3）排除方法。排除葉片泵卡死原因，更換聯(lián)軸器。

4）預防方法。車輛制造應(yīng)保持管路清潔；使用中應(yīng)按規(guī)定維護濾清器；車輛停用后重新啟用應(yīng)先檢查增壓泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動是否靈活。如有卡滯，需通過檢修、清洗予以排除。

2.3對策建議

通過對二甲醚客車燃料系統(tǒng)失效故障樹的定性分析，確定了導致車輛不能起動或行車途中熄火的全部13個故障模式，并根據(jù)車輛研制和示范運營中積累的經(jīng)驗對每個故障模式的故障現(xiàn)象進行了詳細的描述，分析了故障發(fā)生的原因，并提出了判斷故障和排除故障的方法。除了在二甲醚客車整修已經(jīng)落實的措施外，建議需要進一步采取以下幾方面的預防措施：

1）車輛研發(fā)與設(shè)計。進一步開發(fā)可靠、耐用增壓泵；鋼瓶護罩兩側(cè)增加通風孔；增壓泵電路采用防水接插件；壓力控制閥采用與二甲醚兼容的密封材料。

2）車輛制造。采購的液化二甲醚鋼瓶應(yīng)在采購技術(shù)要求中對清潔度提出要求；采購的壓力控制閥閥芯密封件應(yīng)采用與二甲醚兼容的密封材料；管路安裝前安排吹管工序，保持管路清潔；在新車首次起動前，通過放氣閥排除二甲醚鋼瓶內(nèi)的氮氣；在試車后檢查鋼瓶液位均衡性，有特別明顯差異，需調(diào)整回液均衡性。

3）車輛使用。停用重啟前檢查增壓泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動靈活性。如有卡滯，需通過檢修、清洗予以排除；如采用氮氣加注燃料，應(yīng)排除鋼瓶中氮氣；使用說明書規(guī)定不同季節(jié)對工作壓力的調(diào)整要求；使用說明書規(guī)定碳刷定期更換的周期。

4）車輛維護。將碳刷作為易損件，列入備件計劃并定期更換；車輛維護規(guī)范增加對管路工作壓力的檢查與調(diào)整。

3　結(jié)論

1）在二甲醚客車研制和示范運營中故障記錄的基礎(chǔ)上建立的燃料系統(tǒng)失效的故障樹，直觀、形象地揭示了二甲醚客車不能起動或行駛途中熄火的故障與故障模式之間的邏輯關(guān)系，為分析和迅速排除車輛燃料系統(tǒng)故障提供了工具。

2）通過二甲醚客車燃料系統(tǒng)失效故障樹的定性分析，確定了使二甲醚客車不能起動或行駛途中熄火的全部故障模式，并從設(shè)計、制造、使用、維護等方面提出了建議，進一步提高了二甲醚客車的可靠性。

3）從二甲醚客車不能起動或行駛途中熄火的故障樹分析可以看出，管路和增壓泵是該系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，管路故障已能解決，增壓泵尚未有適合的產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品，需要加強研發(fā)，只有大大提高增壓泵的可靠性與耐久性，才能提高城市客車的可靠性并實現(xiàn)二甲醚客車的產(chǎn)業(yè)化。

［1］陳鳴.清潔能源二甲醚及其城市客車［J］.城市交通，2007，（6）：18-22.

［2］張光德，孫敬，游彩霞，等.二甲醚燃料供給系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.汽車科技，2012，（6）：1-5.

［3］于巖飛，井云環(huán).車用二甲醚燃料應(yīng)用研究分析［J］.神華科技，2010，8（3）：81-85.

［4］張雪峰，呂昊，劉家利，等.二甲醚特性及其在汽車上的應(yīng)用［J］.上海汽車，2008，（9）：12-14.

［5］束海波.二甲醚發(fā)動機性能及開發(fā)難點分析［J］.科學視野，2009，（3）：74-75.

［6］于杰，劉混舉.機械可靠性設(shè)計［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2009.

［7］宋保維.系統(tǒng)可靠性設(shè)計與分析［M］.西安：西北工業(yè)大學出版社，2008.

修改稿日期：2015-02-05

Fault Tree Analysis on Fuel System Failure for Dimethyl Ether Bus

Cui Dongzhou1，Cao Changzhen2
（1.SAICMotor Co.，Ltd，Shanghai 200041，China；2.Shanghai Sunwin Bus Co.，Ltd，Shanghai 201108，China）

The authors introduce the fuel system structure and common failure modes of the dimethyl ether buses. They also determine the top event，middle event and bottom event，and their relations.They not only establish the fault tree of the fuel system，but also analyse the fault's phenomena，causes and elimination methods.And then they put forward the countermeasures toprevent fuel system failure.

dimethyl ether；fuel system；failure mode；fault tree

U471.23

B

1006-3331（2015）03-0043-03

崔東周（1975-），男，工學碩士；工程師；主要從事新能源汽車項目開發(fā)與管理工作。