故障樹分析在電動觀光車使用與維修中的應(yīng)用

李春景，李軍，孫磊，胡國柱

（浙江天能電池（江蘇）有限公司，江蘇 沭陽 223600）

故障樹分析在電動觀光車使用與維修中的應(yīng)用

李春景，李軍，孫磊，胡國柱

（浙江天能電池（江蘇）有限公司，江蘇 沭陽 223600）

本文根據(jù)故障樹分析法和電動觀光車的特點，建立了整車故障樹，深入分析了電動機(jī)系統(tǒng)和蓄電池系統(tǒng)故障的潛在原因，為解決實際問題和改進(jìn)電動觀光車設(shè)計提供了改進(jìn)方向。

電動機(jī)；蓄電池；故障樹；電動觀光車；故障診斷；邏輯符號

0 引言

蓄電池作為電動觀光車的動力部件，廣泛應(yīng)用于旅游景區(qū)的短途客運(yùn)活動。電動觀光車主要包括車身、電機(jī)、蓄電池、控制器等部件。在電動觀光車的使用過程中可能會出現(xiàn)各種各樣的故障，快速有效地找出原因是解決故障的前提[1]。這就需要梳理電動觀光車故障的基本原因，建立一套故障分析表，方便故障診斷。國內(nèi)技術(shù)人員對于電動觀光車的故障分析和排除摸索出眾多經(jīng)驗，并對主要部件的故障原因進(jìn)行了闡述，但是沒有形成多層次系統(tǒng)的圖表。

本文應(yīng)用故障樹分析法（FTA），建立電動觀光車的故障模型，深入分析故障的潛在原因，為故障診斷提供依據(jù)。

1 故障樹分析法

故障樹分析法（FTA）是美國貝爾電報公司于1962 年提出的，它使用多種邏輯符號表示系統(tǒng)內(nèi)部各種故障之間的層級關(guān)系，找出故障的主要失效機(jī)理[2-3]，用相應(yīng)的符號及邏輯門把頂事件、中間事件、基本事件連接成故障樹[4]。各種邏輯符號見圖1，主要有“或門”“與門”“事件符號”“基本事件”和“未展開的事件”。

圖1 故障樹分析常用基本符號

通常情況下，輸入事件和輸出事件邏輯關(guān)系可以使用一定的公式進(jìn)行表達(dá)。與門輸入事件 A1、A2、…、An和輸出事件 Z 之間的邏輯關(guān)系公式可以表達(dá)為或門輸入事件 A1、A2、…、An和輸出事件 Z 之間的邏輯關(guān)系公式則可以表達(dá)為

應(yīng)用故障樹分析法可進(jìn)行定性分析和定量分析。定性分析通過逐層分析，得出基本事件，建立故障樹模型，從而達(dá)到簡化分析過程的目的，同時得出故障發(fā)生概率 P(Z)。定量分析的理論和實際運(yùn)用目前還有待完善，需要大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行支撐。n

2 建立故障樹

應(yīng)用故障樹分析法（FTA）從整體到部分逐層深入地尋找故障產(chǎn)生原因，先建立整車故障樹，再建立各子系統(tǒng)故障樹，然后建立各零件故障樹。按照電動觀光車的主要部件，建立了整車的一級故障樹，如圖 2 所示，包含車身系統(tǒng)、電機(jī)及控制系統(tǒng)、蓄電池系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、低壓電器系統(tǒng)。各子系統(tǒng)的故障都會造成部分功能的失效，從而影響整車系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖2 電動觀光車整車故障樹

要進(jìn)一步分析子系統(tǒng)故障發(fā)生的原因，需要再建立零件的故障樹，直至分析到基本事件。在整個分析過程中，需要挖掘影響電動觀光車可靠性的主要因素。只有管控好這些主要影響因素，才能提高電動觀光車的可靠性，降低故障率。以下將以電機(jī)及控制系統(tǒng)、蓄電池系統(tǒng)為例，詳細(xì)地分析故障產(chǎn)生的原因。

2.1 電機(jī)及控制系統(tǒng)故障樹分析

電機(jī)是成熟的工業(yè)品，但是電動觀光車對電機(jī)的要求較高，要求載荷范圍更寬，能適應(yīng)各種氣候條件。電機(jī)故障樹如圖 3 所示，系統(tǒng)失效原因主要是從電機(jī)不轉(zhuǎn)和性能下降兩種現(xiàn)象入手分析。電機(jī)不轉(zhuǎn)是緊急故障，可從電機(jī)本體和控制器兩個部件繼續(xù)分解故障。電機(jī)自身故障的原因包含卡住和繞組損壞?？ㄗ】赡苁怯啥ㄗ愚D(zhuǎn)子摩擦大、軸承損壞、異物進(jìn)入和磁鋼脫落等造成的。繞組損壞可能是因為斷線或者絕緣損壞?？刂破饔謴目刂菩盘柡万?qū)動電路兩個方向進(jìn)行分析。電機(jī)性能下降屬于較為緩慢的故障，主要是由永磁鐵退磁、元器件老化松動等原因造成。所有故障分析最終分解到基本事件 ①②③……，相互關(guān)系為或門，所以每個事件均為一階最小割集。在使用和維修中，永磁鐵退磁、控制器功率管損壞和絕緣擊穿發(fā)生的概率比較高。

2.2 蓄電池系統(tǒng)故障樹分析

閥控式鉛酸蓄電池（VRLA 電池）已成為電動觀光車用動力電池的主力。VRLA 電池具有接近完全的密封性、不用補(bǔ)充電解液、無酸霧污染等優(yōu)點，但是 VRLA 電池對充電器和充電工藝要求較為苛刻[5]。建立蓄電池系統(tǒng)的故障樹，把系統(tǒng)失效作為頂事件，尋找導(dǎo)致系統(tǒng)故障發(fā)生的中間事件，最終分解到基本事件。應(yīng)用 FTA 能高效精確地探尋引起故障發(fā)生的主要原因，采取針對性較強(qiáng)的處理措施。

圖3 電機(jī)及控制系統(tǒng)故障樹

蓄電池主要由外部的塑料殼體和內(nèi)部的單體極群組成，所以建立蓄電池系統(tǒng)的故障樹要從這內(nèi)外兩個方面進(jìn)行剖析。單體極群失效主要是由正極板、負(fù)極板、隔板和導(dǎo)流體失效引起的：極板活性物質(zhì)發(fā)生軟化或硫酸鹽化會造成電池容量的下降；隔板發(fā)生鉛絨微短路會使自放電加快；導(dǎo)流體斷路會導(dǎo)致蓄電池完全斷路；當(dāng)密封不良時負(fù)極活性物質(zhì)會被氧化等[6]。正極活性物質(zhì)嚴(yán)重軟化可能是由于電機(jī)或充電器錯誤配置或失效，引起蓄電池嚴(yán)重過充電或大電流放電，損傷極板活性物質(zhì)；也可能是由于極板本身的工藝配方缺陷，導(dǎo)致極板性能下降較快。溫度過高、充電不足或長期未充電都會導(dǎo)致極板硫酸鹽化。溫度過高的原因包含外部環(huán)境和自身發(fā)熱，充電器參數(shù)漂移或電池內(nèi)阻過大都會導(dǎo)致電池在充電過程中產(chǎn)生大量的熱能。電池內(nèi)阻變大可能是由于充電器損壞或安全閥開閥過早導(dǎo)致的。外殼漏液主要原因是外殼破裂或密封性差，其可導(dǎo)致電解液漏酸干涸，從而使電池容量下降。外殼破裂可能是由外力沖擊磨損、材料韌性差或外殼鼓脹造成的。同時在溫度過高和內(nèi)部氣壓較高的條件下，外殼將會鼓脹。內(nèi)部氣壓較高與充電器損壞和安全閥開閥過遲有關(guān)。通過以上分析，最后確定了充電器損壞、控制器損壞和極板不良等12 個基本事件，并建立了蓄電池系統(tǒng)的故障樹，如圖 4 所示。

3 基本故障的處理

將故障原因?qū)訉油评頌榛臼录螅梢苑奖闶褂镁S修人員找準(zhǔn)故障根源，還可以將基本事件進(jìn)行分類管理，并給出對應(yīng)的排除方法。表 1 中列出了電機(jī)及控制系統(tǒng)的基本事件的故障排除方法，主要從維修更換電機(jī)或維修更換控制器等兩個方向進(jìn)行處理。

蓄電池系統(tǒng)的基本事件故障排除方法包含維修更換充電器、維修更換控制器、更換蓄電池、遠(yuǎn)離熱源、定期充電和加強(qiáng)防護(hù)六個方面進(jìn)行處理，見表 2。

圖4 蓄電池系統(tǒng)故障樹

表1 電機(jī)及控制系統(tǒng)故障排除方法

表2 蓄電池系統(tǒng)故障排除方法

4 結(jié)論

本文將 FTA 應(yīng)用于電動觀光車，建立了整車一級故障樹，深入分析了電機(jī)控制系統(tǒng)和蓄電池系統(tǒng)的中間事件和基本事件，理清了故障的層級關(guān)系，并提出了故障排除方法，可以方便車輛使用和維修人員迅速找出故障原因，還可以為電動觀光車及其關(guān)鍵零部件的質(zhì)量提升提供幫助。

[1]劉玢宏. 液壓系統(tǒng)故障診斷的探討[J]. 大觀周刊, 2012(19):109.

[2]游勇濤. 故障預(yù)測與健康管理 (PHM) 技術(shù)在雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用[D]. 重慶大學(xué), 2013.

[3]劉冬偉, 王優(yōu)強(qiáng). 抽油桿斷脫故障樹分析[J]. 石油礦場機(jī)械, 2007(9): 91-93.

[4]丁繼斌,丁士清,宋延?xùn)|. 故障樹分析在汽車使用與維護(hù)中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動化, 2009(5): 103-104.

[5]馬永泉, 劉孝偉, 陳體銜, 等. 新能源汽車用鉛酸蓄電池探究[J]. 蓄電池, 2011(3): 99-103.

[6]楊秀娟. 農(nóng)用車鉛酸蓄電池極板硫化的原因及排除方法[J]. 農(nóng)機(jī)使用與維修, 2014(10): 38.

Application of FTA in the usage and maintenance of electric sightseeing cars

LI Chunjing, LI Jun, SUN Lei, HU Guozhu
(Zhejiang Tianneng Battery (Jiangsu) Co., Ltd., Shuyang Jiangsu 223600, China)

According to the fault tree analysis (FTA) and characteristics of electric sightseeing cars, the fault tree of vehicle was established. By studying the fault of electric motor system and battery system in detail, the direction is put forward to solve the practical problems and improve design of electric sightseeing cars.

electric motor; storage battery; fault tree; electric sightseeing car; fault diagnosis; logical symbol

TM 912.9

B

1006-0847(2016)06-291-04

2016-06-29