基于故障樹分析的汽車機(jī)械故障診斷模型及系統(tǒng)構(gòu)建

張士軒

摘要：現(xiàn)代汽車技術(shù)越來越復(fù)雜，機(jī)械故障的表現(xiàn)多種多樣，機(jī)械故障診斷定位成為汽車維修工作的難題，故障樹分析法是對現(xiàn)代復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行故障診斷的安全可靠方法。本文分析了汽車機(jī)械故障發(fā)生的原因，總結(jié)了汽車機(jī)械故障診斷的方法，構(gòu)建了汽車機(jī)械故障診斷故障樹分析模型，設(shè)計了汽車機(jī)械故障診斷系統(tǒng)，提出了汽車機(jī)械故障的預(yù)防措施。本文的研究成果，對于提高汽車機(jī)械故障診斷平和汽車維修工作效率等方面具有重要作用。

關(guān)鍵詞：故障樹分析;汽車機(jī)械故障;診斷模型;系統(tǒng)構(gòu)建

中圖分類號：U472， TP311? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）26-0259-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

汽車作為一種交通運(yùn)輸工具，給人們出行帶來了極大便利，在人們的日常工作和生產(chǎn)生活中發(fā)揮著極其重要的作用。汽車由成百上千個機(jī)械零部件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作條件差，由于使用不當(dāng)和零部件磨損等原因，發(fā)生機(jī)械故障不可避免。機(jī)械故障是指機(jī)械系統(tǒng)因偏離設(shè)計狀態(tài)而喪失部分或全部功能的顯現(xiàn)，機(jī)械故障是汽車比較常見的一種故障。由于汽車零部件的壽命是有限的，雖然機(jī)械故障發(fā)生具有隨機(jī)性，但隨著汽車使用年限增長，機(jī)械故障發(fā)生總體呈增加趨勢。因此，必須對汽車機(jī)械故障引起足夠的重視。故障診斷是對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和異常情況做出診斷，并確定故障大體發(fā)生部位的過程。診斷出汽車機(jī)械故障的部位和原因后，運(yùn)用維修技術(shù)進(jìn)行處理，將機(jī)械故障及時消除，使汽車運(yùn)行穩(wěn)定性及效率得到提升，運(yùn)行壽命得以延長?，F(xiàn)代汽車技術(shù)越來越復(fù)雜，機(jī)械故障的表現(xiàn)多種多樣，機(jī)械故障診斷定位成為汽車維修工作的難題，傳統(tǒng)的人工診斷排查技術(shù)越來越不適應(yīng)汽車工業(yè)發(fā)展的需要。故障樹分析（Fault Tree Analysis）是安全系統(tǒng)工程最重要的技術(shù)之一，已經(jīng)成為設(shè)備故障診斷和預(yù)測的有效手段。本文基于故障樹分析技術(shù)構(gòu)建汽車機(jī)械故障診斷模型，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計汽車機(jī)械故障診斷系統(tǒng)，提高汽車機(jī)械故障診斷的信息化水平，提高汽車維修工作效率，使得維修工作按標(biāo)準(zhǔn)化程序更合理有效進(jìn)行，為汽車運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性提供保障。

1 汽車機(jī)械故障發(fā)生的原因

汽車的機(jī)械零部件很多，在控制系統(tǒng)的統(tǒng)一指揮下各自發(fā)揮作用。機(jī)械故障發(fā)生后，導(dǎo)致汽車不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，通常表現(xiàn)為剎車失靈或檔位反應(yīng)慢，摩擦音、碰撞音或零部件震動發(fā)出有節(jié)奏的聲響，排放的尾氣非常刺鼻或呈黑煙狀態(tài)，更嚴(yán)重的是汽車不能啟動或啟動后不能行駛。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因比較復(fù)雜，大體可分為以下幾類：

（1）零部件原因。汽車由很多零部件構(gòu)成，且組裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件的型號、類型和材質(zhì)多種多樣，質(zhì)量參差不齊，不同零部件的使用壽命和安全系數(shù)存在差異性，有些零部件瞬間超過最大負(fù)荷造成損傷，有些零部件損壞后不能及時更換。

（2）運(yùn)行使用原因。貨物運(yùn)輸汽車嚴(yán)重超載已成為常態(tài)，加之行駛時間長，高強(qiáng)度下的消耗造成汽車運(yùn)行不流暢，容易發(fā)生制動失效和傳動軸脫落等機(jī)械故障。道路環(huán)境不佳或自然環(huán)境惡劣，傳動、底盤、減震和制動等容易發(fā)生機(jī)械故障。

（3）駕駛技術(shù)原因。駕駛技術(shù)對汽車機(jī)械故障影響很大。很多駕駛?cè)藛T駕駛水平比較低，缺乏必要的常識，汽車出現(xiàn)機(jī)械故障不能及時發(fā)現(xiàn)，緊急事故發(fā)生時操作失誤增加了機(jī)械故障發(fā)生概率，野蠻起動和野蠻駕駛等引起嚴(yán)重的機(jī)械故障。

（4）油品品質(zhì)原因。汽車運(yùn)行需要燃料油和潤滑油，燃料油不合格會使噴油嘴、油泵和燃油濾清器等出現(xiàn)機(jī)械故障;潤滑油能夠減輕車輛機(jī)械零部件的磨損程度，劣質(zhì)潤滑油不能保證潤滑油及時到達(dá)潤滑部位，致使機(jī)械零件發(fā)生嚴(yán)重磨損。

（5）維修養(yǎng)護(hù)原因。維修和養(yǎng)護(hù)是保障汽車安全行駛的兩種手段。汽車發(fā)生機(jī)械故障，如果不及時維修，不僅存在安全隱患，還可能引起更嚴(yán)重的故障。汽車養(yǎng)護(hù)是對汽車進(jìn)行全新保養(yǎng)護(hù)理的工藝過程。通過養(yǎng)護(hù)，對零部件進(jìn)行調(diào)整或更換，主動排除隱患。養(yǎng)護(hù)人員技術(shù)水平低、責(zé)任心不強(qiáng)、偷工減料、機(jī)械故障處理不力等原因，都會導(dǎo)致更嚴(yán)重的機(jī)械故障。

2 汽車機(jī)械故障診斷的方法

汽車機(jī)械故障診斷的方法很多，常用的包括以下四種：

（1）經(jīng)驗診斷法。經(jīng)驗診斷是汽車機(jī)械故障最常用和最簡便的方法。依據(jù)維修師傅的經(jīng)驗，對汽車的故障狀態(tài)進(jìn)行觀察，判斷發(fā)生機(jī)械故障的原因和位置。高超的經(jīng)驗需要長時間地磨練和積累，需要不斷學(xué)習(xí)新知識，將理論與實踐相結(jié)合。

（2）全面診斷法。通過觀察和經(jīng)驗等方面不能夠準(zhǔn)確診斷出故障時，就需要全面診斷法，維修人員拆卸零部件，進(jìn)行全面的分析和檢查診斷故障。拆卸一些重要零部件，再安裝很難達(dá)到原裝質(zhì)量，即平時所說的“汽車沒跑壞反被修壞”。

（3）儀器診斷法。通過先進(jìn)儀器對汽車機(jī)械故障進(jìn)行診斷，有些汽車廠商專門針對自己的產(chǎn)品設(shè)計了診斷儀器，也有很多通用儀器為多種車型設(shè)計。優(yōu)點是不需要反復(fù)拆卸、迅速了解汽車各個工作單元的工作狀態(tài)，準(zhǔn)確地診斷出機(jī)械故障。

（4）智能診斷法。智能是使用推理、學(xué)習(xí)和聯(lián)想等手段通過知識解決問題。智能診斷技術(shù)是運(yùn)用專家知識和人工智能等手段，將汽車機(jī)械零部件信息以及故障表象等信息輸入計算機(jī)系統(tǒng)，由系統(tǒng)自動診斷，具有穩(wěn)定性好和準(zhǔn)確性高等特點。

3 汽車機(jī)械故障診斷故障樹分析模型

傳統(tǒng)的人工經(jīng)驗診斷法和儀器設(shè)備輔助診斷法存在較高的誤差率，故障樹分析法是對現(xiàn)代復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)備故障進(jìn)行診斷的安全可靠方法。故障樹通過圖形的方式表示事件之間的邏輯關(guān)系，數(shù)學(xué)模型的形式取決于故障樹結(jié)構(gòu)。

設(shè)汽車由n個零部件構(gòu)成，每個部件只有正常和故障兩種狀態(tài)，分別用“0”和“1”表示，用[Xi（i=1，2，…，n）]表示第i個底事件，定義如下：

汽車機(jī)械故障由構(gòu)成汽車機(jī)械零部件的故障引起，因此，零部件底事件的狀態(tài)決定了結(jié)果事件的狀態(tài)，用[Φ（X）=Φ（X1，X2，…，Xn）]表示零部件結(jié)果事件的狀態(tài)，即故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)，定義如下：

設(shè)故障樹G有n個底事件，表示為[X1，X2，…，Xn]，[S=Xi1，Xi2，…，Xil]為故障樹G中底事件的子集，當(dāng)集合S發(fā)生時，即[Xi1=Xi2=Xil=1]，結(jié)果事件發(fā)生，則S為故障樹G的一個割集。若在S中隨機(jī)去除一個基本事件后，不再是故障樹的割集，則稱子集S是故障樹G的一個最小割集。

結(jié)果頂事件在t時刻發(fā)生的概率是隨機(jī)變量[Φ]的期望值：

設(shè)故障樹由n個底事件[X1，X2，…，Xn]構(gòu)成，事件i的故障概率為[Pi（t）=PXi（t）=1]，結(jié)果事件的結(jié)構(gòu)概率函數(shù)表示如下：

概率重要度。表示汽車某零部件故障發(fā)生概率對結(jié)果事件的影響程度，如果減小概率重要度大的汽車零部件的故障概率，就能有效降低汽車機(jī)械故障發(fā)生的概率。第i個汽車零部件的概率重要度的數(shù)學(xué)公式表示為：

關(guān)鍵重要度。故障發(fā)生概率大的汽車零部件稱為關(guān)鍵零部件，其重要度稱為關(guān)鍵重要度。在汽車零部件設(shè)計過程中，改進(jìn)關(guān)鍵零部件，更能有效降低汽車故障發(fā)生概率。汽車零部件i的關(guān)鍵重要度的數(shù)學(xué)公式表示為：

4 汽車機(jī)械故障診斷系統(tǒng)設(shè)計

使用汽車機(jī)械故障診斷系統(tǒng)，能夠及時掌握汽車的運(yùn)行動態(tài)，監(jiān)測汽車的運(yùn)行情況。當(dāng)汽車發(fā)生機(jī)械故障時，迅速組織維修，將故障造成的損失和影響降到最低。軟件開發(fā)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計和系統(tǒng)功能設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的核心問題。

軟件開發(fā)框架提供了系統(tǒng)構(gòu)件之間的依賴關(guān)系和控制流程，基于框架的開發(fā)技術(shù)能夠使軟件開發(fā)過程更規(guī)范、代碼編寫效率更高、運(yùn)行期間更易于維護(hù)。本系統(tǒng)開發(fā)采用由Struts、Spring和iBatis三個獨立框架構(gòu)成的SSi組合框架，該框架目前是J2EE領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的框架，框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在圖1所示的SSi框架結(jié)構(gòu)中，Struts框架用于實現(xiàn)控制層，封裝客戶端的請求并調(diào)用業(yè)務(wù)層的Service類;Spring框架，支持可重用業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)訪問對象，實現(xiàn)了類似Bean的托管和整合等功能;iBatis框架用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)持久層，通過DAO組件訪問數(shù)據(jù)庫。三個框架協(xié)同工作實現(xiàn)了完整的開發(fā)框架。

系統(tǒng)目標(biāo)通過系統(tǒng)功能來表達(dá)和實現(xiàn)，系統(tǒng)功能設(shè)計在軟件生命周期中屬于概要設(shè)計階段，主要任務(wù)是基于模塊化思想設(shè)計系統(tǒng)的功能組成。汽車機(jī)械故障診斷系統(tǒng)功能由基本信息維護(hù)、機(jī)械故障診斷和系統(tǒng)管理維護(hù)等三個子系統(tǒng)構(gòu)成，每個子系統(tǒng)又由四個功能模塊構(gòu)成，功能設(shè)計結(jié)果如圖2所示。

5 汽車機(jī)械故障的預(yù)防措施

任何機(jī)械零部件發(fā)生故障或異常，如果不能及時排除，不但會影響出行體驗、影響貨物運(yùn)輸，還可能由此引發(fā)更大的故障，導(dǎo)致行駛過程中危險事故出現(xiàn)，直接威脅到生命財產(chǎn)安全。但是，依據(jù)診斷和維修只是汽車發(fā)生機(jī)械故障時的應(yīng)對策略，根本的解決辦法還是預(yù)防措施。最有效的汽車機(jī)械故障預(yù)防措施具體包括以下幾個方面：一是，把好汽車生產(chǎn)質(zhì)量關(guān)。汽車的很多機(jī)械故障都與生產(chǎn)廠商有關(guān)，國家制定嚴(yán)格的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，并采取有力措施監(jiān)控汽車生產(chǎn)質(zhì)量，在源頭上控制汽車機(jī)械故障。二是，重視汽車維護(hù)保養(yǎng)。維修保養(yǎng)是防范汽車機(jī)械故障的有效路徑，定期對汽車零部件狀態(tài)進(jìn)行排查，及時更換潤滑油，定期檢測各種情況，將機(jī)械故障控制在萌芽狀態(tài)。三是，提高汽車駕駛技術(shù)。正確的駕駛操作，能夠有效保護(hù)零部件，減少零部件磨損和疲勞損壞，減少離合器和變速箱等部件損壞，從而減少機(jī)械故障發(fā)生。四是，實施汽車報廢制度。汽車如果超過了報廢年限超期使用，各種機(jī)械零件老化，存在較大的安全隱患，故障維修費用顯著提高。五是，動態(tài)監(jiān)測零部件狀態(tài)?；谖锫?lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)，及時監(jiān)測到機(jī)械故障。

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