基于故障樹(shù)分析的電控共軌發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷分析研究

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用和電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子控制技術(shù)在車輛的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別在重工業(yè)領(lǐng)域電控高壓共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用，使傳統(tǒng)的車輛故障處理方法不再適用當(dāng)前車輛維修管理。尤其是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)故障判斷和處理的研究，對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效益有重要的意義。本文應(yīng)用故障樹(shù)分析的方法，結(jié)合當(dāng)前汽車故障處理情況，對(duì)柴油共軌發(fā)動(dòng)機(jī)故障進(jìn)行全面梳理分析，利用故障樹(shù)分析結(jié)果，建立發(fā)動(dòng)機(jī)故障處理系統(tǒng)軟件，為快速處理發(fā)動(dòng)機(jī)故障提供了借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：故障樹(shù)分析法 高壓共軌 發(fā)動(dòng)機(jī)故障

1 故障樹(shù)分析法研究

1.1 故障樹(shù)分析法

故障樹(shù)分析法（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）是倒置式分析方法[1]，從事件的結(jié)果開(kāi)始分析查找原因，它從故障引起的后果和影響程度開(kāi)始進(jìn)行分析，按照從整體到局部的原則，采用樹(shù)狀結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)故障形成的原因進(jìn)行細(xì)化分解。通過(guò)故障樹(shù)分析系統(tǒng)后，查找出系統(tǒng)易出故障的薄弱環(huán)節(jié)，采取有效的應(yīng)對(duì)措施提前預(yù)測(cè)機(jī)械設(shè)備的故障，或?qū)υO(shè)備薄弱部件進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化、定期維修避免事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳運(yùn)行狀態(tài)。特別是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性與安全性分析以及設(shè)備故障的預(yù)測(cè)有廣泛的應(yīng)用，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)備故障的預(yù)防分析和控制有較好的效果。在設(shè)備系統(tǒng)故障分析中，大多數(shù)首先采用故障樹(shù)分析方法進(jìn)行故障診斷技術(shù)的研究，通過(guò)故障樹(shù)進(jìn)行系統(tǒng)可靠性和安全穩(wěn)定性分析，還可以增加維修、人工等因素，不僅可以進(jìn)行單個(gè)故障原因的分析，還可以對(duì)多種原因綜合發(fā)生時(shí)對(duì)設(shè)備狀況的影響進(jìn)行分析。

伴隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，實(shí)際故障診斷中，用故障樹(shù)分析進(jìn)行故障診斷被越來(lái)越多的專業(yè)人員所使用。直觀的Windows圖形畫(huà)面和簡(jiǎn)單的操作方法，使與計(jì)算機(jī)技術(shù)與故障樹(shù)分析法結(jié)合的步伐加快，應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)故障樹(shù)分析法進(jìn)行理論研究也逐漸地成熟，失效模式分析、故障樹(shù)分析法、影響致命度分析法等可靠的軟件，應(yīng)用到專業(yè)的研究和教學(xué)中，并從單機(jī)模式向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，出現(xiàn)了智能化的故障診斷專家系統(tǒng)。目前，故障樹(shù)分析法已經(jīng)在航空航天、化工制造、核能利用、機(jī)械設(shè)計(jì)、電子技術(shù)等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

1.2 故障樹(shù)建樹(shù)分析步驟

故障樹(shù)分析法（FTA）是把系統(tǒng)故障或需要研究分析的事件作為故障樹(shù)的頂事件[2]，通常是在設(shè)備中最不希望發(fā)生的事件，然后逐級(jí)向下分析查找原因，直至找到最終的結(jié)果。處于過(guò)渡狀態(tài)的事件稱為中間事件，處在最底端的事件為基本事件。它一般可分為以下幾個(gè)階段。

（1）熟悉系統(tǒng)，確定頂事件。對(duì)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析之前，要首先了解系統(tǒng)的基本構(gòu)造、各部件的功能和工作原理，熟悉整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程和故障現(xiàn)象，確定頂事件，就是要研究和分析的對(duì)象。

（2）構(gòu)造故障樹(shù)，就是常說(shuō)的建樹(shù)，通過(guò)收集相關(guān)的資料進(jìn)行整理分析后，逐級(jí)找出級(jí)事件的全部可能的直接原因，并用故障樹(shù)的符號(hào)表示各類事件的邏輯關(guān)系，直至分析到各類底事件為止。

（3）簡(jiǎn)化故障樹(shù)，從已經(jīng)建立的故障樹(shù)最下一級(jí)開(kāi)始向上分析，寫(xiě)出每一級(jí)上級(jí)事件與下級(jí)事件的邏輯關(guān)系式，轉(zhuǎn)化成與門或門的邏輯關(guān)系，進(jìn)行分析運(yùn)算，然后把多余的事件刪除；或者使復(fù)雜的分支模塊化，成為簡(jiǎn)單的故障樹(shù)。如圖1，為最簡(jiǎn)單的三單元系統(tǒng)故障樹(shù)簡(jiǎn)圖。

（4）定性分析，求出故障樹(shù)的全部最小割集。

（5）定量分析，包括計(jì)算頂事件發(fā)生概率，底事件的概率重要度分析和靈敏度分析，及機(jī)構(gòu)重要度等。

2 電控高壓共軌技術(shù)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制上使用的電子元件越來(lái)越多，電子控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使車輛的燃燒配比更加合理，大大減少了發(fā)動(dòng)機(jī)的廢物排放，降低了車輛的油耗，特別是電控噴油技術(shù)的發(fā)展，使柴油機(jī)電控高壓共軌燃油系統(tǒng)逐漸應(yīng)用到一般的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)車輛上。

傳統(tǒng)的汽車柴油機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，燃料燃燒做功的過(guò)程中，噴射過(guò)程的時(shí)間十分短暫，在噴油器噴射柴油的整個(gè)過(guò)程，由于噴油器的開(kāi)閉，高壓油管壓力隨時(shí)間位置的不同也隨之發(fā)生變化。由于發(fā)動(dòng)機(jī)高壓油管中柴油的壓力波動(dòng)，造成實(shí)際的噴油狀況與標(biāo)準(zhǔn)的噴油泵供油規(guī)律出現(xiàn)較大的差異。當(dāng)高壓油管壓力在主噴射之后仍然上升，達(dá)到使噴油器的針閥開(kāi)啟的壓力時(shí)，就會(huì)迫使針閥打開(kāi)，進(jìn)行二次噴射，而此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞未達(dá)到上止點(diǎn)的噴油位置，氣缸內(nèi)的壓力未達(dá)到最大值，造成柴油在氣缸內(nèi)燃燒不充分，會(huì)加大發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣排放量，增加燃油消耗和空氣污染。另外，在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)高壓油管的殘余壓力的存在，會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的噴射狀況，嚴(yán)重的情況下，還可能造成噴油不均勻，出現(xiàn)間歇的缺缸現(xiàn)象，影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作和功率的輸出。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)“共軌”的技術(shù)的應(yīng)用，使高壓油管的各處的壓力保持一致，避免了油壓變化給發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)的影響。

共軌技術(shù)，實(shí)際是利用電子控制，高壓泵在共軌管道中產(chǎn)生穩(wěn)定的高壓燃油，隨時(shí)供應(yīng)給噴油器[3]。噴油壓力的產(chǎn)生，主要是ECU（發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元）通過(guò)壓力傳感器的信號(hào)控制高壓泵的工作，油泵產(chǎn)生高壓的燃油輸送到共軌中，共軌中燃油的壓力不受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。噴油過(guò)程的控制，主要是ECU通過(guò)曲軸傳感器的信息，控制噴油器電子閥的開(kāi)啟時(shí)間，達(dá)到控制噴油器的噴油量的大小的目的。

3 故障樹(shù)理論在電控共軌發(fā)動(dòng)機(jī)故障分析中的應(yīng)用

應(yīng)用故障樹(shù)分析法對(duì)電控高壓共軌柴油機(jī)各系統(tǒng)故障的原因進(jìn)行綜合分析，從發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)構(gòu)功能出發(fā)，把各系統(tǒng)的故障原因作為底事件，由下向上推理，推導(dǎo)出故障原因可能帶來(lái)的故障現(xiàn)象，建立綜合故障診斷分析故障樹(shù)模型。

電控共軌發(fā)動(dòng)機(jī)常見(jiàn)故障主要有發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難、發(fā)動(dòng)機(jī)加不上速、發(fā)動(dòng)機(jī)異響、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗增加等。從發(fā)動(dòng)機(jī)的故障現(xiàn)象入手，進(jìn)行故障原因分析，尋求解決故障的辦法，并利用故障樹(shù)理論對(duì)故障分析計(jì)算。

3.1 柴油機(jī)啟動(dòng)困難的故障樹(shù)建立和分析

柴油機(jī)啟動(dòng)困難可以從三個(gè)方面查找，包括燃油供應(yīng)系統(tǒng)、電氣啟動(dòng)系統(tǒng)和壓縮壓力系統(tǒng)。燃油系統(tǒng)提供燃料，電氣啟動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，壓縮壓力系統(tǒng)提供場(chǎng)所。

柴油機(jī)啟動(dòng)困難時(shí)，排氣現(xiàn)象最為明顯，會(huì)出現(xiàn)冒黑煙、冒白煙或者不冒煙的現(xiàn)象。如果排氣管冒黑煙，可能是噴油器霧化質(zhì)量不好、氣缸內(nèi)壓力低、進(jìn)氣量不足、噴油正時(shí)不準(zhǔn)確等。如果排氣管冒白煙，可能是氣缸內(nèi)進(jìn)水、油路中進(jìn)水。如果不冒煙，可能是油箱油量過(guò)少、油路不暢，起動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足、空氣濾清器堵塞，氣缸壓力壓縮力過(guò)低，噴油霧化不良等。根據(jù)上述故障分析，建立柴油機(jī)啟動(dòng)困難的故障樹(shù)。

3.2 柴油機(jī)異響的故障樹(shù)建立和分析

發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，按照一定的規(guī)律循環(huán)動(dòng)作，金屬之間的接觸產(chǎn)生輕微的有節(jié)奏的響聲，屬于正常的金屬接觸響聲。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間的增加，各部件之間磨損增大、部分零件受載荷等外力影響變形，維護(hù)不良造成的損耗等都會(huì)增大發(fā)動(dòng)機(jī)部件之間不正常的聲響，都稱為發(fā)動(dòng)機(jī)異響。故障的主要原因有以下幾種。

（1）曲軸瓦異響主要原因有：磨損較大，油道阻塞造成的機(jī)油壓力過(guò)低，軸頸與軸承配合松曠，曲軸瓦磨損，軸瓦與軸徑之間磨損，曲軸彎曲，軸瓦蓋螺栓松動(dòng)，軸承過(guò)度疲勞造成合金層燒毀。

（2）連桿瓦異響主要原因有：機(jī)油壓力過(guò)低，軸瓦與連桿軸頸間隙較大，連桿軸瓦合金燒蝕或脫落，軸頸與連桿軸瓦間隙過(guò)大，機(jī)油變質(zhì)或缺少機(jī)油，固定螺栓松動(dòng)。

（3）活塞銷異響主要原因有：銷環(huán)與活塞銷兩端面的碰擊，活塞銷與活塞銷座間隙大，活塞銷與連桿襯套磨損造成間隙過(guò)大。

（4）活塞敲缸主要原因有：連桿受力彎曲，活塞失圓，連桿扭曲變形，活塞裙部磨損，活塞與襯套配合過(guò)緊，氣缸內(nèi)部磨損，軸頸與連桿軸承配合過(guò)緊，氣缸壁和活塞和潤(rùn)滑不良。

通過(guò)以上分析，建立電控共軌柴油機(jī)異響的故障樹(shù)。

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗大的故障樹(shù)建立與分析

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗大，主要的表現(xiàn)是發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后排氣管大量冒藍(lán)煙。原因是機(jī)油進(jìn)入氣缸參加了燃燒的過(guò)程，一部分為燃燒的機(jī)油通過(guò)排氣道排出。發(fā)動(dòng)機(jī)燒機(jī)油會(huì)在氣缸內(nèi)行成積碳，加快活塞、活塞環(huán)的磨損。排氣管冒藍(lán)煙有以下幾種原因。

（1）活塞與氣缸壁之間的間隙過(guò)大，機(jī)油從油底進(jìn)入氣缸頂部，在燃燒室內(nèi)燃燒。

（2）油底殼內(nèi)機(jī)油過(guò)多，發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將油底的機(jī)油帶到汽缸壁的量增多，活塞如果刮油不干凈，機(jī)油進(jìn)入燃燒室燃。

（3）活塞環(huán)折斷或老化，使其刮油作用減弱造成竄油現(xiàn)象。

通過(guò)上述分析，建立發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗大的故障樹(shù)。

4 故障樹(shù)的定性、定量分析

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難故障樹(shù)定性分析

以發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難故障樹(shù)為例進(jìn)行定行分析，對(duì)故障樹(shù)進(jìn)行定性定量的分析，能夠找到影響整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵事件[4]，也就是頂事件的發(fā)生的主要問(wèn)題，為頂事件的定量分析（頂事件發(fā)生概率和底事件的重要度）做好鋪墊。

這里我們應(yīng)用上行法求解法發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難故障樹(shù)的最小割集，上行法就是把最底層的邏輯門用其輸入事件表示，與門事件用交，或門事件用并，然后與上一級(jí)的邏輯門再有其輸出表示，逐漸往上推理，直至達(dá)到頂事件為止。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難的故障樹(shù)圖，我們可以得出：

T=M1+M2+M3

M1=x1+x2+x3+x4+x5

M2=x6+x7+x8+x9+x10

M3=x11+x12+x13+x14+x15+x16+x17

所以

T= x1+x2+x3+…+ x15+x16+x17

由此可知，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難系統(tǒng)的最小割集為17個(gè)，分別是

｛x1｝，｛x2｝，｛x3｝，…，｛x，15｝，｛x16｝，｛x17｝

4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難故障樹(shù)定量分析

故障樹(shù)的定量分析[5]，可利用故障樹(shù)分析軟件直接進(jìn)行計(jì)算?？筛鶕?jù)故障樹(shù)分析軟件，通頂事件的計(jì)算公式，計(jì)算可得發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難故障的發(fā)生概率為0.09469。

由以上的分析數(shù)據(jù)可知，造成發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難的主要原因是噴油器故障以及傳感器故障等，日常的維修中，發(fā)現(xiàn)以上故障現(xiàn)象可以從這些方面入手，可快速解決問(wèn)題。

5 建立發(fā)動(dòng)機(jī)故障的分析處理系統(tǒng)

5.1 發(fā)動(dòng)機(jī)故障處理系統(tǒng)介紹

利用故障樹(shù)的分析結(jié)果，采用計(jì)算機(jī)編程技術(shù)，將發(fā)動(dòng)機(jī)常見(jiàn)故障進(jìn)行綜合處理，建立發(fā)動(dòng)機(jī)的故障處理系統(tǒng)軟件。該軟件的功能，主要是錄入功能、后臺(tái)計(jì)算功能，查詢功能。

錄入功能是按照車型、故障現(xiàn)象、故障原因分析、故障處理方法等錄入系統(tǒng)，可以單個(gè)錄入，也可以批量錄入。

后臺(tái)計(jì)算功能，是將故障樹(shù)分析的結(jié)果，錄入計(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序，按照底事件定量分析的結(jié)果，按照一定的次序?qū)⒐收咸幚磙k法進(jìn)行排列，使頂事件發(fā)生的處理方法最優(yōu)的排在最前面，保證快速及時(shí)的排查故障。

查詢功能，主要是為車輛維修提供便利，當(dāng)車輛發(fā)生故障不易判斷時(shí)，通過(guò)故障查詢，能快速及時(shí)地查詢出故障的處理辦法，為及時(shí)處理故障創(chuàng)造條件。

5.2 發(fā)動(dòng)機(jī)故障處理系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

在該軟件程序基于.Net平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，應(yīng)用WPF技術(shù)，采用C#語(yǔ)言進(jìn)行編程，主要是因?yàn)镃#語(yǔ)言語(yǔ)法簡(jiǎn)潔，它具有面對(duì)對(duì)象語(yǔ)言所具有的一切特性，在C#的類型系統(tǒng)中，每種類型都可以看作一個(gè)對(duì)象，僅需要使用簡(jiǎn)單的C#語(yǔ)言結(jié)構(gòu)，就能夠方便地為Web服務(wù)，可以通過(guò)Internet運(yùn)行在任何操作系統(tǒng)上被任何語(yǔ)言所調(diào)用，使用了模塊化的組織方式，保證了整個(gè)系統(tǒng)良好的交互性、可用性和可擴(kuò)展性，便于系統(tǒng)維護(hù)和升級(jí)。

主程序主要內(nèi)容包括，軟件的整體框架和內(nèi)容，以及軟件的實(shí)現(xiàn)的功能。根據(jù)日常的工作需要和查詢的故障處理方便。整體框架為windows是熟悉的頁(yè)面結(jié)構(gòu)，內(nèi)容包括車輛型號(hào)、故障代碼、故障原因、故障處理方法等[6]。主要功能是故障處理方法的錄入和查詢。下面這段程序?yàn)檐囕v故障處理方法的錄入及修改程序。

{

string sql = \"select id，cx as 車型，dm as 故障碼，xx as 故障現(xiàn)象，yy as 故障原因，clcs as 處理方式 from main where 1=1 \";

sql += cx + dm + ms;

ds.DgBind（sql，dataGridView1）;

}

private void button8_Click（object sender， EventArgs e）

{

string cx = \"\";

if （comboBox1.Text == \"\"）

{

MessageBox.Show（\"請(qǐng)選擇車型\"）;

return;

}

else

{

cx = comboBox1.Text;

}

string dm = textBox1.Text.Trim （）;

try

{

int x = Convert.ToInt32（dm）;

if （x lt; 1 || x gt; 999）

{

MessageBox.Show（\"故障碼范圍應(yīng)在001-999之間\"）;

return;

}

}

catch

{

MessageBox.Show（\"故障碼請(qǐng)輸入數(shù)字\"）;

return;

}

if （textBox2.Text == \"\"）

{

MessageBox.Show（\"請(qǐng)錄入故障現(xiàn)象\"）;

return;

}

if （textBox3.Text == \"\"）

{

MessageBox.Show（\"請(qǐng)錄入故障原因\"）;

return;

}

if （textBox4.Text == \"\"）

{

MessageBox.Show（\"請(qǐng)錄入故障處理方式\"）;

return;

}

string sql = \"select max（id） as id" from main\";

dosql ds = new dosql（）;

if （button8.Text == \"錄入\"）

{

string id = ds.GetAValue（sql， \"id\"）;

if （id == \"\"） id = \"0\";

id = （Convert.ToInt32（id） + 1）.ToString（）;

sql = \"insert into main （id，cx，dm，xx，yy，clcs） values（\" + id + \"，'\" + cx + \"'，'\" + textBox1.Text.Trim（） + \"'，'\" + textBox2.Text.Trim（） + \"'，'\" + textBox3.Text.Trim（） + \"'，'\" + textBox4.Text.Trim（） + \"'）\";

ds.xgzhi（sql）;

MessageBox.Show（\"錄入成功\"）;

}

6 結(jié)論

本文以故障樹(shù)分析方法基本理論為基礎(chǔ)，對(duì)電控高壓共軌柴油機(jī)按照構(gòu)造進(jìn)行故障分析，建立故障樹(shù)圖。在故障樹(shù)定量計(jì)算中，引入了故障樹(shù)軟件，將一些基本的算法通過(guò)程序輸入到軟件中，在故障樹(shù)建立過(guò)程中，就能夠在后臺(tái)進(jìn)行計(jì)算，避免單獨(dú)計(jì)算時(shí)間損耗，提高故障樹(shù)定量計(jì)算的分析效率。以電控高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難為實(shí)例，進(jìn)行故障樹(shù)的建立和事件的定性、定量分析，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)故障處理系統(tǒng)軟件，其研究成果具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。利用故障樹(shù)分析法的結(jié)果，建立了車輛發(fā)動(dòng)機(jī)故障處理軟件，通過(guò)局域網(wǎng)連接，應(yīng)用于不同的車輛維修單位，實(shí)現(xiàn)了車輛故障診斷方法和處理故障方法的資源信息共享，可以提高車輛的維修效率，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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