基于故障樹分析的汽車機械故障診斷模型及系統(tǒng)構建

張士軒

摘要：現(xiàn)代汽車技術越來越復雜，機械故障的表現(xiàn)多種多樣，機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)代復雜系統(tǒng)設備進行故障診斷的安全可靠方法。本文分析了汽車機械故障發(fā)生的原因，總結了汽車機械故障診斷的方法，構建了汽車機械故障診斷故障樹分析模型，設計了汽車機械故障診斷系統(tǒng)，提出了汽車機械故障的預防措施。本文的研究成果，對于提高汽車機械故障診斷平和汽車維修工作效率等方面具有重要作用。

關鍵詞：故障樹分析;汽車機械故障;診斷模型;系統(tǒng)構建

中圖分類號：U472， TP311? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）26-0259-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

汽車作為一種交通運輸工具，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械零部件構成，結構復雜，工作條件差，由于使用不當和零部件磨損等原因，發(fā)生機械故障不可避免。機械故障是指機械系統(tǒng)因偏離設計狀態(tài)而喪失部分或全部功能的顯現(xiàn)，機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，雖然機械故障發(fā)生具有隨機性，但隨著汽車使用年限增長，機械故障發(fā)生總體呈增加趨勢。因此，必須對汽車機械故障引起足夠的重視。故障診斷是對設備運行狀態(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。診斷出汽車機械故障的部位和原因后，運用維修技術進行處理，將機械故障及時消除，使汽車運行穩(wěn)定性及效率得到提升，運行壽命得以延長。現(xiàn)代汽車技術越來越復雜，機械故障的表現(xiàn)多種多樣，機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越來越不適應汽車工業(yè)發(fā)展的需要。故障樹分析（Fault Tree Analysis）是安全系統(tǒng)工程最重要的技術之一，已經(jīng)成為設備故障診斷和預測的有效手段。本文基于故障樹分析技術構建汽車機械故障診斷模型，并以此為基礎設計汽車機械故障診斷系統(tǒng)，提高汽車機械故障診斷的信息化水平，提高汽車維修工作效率，使得維修工作按標準化程序更合理有效進行，為汽車運行的安全性和穩(wěn)定性提供保障。

1 汽車機械故障發(fā)生的原因

汽車的機械零部件很多，在控制系統(tǒng)的統(tǒng)一指揮下各自發(fā)揮作用。機械故障發(fā)生后，導致汽車不能正常運轉，通常表現(xiàn)為剎車失靈或檔位反應慢，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成，且組裝結構復雜，零部件的型號、類型和材質多種多樣，質量參差不齊，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荷造成損傷，有些零部件損壞后不能及時更換。

（2）運行使用原因。貨物運輸汽車嚴重超載已成為常態(tài)，加之行駛時間長，高強度下的消耗造成汽車運行不流暢，容易發(fā)生制動失效和傳動軸脫落等機械故障。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)生機械故障。

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

（4）油品品質原因。汽車運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)機械故障;潤滑油能夠減輕車輛機械零部件的磨損程度，劣質潤滑油不能保證潤滑油及時到達潤滑部位，致使機械零件發(fā)生嚴重磨損。

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

2 汽車機械故障診斷的方法

汽車機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)進行觀察，判斷發(fā)生機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，需要不斷學習新知識，將理論與實踐相結合。

（2）全面診斷法。通過觀察和經(jīng)驗等方面不能夠準確診斷出故障時，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，再安裝很難達到原裝質量，即平時所說的“汽車沒跑壞反被修壞”。

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

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

3 汽車機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)代復雜系統(tǒng)設備故障進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系，數(shù)學模型的形式取決于故障樹結構。

設汽車由n個零部件構成，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：

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

設故障樹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，當集合S發(fā)生時，即[Xi1=Xi2=Xil=1]，結果事件發(fā)生，則S為故障樹G的一個割集。若在S中隨機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。

結果頂事件在t時刻發(fā)生的概率是隨機變量[Φ]的期望值：

設故障樹由n個底事件[X1，X2，…，Xn]構成，事件i的故障概率為[Pi（t）=PXi（t）=1]，結果事件的結構概率函數(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)學公式表示為：

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

4 汽車機械故障診斷系統(tǒng)設計

使用汽車機械故障診斷系統(tǒng)，能夠及時掌握汽車的運行動態(tài)，監(jiān)測汽車的運行情況。當汽車發(fā)生機械故障時，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)框架結構設計和系統(tǒng)功能設計是系統(tǒng)設計的核心問題。

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

在圖1所示的SSi框架結構中，Struts框架用于實現(xiàn)控制層，封裝客戶端的請求并調用業(yè)務層的Service類;Spring框架，支持可重用業(yè)務和數(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)目標通過系統(tǒng)功能來表達和實現(xiàn)，系統(tǒng)功能設計在軟件生命周期中屬于概要設計階段，主要任務是基于模塊化思想設計系統(tǒng)的功能組成。汽車機械故障診斷系統(tǒng)功能由基本信息維護、機械故障診斷和系統(tǒng)管理維護等三個子系統(tǒng)構成，每個子系統(tǒng)又由四個功能模塊構成，功能設計結果如圖2所示。

5 汽車機械故障的預防措施

任何機械零部件發(fā)生故障或異常，如果不能及時排除，不但會影響出行體驗、影響貨物運輸，還可能由此引發(fā)更大的故障，導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)生機械故障時的應對策略，根本的解決辦法還是預防措施。最有效的汽車機械故障預防措施具體包括以下幾個方面：一是，把好汽車生產(chǎn)質量關。汽車的很多機械故障都與生產(chǎn)廠商有關，國家制定嚴格的生產(chǎn)標準，并采取有力措施監(jiān)控汽車生產(chǎn)質量，在源頭上控制汽車機械故障。二是，重視汽車維護保養(yǎng)。維修保養(yǎng)是防范汽車機械故障的有效路徑，定期對汽車零部件狀態(tài)進行排查，及時更換潤滑油，定期檢測各種情況，將機械故障控制在萌芽狀態(tài)。三是，提高汽車駕駛技術。正確的駕駛操作，能夠有效保護零部件，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)。基于物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術，及時監(jiān)測到機械故障。

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