基于GO法的消防車多模式懸架系統(tǒng)可靠性研究

張寶海， 陳成， 孫占瑞， 張勇

（1.徐州工程機(jī)械集團(tuán)有限公司，江蘇 徐州221004;2.江蘇徐工工程機(jī)械研究院有限公司，江蘇 徐州221004;3.徐工集團(tuán)高端工程機(jī)械智能制造國家重點實驗室，江蘇徐州221004）

0 引 言

懸架是現(xiàn)代汽車上的重要總成之一，位于車架與車輪之間，用于傳遞作用在車輪和車架之間的一切力和力矩，緩和路面沖擊載荷，衰減承載系統(tǒng)的振動，保證汽車行駛的平順性[1]。消防車作為應(yīng)急救援裝備，其自身攜帶多種救援器械，且需要應(yīng)對各種復(fù)雜路面，對其懸架系統(tǒng)可靠性提出了較高要求。GO法（成功流法）是在20世紀(jì)60年代中期由美國Kaman科學(xué)公司提出，到20世紀(jì)80年代EPRI公司開發(fā)了通用的GO法程序，使得GO法功能得到進(jìn)一步完善，適用于復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性研究[2]。

1 GO法的基本原理

GO法是以成功為最終目標(biāo)的系統(tǒng)可靠性分析方法[4]，適用于復(fù)雜系統(tǒng)[5]。從輸入事件開始，首先確認(rèn)系統(tǒng)原理圖或流程圖，將其按規(guī)則翻譯為GO圖，然后進(jìn)行GO運(yùn)算并對計算結(jié)果進(jìn)行評價。GO圖中操作符表示真實的零部件，或者表示零部件間的邏輯關(guān)系，信號流把操作符連接起來，表示具體的物流，或者表示邏輯上的進(jìn)程[6]。建立GO圖后可以進(jìn)行運(yùn)算，GO運(yùn)算包括定量運(yùn)算和定性分析，經(jīng)過計算得到系統(tǒng)的成功概率，并對結(jié)果的可靠性進(jìn)行評價，找出影響系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵因子，確認(rèn)系統(tǒng)風(fēng)險點及改善措施。GO法基本原理圖如圖1所示。

圖1 GO法基本原理圖

2 多模式懸架系統(tǒng)GO圖

2.1 多模式懸架系統(tǒng)邏輯圖

懸架是車架和車輪之間的一切傳力連接裝置的總成。按照結(jié)構(gòu)方式分為非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架。非獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，但剛度大、平順性較差；獨(dú)立懸架簧下質(zhì)量小、占用空間小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、維修困難。

本文多模式懸架系統(tǒng)采用獨(dú)立懸架，以伸縮油缸作為彈性元件，油缸行程為0～400 mm，包括正常行駛模式、作業(yè)模式、越障模式等3種模式。正常行駛模式時，懸架油缸伸出100 mm，車輛可以獲得充分的彈性伸縮空間，提高整車的越野性能；作業(yè)模式時，懸架油缸處于全縮狀態(tài)，此時整車高度最低，重心位置降低，提高了作業(yè)穩(wěn)定性；越障模式時，懸架油缸伸出400 mm，整車離地間隙達(dá)到最大，可以輕松越過障礙，提高了整車的通過性能。多模式懸架系統(tǒng)邏輯圖如圖2所示。

圖2 多模式懸架系統(tǒng)邏輯圖

懸架系統(tǒng)液壓原理如圖3所示，各序號與圖2一一對應(yīng)。各模式懸架系統(tǒng)工作原理如下：1）正常行駛模式。電磁閥Y111、Y121、Y131、Y141得電導(dǎo)通，前橋剛性鎖止閥組7、8，前橋蓄能器9、11，前橋懸架油缸11、12組成閉合回路，后橋剛性鎖止閥組14、13，后橋蓄能器17、15，后橋懸架油缸18、16組成閉合回路，蓄能器內(nèi)預(yù)充一定油液，當(dāng)車輛遇到?jīng)_擊時，懸架油缸內(nèi)的油液流向蓄能器，沖擊消失后，自動恢復(fù)原狀。

圖3 懸架系統(tǒng)液壓原理圖

2）作業(yè)模式。電磁閥Y111、Y112、Y121、Y122、Y131、Y132、Y141、Y142得電導(dǎo)通，懸架油缸10、12、16、18大腔分別經(jīng)電磁閥Y112、Y122、Y142、Y132與油箱1連通，大腔油液流回油箱1，蓄能器9、11、15、17內(nèi)的油液分別補(bǔ)充至懸架油缸10、12、16、18的小腔，同時蓄能器9、11、15、17內(nèi) 油 液 分 別 經(jīng) 電 磁 閥（Y111、Y112）、（Y121、Y122）、（Y141、Y142）、（Y131、Y132）流回油箱1，此時懸架油缸被壓縮，整車高度降低，直至懸架油缸全部收縮為止。

3）越障模式。電磁閥Y111、Y113、Y121、Y123、Y131、Y133、Y141、Y143得電導(dǎo)通，油液經(jīng)齒輪泵3帶動從油箱1分別經(jīng)電磁閥Y113、Y123、Y133、Y143流向懸架油缸10、12、18、16的大腔，懸架油缸10、12、18、16小腔內(nèi)的油液分別流向蓄能器11、9、15、17，當(dāng)蓄能器內(nèi)油液充滿后，懸架油缸小腔內(nèi)的油液分別經(jīng)電磁閥Y121、Y111、Y141、Y131流向懸架油缸12、10、16、18的大腔，懸架油缸伸出直至達(dá)到最大行程400 mm為止，此時整車離地間隙達(dá)到最大700 mm，可以輕松越過障礙。

齒輪泵3的動力由變速箱19提供，模式切換按鍵19可以切換3種懸架模式，ECU 21內(nèi)置控制程序，當(dāng)選擇懸架后調(diào)用對應(yīng)程序，控制相應(yīng)的電磁閥開閉。懸架油缸上裝有懸架高度傳感器22，車輛上裝有車身水平傳感器23、車速傳感器24，可以實時將懸架高度與車輛信息反饋至ECU，使整車控制形成閉環(huán)，提高懸架使用安全性。

2.2 建立GO圖

按照規(guī)則將原理圖翻譯成GO圖，作業(yè)模式和越障模式的GO圖如圖4所示，正常行駛模式的GO圖如圖5所示。圖中圓圈內(nèi)第一個數(shù)字表示操作符的類型，第二個數(shù)字表示操作符的序號，箭頭上的數(shù)字表示信號流的序號[7]，操作符序號與圖2中邏輯圖內(nèi)的編號一一對應(yīng)。

圖4 作業(yè)模式與越障模式GO圖

圖5 正常行駛模式GO圖

其中油箱、變速箱、模式切換按鍵是系統(tǒng)的輸入信號，包括成功和故障等2個狀態(tài)，用類型5表示；蓄能器在作業(yè)模式和越障模式時屬于兩狀態(tài)單元，用類型1表示，在正常行駛模式時屬于系統(tǒng)輸入信號，用類型5表示；ECU屬于多信號發(fā)生器，一個輸入多個輸出，用類型4表示；齒輪泵、剛性鎖止閥組、懸架控制閥組分別有兩個輸入的信號流，其中油箱及油箱、懸架控制閥組輸出的油液是主輸入信號流，變速箱、ECU輸出的力和電子信號是次輸入信號流，用類型6表示；正常行駛模式時剛性鎖止閥組的主輸入信號流是蓄能器中的油液，此時蓄能器為輸入信號，用類型5表示；其余用類型1表示。信號流10、12、16、18代表作業(yè)模式與越障模式下的懸架油缸的輸出，這4個信號流的輸出是“與”的關(guān)系，用類型10表示；正常行駛模式下的油缸輸出分別是信號流35、38、41、44，它們是“與”的關(guān)系，也用類型10表示；信號流27、45分別代表作業(yè)模式與越障模式、正常行駛模式下的輸出[8]。

3 懸架系統(tǒng)GO法可靠性分析

3.1 定量GO運(yùn)算

本車懸架系統(tǒng)的零部件只有成功和故障兩種狀態(tài)。Asi表示第i個信號流的成功概率，Pci表示第i個操作符的成功概率。各個信號流計算成功概率的公式如下：

整理后可得：

上述各操作符的概率情況如表1所示。將表1中的數(shù)據(jù)及整理后的公式代入式（1）、式（2）可得：

As27=0.767；As45=0.908。

需要對共有信號5和6進(jìn)行修正。修正的方法是：把最終版計算公式展開至最小操作符，將共有信號的多次項改為一次項。修改后的概率計算公式為

再將表1中各操作符的數(shù)據(jù)代入到修正后的式（3）中，計算可知作業(yè)模式與越障模式下懸架系統(tǒng)的固有可靠度為As27′=0.835。

表1 零部件成功概率[8]

3.2 定性GO分析

本懸架系統(tǒng)是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中任一零部件出錯都會造成系統(tǒng)故障，即21個零部件均是系統(tǒng)的最小割集。

通過表1中的數(shù)據(jù)求解獲得作業(yè)模式與越障模式的故障概率為0.105，正常行駛模式時故障概率為0.066，即懸架系統(tǒng)的成功概率分別為0.895和0.934。

3.3 系統(tǒng)可靠度評價

文中利用定量計算和定性分析獲得了懸架系統(tǒng)可靠性結(jié)果，如表2所示。

表2 系統(tǒng)成功概率

由表2可知，正常行駛模式由于涉及功能部件較少，整體成功概率均高于作業(yè)模式與越障模式。定量分析時，不對共有信號進(jìn)行修正，所得系統(tǒng)成功概率較低，不符合實際情況，所以對共有信號的修正是定量分析的必要步驟；采用定性分析比較簡單，可用于粗略估計系統(tǒng)成功概率，但由于未考慮系統(tǒng)元件之間的相互影響因素，所得的成功概率均大于定量計算的結(jié)果。

4 結(jié) 語

本文通過GO法對消防救援車多模式懸架系統(tǒng)的可靠度進(jìn)行研究，通過原理圖分別建立作業(yè)模式與越障模式、正常行駛模式的GO圖，經(jīng)過定量GO運(yùn)算和定性GO分析獲得系統(tǒng)的成功概率分別為0.835、0.908。由于正常行駛模式所涉及功能元件較少，故成功概率較高，在今后整車試驗時應(yīng)重點關(guān)注作業(yè)模式與故障模式。本文通過實例進(jìn)行計算分析，驗證了GO法在懸架系統(tǒng)可靠性研究中的可行性和便捷性，為消防車懸架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與試驗提供了理論基礎(chǔ)。