基于故障樹分析的電控共軌發動機故障診斷分析研究

摘 要：隨著計算機的普及應用和電子技術的迅速發展，電子控制技術在車輛的應用越來越廣泛，特別在重工業領域電控高壓共軌柴油發動機廣泛應用，使傳統的車輛故障處理方法不再適用當前車輛維修管理。尤其是柴油發動機故障判斷和處理的研究，對提高發動機的運行效益有重要的意義。本文應用故障樹分析的方法，結合當前汽車故障處理情況，對柴油共軌發動機故障進行全面梳理分析，利用故障樹分析結果，建立發動機故障處理系統軟件，為快速處理發動機故障提供了借鑒的經驗。

關鍵詞：故障樹分析法 高壓共軌 發動機故障

1 故障樹分析法研究

1.1 故障樹分析法

故障樹分析法（Fault Tree Analysis，FTA）是倒置式分析方法[1]，從事件的結果開始分析查找原因，它從故障引起的后果和影響程度開始進行分析，按照從整體到局部的原則，采用樹狀結構對系統故障形成的原因進行細化分解。通過故障樹分析系統后，查找出系統易出故障的薄弱環節，采取有效的應對措施提前預測機械設備的故障，或對設備薄弱部件進行改進優化、定期維修避免事故的發生，實現系統的最佳運行狀態。特別是對系統進行可靠性與安全性分析以及設備故障的預測有廣泛的應用，對于系統設備故障的預防分析和控制有較好的效果。在設備系統故障分析中，大多數首先采用故障樹分析方法進行故障診斷技術的研究，通過故障樹進行系統可靠性和安全穩定性分析，還可以增加維修、人工等因素，不僅可以進行單個故障原因的分析，還可以對多種原因綜合發生時對設備狀況的影響進行分析。

伴隨著電子信息技術的發展和計算機的廣泛應用，實際故障診斷中，用故障樹分析進行故障診斷被越來越多的專業人員所使用。直觀的Windows圖形畫面和簡單的操作方法，使與計算機技術與故障樹分析法結合的步伐加快，應用計算機軟件對故障樹分析法進行理論研究也逐漸地成熟，失效模式分析、故障樹分析法、影響致命度分析法等可靠的軟件，應用到專業的研究和教學中，并從單機模式向網絡化發展，出現了智能化的故障診斷專家系統。目前，故障樹分析法已經在航空航天、化工制造、核能利用、機械設計、電子技術等行業得到廣泛應用。

1.2 故障樹建樹分析步驟

故障樹分析法（FTA）是把系統故障或需要研究分析的事件作為故障樹的頂事件[2]，通常是在設備中最不希望發生的事件，然后逐級向下分析查找原因，直至找到最終的結果。處于過渡狀態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階段。

（1）熟悉系統，確定頂事件。對一個系統進行分析之前，要首先了解系統的基本構造、各部件的功能和工作原理，熟悉整個系統的工作過程和故障現象，確定頂事件，就是要研究和分析的對象。

（2）構造故障樹，就是常說的建樹，通過收集相關的資料進行整理分析后，逐級找出級事件的全部可能的直接原因，并用故障樹的符號表示各類事件的邏輯關系，直至分析到各類底事件為止。

（3）簡化故障樹，從已經建立的故障樹最下一級開始向上分析，寫出每一級上級事件與下級事件的邏輯關系式，轉化成與門或門的邏輯關系，進行分析運算，然后把多余的事件刪除；或者使復雜的分支模塊化，成為簡單的故障樹。如圖1，為最簡單的三單元系統故障樹簡圖。

（4）定性分析，求出故障樹的全部最小割集。

（5）定量分析，包括計算頂事件發生概率，底事件的概率重要度分析和靈敏度分析，及機構重要度等。

2 電控高壓共軌技術

隨著電子技術的發展，在汽車發動機控制上使用的電子元件越來越多，電子控制技術的廣泛應用，使車輛的燃燒配比更加合理，大大減少了發動機的廢物排放，降低了車輛的油耗，特別是電控噴油技術的發展，使柴油機電控高壓共軌燃油系統逐漸應用到一般的柴油發動機車輛上。

傳統的汽車柴油機在高速運轉時，燃料燃燒做功的過程中，噴射過程的時間十分短暫，在噴油器噴射柴油的整個過程，由于噴油器的開閉，高壓油管壓力隨時間位置的不同也隨之發生變化。由于發動機高壓油管中柴油的壓力波動，造成實際的噴油狀況與標準的噴油泵供油規律出現較大的差異。當高壓油管壓力在主噴射之后仍然上升，達到使噴油器的針閥開啟的壓力時，就會迫使針閥打開，進行二次噴射，而此時發動機活塞未達到上止點的噴油位置，氣缸內的壓力未達到最大值，造成柴油在氣缸內燃燒不充分，會加大發動機的尾氣排放量，增加燃油消耗和空氣污染。另外，在發動機低轉速時，由于發動機高壓油管的殘余壓力的存在，會產生不穩定的噴射狀況，嚴重的情況下，還可能造成噴油不均勻，出現間歇的缺缸現象，影響發動機正常工作和功率的輸出。柴油發動機“共軌”的技術的應用，使高壓油管的各處的壓力保持一致，避免了油壓變化給發動機帶來的影響。

共軌技術，實際是利用電子控制，高壓泵在共軌管道中產生穩定的高壓燃油，隨時供應給噴油器[3]。噴油壓力的產生，主要是ECU（發動機電子控制單元）通過壓力傳感器的信號控制高壓泵的工作，油泵產生高壓的燃油輸送到共軌中，共軌中燃油的壓力不受發動機轉速的影響。噴油過程的控制，主要是ECU通過曲軸傳感器的信息，控制噴油器電子閥的開啟時間，達到控制噴油器的噴油量的大小的目的。

3 故障樹理論在電控共軌發動機故障分析中的應用

應用故障樹分析法對電控高壓共軌柴油機各系統故障的原因進行綜合分析，從發動機的機構功能出發，把各系統的故障原因作為底事件，由下向上推理，推導出故障原因可能帶來的故障現象，建立綜合故障診斷分析故障樹模型。

電控共軌發動機常見故障主要有發動機啟動困難、發動機加不上速、發動機異響、發動機機油消耗增加等。從發動機的故障現象入手，進行故障原因分析，尋求解決故障的辦法，并利用故障樹理論對故障分析計算。

3.1 柴油機啟動困難的故障樹建立和分析

柴油機啟動困難可以從三個方面查找，包括燃油供應系統、電氣啟動系統和壓縮壓力系統。燃油系統提供燃料，電氣啟動系統提供動力，壓縮壓力系統提供場所。

柴油機啟動困難時，排氣現象最為明顯，會出現冒黑煙、冒白煙或者不冒煙的現象。如果排氣管冒黑煙，可能是噴油器霧化質量不好、氣缸內壓力低、進氣量不足、噴油正時不準確等。如果排氣管冒白煙，可能是氣缸內進水、油路中進水。如果不冒煙，可能是油箱油量過少、油路不暢，起動機動力不足、空氣濾清器堵塞，氣缸壓力壓縮力過低，噴油霧化不良等。根據上述故障分析，建立柴油機啟動困難的故障樹。

3.2 柴油機異響的故障樹建立和分析

發動機正常工作時，按照一定的規律循環動作，金屬之間的接觸產生輕微的有節奏的響聲，屬于正常的金屬接觸響聲。隨著發動機工作時間的增加，各部件之間磨損增大、部分零件受載荷等外力影響變形，維護不良造成的損耗等都會增大發動機部件之間不正常的聲響，都稱為發動機異響。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，油道阻塞造成的機油壓力過低，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，軸承過度疲勞造成合金層燒毀。

（2）連桿瓦異響主要原因有：機油壓力過低，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大，機油變質或缺少機油，固定螺栓松動。

（3）活塞銷異響主要原因有：銷環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，活塞與襯套配合過緊，氣缸內部磨損，軸頸與連桿軸承配合過緊，氣缸壁和活塞和潤滑不良。

通過以上分析，建立電控共軌柴油機異響的故障樹。

3.3 發動機機油消耗大的故障樹建立與分析

發動機機油消耗大，主要的表現是發動機啟動后排氣管大量冒藍煙。原因是機油進入氣缸參加了燃燒的過程，一部分為燃燒的機油通過排氣道排出。發動機燒機油會在氣缸內行成積碳，加快活塞、活塞環的磨損。排氣管冒藍煙有以下幾種原因。

（1）活塞與氣缸壁之間的間隙過大，機油從油底進入氣缸頂部，在燃燒室內燃燒。

（2）油底殼內機油過多，發動機高速運轉時，將油底的機油帶到汽缸壁的量增多，活塞如果刮油不干凈，機油進入燃燒室燃。

（3）活塞環折斷或老化，使其刮油作用減弱造成竄油現象。

通過上述分析，建立發動機機油消耗大的故障樹。

4 故障樹的定性、定量分析

4.1 發動機啟動困難故障樹定性分析

以發動機啟動困難故障樹為例進行定行分析，對故障樹進行定性定量的分析，能夠找到影響整個系統的關鍵事件[4]，也就是頂事件的發生的主要問題，為頂事件的定量分析（頂事件發生概率和底事件的重要度）做好鋪墊。

這里我們應用上行法求解法發動機啟動困難故障樹的最小割集，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，然后與上一級的邏輯門再有其輸出表示，逐漸往上推理，直至達到頂事件為止。

根據發動機啟動困難的故障樹圖，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，發動機啟動困難系統的最小割集為17個，分別是

｛x1｝，｛x2｝，｛x3｝，…，｛x，15｝，｛x16｝，｛x17｝

4.2 發動機啟動困難故障樹定量分析

故障樹的定量分析[5]，可利用故障樹分析軟件直接進行計算。可根據故障樹分析軟件，通頂事件的計算公式，計算可得發動機啟動困難故障的發生概率為0.09469。

由以上的分析數據可知，造成發動機啟動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，發現以上故障現象可以從這些方面入手，可快速解決問題。

5 建立發動機故障的分析處理系統

5.1 發動機故障處理系統介紹

利用故障樹的分析結果，采用計算機編程技術，將發動機常見故障進行綜合處理，建立發動機的故障處理系統軟件。該軟件的功能，主要是錄入功能、后臺計算功能，查詢功能。

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

后臺計算功能，是將故障樹分析的結果，錄入計算機，通過計算機程序，按照底事件定量分析的結果，按照一定的次序將故障處理辦法進行排列，使頂事件發生的處理方法最優的排在最前面，保證快速及時的排查故障。

查詢功能，主要是為車輛維修提供便利，當車輛發生故障不易判斷時，通過故障查詢，能快速及時地查詢出故障的處理辦法，為及時處理故障創造條件。

5.2 發動機故障處理系統主程序設計

在該軟件程序基于.Net平臺進行開發，應用WPF技術，采用C#語言進行編程，主要是因為C#語言語法簡潔，它具有面對對象語言所具有的一切特性，在C#的類型系統中，每種類型都可以看作一個對象，僅需要使用簡單的C#語言結構，就能夠方便地為Web服務，可以通過Internet運行在任何操作系統上被任何語言所調用，使用了模塊化的組織方式，保證了整個系統良好的交互性、可用性和可擴展性，便于系統維護和升級。

主程序主要內容包括，軟件的整體框架和內容，以及軟件的實現的功能。根據日常的工作需要和查詢的故障處理方便。整體框架為windows是熟悉的頁面結構，內容包括車輛型號、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。下面這段程序為車輛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（\"故障碼范圍應在001-999之間\"）;

return;

}

}

catch

{

MessageBox.Show（\"故障碼請輸入數字\"）;

return;

}

if （textBox2.Text == \"\"）

{

MessageBox.Show（\"請錄入故障現象\"）;

return;

}

if （textBox3.Text == \"\"）

{

MessageBox.Show（\"請錄入故障原因\"）;

return;

}

if （textBox4.Text == \"\"）

{

MessageBox.Show（\"請錄入故障處理方式\"）;

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 結論

本文以故障樹分析方法基本理論為基礎，對電控高壓共軌柴油機按照構造進行故障分析，建立故障樹圖。在故障樹定量計算中，引入了故障樹軟件，將一些基本的算法通過程序輸入到軟件中，在故障樹建立過程中，就能夠在后臺進行計算，避免單獨計算時間損耗，提高故障樹定量計算的分析效率。以電控高壓共軌發動機啟動困難為實例，進行故障樹的建立和事件的定性、定量分析，建立了發動機故障處理系統軟件，其研究成果具有較強的應用價值。利用故障樹分析法的結果，建立了車輛發動機故障處理軟件，通過局域網連接，應用于不同的車輛維修單位，實現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，實際應用價值。

參考文獻：

[1]黃洪鐘.機械系統故障樹分析的一種新的模糊方法[J].機械科學與技術，1994（1）：19-21.

[2]王江萍.機械設備故障診斷技術及應用[M].西安：西北工業大學出版社，2001.

[3]郭建梁.柴油發動機高壓共軌電控系統原理與故障檢修[M].北京：機械工業出版社，2012.

[4]楊曾芳，呂希勝.基于故障樹的數控機床故障診斷系統[J].科技創新導報，2012.

[5]武莊，石柱.基于故障樹模糊集合論的故障樹分析方法研究[J].系統工程與電子技術，2000（9）.

[6]張興耀，孫鐵成，陶明，等.基于故障樹的履帶推土機智能診斷系統[J].拖拉機與農用運輸車，2014（8）.