鄒天剛，杜明剛，陳 娟

(中國北方車輛研究所車輛傳動重點實驗室，北京100072)

隨著科學技術的發(fā)展，各種車輛的結構變得越來越復雜，特別是在信息化技術浪潮推動下，及電子計算機控制技術在車輛上的廣泛應用，使得車輛機電液一體化成為一種必然的選擇和發(fā)展趨勢[1].而與此同時，伴隨著傳動電控系統(tǒng)日趨龐大、技術越來越復雜，給傳統(tǒng)的傳動裝置維修帶來了挑戰(zhàn)，因而，現(xiàn)代故障診斷技術的研究成為當務之急[2].

在經(jīng)驗積累的基礎上，設置測試點進行狀態(tài)監(jiān)測并完成故障診斷設計，是一套行之有效的方法.但隨著系統(tǒng)復雜程度越來越高，信號之間的邏輯關系越來越復雜，信息量也呈幾何級數(shù)增長，依據(jù)經(jīng)驗進行測試與故障診斷的方法逐漸顯露出弊端，例如:電控系統(tǒng)中各種信號傳感器之間存在的冗余邏輯關系、測試點設置是否能夠滿足測試需求，需要通過專業(yè)軟件進行分析.

本文選用液壓操縱系統(tǒng)作為研究對象進行分析，有3個原因:1)由于測試傳感器設置數(shù)量僅有30個，與綜合傳動裝置近20個部件(逾6000個零件)相比，數(shù)量明顯不足，所以若將整個綜合傳動裝置作為分析對象明顯不具備分析條件;2)液壓操縱系統(tǒng)內(nèi)部零件邏輯關系復雜，有必要進行分析;3)液壓操縱系統(tǒng)工作原理清晰，便于分析.

1 液壓操縱系統(tǒng)工況的確定

1.1 液壓操縱系統(tǒng)功能

液壓操縱系統(tǒng)的主要功能是按照電子控制系統(tǒng)的指令，完成換擋操作，完成閉鎖離合器的結合與分離，并對離合器的結合過程進行控制，保證過渡過程的品質.在電控系統(tǒng)配合下，可實現(xiàn)6個前進擋、2個倒擋、1個中心轉向擋以及空擋的操作.

1.2 液壓操縱系統(tǒng)結構組成

液壓操縱系統(tǒng)由比例減壓閥、梭閥、開關電磁閥等組成，其中比例減壓閥按照電控系統(tǒng)指令根據(jù)目標油壓曲線完成充放油控制.電液比例閥包含DB1、DB2、DB3、DBL、DBH、DBR、DBB，梭閥包含S1、SR、SL，開關電磁閥包含K3、KH.行星變速機構用的油缸與本研究關系密切，也作為分析對象.其組成見圖1.

圖1 液壓系統(tǒng)組成圖

1.3 液壓操縱系統(tǒng)工況的確定

通過將各個元件按照預先設計規(guī)律的狀態(tài)進行組合(如閥的開關、開口量的大小)來實現(xiàn)不同擋位狀態(tài)和變矩器狀態(tài)的控制.在換擋過程中，液壓元件呈現(xiàn)出2種狀態(tài):動態(tài)過程和靜態(tài)過程。動態(tài)過程是指在換擋過程中或者液力變矩器在液力和機械工況轉換過程中，電液比例閥處在動態(tài)變化過程中，其狀態(tài)隨時間連續(xù)變化。靜態(tài)過程是指在換擋結束到下一次換擋開始之前，以及液力變矩器處于機械或者液力工況時，各個液壓元件處于相對不變的確定狀態(tài).

液力變矩器控制部分分為閉鎖狀態(tài)(對應于變矩器機械狀態(tài))和解鎖狀態(tài)(對應于變矩器液力狀態(tài)).

換擋控制部分要控制的狀態(tài)有13種，即斷電狀態(tài)、空擋、1擋、2擋、3擋、4擋、5擋、6擋、倒1擋、倒2擋、應急1擋、應急倒1擋、中心轉向擋.

當夜壓操縱系統(tǒng)處于動態(tài)調(diào)整過程中時，各個液壓元件的狀態(tài)是連續(xù)變化的.在這種情況下，其狀態(tài)監(jiān)測困難，故障診斷的實現(xiàn)難度大.因此，此狀態(tài)不作為車輛隨車診斷的分析工況.

因考慮到4擋是經(jīng)常使用的擋位(其工作時間約占車輛總行駛時間的30% ～40%)，并且車輛由3擋換位到4擋是該綜合傳動裝置動態(tài)變化最劇烈的一個擋位，所以選用4擋工況作為車輛隨車診斷的分析工況.

2 4擋工況下的控制狀態(tài)分析

4擋工況的控制原理圖見圖2.

2.1 4擋工況的運行狀態(tài)分析

在4擋工況下，操縱件C1和CH為結合狀態(tài)，其余操縱件均為分離狀態(tài)，閥DB1、DBH和KH為通電狀態(tài)，其余的閥均為斷電狀態(tài).

C1控制回路中，電液比例閥DB1通電，油壓通過電液比例閥DB1、梭閥S1作用于單作用缸C1，使油缸向右側移動，摩擦片結合.

CH控制回路中，電液比例閥DBH通電，油壓通過電液比例閥DBH作用于雙作用缸CH的左缸;同時，電磁閥KH通電，壓力油經(jīng)過電磁閥KH到達油箱，即油壓不作用于閥HH，雙作用缸CH的右缸與油箱連通，油缸活塞在左缸的油壓作用下向右側運動，摩擦片結合.

C3控制回路中，電磁閥K3為斷電，油壓作用于閥H3，油壓能夠作用于單作用缸C3的右缸;此時，電液比例閥DB3為斷電狀態(tài)，雙作用缸C3左缸與油箱連通，油缸活塞在右缸的油壓作用下向左側移動，摩擦片分離.

4擋工況下，C2、CL、CR、CB控制回路中的電液比例閥均為斷電狀態(tài)，油缸活塞在彈簧的作用下向左側運動，摩擦片分離.

圖2 4擋工況的原理圖

2.2 各組成單元工作狀態(tài)分析

綜合傳動裝置在4擋工況下，各組成單元的工作狀態(tài)見表1.

表1 4擋工況各組成單元工作狀態(tài)表

3 測試性模型建立

3.1 元件與故障的定義

在定義元件與故障之前，作如下前提假設:

1)位于閥H3和閥HH前的2個不可調(diào)節(jié)流孔以及閥YJF可靠性很高，假定其總是處于正常狀態(tài);

2)假定壓力傳感器可靠性足夠高，即假定其總是處于正常工作狀態(tài);

3)操縱主壓故障模式與本分析無關，因此假定操縱主壓總是處于正常狀態(tài);但該油壓影響單作用缸C1和CH的工作狀態(tài)，故在建模時增加了輸入油壓模塊來說明輸入信號的狀態(tài).若經(jīng)診斷確認輸入油壓有故障時，則說明其輸入信號異常.

4)油底殼的狀態(tài)對本模型的結果沒有影響，故沒有建立油底殼模塊的模型;

5)油缸及液壓閥未出現(xiàn)中間狀態(tài)(卡死在中間過渡位置)，即對液壓閥故障情況定義為“應該導通而未導通”和“應該關閉而未關閉”2種.

在4擋工況下，對各組成單元的故障進行定義，見表2.

表2 各組成單元的故障定義表

根據(jù)以往測試經(jīng)驗和結構布置需求，在4擋工況下，各測試點的布置和具體定義見表3.

表3 各測試點邏輯值的含義

3.2 測試性模型的建立

根據(jù)4擋工作狀態(tài)原理，以及測試性建模的單元和測試點的定義，在分析各個單元間的相關性關系基礎上，采用Teams軟件建立了4擋工況下的測試性模型，見圖3.

圖3 4擋工作狀態(tài)下的測試性模型

4 測試性模型的靜態(tài)分析

4.1 模糊組分析

根據(jù)現(xiàn)有測試點，液壓操縱系統(tǒng)按照診斷到元件級別的水平，存在的模糊組有5個，見表4.由此可見，如果要進一步區(qū)分模糊組內(nèi)部到底哪個元件出現(xiàn)了故障，那么現(xiàn)有的測試點需要增加.

表4 模糊組組成

4.2 不能檢測的故障

基于目前所設置的測試點，綜合傳動裝置在4擋工況下不能檢測到的組件見表5.

表5 不能被檢測到的組件

4.3 隱藏故障

本模型中，對于梭閥S1和電液比例閥DB1模糊組、梭閥SL和電液比例閥DBL模糊組、梭閥SR和電液比例閥DBR模糊組、電液比例閥DB3和雙作用缸C3模糊組，均沒有隱藏故障.對于輸入油壓故障，隱藏故障集為:梭閥S1、電液比例閥DBH、電液比例閥DB1.

5 診斷策略設計分析

在假定測試費用、測試時間、可靠性、被監(jiān)測元件重要性均相等的前提下，以最少測試次數(shù)、最高軟件診斷速度為優(yōu)化目標，利用Teams軟件提供的診斷策略設計和分析功能，在測試性模型基礎上以故障診斷樹形式生成最優(yōu)診斷策略，并對策略的故障檢測和隔離能力進行了統(tǒng)計分析.

在診斷策略設計中，僅考慮故障狀態(tài)的影響，未考慮故障發(fā)生概率以及各測試點的測試時間和測試費用的影響.

在4擋工況下的相關性矩陣，見表6.

表6 4擋工況相關性矩陣

該裝置共選用了8個測試點，即所有測試點均被選用.合并相關性矩陣相同的行，去掉未選用測試點所對應的列，再加上“無故障”時所對應的結果，即可得到其故障字典.4擋工況下的故障字典，見表7.

表7 液壓操縱系統(tǒng)4擋工況故障字典

以測試性模型為基礎，利用Teams軟件得到4擋工況下的故障診斷樹圖，見圖4.

圖4 4擋工況故障診斷樹

4擋工況下的測試性模型的測試性結果統(tǒng)計，見表8.

表8 4擋工況測試性模型的測試性指標

對4擋測試性模型進行測試性分析，生成模糊組和測試使用情況柱狀圖，見圖5.

圖5 模糊組和測試使用情況柱狀圖

圖5表明:從模糊度指標來看，模糊組為1個的占18%，模糊組為2個的占36%，模糊組大于9個的占46%;最終實現(xiàn)故障隔離需要用到2個測試的占22%，要求用到3個測試的占9%，要求用到4個測試的占9%，要求用到5個測試的占4%，要求用到6個測試的占4%，要求用到7個測試的占52%.由此可見，大于9個元件的模糊組所占元件數(shù)量多，實現(xiàn)故障隔離所用的測試步驟和測試點多，現(xiàn)有的測試傳感器數(shù)量不能滿足狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的需要，應增加傳感器數(shù)量.

6 結論

基于單故障假設條件，運用Teams軟件建立了綜合傳動裝置液壓操縱系統(tǒng)4擋工況測試性模型，在假設各組件可靠性和費用相等的情況下，對模型進行了靜態(tài)分析和測試性分析，得出了相關性矩陣和故障診斷樹，并生成了故障字典.最后按照診斷到每個組件的目標，對現(xiàn)有傳感器設置水平下的測試性進行了分析計算.以下是根據(jù)分析結果得到的幾點改進啟示.

1)增加測試點的配置.

根據(jù)現(xiàn)有8個傳感器設置的情況進行分析，不能被檢測到的組件有單作用缸CR、電磁閥KH、單作用缸CL、單作用缸CB、雙作用缸CH、單作用缸C2、閥HH、電磁閥 K3、閥H3、單作用缸C1.目前傳感器沒有冗余、重復設置.因此，如果要加強測試性，必須增加傳感器設置數(shù)量，具體安裝位置需要根據(jù)具體結構進行設計.

2)增強故障診斷的能力.

按照診斷到每個元件的目標，故障檢測率為54.55%，隔離到單個元件的故障隔離率為18%，隔離到單個組件水平的故障隔離率為33.33%，隔離到兩個組件水平的故障隔離率為66.67%.由此可見，目前傳感器設置不能很好滿足故障診斷的要求.解決措施有2個:(1)增加測試點的數(shù)量;(2)根據(jù)實際產(chǎn)品運行過程中的具體情況，合理設置隔離單元，即隔離單元可按照實際部件總成來設置，以滿足故障診斷指標.

3)優(yōu)化檢測與故障診斷的順序

當需要檢測與診斷的系統(tǒng)較為復雜時，運用Teams軟件進行測試性分析，優(yōu)化檢測和故障診斷的流程，將提高測試系統(tǒng)尤其是故障診斷軟件的運行效率，從而提高故障診斷結果預報的實時性和可靠性.

[1]朱大奇.電子設備故障診斷原理與實踐[M].北京:電子工業(yè)出版社，2004.

[2]馬 彪，萬耀青，王文清.車輛動力傳動系統(tǒng)故障診斷研究和應用[M].北京:北京理工大學車輛工程學院，1999.