陳 鐵,鄭松林,2,劉新田,馮金芝,2
(1.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,上海 200093;2.機(jī)械工業(yè)汽車底盤機(jī)械零部件強(qiáng)度與可靠性評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200093)
從世界汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)動(dòng)向來(lái)看,燃料電池轎車正處于加速和突破發(fā)展階段,各大汽車公司都在加快整車關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā),以爭(zhēng)取未來(lái)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的主動(dòng)權(quán)[1]。目前,我國(guó)燃料電池轎車仍處于技術(shù)驗(yàn)證和特定試驗(yàn)考核階段,動(dòng)力系統(tǒng)可靠性不高是制約其產(chǎn)業(yè)化的主要因素之一[2-3]。為了改善燃料電池轎車整車可靠性分配不合理的問(wèn)題,研究整車可靠性指標(biāo)分配優(yōu)化尤為必要。
系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分配優(yōu)化方法通常是以總費(fèi)用最小為約束[4],并運(yùn)用模糊綜合評(píng)判法[5-6]或模糊層次分析法[7-8]進(jìn)行系統(tǒng)可靠性分配,但是,上述方法可能會(huì)由于評(píng)價(jià)因素過(guò)多、過(guò)雜而弱化產(chǎn)品可靠性歷史數(shù)據(jù)提供的客觀信息。
為了改進(jìn)現(xiàn)有可靠性分配方法的不足,本文中通過(guò)分析燃料電池轎車整車可靠性統(tǒng)計(jì)特性,提出了基于失效率變化量的可靠性分配層次分析法,評(píng)價(jià)各影響因素對(duì)燃料電池轎車整車失效率變化量的貢獻(xiàn),為實(shí)現(xiàn)整車可靠性優(yōu)化提供理論依據(jù)。
為便于進(jìn)行可靠性統(tǒng)計(jì)分析,根據(jù)燃料電池轎車故障危害程度的不同,可將故障劃分為4個(gè)等級(jí)[9]。燃料電池轎車故障分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。
表1 燃料電池轎車故障分級(jí)
本文中以28輛燃料電池轎車的用戶道路試驗(yàn)數(shù)據(jù)為樣本,進(jìn)行可靠性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。該樣本的累計(jì)行駛里程為833 102.84km,單車最大里程為34 358.70km,最小里程為 21 742.70km,平均值為29 753.67km。各樣車的行駛里程如圖1所示,故障統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。
表2 燃料電池轎車故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果
由表2可知,本次試驗(yàn)的燃料電池轎車故障主要發(fā)生在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)FCE(fuel cell engine)、電池及管理系統(tǒng)BMS(battery&management system)、電器EA(electrical appliance)以及電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)EDS(electric drive system)這4大系統(tǒng),傳統(tǒng)車體均未發(fā)生故障。28輛樣車共發(fā)生242例故障,各級(jí)故障所占比例分別為9%、28%、34%和29%,其中1級(jí)和2級(jí)故障屬于高級(jí)別故障,與傳統(tǒng)轎車相比,它們占的比例過(guò)大,出現(xiàn)此類現(xiàn)象的原因有3種:(1)故障收集不全面;(2)劃分的故障級(jí)別偏高;(3)該燃料電池轎車可靠性水平偏低。由于本次用戶道路試驗(yàn)的故障數(shù)據(jù)收集全面,而且故障等級(jí)劃分合理,所以,此處的原因?yàn)榈?種。
平均故障間隔里程MTBF,反映的是汽車平均無(wú)故障行駛的里程,是汽車可靠性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo),其計(jì)算公式如下:
式中:MTBFk為第k個(gè)子系統(tǒng)的平均故障間隔里程;T為累計(jì)行駛里程;rk為第k個(gè)子系統(tǒng)的故障數(shù)。
根據(jù)式(1),結(jié)合表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果,該車型整車MTBF 值為3 442.57km。
假設(shè)燃料電池轎車整車及各子系統(tǒng)的壽命服從指數(shù)分布,則根據(jù)式(2)可計(jì)算各子系統(tǒng)失效率大小,結(jié)果如表3所示。
表3 燃料電池轎車子系統(tǒng)失效率10-5km-1
本文中提出的可靠性分配方法不再是直接分配可靠性指標(biāo)值,而是在充分考慮可靠性歷史數(shù)據(jù)的前提下,確定系統(tǒng)失效率變化量,將其定量地分配給各子系統(tǒng),并與原失效率疊加得到可靠性指標(biāo)優(yōu)化分配結(jié)果。
在確定了系統(tǒng)失效率變化量之后,運(yùn)用層次結(jié)構(gòu)分析法,建立可靠性分配層次結(jié)構(gòu)模型。目標(biāo)層A為系統(tǒng)失效率變化量;準(zhǔn)則層C為影響系統(tǒng)失效率變化量的因素,包括重要程度U1、復(fù)雜程度U2、設(shè)計(jì)水平U3、制造水平U4、工作時(shí)間比U5和成本預(yù)算U6;對(duì)象層P為系統(tǒng)的組成單元或子系統(tǒng)。圖2為以燃料電池轎車為對(duì)象建立的可靠性分配層次結(jié)構(gòu)模型。
運(yùn)用文獻(xiàn)[11]中提出的1~9標(biāo)度法,由專家對(duì)準(zhǔn)則層中的影響因素進(jìn)行兩兩比較,構(gòu)造判斷矩陣F。該矩陣的元素fij表示因素i與因素j比較的評(píng)分值,且fij×fji=1,評(píng)價(jià)方法如表4所示。
表4 文獻(xiàn)[11]中提出的1~9標(biāo)度法
采用行和歸一化法[12]對(duì)判斷矩陣F的最大特征根 λmax及對(duì)應(yīng)的特征向量 W=(w1,w2,…,wn)進(jìn)行求解,所得的特征向量即為準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層影響程度的權(quán)向量。
鑒于所構(gòu)造的判斷矩陣F可能會(huì)因?yàn)閷<业囊庖?jiàn)分歧,或者判斷矩陣賦值的非等比性,造成判斷矩陣難以滿足嚴(yán)格的一致性要求,因此須進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。
式中:CI為一致性指標(biāo);n為判斷矩陣F的階數(shù);RI為隨機(jī)一致性指標(biāo),可查表5得到;CR為一致性比率,當(dāng)CR<0.1時(shí),則判斷矩陣滿足一致性要求。
表5 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI
為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則層各影響因素對(duì)于對(duì)象層各子系統(tǒng)失效率變化量的影響,建立子系統(tǒng)失效率變化量評(píng)價(jià)準(zhǔn)則,如表6所示。然后,建立9級(jí)評(píng)分表對(duì)影響的程度進(jìn)行劃分并賦值,如表7所示。
表6 子系統(tǒng)失效率變化量評(píng)價(jià)準(zhǔn)則
表7 失效率變化量影響程度分值表
將得到的判斷矩陣權(quán)向量W與組合評(píng)分向量R相乘,即得層次結(jié)構(gòu)綜合權(quán)向量C,它表示各子系統(tǒng)在影響因素綜合評(píng)價(jià)下失效率變化量的相對(duì)權(quán)重。
根據(jù)專家意見(jiàn)對(duì)建立的燃料電池轎車可靠性分配層次結(jié)構(gòu)模型(圖2)構(gòu)造判斷矩陣F。
計(jì)算判斷矩陣F的最大特征根λmax=6.0693,及其對(duì)應(yīng)的特征向量(權(quán)向量)W=(0.3668,0.083,0.2332,0.1286,0.0597,0.1286)。再根據(jù)式(5)和式(6)進(jìn)行一致性檢驗(yàn),CR=0.0112<0.1,說(shuō)明判斷矩陣F滿足一致性要求。由權(quán)向量可知,燃料電池轎車整車可靠性影響因素的權(quán)重關(guān)系:重要程度>設(shè)計(jì)水平>制造水平=成本預(yù)算>復(fù)雜程度>工作時(shí)間比。
根據(jù)表6和表7,建立各影響因素的評(píng)分向量,構(gòu)造出組合評(píng)分向量R。
根據(jù)式(7)計(jì)算層次結(jié)構(gòu)綜合權(quán)向量C。
對(duì)層次結(jié)構(gòu)綜合權(quán)向量C進(jìn)行歸一化,得到分配系數(shù)M。
根據(jù)式(8)分別求取燃料電池轎車各子系統(tǒng)的失效率。
燃料電池轎車整車可靠性優(yōu)化分配須保證各子系統(tǒng)失效率之和不大于失效率指標(biāo)值,即
經(jīng)計(jì)算可知,本文中提出的可靠性優(yōu)化分配方法能滿足要求。燃料電池轎車各子系統(tǒng)失效率分配結(jié)果對(duì)比如圖3所示。經(jīng)分配,F(xiàn)CE、BMS、EA和EDS這4個(gè)子系統(tǒng)的失效率分別下降了23.25%、38.41%、27.01%和19.59%。
結(jié)合燃料電池轎車用戶道路試驗(yàn)的典型故障模式和故障原因,分析可靠性分配結(jié)果的合理性,再根據(jù)技術(shù)改進(jìn)的難易程度,論證可靠性改進(jìn)設(shè)計(jì)的可行性,分析結(jié)果如表8所示。
對(duì)易于消除的故障可以優(yōu)先考慮,如EDS的電機(jī)控制器“12V欠壓(11V)”故障,可能是因?yàn)檎囬L(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行缺乏充電,或由于預(yù)充電回路沒(méi)有切除造成,在實(shí)際使用過(guò)程中,加以注意即可有效降低EDS失效率。對(duì)于FCE“單電池電壓低于下限值”故障而言,在裝配過(guò)程中保證膜電極受力均勻、不變形損壞,在使用時(shí)注意水泵和增濕器的工作溫度警告,都可減少此類故障的發(fā)生,降低FCE失效率。
表8 燃料電池轎車可靠性分配結(jié)果分析
對(duì)于技術(shù)改進(jìn)為中等難度的系統(tǒng)而言,在設(shè)計(jì)、制造和使用方面應(yīng)引起重視。如FCE的“氣泵、水泵故障”,一方面是由于泵體內(nèi)傳動(dòng)短軸有初始缺陷,或者裝配質(zhì)量不嚴(yán)導(dǎo)致;另一方面是由于使用過(guò)程中密封件磨損、濾清器堵塞、調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)不當(dāng)引起。BMS中“SOC過(guò)高、過(guò)低”故障,主要是因?yàn)镾OC預(yù)估算法和硬件電路設(shè)計(jì)不完善,提高SOC算法的控制精度和硬件設(shè)計(jì)水平,可降低BMS失效率。EA的“傳感器故障”和“CAN通信故障”,可以通過(guò)嚴(yán)格控制傳感器的供應(yīng)質(zhì)量,為控制電路增加抗電磁干擾設(shè)計(jì)來(lái)降低EA失效。
對(duì)于FCE的“電流短路危險(xiǎn)”而言,其危害程度很高,技術(shù)改進(jìn)的難度也很大。主要是因?yàn)槿剂想姵仉p極板防腐蝕性能和質(zhì)子交換膜耐高溫性能較差導(dǎo)致,研究出高性能的燃料電池材料是改善FCE可靠性和耐久性的關(guān)鍵。另外,F(xiàn)CE作為燃料電池轎車的核心部件,它的故障與其它子系統(tǒng)的故障存在關(guān)聯(lián)性,提高FCE的可靠性,其余子系統(tǒng)的可靠性也會(huì)隨之提高。
(1)提出了基于失效率變化量的可靠性優(yōu)化分配方法,有效利用了可靠性歷史數(shù)據(jù)提供的客觀信息,可推廣到其他機(jī)電耦合系統(tǒng)的可靠性分配中。
(2)運(yùn)用層次分析法綜合評(píng)價(jià)了影響燃料電池轎車可靠性的6大因素,相對(duì)模糊方法計(jì)算簡(jiǎn)便,有工程實(shí)用價(jià)值。
(3)論證了可靠性分配結(jié)果的有效性和可行性,為整車及關(guān)鍵零部件的可靠性改進(jìn)設(shè)計(jì)和輕量化開(kāi)發(fā)提供了理論依據(jù),也為制定可靠性增長(zhǎng)目標(biāo)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
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