吳剛，袁清珂

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

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基于故障系數(shù)的電控發(fā)動(dòng)機(jī)故障分析研究

吳剛，袁清珂

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

摘 要：隨著發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)復(fù)雜程度的提高，電控發(fā)動(dòng)機(jī)的維修難度越來(lái)越高，利用自診斷系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷只是根據(jù)故障事件發(fā)生概率大小確定檢修步驟，而對(duì)于發(fā)生概率小但對(duì)電控系統(tǒng)的影響比較大的情況容易忽略?；诖耍岢隽艘环N基于故障系數(shù)的電控發(fā)動(dòng)機(jī)的故障分析方法，它能夠從定性和定量的角度分析故障。以發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法起動(dòng)的故障為例，說(shuō)明基于故障系數(shù)的分析方法能夠從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面確定較為準(zhǔn)確的故障診斷流程。

關(guān)鍵詞：電控發(fā)動(dòng)機(jī)；故障診斷；故障系數(shù)；故障分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.04.055

CLC NO.: U472.1Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)04-153-04

引言

隨著汽車(chē)技術(shù)的不斷發(fā)展和對(duì)汽車(chē)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性的要求的不斷提高，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的電控系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，控制的精度也越來(lái)越高[1]。由于電控系統(tǒng)的復(fù)雜性，故障癥狀與故障原因之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，導(dǎo)致維修人員不能及時(shí)的對(duì)故障做出正確的判斷。為了快速、準(zhǔn)確的對(duì)電控發(fā)動(dòng)機(jī)故障進(jìn)行診斷，各個(gè)汽車(chē)售后廠(chǎng)家都會(huì)制定維修手冊(cè)。制定維修手冊(cè)大都是基于經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算故障樹(shù)中底事件發(fā)生概率，計(jì)算出故障樹(shù)頂事件發(fā)生概率、故障樹(shù)各最小割集發(fā)生概率及最小割集重要度，然后按照最小割集重要度從高到低的順序?qū)χ贫ňS修流程，從而很大程度上減少了故障診斷的工作量。然而，對(duì)于一個(gè)重要度高但故障率很小的最小割集來(lái)說(shuō)，單單的重要度并不能準(zhǔn)確地反映出最小割集對(duì)整個(gè)電控系統(tǒng)故障的影響力[2]。導(dǎo)致制定的維修手冊(cè)存在一定的缺陷，所以在對(duì)電控發(fā)動(dòng)機(jī)故障大量統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，從零部件的概率重要度和發(fā)生概率大小兩個(gè)方面描述了系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)最小割集發(fā)生故障的可能性，從而為更準(zhǔn)確的制定維修手冊(cè)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

1、故障系數(shù)的研究

1.1 故障系數(shù)的概念

故障系數(shù)的概念是基于故障樹(shù)中最小割集概率重要度提出的。最小割集概率重要度反應(yīng)了各最小割集發(fā)生概率的變化對(duì)頂事件發(fā)生概率的影響程度，即各最小割集的重要程度。但是對(duì)于一個(gè)概率重要度高，而故障率很小的最小割集，單純從概率重要度來(lái)考察并不能準(zhǔn)確地反映出底事件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)故障的影響大小，所以引入了故障系數(shù)。故障系數(shù)用F(i)來(lái)表示：

式（1）中PT Ki表示最小割集概率重要度，PKi表示最小割集的發(fā)生概率。從式（1）可見(jiàn)，故障系數(shù)能夠?qū)⒆钚「罴匾群妥钚「罴l(fā)生的概率聯(lián)系到一起，從而利用故障系數(shù)進(jìn)行故障診斷比單純的利用最小割集概率重要度進(jìn)行維修策略的制定更為準(zhǔn)確。

1.2 故障系數(shù)的計(jì)算

根據(jù)故障系數(shù)的計(jì)算公式可以知道要想得到故障系數(shù)，需要計(jì)算出最小割集概率重要度和最小割集的發(fā)生概率。最小割集發(fā)生的概率PKi是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法確定的。

在電控發(fā)動(dòng)機(jī)的故障中，每一個(gè)最小割集在系統(tǒng)中的地位是不同的，若是能夠找到對(duì)系統(tǒng)故障影響較大的最小割集，并對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)檢修，將大大提高系統(tǒng)的檢修效率[3]。這一點(diǎn)可以通過(guò)最小割集概率重要度來(lái)體現(xiàn)。

PT為故障樹(shù)頂事件發(fā)生的概率函數(shù)；PK為最小割集的發(fā)生概率。由于最小割集中各底事件是相互獨(dú)立、不相容的，所以PK為最小割集中各底事件概率之積。根據(jù)故障樹(shù)最小割集的數(shù)學(xué)描述，任何故障樹(shù)都可以用頂事件和其所有最小割集組成的或門(mén)來(lái)等價(jià)的表示，另外所有底事件是相互獨(dú)立的，可以近似的得到

PT頂事件發(fā)生的概率，PKi：每一個(gè)最小割集發(fā)生的概率，將式（3）代入式（2）可以得到概率重要度為：

將式（4）代入到式（1）可以得到故障系數(shù)，然后按照故障系數(shù)從大到小的順序制定故障維修流程。

2、基于故障系數(shù)的故障分析

以電控發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法起動(dòng)為例，首先建立電控發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法起動(dòng)的故障樹(shù)，然后分別利用結(jié)構(gòu)重要度，最小割集概率重要度，故障系數(shù)進(jìn)行電控發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法起動(dòng)的維修策略的制定，對(duì)比分析說(shuō)明基于故障系數(shù)進(jìn)行故障分析的必要性。

2.1 電控發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法起動(dòng)的故障樹(shù)的建立

如圖1所示是電控發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法起動(dòng)的故障樹(shù)，該故障樹(shù)中共有11個(gè)底事件。

2.2 基于結(jié)構(gòu)重要度維修策略的制定

根據(jù)故障原因與故障現(xiàn)象之間的相關(guān)性圖1大小制定維修策略就是所說(shuō)的基于經(jīng)驗(yàn)的故障診斷方法，也叫著結(jié)構(gòu)重要度分析的方法[4]。結(jié)構(gòu)重要度越大，則由其造成的系統(tǒng)故障的可能性也越大。故障樹(shù)中，稱(chēng)底事件的發(fā)生對(duì)頂事件的發(fā)生所做的貢獻(xiàn)為底事件的結(jié)構(gòu)重要度[5]。

圖1　發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法起動(dòng)的故障樹(shù)Fag.1　Fault tree of engine failed to start

在故障樹(shù)中，各個(gè)底事件都有兩種狀態(tài)，一種是發(fā)生，即Xi=1；一種是不發(fā)生，即Xi=0。各個(gè)基本事件狀態(tài)的不同組合，又構(gòu)成頂事件的不同狀態(tài)，即Ф(X )= 1或Ф(X )= 0。結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)定義如下：

n為故障樹(shù)的基本事件的總數(shù)；nФ(i )表示由于第i個(gè)基本事件發(fā)生（即Xi由0變?yōu)?）而使故障樹(shù)的結(jié)構(gòu)函數(shù)由0變?yōu)?的次數(shù)。

圖1中的最小割集有11個(gè)：X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11。其結(jié)構(gòu)重要度順序?yàn)椋?/p>

I(X11)=I(X10)=I(X9)=I(X8)=I(X7)=I(X6)=I(X5)=I(X4)=

由于各底事件的重要度相同，導(dǎo)致在發(fā)生無(wú)法起動(dòng)的電控故障時(shí)非常的盲目，無(wú)從下手，從而大大降低了電控故障的檢修效率[6]。所以，還需要借助于其他的方法將故障診斷流程按照故障系數(shù)確定，來(lái)提高故障診斷的命中率。

2.3 基于最小割集概率重要度維修策略的制定

基于發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法起動(dòng)的故障數(shù)據(jù)庫(kù)，得到表1所示的發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法起動(dòng)的故障樹(shù)底事件的故障概率，計(jì)算出各最小割集概率，代入式（4）可得各最小割集概率重要度。見(jiàn)表2。

表1　各底事件的概率Tab.1　The probability of bottom events

表2　最小割集重要度Tab.2　The importance of minimum cut sets

通過(guò)上表可以看出，若是根據(jù)概率重要度進(jìn)行檢修，則診斷步驟如表3所示：

表3　故障診斷步驟Tab.3　Fault diagnosis step

2.4 基于故障系數(shù)的維修策略的制定

基于故障系數(shù)的魏旭策略的制定的步驟是：首先計(jì)算出故障樹(shù)中各最小割集的概率重要度和故障系數(shù)，并在量級(jí)上進(jìn)行分析和比較，特別是對(duì)于故障樹(shù)規(guī)模大時(shí)，對(duì)那些故障系數(shù)值很小的最小割集的故障模式，可以不必的測(cè)試，而對(duì)那些需要測(cè)試的故障模式，按故障系數(shù)值從大到小的次序進(jìn)行檢測(cè)，從而提高故障診斷命中率，減少測(cè)試工作量[7]。根據(jù)式（1）計(jì)算出圖1所示的故障系數(shù)，如表4所示。

表4　故障系數(shù)表Tab.4　Fault coefficient table

根據(jù)上表確定的故障診斷過(guò)程為：

表5　基于故障系數(shù)的診斷步驟Tab.5　Based on the coefficient of fault diagnosis step

3、結(jié)果分析

將表3和表5進(jìn)行整合得到表6，如下表所示：

通過(guò)上表可以看出，利用兩種方法進(jìn)行排序時(shí)，結(jié)果不一致，這就導(dǎo)致在實(shí)際的維修中，出現(xiàn)完全不同的兩種檢測(cè)程序，從而導(dǎo)致診斷效率的不同。在維修手冊(cè)的制作中或是實(shí)際的維修工作中，應(yīng)將概率重要度和結(jié)構(gòu)重要度綜合考慮進(jìn)去，從而提高診斷效率。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法起動(dòng)的故障應(yīng)按照故障系數(shù)排序的方法進(jìn)行故障的排除。

表6　結(jié)果對(duì)比Tab.6　Result of contrast

4、結(jié)論

由于對(duì)各個(gè)故障事件的信息掌握不夠，若只是根據(jù)故障事件的結(jié)構(gòu)重要度或是最小割集概率重要度的方法制定一套診斷流程，則在一定程度上降低了故障診斷的效率。本文提出了故障系數(shù)的概念，能將結(jié)構(gòu)重要度和最小割集概率重要度結(jié)合起來(lái)，進(jìn)一步完善了維修策略制定的有效性。但是對(duì)于故障事件的概率值的獲得需要完備的數(shù)據(jù)庫(kù)，在這一點(diǎn)上是本文還有待于進(jìn)一步完善。

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中圖分類(lèi)號(hào)：U472.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)04-153-04

作者簡(jiǎn)介：吳剛，碩士，就讀于廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院。研究方向：汽車(chē)電子控制系統(tǒng)、智能故障診斷系統(tǒng)。

The Electronically Control Engine Fault Diagnosis Technology based on Coefficient of Fault

Wu Gang, Yuan Qingke
( School of Mechanical and Electrical Engineering College, Guangdong University of Technology, Guangdong Guangzhou 510006)

Abstract:With the improvement of engine electronic control system complexity, the difficulty of electronic control engine maintenance is higher and higher. The fault diagnosis with self-diagnosis system and determine maintenance step according to the fault event probability. With the probability of occurrence is small but has a great impact on the electric control system is easy to overlook. Based on this, the paper put forward a fault coefficient of electronic control engine failure analysis method, and it analysis failure from qualitative and quantitative. Based on fault coefficient can be from two aspects of qualitative and quantitative analysis method to determine the fault diagnosis process. The paper based on fault coefficient from two aspects of qualitative and quantitative analysis engine can't start fault, and illustrate the fault coefficient analysis method can more accurately formulate maintenance process.

Keywords:Engine electronic control; Fault diagnosis; Coefficient of fault; Fault analysis