王一旻， 宋 珂， 曹 靜

(同濟(jì)大學(xué),上海 201804)

0 引 言

電機(jī)作為純電動(dòng)汽車行駛系統(tǒng)的重要組成部分，直接影響純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能以及耐久性。同時(shí)電機(jī)也被廣泛應(yīng)用于純電動(dòng)商用車的上裝系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)不同的系統(tǒng)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)不同的功能。當(dāng)前階段，電機(jī)的構(gòu)造越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)電機(jī)的故障檢測(cè)也越來(lái)越困難。電機(jī)的負(fù)載處于高度動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程之中，因此電機(jī)系統(tǒng)經(jīng)常產(chǎn)生故障。從故障的表現(xiàn)形式和成因來(lái)看，故障的表現(xiàn)形式多并且產(chǎn)生故障的原因比較復(fù)雜。行走電機(jī)是純電動(dòng)汽車行駛系統(tǒng)的唯一動(dòng)力源，電機(jī)的故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)行駛系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。不同種類的上裝電機(jī)驅(qū)動(dòng)不同工作系統(tǒng)完成純電動(dòng)汽車正常行駛外的其他功能。輕微的電機(jī)故障會(huì)影響純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性，影響車輛的正常作業(yè)。嚴(yán)重的故障會(huì)導(dǎo)致汽車整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)無(wú)法正常工作，甚至引發(fā)一系列的安全問(wèn)題。本文主要針對(duì)純電動(dòng)清掃車上裝電機(jī)故障的形式以及成因展開研究，利用故障樹分析法進(jìn)行分析，建立故障樹。幫助在故障發(fā)生之前做出準(zhǔn)確的估計(jì)，了解故障發(fā)生的薄弱環(huán)節(jié)，找出故障發(fā)生的原因和對(duì)應(yīng)的解決辦法。對(duì)純電動(dòng)清掃車上裝電機(jī)故障的分析與檢測(cè)可以有效地防止故障的惡化，降低維護(hù)成本，提高車輛作業(yè)的可靠性。

1 純電動(dòng)清掃車上裝電機(jī)系統(tǒng)

純電動(dòng)汽車的行駛系統(tǒng)主要包括變速器、行走電機(jī)、功率轉(zhuǎn)換器和動(dòng)力電池組[1]。如圖1所示。純電動(dòng)商用車除了具有電動(dòng)化的行駛系統(tǒng)來(lái)保證車輛正常行駛外，還需要上裝電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同形式的作業(yè)功能。本文以純電動(dòng)清掃車為例研究其故障樹的開發(fā)方法。

圖1 純電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)

純電動(dòng)清掃車在正常行駛的過(guò)程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)路面的清掃、除塵以及灑水作業(yè)。除了零排放無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)之外，由于純電動(dòng)清掃車的行駛和作業(yè)都依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此傳動(dòng)效率高，作業(yè)過(guò)程中噪聲小舒適性高。純電動(dòng)清掃車的結(jié)構(gòu)主要包括底盤、垃圾箱、水箱、風(fēng)機(jī)、掃刷和吸嘴，如圖2所示。其中掃刷主要有盤刷和滾刷兩種形式。在純電動(dòng)清掃車低速行駛的過(guò)程中，掃刷將垃圾掃入氣嘴處，氣嘴將垃圾吸入垃圾箱。垃圾箱與風(fēng)機(jī)連通，風(fēng)機(jī)源源不斷抽走垃圾箱內(nèi)的空氣使其內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，保證垃圾可以及時(shí)被吸入垃圾箱。同時(shí)水箱通過(guò)噴嘴在清掃的過(guò)程中不斷向路面灑水，避免揚(yáng)起大面積的灰塵[2]。

圖2 純電動(dòng)清掃車結(jié)構(gòu)

純電動(dòng)清掃車的能量來(lái)源是動(dòng)力電池組。動(dòng)力電池輸出的電能一部分帶動(dòng)行走電機(jī)工作，保證車輛行駛系統(tǒng)的正常工作。另一部分輸入到上裝電機(jī)系統(tǒng)，上裝電機(jī)帶動(dòng)掃刷和風(fēng)機(jī)等部件，實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)清掃車的作業(yè)功能。根據(jù)電機(jī)的數(shù)量，上裝電機(jī)系統(tǒng)的布置主要有兩種形式[3]：上裝電機(jī)系統(tǒng)與行駛系統(tǒng)共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)(圖3)；上裝電機(jī)系統(tǒng)與行駛系統(tǒng)使用不同的驅(qū)動(dòng)電機(jī)(圖4)。對(duì)于第一種動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，一個(gè)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)作業(yè)和行駛系統(tǒng)，控制簡(jiǎn)單能耗低。但是這種結(jié)構(gòu)形式由于行駛系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與作業(yè)系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受相同的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使得掃刷和吸嘴等部件的轉(zhuǎn)速會(huì)跟隨車速變化，嚴(yán)重降低了清掃效率。同時(shí)復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使得這種形式的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性低。對(duì)于第二種動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，行駛與作業(yè)系統(tǒng)受不同的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，二者可以獨(dú)立地工作，因此傳動(dòng)系統(tǒng)的布置也相對(duì)簡(jiǎn)單。同時(shí)不同的電機(jī)可以同時(shí)工作在高效區(qū)，控制效果好，清掃的效率高。因此對(duì)于不同用途的純電動(dòng)商用車行駛系統(tǒng)與上裝電機(jī)系統(tǒng)獨(dú)立布置的形式也得到了更廣泛的應(yīng)用。本文所討論的純電動(dòng)清掃車即采用這種系統(tǒng)方案。

圖3 上裝電機(jī)系統(tǒng)與行駛系統(tǒng)共用一個(gè)

圖4 上裝電機(jī)系統(tǒng)與行駛系統(tǒng)使用不同

2 上裝電機(jī)種類與構(gòu)造

純電動(dòng)商用車上裝電機(jī)類型較多，主要有永磁同步電機(jī)、異步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)等[4]。永磁同步電機(jī)不需勵(lì)磁繞組，永磁體在三相交流電產(chǎn)生的變化磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流。異步電機(jī)也叫感應(yīng)電機(jī)，通過(guò)勵(lì)磁繞組在氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流。開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒(méi)有任何形式的繞組，其定子和轉(zhuǎn)子磁極都是凸的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。在純電動(dòng)車的上裝系統(tǒng)中，根據(jù)作業(yè)的形式及特點(diǎn)可以針對(duì)性地選擇不同類型的上裝電機(jī)。

上裝電機(jī)是上裝系統(tǒng)的動(dòng)力源，帶動(dòng)一系列的部件運(yùn)轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)特定的作業(yè)功能。以純電動(dòng)清掃車為例，純電動(dòng)清掃車的工況和行駛環(huán)境比較復(fù)雜，需要滿足正常行駛工況與作業(yè)工況的要求。此外，純電動(dòng)清掃車需要經(jīng)常在潮濕、灰塵多、振動(dòng)劇烈的條件下作業(yè)，長(zhǎng)期運(yùn)行工況惡劣。這些復(fù)雜的工況使得上裝電機(jī)的工作狀態(tài)需要經(jīng)常變化，以滿足車輛正常作業(yè)的需求功率。上裝電機(jī)作為作業(yè)系統(tǒng)的唯一動(dòng)力源，需要具備高功率密度，寬閾的高效區(qū)，耐沖擊振動(dòng)，使用壽命長(zhǎng)和噪音低等特點(diǎn)。

永磁同步電機(jī)是一種不用勵(lì)磁繞組的電機(jī)，通過(guò)三相交流電與永磁體磁場(chǎng)相互作用而旋轉(zhuǎn)。永磁同步電機(jī)的高效區(qū)寬且峰值效率高，調(diào)速范圍廣，以及電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度高[5]。同時(shí)電機(jī)尺寸小，重量輕，因此是純電動(dòng)商用車上裝電機(jī)的不錯(cuò)選擇。圖5以永磁同步電機(jī)為例介紹上裝電機(jī)的基本構(gòu)造。永磁同步電機(jī)主要由定子鐵芯，定子繞組，轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)軸等部件構(gòu)成。

3 上裝電機(jī)故障類型及原因

電機(jī)故障的原因非常復(fù)雜，通常不同的分類標(biāo)準(zhǔn)如故障表現(xiàn)形式、故障成因、故障發(fā)生位置和故障造成的后果會(huì)有不同的分類結(jié)果。所以對(duì)故障進(jìn)行分類之前，要明確故障制定的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，普遍使用的分類標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)故障的嚴(yán)重程度[7]。本文根據(jù)電機(jī)不同的故障形式表現(xiàn)出來(lái)的損壞程度進(jìn)行上裝電機(jī)故障的分類，如圖6所示。

圖5 電機(jī)的基本構(gòu)造[6]

圖6 上裝電機(jī)故障模式分類

損壞型故障的主要表現(xiàn)形式有電機(jī)不轉(zhuǎn)、電機(jī)發(fā)熱冒煙和換向器燒蝕[8]。導(dǎo)致電機(jī)不轉(zhuǎn)的原因有過(guò)載堵轉(zhuǎn)、電刷接觸不良、連接端子斷路和焊接點(diǎn)不牢靠導(dǎo)致過(guò)熱等。此時(shí)的處理辦法包括檢查線路、保險(xiǎn)絲、過(guò)載保護(hù)器，減少負(fù)載，檢查電刷、電線和連接件。導(dǎo)致電機(jī)異常發(fā)熱的原因主要有定子繞組過(guò)熱導(dǎo)致絕緣失效、單相接地、長(zhǎng)期振動(dòng)摩擦導(dǎo)致匝間線圈破損和嚴(yán)重超載等。此時(shí)的處理辦法包括檢查冷卻裝置、檢查線圈絕緣情況、減負(fù)至規(guī)定條件。導(dǎo)致?lián)Q向器燒蝕的原因有使用時(shí)間長(zhǎng)、過(guò)載電流太大和電機(jī)進(jìn)水等。處理辦法有定期檢查，更換電刷、降低負(fù)載電流至規(guī)定值以下、恢復(fù)電刷與轉(zhuǎn)換器的接觸。由于上裝電機(jī)長(zhǎng)期工作在惡劣的環(huán)境下，振動(dòng)、超負(fù)荷、潮濕高溫的使用條件可能導(dǎo)致線圈的絕緣損壞，瞬間過(guò)大的電壓或電流也可能引起損壞型故障。當(dāng)出現(xiàn)損壞型故障時(shí)，電機(jī)已無(wú)法正常工作，應(yīng)該立即停機(jī)檢查。

退化型故障的主要表現(xiàn)形式有永磁體退磁、定子繞組絕緣老化、花鍵軸或花鍵套過(guò)早磨損以及電機(jī)的異常磨損[9]。導(dǎo)致永磁體退磁的主要原因有渦流引起永磁體溫升過(guò)高、磁鋼選用不當(dāng)、長(zhǎng)期工作在潮濕高溫環(huán)境下。此時(shí)的處理辦法有使用沖壓式的硅鋼片、檢查磁鋼材料和在額定工作條件下工作。導(dǎo)致定子繞組絕緣老化的原因主要有散熱不良、頻繁啟動(dòng)停止、過(guò)載堵轉(zhuǎn)。此時(shí)的處理辦法有檢查散熱，按照規(guī)定使用。花鍵或電機(jī)磨損的主要原因有電機(jī)軸或套未經(jīng)調(diào)質(zhì)處理、電機(jī)軸彎曲變形、長(zhǎng)期過(guò)載啟動(dòng)及運(yùn)行。處理辦法有檢測(cè)軸或套的硬度、采用立式安裝法、按正常啟動(dòng)及運(yùn)行工作條件操作。引起退化故障的原因主要是散熱和過(guò)載問(wèn)題。當(dāng)出現(xiàn)退化型故障時(shí)，應(yīng)該找出故障發(fā)生的具體位置，有針對(duì)性地解決。

功能型故障主要包括驅(qū)動(dòng)力不足、轉(zhuǎn)速或者位置傳感器失效、零件不牢固和冷卻裝置失效[9]。驅(qū)動(dòng)力不足的主要原因有控制算法錯(cuò)誤和設(shè)計(jì)參數(shù)不合理。此時(shí)應(yīng)該檢查控制算法和設(shè)計(jì)參數(shù)。轉(zhuǎn)速或者位置傳感器失效的原因有電纜線接觸不良和光敏器件損壞。此時(shí)應(yīng)重新連接纜線更換光敏元件。零件松脫是由于上裝電機(jī)長(zhǎng)期工作在振動(dòng)的條件下導(dǎo)致的，需要定期檢查電機(jī)固定裝置的緊固性。冷卻裝置的失效是由于密封性不好導(dǎo)致的漏水漏電，應(yīng)該定期檢查?？偟膩?lái)說(shuō)，出現(xiàn)功能型故障最主要的原因是軟件算法不合理和編碼器故障，出現(xiàn)功能型故障時(shí)應(yīng)最先從這兩個(gè)方面檢查。

松脫型故障主要包括傳感器接插件、定子鐵芯、軸承引發(fā)的松動(dòng)，此時(shí)重新檢查各部件的緊固性，重新安裝即可。由于上裝電機(jī)長(zhǎng)期工作在振動(dòng)狀態(tài)，需要定期檢查和保養(yǎng)各連接件以避免松脫型故障的產(chǎn)生。

失調(diào)型故障表現(xiàn)為實(shí)際電壓、電流值達(dá)不到軟件設(shè)計(jì)的預(yù)期值，由此引起了控制失調(diào)。主要原因是軟件和控制算法的設(shè)計(jì)不合理，參數(shù)設(shè)置不當(dāng)。當(dāng)軟件發(fā)生失調(diào)時(shí)應(yīng)該重新調(diào)試軟件算法。

阻漏型故障的主要表現(xiàn)是冷卻裝置的漏水漏電。由于上裝電機(jī)長(zhǎng)期工作在潮濕高溫的環(huán)境中，如果冷卻裝置的密封性不好，極易引起阻漏型故障。當(dāng)出現(xiàn)此類問(wèn)題時(shí)應(yīng)該檢查冷卻裝置的密封性。

其它故障主要指的是噪聲問(wèn)題。軸承損壞、電機(jī)與齒輪箱不同軸、電機(jī)的電控未調(diào)好都會(huì)引發(fā)噪聲問(wèn)題?？梢詮臋z測(cè)電機(jī)軸承、調(diào)整裝配、調(diào)整電控這幾個(gè)手段出發(fā)來(lái)解決噪聲問(wèn)題。

4 故障樹分析法

在安全工程領(lǐng)域，故障樹分析是用來(lái)了解系統(tǒng)失效原因的最常見方法[10]。利用故障樹可以幫助人們分析系統(tǒng)中最不愿意出現(xiàn)的事件的概率，找到最好的降低風(fēng)險(xiǎn)的方式。在進(jìn)行故障樹分析時(shí)，需要了解研究對(duì)象的失效原理和失效形式。明確了各種失效形式之后，將所有可能出現(xiàn)的故障形式繪制成一個(gè)樹狀的圖表，來(lái)表明所有可能發(fā)生的故障。這種故障診斷的方法是一種樹形結(jié)構(gòu)，各種故障的類型以及原因一目了然，因此稱之為故障樹分析法。

4.1 故障樹構(gòu)建流程

本文根據(jù)故障樹分析法的原理總結(jié)了故障樹的構(gòu)建流程，如圖7所示。

圖7 故障樹構(gòu)建流程

4.2 故障樹常用符號(hào)

故障樹常見符號(hào)如表1所示[11]。

表1 故障樹常見符號(hào)

5 上裝電機(jī)故障樹建立

通過(guò)第二節(jié)對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)的介紹和第三節(jié)對(duì)于電機(jī)各種故障類型以及故障原因的介紹，明確了電機(jī)故障樹應(yīng)包含的基本內(nèi)容。上裝電機(jī)是純電動(dòng)商用車作業(yè)系統(tǒng)的唯一動(dòng)力源，如果汽車在作業(yè)的過(guò)程中發(fā)生由于電機(jī)故障而引發(fā)的問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致作業(yè)系統(tǒng)的失效。同時(shí)上裝電機(jī)的工作狀態(tài)復(fù)雜，經(jīng)常在惡劣的條件和環(huán)境下工作，因此構(gòu)建一個(gè)直觀的故障樹對(duì)于故障判別和診斷具有重要意義。

因?yàn)橐⑨槍?duì)上裝電機(jī)的故障樹，如第四節(jié)的分析，頂事件應(yīng)該是電機(jī)故障。第二節(jié)介紹了電機(jī)主要由定子鐵芯、定子繞組、轉(zhuǎn)子、軸承和機(jī)座等一系列部件組成，當(dāng)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，可能是其中的任意一個(gè)部件的故障引起的，因此將這些事件作為底事件，剖析每個(gè)部件產(chǎn)生故障的原因。

由于上裝電機(jī)的故障主要產(chǎn)生于定子、轉(zhuǎn)子和軸承，其它部件產(chǎn)生故障的概率相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小[12]，因此本文把電機(jī)故障主要分為定子故障、轉(zhuǎn)子故障、軸上故障和其它故障。然后逐層剖析，當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)了故障，可能是由于定子、轉(zhuǎn)子和軸承等引發(fā)的故障，然后對(duì)每一個(gè)部件產(chǎn)生故障的原因以及表現(xiàn)形式進(jìn)行分析，忽略一些小概率因素，建立了電機(jī)故障樹。當(dāng)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)故障類型逐一對(duì)應(yīng)并結(jié)合過(guò)往的經(jīng)驗(yàn)，查明故障原因，及時(shí)做出判斷和制定維護(hù)措施，這對(duì)于提高電機(jī)的使用性能和安全性具有重要意義。本文針對(duì)上裝電機(jī)，建立的故障樹如圖8所示。

由圖8可以看出，在眾多故障形式及原因里面，定子故障和軸上故障占有很高的比例，可見定子和軸承的性能、結(jié)構(gòu)和質(zhì)量對(duì)于電機(jī)性能來(lái)說(shuō)具有重要意義。因此在電機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)主要考慮這兩部分的性能，這對(duì)于提高上裝電機(jī)的性能和安全性至關(guān)重要。

6 結(jié) 語(yǔ)

上裝電機(jī)是純電動(dòng)商用車作業(yè)系統(tǒng)唯一的動(dòng)力源，電機(jī)的故障會(huì)導(dǎo)致車輛作業(yè)系統(tǒng)故障而影響正常作業(yè)功能的實(shí)現(xiàn)。因此研究純電動(dòng)商用車上裝電機(jī)的故障及產(chǎn)生原因，了解延緩故障的維護(hù)措施對(duì)于其耐久性和安全性有重要意義。在安全工程和故障分析領(lǐng)域，故障樹分析法目前被廣泛使用。本文研究了純電動(dòng)清掃車上裝電機(jī)常見故障及其產(chǎn)生原因，結(jié)合故障樹分析法的理論，對(duì)上裝電機(jī)故障樹進(jìn)行了總結(jié)繪制。本文提出的方法和結(jié)論，對(duì)于了解純電動(dòng)清掃車上裝電機(jī)的故障形式和成因具有參考價(jià)值，為后續(xù)電機(jī)的故障診斷和研究提供了思路。

圖8 上裝電機(jī)故障樹