摘 要：隨著計算機的普及應用和電子技術的迅速發(fā)展，電子控制技術在車輛的應用越來越廣泛，特別在重工業(yè)領域電控高壓共軌柴油發(fā)動機廣泛應用，使傳統(tǒng)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(fā)動機故障判斷和處理的研究，對提高發(fā)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(fā)動機故障進行全面梳理分析，利用故障樹分析結果，建立發(fā)動機故障處理系統(tǒng)軟件，為快速處理發(fā)動機故障提供了借鑒的經(jīng)驗。

關鍵詞：故障樹分析法 高壓共軌 發(fā)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，F(xiàn)TA）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(tǒng)故障形成的原因進行細化分解。通過故障樹分析系統(tǒng)后，查找出系統(tǒng)易出故障的薄弱環(huán)節(jié)，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(yōu)化、定期維修避免事故的發(fā)生，實現(xiàn)系統(tǒng)的最佳運行狀態(tài)。特別是對系統(tǒng)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(tǒng)設備故障的預防分析和控制有較好的效果。在設備系統(tǒng)故障分析中，大多數(shù)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(tǒng)可靠性和安全穩(wěn)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(fā)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(fā)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(yè)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(yè)的研究和教學中，并從單機模式向網(wǎng)絡化發(fā)展，出現(xiàn)了智能化的故障診斷專家系統(tǒng)。目前，故障樹分析法已經(jīng)在航空航天、化工制造、核能利用、機械設計、電子技術等行業(yè)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(tǒng)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(fā)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(tài)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(tǒng)，確定頂事件。對一個系統(tǒng)進行分析之前，要首先了解系統(tǒng)的基本構造、各部件的功能和工作原理，熟悉整個系統(tǒng)的工作過程和故障現(xiàn)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(jīng)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(tǒng)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(fā)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(fā)展，在汽車發(fā)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(fā)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(fā)展，使柴油機電控高壓共軌燃油系統(tǒng)逐漸應用到一般的柴油發(fā)動機車輛上。

傳統(tǒng)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(fā)生變化。由于發(fā)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(guī)律出現(xiàn)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(fā)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(fā)動機的尾氣排放量，增加燃油消耗和空氣污染。另外，在發(fā)動機低轉速時，由于發(fā)動機高壓油管的殘余壓力的存在，會產(chǎn)生不穩(wěn)定的噴射狀況，嚴重的情況下，還可能造成噴油不均勻，出現(xiàn)間歇的缺缸現(xiàn)象，影響發(fā)動機正常工作和功率的輸出。柴油發(fā)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(fā)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(chǎn)生穩(wěn)定的高壓燃油，隨時供應給噴油器[3]。噴油壓力的產(chǎn)生，主要是ECU（發(fā)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(chǎn)生高壓的燃油輸送到共軌中，共軌中燃油的壓力不受發(fā)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(fā)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(tǒng)故障的原因進行綜合分析，從發(fā)動機的機構功能出發(fā)，把各系統(tǒng)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(xiàn)象，建立綜合故障診斷分析故障樹模型。

電控共軌發(fā)動機常見故障主要有發(fā)動機啟動困難、發(fā)動機加不上速、發(fā)動機異響、發(fā)動機機油消耗增加等。從發(fā)動機的故障現(xiàn)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(tǒng)、電氣啟動系統(tǒng)和壓縮壓力系統(tǒng)。燃油系統(tǒng)提供燃料，電氣啟動系統(tǒng)提供動力，壓縮壓力系統(tǒng)提供場所。

柴油機啟動困難時，排氣現(xiàn)象最為明顯，會出現(xiàn)冒黑煙、冒白煙或者不冒煙的現(xiàn)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(jù)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(fā)動機正常工作時，按照一定的規(guī)律循環(huán)動作，金屬之間的接觸產(chǎn)生輕微的有節(jié)奏的響聲，屬于正常的金屬接觸響聲。隨著發(fā)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(fā)動機部件之間不正常的聲響，都稱為發(fā)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(huán)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(fā)動機機油消耗大的故障樹建立與分析

發(fā)動機機油消耗大，主要的表現(xiàn)是發(fā)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(fā)動機燒機油會在氣缸內行成積碳，加快活塞、活塞環(huán)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(fā)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(huán)折斷或老化，使其刮油作用減弱造成竄油現(xiàn)象。

通過上述分析，建立發(fā)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(fā)動機啟動困難故障樹定性分析

以發(fā)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(tǒng)的關鍵事件[4]，也就是頂事件的發(fā)生的主要問題，為頂事件的定量分析（頂事件發(fā)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(fā)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(jù)發(fā)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(fā)動機啟動困難系統(tǒng)的最小割集為17個，分別是

｛x1｝，｛x2｝，｛x3｝，…，｛x，15｝，｛x16｝，｛x17｝

4.2 發(fā)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(jù)故障樹分析軟件，通頂事件的計算公式，計算可得發(fā)動機啟動困難故障的發(fā)生概率為0.09469。

由以上的分析數(shù)據(jù)可知，造成發(fā)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(fā)現(xiàn)以上故障現(xiàn)象可以從這些方面入手，可快速解決問題。

5 建立發(fā)動機故障的分析處理系統(tǒng)

5.1 發(fā)動機故障處理系統(tǒng)介紹

利用故障樹的分析結果，采用計算機編程技術，將發(fā)動機常見故障進行綜合處理，建立發(fā)動機的故障處理系統(tǒng)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(xiàn)象、故障原因分析、故障處理方法等錄入系統(tǒng)，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(fā)生的處理方法最優(yōu)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(fā)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(chuàng)造條件。

5.2 發(fā)動機故障處理系統(tǒng)主程序設計

在該軟件程序基于.Net平臺進行開發(fā)，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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)良好的交互性、可用性和可擴展性，便于系統(tǒng)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(xiàn)的功能。根據(jù)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(xiàn)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(shù)字\"）;

return;

}

if （textBox2.Text == \"\"）

{

MessageBox.Show（\"請錄入故障現(xiàn)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(fā)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(fā)動機故障處理系統(tǒng)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(fā)動機故障處理軟件，通過局域網(wǎng)連接，應用于不同的車輛維修單位，實現(xiàn)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(tǒng)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(yè)大學出版社，2001.

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[4]楊曾芳，呂希勝.基于故障樹的數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)[J].科技創(chuàng)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(tǒng)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(tǒng)[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車，2014（8）.