基于故障系数的电控发动机故障分析研究

吴刚，袁清珂

（广东工业大学机械工程学院，广东 广州 510006）



基于故障系数的电控发动机故障分析研究

吴刚，袁清珂

（广东工业大学机械工程学院，广东 广州 510006）

摘 要：随着发动机电控系统复杂程度的提高，电控发动机的维修难度越来越高，利用自诊断系统进行故障诊断只是根据故障事件发生概率大小确定检修步骤，而对于发生概率小但对电控系统的影响比较大的情况容易忽略。基于此，提出了一种基于故障系数的电控发动机的故障分析方法，它能够从定性和定量的角度分析故障。以发动机无法起动的故障为例，说明基于故障系数的分析方法能够从定性和定量两个方面确定较为准确的故障诊断流程。

关键词：电控发动机；故障诊断；故障系数；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

随着汽车技术的不断发展和对汽车动力性、经济性、排放性的要求的不断提高，汽车发动机的电控系统越来越复杂，控制的精度也越来越高[1]。由于电控系统的复杂性，故障症状与故障原因之间的关系错综复杂，导致维修人员不能及时的对故障做出正确的判断。为了快速、准确的对电控发动机故障进行诊断，各个汽车售后厂家都会制定维修手册。制定维修手册大都是基于经验法计算故障树中底事件发生概率，计算出故障树顶事件发生概率、故障树各最小割集发生概率及最小割集重要度，然后按照最小割集重要度从高到低的顺序对制定维修流程，从而很大程度上减少了故障诊断的工作量。然而，对于一个重要度高但故障率很小的最小割集来说，单单的重要度并不能准确地反映出最小割集对整个电控系统故障的影响力[2]。导致制定的维修手册存在一定的缺陷，所以在对电控发动机故障大量统计的基础上，从零部件的概率重要度和发生概率大小两个方面描述了系统发生故障时最小割集发生故障的可能性，从而为更准确的制定维修手册奠定坚实的理论基础。

1、故障系数的研究

1.1 故障系数的概念

故障系数的概念是基于故障树中最小割集概率重要度提出的。最小割集概率重要度反应了各最小割集发生概率的变化对顶事件发生概率的影响程度，即各最小割集的重要程度。但是对于一个概率重要度高，而故障率很小的最小割集，单纯从概率重要度来考察并不能准确地反映出底事件对整个系统故障的影响大小，所以引入了故障系数。故障系数用F(i)来表示：

式（1）中PT Ki表示最小割集概率重要度，PKi表示最小割集的发生概率。从式（1）可见，故障系数能够将最小割集重要度和最小割集发生的概率联系到一起，从而利用故障系数进行故障诊断比单纯的利用最小割集概率重要度进行维修策略的制定更为准确。

1.2 故障系数的计算

根据故障系数的计算公式可以知道要想得到故障系数，需要计算出最小割集概率重要度和最小割集的发生概率。最小割集发生的概率PKi是根据经验法确定的。

在电控发动机的故障中，每一个最小割集在系统中的地位是不同的，若是能够找到对系统故障影响较大的最小割集，并对其进行重点检修，将大大提高系统的检修效率[3]。这一点可以通过最小割集概率重要度来体现。

PT为故障树顶事件发生的概率函数；PK为最小割集的发生概率。由于最小割集中各底事件是相互独立、不相容的，所以PK为最小割集中各底事件概率之积。根据故障树最小割集的数学描述，任何故障树都可以用顶事件和其所有最小割集组成的或门来等价的表示，另外所有底事件是相互独立的，可以近似的得到

PT顶事件发生的概率，PKi：每一个最小割集发生的概率，将式（3）代入式（2）可以得到概率重要度为：

将式（4）代入到式（1）可以得到故障系数，然后按照故障系数从大到小的顺序制定故障维修流程。

2、基于故障系数的故障分析

以电控发动机无法起动为例，首先建立电控发动机无法起动的故障树，然后分别利用结构重要度，最小割集概率重要度，故障系数进行电控发动机无法起动的维修策略的制定，对比分析说明基于故障系数进行故障分析的必要性。

2.1 电控发动机无法起动的故障树的建立

如图1所示是电控发动机无法起动的故障树，该故障树中共有11个底事件。

2.2 基于结构重要度维修策略的制定

根据故障原因与故障现象之间的相关性图1大小制定维修策略就是所说的基于经验的故障诊断方法，也叫着结构重要度分析的方法[4]。结构重要度越大，则由其造成的系统故障的可能性也越大。故障树中，称底事件的发生对顶事件的发生所做的贡献为底事件的结构重要度[5]。

图1　发动机无法起动的故障树Fag.1　Fault tree of engine failed to start

在故障树中，各个底事件都有两种状态，一种是发生，即Xi=1；一种是不发生，即Xi=0。各个基本事件状态的不同组合，又构成顶事件的不同状态，即Ф(X )= 1或Ф(X )= 0。结构重要度系数定义如下：

n为故障树的基本事件的总数；nФ(i )表示由于第i个基本事件发生（即Xi由0变为1）而使故障树的结构函数由0变为1的次数。

图1中的最小割集有11个：X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11。其结构重要度顺序为：

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，导致在发生无法起动的电控故障时非常的盲目，无从下手，从而大大降低了电控故障的检修效率[6]。所以，还需要借助于其他的方法将故障诊断流程按照故障系数确定，来提高故障诊断的命中率。

2.3 基于最小割集概率重要度维修策略的制定

基于发动机无法起动的故障数据库，得到表1所示的发动机无法起动的故障树底事件的故障概率，计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。见表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

通过上表可以看出，若是根据概率重要度进行检修，则诊断步骤如表3所示：

表3　故障诊断步骤Tab.3　Fault diagnosis step

2.4 基于故障系数的维修策略的制定

基于故障系数的魏旭策略的制定的步骤是：首先计算出故障树中各最小割集的概率重要度和故障系数，并在量级上进行分析和比较，特别是对于故障树规模大时，对那些故障系数值很小的最小割集的故障模式，可以不必的测试，而对那些需要测试的故障模式，按故障系数值从大到小的次序进行检测，从而提高故障诊断命中率，减少测试工作量[7]。根据式（1）计算出图1所示的故障系数，如表4所示。

表4　故障系数表Tab.4　Fault coefficient table

根据上表确定的故障诊断过程为：

表5　基于故障系数的诊断步骤Tab.5　Based on the coefficient of fault diagnosis step

3、结果分析

将表3和表5进行整合得到表6，如下表所示：

通过上表可以看出，利用两种方法进行排序时，结果不一致，这就导致在实际的维修中，出现完全不同的两种检测程序，从而导致诊断效率的不同。在维修手册的制作中或是实际的维修工作中，应将概率重要度和结构重要度综合考虑进去，从而提高诊断效率。对于发动机无法起动的故障应按照故障系数排序的方法进行故障的排除。

表6　结果对比Tab.6　Result of contrast

4、结论

由于对各个故障事件的信息掌握不够，若只是根据故障事件的结构重要度或是最小割集概率重要度的方法制定一套诊断流程，则在一定程度上降低了故障诊断的效率。本文提出了故障系数的概念，能将结构重要度和最小割集概率重要度结合起来，进一步完善了维修策略制定的有效性。但是对于故障事件的概率值的获得需要完备的数据库，在这一点上是本文还有待于进一步完善。

参考文献

[1] 纪常伟.基于故障树的汽车故障诊断系统开发[J].车辆与动力技术.2003,8(15):51-52.

[2] 邵延峰.故障树分析法在系统故障诊断中的应用[J].中国制造业信息化.2007,17（3）:72-73.

[3] 柳卫东,徐颖强,高西亚.基于故障树的汽车制动系故障分析[J].机械设计与制造.2007,13（2）:118-119.

[4] 陶勇剑,董德存,任 鹏.采用故障树分析诊断系统故障的改进方法[J].哈尔滨工业大学学报.2010(8):142-143.

[5] 安晨亮.故障树原理在故障诊断系统中的应用[J].导弹与航天运载技术.2009,10(4):50-51.

[6] 吴东盛,胡宗梅,张昆晓,曾建谋.电控发动机不能起动的故障树最小割集分析[J].农业装备与车辆工程.2012,10(7):39-40.

[7] 陈朝阳,张代胜,任佩红,许化东.基于故障树分析法的汽车故障诊断专家系统[J]. 农业机械学报.2003(9):130-13.

中图分类号：U472.1

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2016)04-153-04

作者简介：吴刚，硕士，就读于广东工业大学机械工程学院。研究方向：汽车电子控制系统、智能故障诊断系统。

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