毕业设计（论文）-基于FTA的发动机燃烧故障诊断.doc

北京化工大学北方学院毕业论文 i 诚信申明诚信申明 本人申明： 我所呈交的本科毕业论文是本人在导师指导下对四年专业知识而进行的研究工作 及全面的总结。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中创新处不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京化工大学 或其它教育机构的学位或证书而已经使用过的材料。与我一同完成毕业论文的同学对 本课题所做的任何贡献均已在文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 年 月 日 北京化工大学北方学院毕业论文 ii 基于基于 ftafta 的发动机燃烧故障诊断的发动机燃烧故障诊断 -故障树在燃烧故障诊断中的应用 xxx 汽车服务工程专业 汽车 0601 班 学号 060107018 指导教师 摘摘 要要 汽车在现代交通运输领域有着不可替代的地位，提高汽车的运用和维修的可靠性 是实现其功能的保证，而快速有效的诊断方法会很大程度提高维修的效率与可靠性。 将故障树分析法应用于汽油机燃烧故障诊断中，对汽油发动机的燃烧故障进行分析并 列举传统故障诊断实例，收集汽油机燃烧故障资料，对相关的技术资料进行分析并选 择所有气缸均出现燃烧故障和单缸出现燃烧故障为顶事件，然后建立故障树模型，根 据逻辑运算关系对故障树进行简化，然后对故障树进行定性分析，通过模糊处理的方 式对故障树进行定量计算并与传统诊断方法相比较。遵循故障树定性分析所得出的最 小割集，对实际故障可方便快捷的查找引起顶事件底事件故障，以便预防发动机燃烧 故障的发生或减小其发生概率，文中建立了电喷汽油发动机燃烧故障树模型，确定出 引发系统故障原因的各种可能的组合方式和系统发生故障的概率，为进一步研究实用 的电喷汽油机故障自诊断系统提供了一种可行方法。 关键词关键词 汽油发动机汽油发动机 燃烧故障燃烧故障 故障树故障树 最小割集最小割集 北京化工大学北方学院毕业论文 iii the diagnostic of combustion engine failure based on fta - the fault tree combustion in fault diagnosis of application abstract cars play an irreplaceable position in modern transportation field, to improve the use and maintenance of the automobile realize its function is the guarantee, but fast and effective diagnosis method can greatly improve the efficiency and reliability of maintenance. fault tree analysis method applied in gasoline engine combustion in fault diagnosis, the combustion of gasoline engine failure analysis and lists of traditional fault diagnosis example, collect gasoline burns fault material, relevant technical data for analysis and select all cylinders are burning faults and fault for single event appears combustion, then the fault tree model, according to the logic relation of the fault tree is simplified, then the fault tree qualitative analysis, through the fuzzy fault tree of quantitative calculation of traditional diagnosis methods and compared. follow the fault tree qualitative analysis of minimum cut set, in practical fault can be convenient for the incident caused by fault event, in order to take to prevent engine combustion fault or reduce its probability, this method is simple, intuitive, and practical. the fault tree is an inverted deduce the graphic analysis method, build efi gasoline engine combustion fault tree model, determine the cause of the failure of system may combination and system of the failure probability, for further research and practical efi engine fault diagnosis system provides a feasible method. keywords: gasoline engines burning failure fault tree the minimum cut set 北京化工大学北方学院毕业论文 iv 目目 录录 前 言.1 第 1 章 绪 论2 第 2 章 汽油发动机燃烧故障分析4 2.1 节 故障分析方法4 2.2 节 汽油发动机燃烧故障分析 .5 2.3 别 克汽车发动机燃烧故障诊断. .6 第3章 故障树及故障树诊断法 9 3.1节 概述. 9 3.2节 故障树的建造. . .10 第 4 章 汽油机燃烧故障树模型的建立.16 4.1 节 所有气缸均出现燃烧故障的故障树模型.16 4.2 节 单缸出现燃烧故障的故障树模型 23 第 5 章 故障树的定性与定量分析 . 30 5.1 节 故障树的定性分析.30 北京化工大学北方学院毕业论文 v 5.2 节 故障树定量分析方法. 34 结 论. . . .38 参考文献. . .39 致 谢. 41 北京化工大学北方学院毕业论文 - 1 - 前前 言言 随着汽车工业的飞速发展，汽车检测与诊断已发展成为一门重要的学科，并在 汽车制造、汽车使用、汽车维修和车辆管理部门获得广泛应用。另外，随着电子技 术与测控技术的快速发展，电子化、集成化与智能化测量仪器设备在汽车检测与诊 断中用得越来越多。这就要求检测与诊断人员不仅具有汽车构造、汽车理论方面的 知识，而且还要有监测与诊断方面的大量知识，尤其是现代检测诊断方法与现代检 测仪器的灵活应用。 汽车工业中电子控制系统在汽车上的应用越来越普遍。电控系统在提高汽车性 能的同时，也使汽车的故障诊断变得复杂起来。随着许多先进技术在发动机上的应 用，由于诊断对象的复杂化，过去依靠“眼观、耳听、手摸”对汽车进行维修的传 统方法已经不适应时代发展的要求了。然而，国内对于电喷发动机的维修至今仍是 一个薄弱环节，特别是对不同车型的维修方法及故障诊断过程，均需要各自的详细 资料才可以合理诊断维修，但这些车辆的维修资料价格较贵，且较难搜集全面，给 维修工作带来了不便。 汽油发动机是汽车的心脏部分，其故障约占汽车全部故障的40%以上。发动机结 构复杂，要求各子系统和机构之间配合协调，任何一个部分或几个部分工作不良且 相互影响时都会造成故障的发生。因此，在发动机不解体的情况下，对所发生的故 障做出及时准确的判断，判明故障部位，找出故障原因和排除方法。这样可大大减 少修理的盲目性，提高经济性和安全性。因此，研究汽油发动机的故障诊断技术， 以提高故障诊断的技术水平，具有重要的经济效益和应用前景。 故障树分析简称fta，是用于大型复杂系统模块级故障诊断的一种十分有效的 方法。在实际应用中主要是建立起以故障树模型为基础的故障诊断系统，对一个系 统不希望发生的事件进行规则推理，从而找出这一事件发生的所有直接因素和可能 原因。故障树直观地反映了系统故障与各种基本故障的逻辑关系,为迅速排除故障提 供了依据。利用故障树可找出系统故障的故障谱,再进一步找出系统的最薄弱环节, 便于加强对薄弱环节的检查及维护,以提高机器使用的可靠性。将fta引入到汽油发 动机燃烧故障分析，并收到良好效果！ 北京化工大学北方学院毕业论文 - 2 - 第第1 1章章 绪绪 论论 汽车技术状况的诊断是由检查、测试、分析、判断等一系列活动完成的。传统 的汽车故障诊断是建立在人工经验检查基础上，主要依赖于人工观察、推理分析和 逻辑判断。现代汽车故障诊断则通过先进的仪器设备，利用电子控制技术，对汽车 故障做出科学、快速的诊断。目前汽车故障诊断可归纳为以下几种方法。 1.人工经验诊断法 经验诊断法是诊断人员凭借丰富的的实践经验和一定的理论知识，在汽车不解 体或局部解体情况下借助简单工具，根据汽车运行时表现出来的异常状况，用眼看、 耳听、手摸等手段，边检查、边试验、边分析，进而对汽车技术状况做出判断的一 种方法。这种方法具有不需要复杂的仪器设备，可随时随地的应用，以及投资少、 见效快等优点。但这种方法必须依赖于维修检测人员长期积累的经验和反复观察， 因而诊断速度慢、准确性差，不能进行定量分析。现在，纯粹依靠人工经验来进行 诊断的方法已不多见，更常见的则是感官加上专用测试仪器的结合使用。 2. 检测诊断法 检测诊断法是在不解体情况下,利用各种检测设备和仪器获取汽车、有关总成乃至 机构和零部件的各种参数、曲线或波形,并根据这些信息来分析判断汽车的性能与技 术状态。随着电子技术的发展，汽车检测仪器设备也越来越多样化和专门化。典型 的有底盘测功机、发动机综合测试仪、侧滑试验台、制动试验台、车轮定位仪、灯 光仪、气体分析仪、烟度计、声级计，以及各种各样传感器和示波器等。这种诊断 方法的优点是检测速度快、准确率高，能进行定量分析；其缺点是价格昂贵、投资 大，占用厂房，操作人员需要进行培训。通常用于汽车检测站和大型维修企业。 3自我诊断法 自我诊断法是利用计算机本身可以迅速监测控制系统的工作状况和储存数据这 一特点，根据一定的预设程序，自动监测汽车受控系统范围内发生的故障并将其以 代码的形式存储于汽车电脑中，驾驶员和维修检测人员根据自诊断系统发出的提示 （如声响或闪光）将故障码提取出来，从而得到汽车故障信息，然后对症下药，进 行故障排除。随着汽车真算技术的进一步发展，出现了一种汽车电脑故障诊断仪， 也称解码器，它能把汽车电控单元 ecu 存储的各种故障信息提取出来，进行译码整 北京化工大学北方学院毕业论文 - 3 - 理、比较和分析，并将结论和处理意见以清晰的文字、曲线或图表方式显示出来。 可以根据这些传送出来的信息，判断故障的类型、发生部位以及解决的方法。自我 诊断法可以进行静态和动态诊断，是未来诊断技术的发展方向之一。 4. 故障树分析法 故障树即故障因果关系分析图.它是利用逻辑推理,对确定的故障事件在一定条 件下用图形表示,并确定导致此故障事件必然发生某(些)次级事件的因果关系的图形 演绎方法.然后,再分析此次级事件必然发生的更次级事件如此层层分析演绎、 制图 , 直至分析到 基本故障事件或不能再分解的边界事件为止,这种演绎图形即为 故障树。 故障树分析法在汽车诊断中的应用时根据汽车的工作特性与技术状况之间的逻 辑关系构成的树状图形（故障树），来对故障发生的各种原因进行定性分析，并能 用逻辑代数运算对每一故障出现的条件和概率进行定量分析。它可对汽车的故障进 行预测和诊断，找出其薄弱环节，以便防患于未然，使汽车的技术状况处于良好状 态。用故障树对汽车故障进行分析，可以用于分析系统组成中除硬件以外的其他成 分。例如，可以考虑维修质量、人员因素的影响。同时，它不仅可以分析由单一缺 陷所引起的系统故障，而且还可以分析由两个以上零件同时发生故障时才会发生的 系统故障，因而在汽车诊断中被广泛采用。 故障树直观地反映了系统故障与各种基本故障的逻辑关系,为迅速排除故障提供 了依据.利用故障树可找出系统故障的故障谱,再进一步找出系统的最薄弱环节,便于 加强对薄弱环节的检查及维护,以提高机器使用的可靠性。 应该指出，以上汽车故障诊断方法，各自保持这不可代替的特点。在应用中通 常是几种方法的相互结合，在重视传统经验诊断方法的同时，力求充分利用现代检 测诊断技术，取长补短，以提高诊断效率和诊断结果。本文主要将故障树分析法应 用于发动机燃烧故障诊断中，首先对汽油发动机燃烧故障进行分析并介绍该故障常 见的诊断过程，然后建立汽油机燃烧故障树模型以及对应故障树的定性分析与定量 分析。根据分析过程和结果与传统诊断方法比较，明确该方法的优点。 北京化工大学北方学院毕业论文 - 4 - 第第2 2章章 汽油发动机燃烧故障分析汽油发动机燃烧故障分析 2.12.1节节 故障分析方法故障分析方法 故障诊断是指在不解体(或仅拆除个别小件)的条件下，确定发动机技术状况，查 明故障部位及原因。故障诊断一词包含两种含义：一是维修性诊断，即对已暴露出 来的故障进行诊断，针对故障部位、原因，采取相应的修复方法；二是预防性诊断， 即在尚未出现明显故障时，对发动机进行全面的技术状况检查，了解发动机现有的 技术状况是否与制造厂的技术规范相一致，并将诊断结果(技术状况变化、零件磨损、 需修、需换的零件)记录在诊断报告书上，提出需要进行什么样的维护修理作业，才 能使发动机恢复到或接近新发动机的技术状态。 故障分析的目的是通过寻找造成故障的各种因素（包括各种机理），确定其关 键因素，以防该故障再现，同时也可为故障诊断提供可靠理论依据。对系统或设备 进行可靠性分析一般有两种方法：事件树分析方法eta(event tree analysis)和故障 树分析法fta(fault tree analysis)。 eta是在给定一个初因事件的情况下，分析此初始事件可能导致的各种事件序 列的结果，从而定性及定量地评价系统特性，并帮助分析人员正确决策。 fta即故障树分析法是一种目前国内外公认的对复杂系统安全性、可靠性分析 比较实用的方法。它是一种自上而下逐层展开的演绎分析方法，它以系统或设备最 不希望发生的事件为顶，向下逐层找出导致该事件发生的各种因素（包括硬件、软 件、环境、人为因素等），然后以一种特殊的倒立树状逻辑因果图（即故障树）来 表示其中的逻辑关系，并对系统中发生的故障事件，进行由总体到部分地按树状逐 级细分的分析，其目的是判明基本故障、确定故障原因、故障影响和发生概率等。 fta法是一种由果到因的分析方法，故障树分析法在汽车诊断中的应用是根据 汽车的工作特性与技术状况之间的逻辑关系构成的树状图形（故障树），来对故障 发生的各种原因进行定性分析即应用数理逻辑找到故障树的结构函数，并能用逻辑 代数运算进行定量分析即确定顶事件发生的概率和底事件重要度。在本文中应用故 障树理论对汽油发动机的燃烧故障进行分析研究，绘出故障树图，从而可以看出事 北京化工大学北方学院毕业论文 - 5 - 件的成因与形成过程，能发现潜在的问题，有利于发动机整个系统故障的预防、预 测和控制。 2.22.2节节 汽油发动机燃烧故障分析汽油发动机燃烧故障分析 汽油发动机是一个非常复杂的系统，在使用过程中容易产生故障的部位是供油 系、点火系、冷却系、润滑系和机械部分（曲柄连杆机构和配气机构）。点火系在 汽车中故障发生率较高，常见故障现象有无低压电流、无高压火花和高压火花弱等， 常会引起发动机不能发动、发动机无力等故障；供油系时常发生故障部位是油路， 常见的故障现象是渗漏、来油不畅或不来油以及混合气过稀或过浓，常会引起发动 机不能发动、怠速不良等故障；冷却系工作失常常会引起发动机过热，造成压力下 降或产生突爆，甚至造成活塞卡缸、拉缸等恶果；润滑系常见故障现象是机油消耗 过甚和机油很快变黑等；机械部分常见故障是发动机无力，不能发动和运转声异常 等。在实际使用过程中，发动机故障多由一个或两个以上故障点构成，所以故障诊 断从发动机的几个主要技术性能标准着手，分析主要故障现象。由于汽车发动机故 障现象很多，不可能全部进行系统分析，在此选择常见的有代表性的故障现象进行 系统分析。 随着采用点火线圈及火花塞点火的发动机和大型的v10发动机逐渐向小型的发动 机演变，对发动机燃烧故障（缺火）的诊断措施也必须作相应的变化。想要成功地 诊断出发动机的故障，掌握缺火故障检测的原理仍然是至关重要的。 传统诊断法是从检查车辆的故障指示灯或故障代码入手，但是如果过分依赖于 系统的故障代码，也许会出现失望的结果，因为诸多缘故在一辆发生严重的缺火故 障的汽车上有可能不会产生故障代码。如下所列： (1)当汽车油箱中燃料量少于油箱容积的15%时，缺火故障监视器可能会挂比。 这主要是为了避免用户给油量不够的车辆设置缺火故障代码，防止他们在给油箱加 满油后再去对那些实际上并不存在的问题进行诊断。 (2) 缺火故障诊断的结果可能与温度有关，在较低或较高的温度条件吓监视系 统往往不工作。 (3) 如果汽车上事先已经设置了其它系统的检测代码（包括 北京化工大学北方学院毕业论文 - 6 - tps、map、maf、egr系统等），那么发动机的缺火诊断过程将有可能被终止。 (4) 故障指示灯定会随着“能够对催化转化器造成损害”的缺火现象而而闪现。 很多工程师往往采用催化转化剂保护措施来避免发生这样的所害。如果在发生缺火 的汽缸中喷被关闭，那么就可以认为此时的缺火现象不会再对催化剂造成损害。 要成功的获得详尽的诊断信息并不是简单的事，在确定了哪个气缸发生故障之 后下一个步骤是采取措施排除故障。 常用方法是：先将与发生缺火故障的气缸对应的点火线圈和火花塞换到一个工 作正常的气缸上，然后再观察缺火故障的计算值以确定问题是否遗留在原气缸上或 是转移到了新的位置。大多数不同气缸的点火线圈都是一样的，而有些点火线圈则 可能会有微小的尺寸上的差别，这可能对线圈及火花塞的互换产生影响。 若经过更换后缺火现象没有任何改变，则问题是出在别的地方而不是在于点火 线圈和火花塞。以下所述是可能存在的发生问题的原因： (1) 点火线圈或喷油器没有功能或功能不足。 (2) 点火线圈驱动线路或喷油器驱动装置已坏。 (3) 喷油器太短或堵塞。 (4) 发动机压缩有问题。 (5) 进排气问题，进气口或排气口出现堵塞。 最后还要注意发动机气缸的随机缺火现象，当发动机的运转里程数达到11.1 万km时，喷油器及进气门上的积碳就有可能会造成发动机气缸的随机缺火。由于这 些缺火现象的发生是随机性的，所以这有可能要耗去很长时间来设置故障代码。 如前所述，发动机的任何一部分工作不良或相互配合不协调均能产生故障，故 障起因与症状间的关系并非一一对应，多数情况下有并发症出现；故障可能时有时 无等等。由于成因后果的多层次性，从而形成一连串的因果链；加之一因多果或一 果多因的情况，如何从发动机各种常见的故障现象入手进行逆向推理，编绘相应的 故障树是本文的重点和难点。 汽油发动机燃烧故障是发动机缸内可燃混合气不能燃烧或燃烧过程不正常引起 的发动机不工作或不能正常工作的现象。在此分别以所有气缸均出现燃烧故障和仅 某一单缸出现燃烧故障为研究对象，建立故障树模型。 2.32.3节节 别克汽车发动机燃烧故障诊断别克汽车发动机燃烧故障诊断 北京化工大学北方学院毕业论文 - 7 - 下述为别克汽车发动机缺火故障基本诊断过程，可帮助诊断因凸轮轴故障、轴 承故障或损坏或推杆弯曲等机械问题所导致的发动机缺火。未单独列出喷油器乱线、 喷油器故障或其它可能导致发动机缺火的驱动元件故障。 首先检查动力系统内置诊断系统，然后按照下述步骤检测，对照特定的类别来 判断故障原因。确定故障发生的位置，维修并检查。 第一步：用车载诊断检查系统完成dtcp0300（失火检测故障），确定哪一气缸 或哪些气缸缺火。 第二步：可直观检查以下各项： （1）发动机飞轮或曲轴配重是否太松或安装不当位。 （2）附件驱动系统元件是否磨损，损坏或错位。 第三步：听发动机内部声音是否异常。 （1） 发动机内部声音正常 1）检查正时链条和/或链条是否磨损或安装不当。 2）对于缺火的气缸，拆卸发动机侧部的气门摇臂盖，检查如下各项： 气门臂螺栓太松 推杆弯曲 气门弹簧故障 气门挺杆（泄露）故障 气门磨损或坐位不正 凸轮轴凸起磨损 （2） 发动机内部声音异常 当发动机运转时，确定噪声是否与凸轮轴转速或曲轴转速相符：采用正时 灯，如果每闪1次有2次噪声，则与曲轴转速有关；如果每闪1次有1次噪声，则 与其凸轮轴转速有关。 1）如果噪声与凸轮轴转速频度相同，则检查如下各项： 气门装置部件丢失或松开 气门摇臂模塑百货太松 推杆磨损或弯曲 气门弹簧故障 北京化工大学北方学院毕业论文 - 8 - 气门弯曲或烧损 正时链条和/或链轮磨损或损坏 2）如噪声频率与曲轴转速相同，则检查如下各项： 曲轴主轴承或连杆轴承磨损 活塞或气缸损坏 活塞或活塞销磨损 连杆有故障 活塞顶部积碳太多 第四步：检查发动机机油消耗量是否太高或机油压力是否合适（发动机机油消 耗可能但不一定导致发动机缺火），并检查发动机汽缸压力。 （1）拆卸火花塞并检查火花塞中是否有积炭。 （2）进行气缸压力测试或气缸泄露测试。 1）进行气缸压力测试显示气门导管磨损，则检查如下各项： 汽油杆油封是否磨损、断裂或安装不当 气门导管磨损 气门杆磨损 气门或阀座磨损或烧蚀 2）如果测试显示活塞环磨损或损坏，则检查如下各项： 活塞环断裂或装配不当 活塞环端隙过大 缸径磨损或锥度太大 气缸损坏 活塞损坏 （3）检查进气歧管是否泄漏（产生真空泄漏的进气歧管可能会导致发动机缺火） 。检查如下各项： 真空软管安装不当或损坏 进气歧管和/或衬垫安装不当或损坏 进气歧管由裂缝或损坏 节气门体或衬垫安装不当或损坏 进气歧管出现翘曲 北京化工大学北方学院毕业论文 - 9 - 气缸盖密封出现翘曲或损坏 第第3 3章章 故障树及故障树诊断法故障树及故障树诊断法 3.13.1 概述概述 （1）故障树及故障树诊断法的概念 故障树是把故障作为一种事件，按其故障原因进行逻辑分析的树状图形，它是 连接初始事件和顶事件，通过一定的逻辑关系把故障事件与直接原因之间的关系系 统的表示出来的一种逻辑结构图。首先把要进行分析的系统故障作为第一级，再将 导致该事件发生的直接原因并列的作为第二级，用适当的事件（逻辑）符号表示各 原因之间的关系，并用适当的逻辑门把它们与故障事件连接起来；其次将导致第二 级各故障事件发生的原因分别并列在第二级故障事件的下面作为第三级，用适当的 故障符号表示之，并用适当的逻辑门与第二级相应的事件连接起来。如此逐级展开， 直到把最基本的原因都分析出来为止，这样的一张表图就构成了故障树,如图3.1所 示。 或 部件 b 故障 图3.1 故障树示意图 故障树诊断法又叫故障树分析法（fault tree analysis,缩写为fta）。它是一种 系统故障 或与 部件 a 故障 元件 1 失效元件 2 失效元件 3 失效元件 4 失效 北京化工大学北方学院毕业论文 - 10 - 将系统故障形成的原因由总体至部分按树枝状逐级细化的分析方法，其目的是查明 基本故障，最终确定故障的具体原因、影响和发生概率。故障树诊断法属于一种可 靠性分析技术，是对复杂的动态系统失效形式进行可靠性分析的有力工具。 故障树分析是故障分析的演绎方法，也是一种分析故障原因及其发生概率的设 计分析方法。故障树分析是通过对可能造成系统故障的各种因素（包括硬件、软件、 环境以及人为因素等）进行分析，画出逻辑框图（即故障树 fault tree），从而确定 系统故障的各种可能组合方式及其发生概率，找出系统故障的主要原因并计算出系 统故障的发生概率。 （2）故障树诊断法（fta）的特点 故障树诊断法被广泛采用并不断发展，是因为它具有下列特点： 1）在清晰的故障树图形下，表示出系统的内在的联系，并指出零部件和系统间 发生故障的逻辑关系，因此容易找出系统的薄弱环节。 2）fta法的分析过程也是一个对系统更深入认识的过程。通过故障树，使分析 人员能把握系统的内在联系，弄清各种潜在因素对故障发生影响的途径和程度，在 分析过程中便能发现问题，即使加以解决。因而它不仅分析了现有的问题，而且由 于提出解决办法和改进措施，从而使分析人员对系统具有更深入的认识，以至可对 系统进行改进设计。 3）故障树诊断法克定量的计算复杂系统的故障概率以及其他可靠性参数，为评 价和改善系统可靠性提供有价值的数据。 4）灵活性大，故障分析中要考虑的许多因素，故障树诊断法都能考虑进去。它 不限于对系统可靠性做一半分析，而且可分析系统的各种故障状态。不仅可分析零 部件对系统故障的影响，还可对导致这些零部件故障的特殊原因，如环境的、人为 的因素等进行分析，同一考虑。 5）故障树建成后，对不曾参与系统设计的管理和维修人员来说相当于有了一个 形象的维修指南。 （3）故障树分析法的步骤 其步骤通常因评价对象、分析目的、精确程度等不同而异。但一般步骤是： （1）建造故障树； （2）建立故障树的数学模型； （3）定性分析； 北京化工大学北方学院毕业论文 - 11 - （4）定量分析。 3.23.2节节 故障树的建造故障树的建造 故障树诊断法的关键是建造故障树，故障树越完善越周全越好，完善程度直接 影响定性与定量分析的准确性。 （1）故障树的建立步骤 1）收集资料； 2）对相关的技术资料进行分析并选择顶事件； 3）通过一级一级分析推理找出各级事件，从而建立故障树； 4）根据逻辑运算关系对故障树进行简化。 故障树要建的“完善”、“周全”并不是一件容易的事，由于建树过程是建立 在对系统仔细、透彻分析的基础上的，可能不同的人分析问题的方式和步骤不同， 其详尽程度也各有差异，因此可能不同的人对同一系统故障建立的故障树也不相同。 但对于详尽周全的故障树而言，其差异不会很大。 （2） 建树方法 建立故障树的方法可分为两大类：一类是演绎法；另一类是计算机辅助建树的 合成法或决策表法。 演绎法建树的方法和步骤 第1步：确定系统（汽油发动机）的故障并把它作为故障树的顶事件，然后用规 定的符号表示。 第2步：并列写出导致顶事件发生的直接故障原因，如硬件故障、软件故障、环 境因素、人为因素等，并用相应的符号连接，作为第二级事件； 第3步：找出产生第二步各故障事件的直接原因作为第三级事件，并用相应的符 号连接在第二级事件的后面。 第4步：按照相同的方法主机演绎下去，一直追溯到引起系统发生故障的全部原 因为止，也就是找到不能再往下分的最基本原因（底事件或基本事件）为止。 第5步：检查各故障的结点故障是否周详、完善，完整整个故障树。 北京化工大学北方学院毕业论文 - 12 - 这样，就建成了1棵以给定顶事件为“根”，中间事件为“节”，底事件为“叶” 的倒置的n级故障树。通过故障树分析，可以找出系统故障的主要原因，以便有针对 性地采取相应的改进对策和维修措施，排除已出现的故障或可能发生的潜在故障。 故障树分析的最终目的是提高系统的可靠性。 （3）故障树中的基本名词术语和符号，如表3.1所示。 表3.1 故障树中的基本名词术语和符号 符号类别符号说明 矩形符号 用以表示故障的最终事件和中间事 件，通常是因为系统中元件失效或人为 失误所致。前后与逻辑门相连接。 圆形符号 用以表示初始事件，即发生故障的 最根本原因，是再也找不出原因的事件。 只能作为逻辑门的输入。 事件符号 菱形符号 用以表示不完整事件，由于信息不 足，暂时不能进一步往下分析原因的事 件，或者可能发生但概率很小的事件， 在分析中乐意略去不计。 a x1 x2xn 与门符号（and） 表示“与”逻辑关系，事件 x1、x2、xn同时发生时，事件a才 发生，即a=x1x2xn 逻辑符号 a x1 x2xn 表示“或”逻辑关系，事件 x1、x2、xn之一发生时，事件a就 发生，即a=x1x2xn + + 北京化工大学北方学院毕业论文 - 13 - 所谓故障树的结构函数就是在故障树分析中，如对表示系统某种故障的定事件 和表示故障最基本原因的初始事件均只考虑有故障和无故障两种状态，并设初试时 间的状态为x1，x2，xn，系统顶事件的状态如用来表示，则必然是初始事件 状态xi（i=1，2，n）的函数，这个函数就称为故障树的结构函数，即 =（x1,x2,xn）。在故障树中，实际上整个故障树是由基本的与门故障树和或 门故障树构成的。 4)故障树分析程序 由于分析的系统不同，故障性质不同，故障树在实际分析中其步骤会有所差异， 也就是其故障分析程序也不同。通常故障树分析程序如图3.2所示。 确定系统目标 建造故障树 定量分析定性分析 制定防止故障树的对策， 进行故障排除 图3.2 故障树分析程序框图 首先根据对系统的熟悉了解查明故障的出处，绘制可靠性框图；然后逐步分析 了解熟悉系统 检查故障 分析原因事件 绘制可靠框图 确定故障树的顶事件 北京化工大学北方学院毕业论文 - 14 - 故障产生的原因，建立“故障树”；最后根据“故障树”建立故障树概率模型，针 对每一故障模式，计算其故障概率，将各故障概率与规定的允许值进行比较，从而 确定其故障原因。 5）故障概率计算 前面讲了故障树分析法既可进行定性分析，又可进行定量分析。由于故障树中 列出了引起故障的所有可能原因，每个原因的可能性不一样。同时汽车发生故障也 具有一定的随机性，有可能发生，也有可能不发生，属于偶然事件。因此建立“故 障树”来进行故障分析，不仅能帮助人们弄清故障发生的原因，进行定性分析，而 且还可以根据“故障树”中影响故障发生的个因素出现的可能性大小，定量的计算 出故障发生的概率。由前面分析可知，故障树是由各种可能发生故障原因的“或” 和“与”的逻辑关系连接而成的，因此可以用逻辑代数（或称布尔代数）来计算故 障发生的概率。逻辑代数是研究集合的一种逻辑运算方法，“集合”是一个数学概 念，指具有某种属性的事物的全体，用故障树进行故障分析时，每一个基本事件的 发生都可以构成一个集合。故障树分析法就是研究这些集合如何组成新的集合，并 分析他们之间的逻辑关系，建立数学模型并进行运算，以便求出故障发生的概率。 这就是故障树分析法的实质。在这里，介绍几种运算的基本过程。 和运算和运算 逻辑运算的和运算a+b或ab相当于集运算中两个集合a与b的和运算， 在集运算中定义为：ab=xxa或xb,其结果为即包括集合a的元素，又包 含集合b的元素。其逻辑关系相当于上表1中的“或”门符号表示的逻辑运算。 积运算积运算 逻辑运算的积运算ab、ab或ab相当于集运算中两个集合a与b的积 运算，在集运算中定义为：ab=xxa且xb,其结果为包括集合a和集合b 共有的元素。其逻辑关系相当于表3.1中的“与”门符号表示的逻辑运算。 逻辑运算的基本性质列于表3.2中。 表3.2 逻辑运算的基本性质（a、b、c表示逻辑变量） 名称运算公式名称运算公式 逻辑和运算 a+b=b+a a+(b+c)=(a+b)+c a+a+a=a a+1=1 a+0=a 逻辑积运算 ab=ba a(bc)=(ab)c aaa=a a1=a a0=0 北京化工大学北方学院毕业论文 - 15 - 分配律 a(b+c)=ab+ac a+bc=(a+b)(a+c)吸收律 a+ab=a a(a+b)=a 根据故障树计算故障概率通常可按以下步骤进行： 第1步：通过故障树中逻辑关系，写出故障树的逻辑函数。 第2步：化简故障树或结构函数。在用故障树进行定量分析时，如果发现故障树 中有两处或两处以上的相同基本事件，则需化简后在进行概率计算。 第3步：根据概率公式计算故障发生的概率。 在用故障树分析故障时，故障最基本原因的初始事件，大多数是独立事件，即 一个基本事件是否发生，与其他事件无关。假如初始事件x1,x2，xn所发生的概 率分别为p1,p2,，pn，则顶事件（分析目标）发生的概率可按下列方法计算(由pi表 示gi或fi发生的概率)。当逻辑关系为“与”连接时，用n个独立事件积的概率计算公 式： p(x)=p(x1x2xn)=p1p2pn= (3.1) n i pi 1 当逻辑关系为“或”连接时，用n个独立事件概率和的概率计算公式计算： p(x)=p(x1+x2+xn)=1-(1-p1)(1-p2) (1-pn)=1- (3.2) n i pi 1 )1 ( 北京化工大学北方学院毕业论文 - 16 - 第第4 4章章 汽油机燃烧故障树模型建立汽油机燃烧故障树模型建立 4.14.1所有气缸均出现燃烧故障的故障树模型所有气缸均出现燃烧故障的故障树模型 建立故障树： 汽车发动机时极为复杂的机器，包含许多机构和系统，一般是由机体组、曲柄 连杆机构、配气机构、进排气系统、燃油系统、冷却系统、润滑系统、启动系统和 有害排放物控制装置等。汽油机还包括点火系统。 汽油机的正常燃烧是指由火花点火引燃并以火核为中心的火焰传播过程。若设 计或控制不当，汽油机偏离正常点火的事件及地点，由此引起燃烧速率急剧上升， 压力急剧增大，如爆燃、表面点火和激爆等异常现象，都属于不正常燃烧。 建立故障树： 第一级：顶事件为发动机所有气缸均出现燃烧故障。如图4.1： 发动机燃烧故障 图4.1 故障树顶事件 第二级：导致发动机燃烧故障的主要原因可概括为以下三个方面。 （1）燃烧室结构故障 当发动机存在机械故障（如活塞变形、曲柄连杆机构损坏等）时，气缸工作环 境不正常，发动机肯定会出现燃烧故障； （2) 运转故障 当发动机转速过低时，导致点火提前角不合适，使得点火时刻不准确，气缸内 混合气便无法正常燃烧； 北京化工大学北方学院毕业论文 - 17 - （3）燃料故障 汽油机为内燃机，其燃料一般是汽油和空气混合气，发动机发生燃烧故障，最 主要的原因之一就是燃料混合气不正常（过浓或过稀），即供给系出现故障。汽油 机供给系由燃油供给装置、空气供给装置、可燃混合气形成装置和可燃混合气供给 和废气排出装置组成，电喷式汽油机还有相应的控制电路系统。混合气不正常的主 要原因可分为供油系统故障、空燃比不正常和电路故障。 总上分析，该故障树第二级可归纳为发动机转速过低、机械故障、供油系统故障、 空燃比不正常和控制电路故障。由于上述五方面故障任一发生都会导致顶事件（发 动机燃烧故障）发生，故他们之间的逻辑关系是“或”。如图4.2： 空燃比不正常电路故障供油系统故障发动机转速过低 + + 图4.2 故障树第二级事件 先分析供油系统故障： 汽油喷射式发动机的燃油系统是在恒定的压力下，利用喷油器将一定数量的汽 油直接喷入气缸或进气管道内的汽油机燃油供给装置。一般是由汽油箱经电动汽油 泵、汽油滤清器、燃油分配管、油压调节器到喷油器。供油系统出现故障主要表现 为油箱故障（一般为油箱空）和油路故障。导致油箱空一般为人为因素，如上次用 完未加满、发生故障前未检查油箱等，当各种因素同时发生时才能导致油箱故障发 生即油箱空，所以他们之间的逻辑关系是“和”。 油路故障主要表现在漏油、堵塞和机件损坏三个方面，其中漏油和堵塞为常见 故障。在汽油供给系统中，汽油泵是最重要的部件，也是最容易发生故障的部位。 油泵不工作的主要原因是油泵损坏或控制油泵的电路发生故障。当上述任一故障事 件发生时都会导致上级故障的发生，所以他们之间的逻辑关系是“或”。 该故障树分支如图4.3： 发动机燃烧故障 机械 故障 北京化工大学北方学院毕业论文 - 18 - + + 图4.3 供油系统故障事件 所谓空燃比就是混合气中空气量和汽油量的比例关系，导致空燃比不正常的直 接原因是喷油器故障，不能喷油或喷油量过多、过少都会导致空燃比不正常；如果 喷油器正常则故障可能出现在喷油器的控制电路，控制电路故障导致喷油器不能正 常喷油。任一故障现象出现都会使喷油器不能正常喷油，空燃比不正常。所以他们 供油系统故障 + + + + 油箱空油路故障 油泵不工作 上次 用完 未检查 油箱油管 堵塞 油管 堵塞 油泵电 路故障 北京化工大学北方学院毕业论文 - 19 - 之间的逻辑关系是“或”。如图4.4： 空燃比不正常 + + 油泵 损坏 油泵电 路故障 图4.4 空燃比故障事件 电路故障： 电控发动机内最主要的电路为点火系电路和控制电路。发动机点火系的点火性 能主要取决于火花塞所要求的放电电压和点火时间，其中放电电压主要取决于点火 系的高压线路和低压线路的结构和性能参数，点火时刻也就是点火正时，主要取决 于点火提前角的设定。汽油机点火系的主要故障是高压线路故障和低压线路故障， 通常会出现在以下几方面： 1）点火电路故障 2）点火提前角失常 3）分电器壳漏电 4）高压电路故障 5）火花塞故障 控制电路故障主要发生在驱动线路、控制模块和控制电源这三方面。 综上所述，任一故障事件单独发生都会引起上级故障的发生，所以他们之间的 逻辑关系是“或”。 该故障树分支如图4.5： 北京化工大学北方学院毕业论文 - 20 - 电路故障 点火 提前 角失 常 点火 电路 故障 驱动 线路 故障 高压 电路 故障 控制 电源 故障 驱动 模块 故障 点火系统故障控制电路故障 高压线路故障低压线路故障 + + + + + + + + + + 分电 器壳 漏电 火花 塞故 障 北京化工大学北方学院毕业论文 - 21 - 图4.5 电路故障事件 发动机转速过低： 发动机的启动系统主要由蓄电池、点火开关、启动继电器、起动机等组成，其 作用是通过起动机将蓄电池的电能转化为机械能，启动发动机运转。发动机转速过 低的可能原因有起动机本身存在故障或起动机负荷过大，使起动机不能正常工作； 当电压不足时也会导致发动机转速过低，而导致电压不足的主要原因是蓄电池自身 电压过低或启动线路存在故障。其上任一故障出现都会引起上一级故障的发生，故 他们之间的逻辑关系是“或”， 该故障树分支如图4.6： 起动 机故 障 起动 机负 荷过 大 图4.6 发动机转速故障事件 发动机转速过低 + + + + 电压不足 蓄电 池电 压过 低 启动 线路 故障 北京化工大学北方学院毕业论文 - 22 - 综上，可得所有缸均发生燃烧故障的故障树模型 设汽油发动机燃烧故障为顶事件，用g0表示， 以机械零部件或电气元器件及线 路故障为基本底事件，用xi表示。 所建立的汽油发动机故障模型如图4.7： 北京化工大学北方学院毕业论文 - 23 - g0 g1 + g6 + x1g2g4g3 g8g7 x8x7 g12g11 g10 x4 x5 x6 x9 x10 x12 x13x11 x15 x16 x14 x17 x18 g9 x20 x19 + + + + + + + + + g5 x2 x3 。 图 4.7 所有气缸均出现燃烧故障的故障树 图4.7中：x1机械故障，x2上次用完，x3未检查油箱，x4油 北京化工大学北方学院毕业论文 - 24 - 管堵塞，x5油泵损坏，x6油泵电路故障，x7喷油器故障，x8控制 电路故障，x9点火电路故障，x10点火提前角失常，x11分电器壳漏电， x12高压电路故障，x13火花塞故障，x14驱动线路故障，x15控制 模块故障,x16控制电源故障，x17起动机故障，x18起动机负荷过大, x19蓄电池电压过低，x20起动线路故障，g1供油系统故障，g2空 燃比不正常，g3电路故障，g4发动机转速过低，g5油箱空，g6油 路故障，g7点火系统故障，g8控制电路故障，g9电压不足，g10油 泵不工作，g11低压电路故障，g12高压线路故障，g0汽油发动机燃烧 故障. 4.24.2 单缸出现燃烧故障的故障树模型单缸出现燃烧故障的故障树模型 建立故障树 第一级：顶事件即单缸发动机燃烧故障，如图4.8。 图4.8 故障树顶事件 第二级：发动某缸出现燃烧故障可以从发动机气缸内部结构来分析其原因，主 要元件有喷油器、火花塞和活塞等，该缸喷油器不喷油则不能形成可燃混合气；气 缸压力不足即该缸密封性能差，不能行成良好的燃烧环境；无高压火花即无法将可 燃混合气引燃，不可能发生燃烧现象；上述三方面出现故障都能使该缸不能正常工 作。任一故障事件的发生都会引起顶事件的发生，故各故障事件之间是“或”的逻 辑关系。如图4.9： 单缸发动机燃烧故障 北京化工大学北方学院毕业论文 - 25 - 单缸发动机燃烧故障 喷油器不喷油无高压火花气缸压力不足 + + 图4.9 故障树第二级故障事件 喷油器不喷油的可能原因有该喷油器损坏，不能正常喷油，或者油泵控制线路 断路使油泵无法正常工作；再者和喷油器有直接联系的油路出现故障，如泄露、堵 塞等；还有就是其控制电路出现故障使该喷油器无喷油脉冲。通常会出现在以下方 面： 1）油泵线圈短路 2）喷油器自身的机械故障 3）外部线路短路 4）控制电路故障 5）喷油孔堵塞 6）油路其它部分堵塞 其中5）和6）是油路堵塞故障，他们同时发生时会导致通向该喷油器的油路出 现堵塞现象，故为“和”的逻辑关系；而其余四方面的故障中的任一故障发生都会 导致上一级相应故障事件的发生，所以他们之间的逻辑关系为“或”。 故障树分支如图4.10： 北京化工大学北方学院毕业论文 - 26 - 不喷油 + + + + + + 喷油器故障无喷油脉冲油路堵塞 油泵 线圈 断路 喷油 孔堵 塞 外部 线圈 断路 机械 故障 控制 电路 故障 油路 其它 部分 堵塞 图 4.10 喷油器不喷油故障事件 无高压火花其主要故障出现在火花塞、分电器和高压电路三方面，主要故障出 现在以下方面： 1）火花塞积碳严重 2）火花塞绝缘体损坏 3）火花塞间隙不当 4）分电器凸轮磨损严重 5）分电器盖漏电 6）高压电路漏电 7）高压线脱落 其中1）和2）同时发生时才能导致该缸出现高压漏电故障，故为“和”的逻辑 北京化工大学北方学院毕业论文 - 27 - 关系；其