故障樹分析法在汽車液壓系統故障診斷中的應用

彭高宏

摘 要：介紹了基于故障樹分析法的汽車液壓系統故障診斷的方法。以汽車液壓式動力轉向系統的典型故障“動力轉向沉重”為例建立了故障樹，并依據故障樹得到的最小割集，結合汽車故障診斷的基本原則，對這一故障進行了診斷。結果表明此方法簡單、可靠、實用，在汽車液壓系統故障診斷中有較好的推廣應用價值。

關鍵詞：故障樹分析；汽車液壓系統；動力轉向沉重；故障診斷

1 引言

液壓系統以其重量輕、體積小、布置靈活、運動慣性小、反應速度快等優點，在汽車中得到了廣泛的應用。但由于液壓系統結構復雜、精度要求高、密封要求嚴，再加上液壓系統故障的隱蔽性、多發性和不確定性，導致液壓系統的故障發生率相對較高，故障診斷和排除的難度也就相對較大。機電維修實踐證明，故障樹分析法能夠將液壓系統故障現象和故障原因之間的邏輯關系“樹型圖”化，直觀明了，有利于液壓系統的故障診斷和排除。本文采用故障樹分析法對汽車液壓式動力轉向系統的典型故障“轉向沉重”進行了有益的探索，結果表明此法對汽車液壓系統故障能夠快速、準確地找到故障原因和部位，從而減少維修的盲目性和縮短維修的周期。

2 故障樹分析法（FAT）簡介

2.1 故障樹分析法的含義

故障樹分析法（Fault Tree Analysis，簡稱FTA）是1961年由美國貝爾實驗室的華生（H.A.Watson）

和漢塞爾（D.F.Haasl）首先提出[1]。其后，在宇航、核能、電子、機械、化工、采礦等領域得到了廣泛的應用。

故障樹分析法是一種需要整體、綜合、定量地考慮系統異常行為的系統方法[2]，是一種圖形演繹方法，是一種由系統到部件再到零件的“下降型”分析方法，是故障事件在一定條件下發生的邏輯規律它是用一種特殊的倒立樹狀邏輯因果關系圖——故障樹，清晰地說明系統是怎樣失效的[3]，即是怎樣發生故障的，能將系統的故障樹與組成系統的各零部件的故障有機地聯系在一起，可以找出系統的全部可能的故障狀態，即原因和部位。具體來說，就是以所研究的系統中最不愿意發生的事情作為故障樹的頂事件，并找出造成該頂事件發生的直接全部因素；然后以這些直接因素作為中間事件，再找出造成這些中間事件發生的全部直接因素；如此類推，直到不能展開為止。這些不能展開的因素為故障樹的基本事件或底事件。

故障樹分析的步驟一般可表示為：選擇頂事件→構建故障樹→定性分析→定量分析[4]。對于汽車故障診斷來說，其具體步驟可概括為：熟悉系統構造→選擇頂事件→進行故障分析→構建故障樹→故障定性分析→故障定量分析或按照汽車故障診斷原則進行分析。

2.2 故障樹分析法的特點

（1）故障樹分析法不僅能對系統故障進行定性分析，而且也能進行定量分析。但是定量分析需要獲取足夠的零部件故障概率。

（2）故障樹分析法不僅能分析由單一構件所引起的系統故障，而且也能分析多個構件所引起的系統故障。

（3）因為故障樹分析法使用的是一個邏輯圖，因此，不論是設計人員或是使用和維修人員都容易掌握和運用。

（4）由于故障樹是一種邏輯門所構成的邏輯圖，因此適合于用計算機來分析，而且對于復雜系統的故障樹的構成和分析，也只有在應用計算機的條件下才能實現。

（5）運用故障樹分析法需要構建故障樹，其工作繁重，難度較大，因而對分析人員的要求也較高。

（6）在構建故障樹時要運用邏輯運算，在其未被一般分析人員充分掌握的情況下，很容易發生錯誤，很有可能把重大影響系統故障的事件漏掉；同時，由于每個分析人員所取的研究范圍各有不同，所得結論的可信度也可能有所不同。

綜上所述，建立正確合理的故障樹是運用故障樹分析法對汽車液壓系統故障進行分析的前提，故障樹的建立需要維修人員對汽車液壓系統的基本結構、工作原理和常見故障有充分認識，對汽車故障診斷與檢修有豐富經驗，特別是能靈活地運用汽車故障診斷的基本原則。

3 系統構造分析

液壓技術在汽車上的應用主要有液壓式動力轉向系統、液壓式離合器操作裝置、液壓式制動系統、液力式自動變速器等等。本文以液壓式動力轉向系統為例來闡釋故障樹分析法在汽車液壓系統故障診斷中的應用。

3.1 液壓式動力轉向裝置的結構分析

汽車液壓式動力轉向裝置分為常壓式和常流式兩種。常流式在汽車不轉向時轉向控制閥中的滑閥或轉閥保持在中間位置，油液從油罐吸入油泵，經轉向控制閥回到油罐，一直處于循環流動的不工作狀態，具有結構簡單、壽命長、泄漏少、耗功小等優點，所以被廣泛應用于各種貨車和轎車。按照轉向控制閥的結構不同常流式又分為滑閥式和轉閥式兩種。

液壓式動力轉向裝置是利用液壓技術將發動機的機械能（動力）傳遞到轉向傳動機構，以幫助執行轉向操作的轉向助力裝置。它加裝在機械轉向系統之上，構成液壓式動力轉向系統。它一般由動力轉向油罐、油管、油泵、油缸、控制閥，以及其它控制裝置等組成。圖1[5]所示的是液壓常流滑閥式動力轉向裝置的基本組成。

3.2 液壓式動力轉向裝置的回路分析

由于液壓式動力轉向裝置基本結構和液壓回路比較復雜，本文僅以液壓常流滑閥式動力轉向裝置為例對其工作原理作簡單介紹：

如圖1、圖2所示，汽車直線行駛時，轉向控制閥中的滑閥在回位彈簧的作用下保持在中間位置，自油泵送出的油液分別流入轉向油缸的L腔和R腔，然后流回油罐。這時，滑閥與閥體各環槽與槽肩之間的間隙大小相等，油路通暢，L、R腔油壓相等，轉向油缸不起加力作用，液壓回路處于低壓狀態，油泵負荷很小，消耗發動機功率小。

汽車右轉向時，駕駛員通過轉向盤使轉向器的轉向螺桿向右轉動，帶動滑閥壓縮回位彈簧而向右軸方向移動，左端間隙消除。油泵送來的油液流入L腔，形成高壓油區，R腔的油液流回油罐，成為低壓油區。在L、R腔油壓差的作用下，轉向油缸中的活塞向右移動，并通過活塞桿使轉向搖臂逆時針擺動，起到向右轉向加力的作用。

動力轉向裝置能使轉向輪的偏轉角隨轉向盤轉角的增大而增大，轉向盤保持不動而轉向輪的偏轉角也保持不動，轉向油缸活塞上的作用力用來克服轉向輪的回正力矩，使轉向輪的偏轉角維持不動。即具有“隨動”作用。如繼續轉動轉向盤則重復上述過程。

松開轉向盤，滑閥在回位彈簧和反作用柱塞上的油壓的作用下回到中間位置，轉向油缸停止工作。轉向輪在前輪定位產生的回正力矩的作用下自動回正，通過轉向螺母帶動轉向螺桿反向轉動，使轉向盤回到直線行駛位置。

汽車左轉向的液壓回路與汽車右轉向時的方向相反，原理相同，如圖2所示。

4 液壓式動力轉向裝置的故障分析

一般來說，汽車動力轉向故障與其機械轉向故障的現象很相似，主要有轉向沉重、行駛跑偏、回正不良、轉向異響等常見故障。下面以“動力轉向沉重”為頂事件進行分析。

4.1 “動力轉向沉重”的故障現象

裝備動力轉向系統的汽車在發動機、底盤（除轉向系統之外）、車身、電器設備工作正常，以及路面、天氣、交通狀況等正常的條件下，在行駛過程中，駕駛員按照行駛需要轉向時，突然或逐漸感到轉動轉向盤沉重費力，也即動力轉向裝置不助力。但是汽車仍然能按照駕駛員的操縱實現正常的轉向，也即機械轉向系統的工作正常。

4.2 “動力轉向沉重”的故障原因

（1）輔助元件和工作介質故障。下列原因會造成系統油壓過低或回路阻塞。例如，罐缺油或油量不足；油管接頭泄漏；油管中有空氣、油管路和油濾清器堵塞；轉向壓力開關損壞，發動機電控單元不能取得動力轉向信號，發動機不能提速。

（2）油泵總成故障（在汽車維修中，部件俗稱為總成）。下列原因會造成系統油壓過低。例如，油泵密封墊損壞；轉向油泵皮帶打滑，油泵轉速降低；轉向油泵磨損，內部泄漏；油泵輔助閥故障；安全閥故障；安全閥卡死在打開位置；安全閥彈簧失效；安全閥關閉不嚴；溢流閥故障；溢流閥卡死在打開位置；溢流閥彈簧失效；溢流閥關閉不嚴。

（3）轉向控制閥總成故障。下列原因會造成轉向控制閥工作異常。例如，密封墊損壞，外部泄漏；轉向控制閥閥心閥體磨損，內部泄漏，閥心卡死在中間位置或回位彈簧損壞，閥心回位不良；單向閥卡死在打開位置、彈簧失效、關閉不嚴。

（4）轉向油缸總成故障。下列原因會造成轉向油缸工作異常。例如，轉向油缸缸體磨損和活塞O形密封圈磨損或損壞，內部泄漏；推桿磨損或變形和推桿O形密封圈磨損或損壞，外部泄漏。

5 “動力轉向沉重”的故障樹診斷

5.1 建立“動力轉向沉重”故障樹

根據故障樹分析法的原理和特點，汽車故障診斷的基本原則，以及汽車動力轉向系統的基本構造和液壓回路，采用演繹法建立故障樹，經簡化和修正后，得到如圖3所示的“動力轉向沉重”故障樹。圖中的相關符號含義是：

表示“頂事件或中間事件”， ○表示“基本事件或底事件”，◇表示“未展開事件”，

表示“或門”。

在圖3中，頂事件T0表示動力轉向沉重故障；中間事件M1表示輔助元件和工作介質故障；M2表示油泵總成故障；M3轉向控制閥總成故障；M4表示轉向油缸總成故障；M5表示油管故障；M6表示油泵故障；M7表示油泵輔助閥故障；M8表示轉向控制閥故障；M9表示單向閥故障；M10表示安全閥故障；M11表示溢流閥故障。底事件X1表示油罐缺油或油量不足；X2表示油管接頭泄漏；X3表示油管中有空氣而回路阻塞；X4表示油管路、油濾清器堵塞；X5表示轉向壓力開關損壞，發動機電控單元不能取得動力轉向信號，發動機不能提速；X6表示轉向油泵總成密封墊損壞，外部泄漏；X7表示轉向油泵皮帶打滑，油泵轉速降低；X8表示轉向油泵磨損，內部泄漏；X9表示安全閥卡死在打開位置；X10表示安全閥彈簧失效；X11表示安全閥關閉不嚴；X12表示溢流閥卡死在打開位置；X13表示溢流閥彈簧失效；X14表示溢流閥關閉不嚴； X15表示轉向控制閥總成密封墊損壞，外部泄漏；X16表示轉向控制閥閥心、閥體磨損，內部泄漏；X17表示轉向控制閥閥心卡死在中間位置；X18表示轉向控制閥閥心回位彈簧損壞，閥心回位不良；X19表示單向閥卡死在打開位置；X20表示單向閥彈簧失效；X21表示單向閥關閉不嚴；X22表示油缸推桿磨損或變形，外部泄漏；X23表示油缸推桿O形密封圈磨損或損壞，外部泄漏。X24表示油缸缸體磨損，內部泄漏；X25表示油缸活塞O形密封圈磨損或損壞，內部泄漏。

5.2 求“動力轉向沉重”最小割集

故障樹建立后，需要求故障樹的最小割集，每一種最小割集都是造成頂事件發生的一種可能。常用的故障樹最小割集的求法有上行法和下行法。本文使用上行法得到汽車“轉向沉重”故障樹的最小割集：{Xl}，{X2}，……，{X25}。這25個最小割集都是引發“轉向沉重”故障的可能原因，應該予以全面考慮和分析。

由于下列原因，在汽車動力轉向裝置故障診斷中，既不方便進行定量分析，也不方便從最小割集開始逐個向上查找：①汽車動力轉向裝置液壓元件發生故障的統計概率數據不足，無法計算每一最小割集對頂事件的概率重要度，進而把最小割集按照概率重要度大小排序，確定檢查各個總成、零件的順序；②如果按照最小割集依次檢查來排除故障，雖然有一定的可行性，但是工作量很大；③如果隨意地對動力轉向油泵、轉向控制閥等精密的液壓元件進行拆檢，有可能造成新的故障。因此，將故障樹分析法的定性分析和汽車故障診斷的基本原則有機結合起來，對“動力轉向沉重”的原因和部位進行分析，是一種可行的方法。

5.3 “動力轉向沉重”的診斷分析

按照“由簡到繁、先外后內、先電后機、易損件優先、盡可能免拆、先常見故障后疑難故障”的汽車故障診斷原則，按照故障樹定性分析的導向進行如下診斷分析。

5.3.1 油罐油量和外部泄漏診斷分析

用目測的方法檢查如下最小割集：

（1）檢查X1 和X2，即油罐是否缺油、油量是否不足、油管接頭是否泄漏；

（2）檢查X6，即轉向油泵總成密封墊是否損壞，造成外部泄漏；

（3）檢查X15，即轉向控制閥總成密封墊損壞，造成外部泄漏；

（4）檢查X22 和X23，即油缸推桿是否磨損或變形、推桿O形密封圈是否磨損或損壞，造成外部泄漏。

5.3.2 油管狀況檢查與分析

檢查X3和X4，即檢查油管中是否有空氣、油管路是否堵塞，造成回路阻塞。檢查方法：首先檢查油罐油液中是否有泡沫，如有則可能是油管中有空氣；然后頂起轉向橋，啟動發動機怠速運轉，反復將轉向盤從左邊盡頭轉到右邊盡頭，使轉向油缸作全行程往復運動，觀察油罐油液中是否有氣泡冒出來，如有則表明油管中有空氣。

5.3.3 油泵皮帶診斷分析

檢查X7，即轉向油泵皮帶是否過松或磨損造成打滑。檢查時用可98N的力壓下皮帶，新皮帶撓變應為5～7mm.舊皮帶應為7～9mm，否則應予調整。

5.3.4 發動機提速檢測與分析

檢查X5，即即檢查在汽車轉向時發動機是否提速，以補償液壓式動力轉向時的功率需要。檢查方法：頂起轉向橋，啟動發動機怠速運轉，反復將轉向盤從左邊盡頭轉到右邊盡頭，觀察發動機轉速表。

5.3.5 工作油壓診斷分析

最小割集X8、 X9、X10、X11、X12、X13、X14、X16、X17、X18、X19、X20、X21、X24和X25，在免拆的原則下無法直接檢查，但可以通過檢查系統油壓來進行間接診斷。具體方法是：把帶有手動閥的壓力表接到油泵與轉向控制閥之間的回路中，起動發動機，原地轉動方向盤數次，將動力轉向油油溫升到80℃。發動機怠速運轉時，將轉向盤轉到盡頭，打開手動閥時，表壓最小壓力應該達到該車型規定值，若低于該規定值的90%，且逐步關閉手動閥時（不超過10s），油壓也不提高，則表明油泵磨損造成內部泄漏（X8）或安全閥有故障（X9、X10、X11），若油壓表讀數達到規定值，表明油泵良好，故障在動力缸（X24、X25）或控制閥（X16、X17、X18、X19、X20、X21）。發動機轉速在1000r/min～3000 r/min時，表壓最大壓力應低于該車型規定值，若壓力過高則表明安全閥有故障和溢流閥有故障（X12、X13、X14）。在油泵油壓正常，打開手動閥，將轉向盤轉到盡頭，發動機怠速時，表壓最低壓力應該達到該車型規定值，若壓力過低則表明轉向油缸缸體磨損、活塞O形密封圈磨損或損壞，造成內部泄漏（X24、X25）。此外若油泵的壓力過低或流量過小，則應檢查M5下的X4，即油管路、油濾清器堵塞有無堵塞。

由上述診斷分析可知，在X2、X6、X15、X22、X23和X8、X9、X10、X11、X12、X13、X14、X16、X17、X18、X19、X20、X21、X24和X25等20個最小割集中，如果按照易損件優先診斷的原則進行診斷，不難推斷出X23和X25是造成“動力轉向沉重”的首要原因，因為轉向油缸的推桿O形密封圈和活塞O形密封圈都是動密封易損件，相對運動頻繁，容易磨損和損壞。

6 結語

（1）故障樹分析法是一種邏輯性強、形象直觀的故障分析方法，能對復雜的汽車液壓系統能夠快速找出系統故障的所有可能原因，便于定性分析。

（2）針對汽車液壓系統元件失效的統計概率不好獲取，無法計算底事件對頂事件的概率重要度問題，定量分析困難。所以只能在故障樹進行定性分析的基礎上，結合汽車故障診斷的基本原則對故障的原因和部位進行分析。

（3）運用故障樹分析法對汽車液壓系統故障進行診斷，要求專業維修人員必須具備深厚的專業知識和豐富的故障診斷經驗，以及對故障樹分析法有一定的認識深度。

基金項目：廣州市高等學校第七批教育教學改革項：基于CRP的高職“雙課堂”式“理實一體化”教學模式研究（編號：FJGJ2015-12-81）。

參考文獻：

[1]許榮，車建國，楊作賓，等.故障樹分析法及其在系統可靠性分析中的應用[J].指揮控期與仿真，2010，32（1）：112-115.

[2] 魏選平，卞樹檀.故障樹分析法及其應用[J].計算機科學與技術，2004，（3）：43-45.

[3]賈雪峰.故障樹分析法在門式起重機維修中的應用[J].機電工程技術，2012（1）：72-74.

[4]婭萍，郝利華，王玉財.發動機電啟動失敗的故障樹分析[C].中國內燃機學會2008年學術年會暨大功率發動機分會六屆二次聯合學術年會論文集.2008：47-49.

[5]屠衛星.汽車底盤構造與維修[M].北京：人民交通出版社，2005.