特种车液压故障诊断中故障树的应用

1.故障树的构建和完善

液压电控系统是某特种车的重要组成部分和主要执行机构，建立其准确、可靠、快速的故障诊断系统是完善产品性能的客观需求，也是技术发展必然趋势。传统的故障树分析一般是作为系统可靠性分析的一种工具，参考故障树分析的基本概念可以发现，对于某特种车液压电控系统而言，故障树分析直接应用于故障诊断，尤其是在线诊断还存在很大限制。这主要是因为仅应用故障树原理无法快速将故障定位到真正发生问题的底事件，同时由于该特种车的工作有其自身特点，传统故障树构建的一般原则也不适合诊断需求。因此，必须对传统故障树进行改进和完善，才能为故障诊断系统建立有效的基础。

（1）顶事件的选取 顶事件是故障树的入口，指人们不希望发生的显著影响产品安全性和任务可靠性的故障事件。在进行可靠性分析时，一般将FMEA所得Ⅰ、Ⅱ类故障模式作为顶事件。故障树原理应用于故障诊断系统时，通常以完成系统功能的某种失效状态为顶事件。但对特种车液压电控故障诊断系统而言，这种顶事件选取原则的操作性很差，因为所有已知故障都以停机、报告出现错误的形式体现，一旦工作过程中因故障而停机，则整个系统会停止在一个特定状态，这时对于操作者而言，通常无法判断到底系统何种功能发生了问题。由于故障本身具有随机性，因而操作者通过人机交互描述故障现象来进行故障诊断也变得相当困难，所以以某一故障模式作为顶事件的故障树是不适合特种车液压电控故障诊断系统的。

特种车液压电控系统在停机、报告出现错误时，都会返回一个故障代码，这个代码在操作屏幕上是直观可见的，反映了系统出错的直接原因，同时该故障代码也可以很容易被主控计算机读取。因此以故障代码为顶事件才是合理有效的选择。通过分析故障代码发生的条件来生成故障诊断系统更加简便，可操作性最强。

（2）故障树的初步建立 建立用于故障诊断系统的故障树，应以故障代码为顶事件，将故障代码的内涵解释清楚，列出所有可能导致该故障的原因，故障树中底事件细化到任务要求级别（元件级/部件级、板级/箱级）。

在特种车液压电控系统中，故障代码一般都代表了各种执行元件、检测元件的不正常状态，因此故障树的展开应以这些元件的故障事件为入口进行分析。

2.故障树分析

某特种车以锁紧液压缸作为支腿，图4-16所示为典型锁紧液压缸执行系统原理。系统主要由液压油源、电磁换向阀、数字流量阀、压力传感器、流量计、接近开关等元件组成。接近开关BX作为检测元件用于检测液压缸是否按规定要求伸到位（如支腿触地），电磁阀通电后，在规定时间内，如果BX接通，认为功能已完成，否则停机报故障代码，代码的内涵为“BX超时未接通”。

图4-17所示为针对“BX超时未接通”故障的故障树分解。初步建立的故障树还不能直接应用于故障诊断系统，必须进行一系列简化、扩充和完善，才能使故障树更加适应诊断要求。

（1）无效子事件的隔离 一些子事件虽然理论上会引起故障现象的发生，但由于工作流程、软件设置等条件的约束，已经被自然隔离，则这些事件作为无效故障节点就不必进一步分析和判断。

本例中，如果开锁油源故障使开锁压力过低，会导致液压缸无法动作，理论上在故障树中开锁油源故障应作为子事件展开，但由于软件流程中设置了对开锁压力的检测，一旦开锁压力不满足要求，则流程已经报错停止，此时故障代码应指示为开锁压力故障，程序不会执行液压缸动作指令。换言之，既然系统报液压缸未动作错误，那么开锁油源故障就一定不会发生，因此在故障树上这一子事件就应该予以屏蔽，无需展开分析。同理，本例中的主油源故障也无需展开。

无效子事件的隔离可以减少大量无谓劳动，使系统简化，从这个角度看，也可以发现以“故障代码”为顶事件建立故障树的益处。

（2）建立扩展故障树 进行无效子事件隔离后的故障树可以作为故障诊断的基本依据，但此时的故障树仅仅得到了导致顶事件发生的一系列可能的底事件的罗列，而诊断的最终目标是将故障定位到一个确定的底事件，因此必须对原有故障树进行补充，具体方法是增加了事件发生的约束条件，通过这些约束条件的状态来判断某一子事件是否成立；经过这种补充后的故障树称之为“扩展故障树”。所有这些约束条件在故障诊断系统中作为判断参数而存在。

图4-16 典型锁紧液压缸执行系统原理

（3）建立扩展故障树约束条件的一般原则

1）尽量利用原系统中已有资源。某一个子事件是否发生可能有数个约束条件都能够作为判断依据，选择故障诊断的依据时应尽量利用原系统中已有资源。本例中，虽然系统故障代码的内涵为BX（图4-16）超时未接通，但并不意味着支腿缸一定没能在规定时间内伸到位，即也存在支腿缸已伸到位，但系统没收到BX到位信号的可能。作为故障诊断系统，首先应对这两个故障进行判断。进行在线检测时，可由故障诊断系统调用在工作过程中流量计BF的流量值，并与存储的标准值进行对比。如果BF值在标准值范围内（这意味着有流量通过，支腿缸已经伸出），则可以认为发生了BX采集故障；如果BF值远小于标准值（这表明支腿缸未伸出），则可认定发生了支腿缸无法伸到位故障。由此可见，利用BF流量值是否在标准范围内这一约束条件，就可以分离BX采集故障和支腿缸无法伸到位故障，而无需另外增加检测元件。

2）方案的改进。如果原系统不能为故障诊断提供足够的资源而必须增加检测元件时，那么则应采取增加元件数量最少、对原系统影响最小的方案。同时约束条件必需具有可识别性和可操作性，对于在线故障诊断，约束条件必须能够被计算机识别和读取。如系统的相关压力、流量参数，电压、电流值，接近开关、传感器的状态等。如果允许离线诊断，描述性约束条件原则上应由故障诊断系统以可选择的方式提供给操作者，以便故障诊断系统内部调用和判断。本例中，电磁阀YA3未换向会导致支腿缸无法伸出，由于系统中没有足够的资源提供该事件的约束条件，因此需要增加检测元件。如在YA3后的油路中（图4-16中①点位置）加入压力继电器（记为YJ），这样故障诊断系统通过采集压力继电器的通断状态就能够对电磁阀YA3未换向故障是否发生作出判断，约束条件为压力继电器是否接通。值得注意的是，根据前面分析，由于开锁油源故障作为无效子事件已经隔离，因此压力继电器是否接通这一约束条件实际上也是“开锁油路故障”的约束条件。

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图4-17 BX超时未接通故障树

3）小概率事件的取舍。对于小概率事件，如果不增加系统的复杂性，只需利用系统已有信息资源就可完成事件的隔离并进行判断；但如需增加检测元件才能得到结果，则不必进行这样的专门设置，而应按照概率分析的一般原则，将这类故障视为不发生。

假设本例中已按前述方法在YA3后的油路中（图4-16中①点位置）设置了压力继电器，“电磁阀YA3未换向”故障已经被判断为“不发生”，那么对于“支腿缸无法伸到位”故障，则只有“主油路故障”和“支腿缸故障”两种可能需进一步判断。经过前面对无效子事件的分析，“主油源故障”已经隔离，那么只需考虑如何分别判断“数字流量阀YDL故障”、“电磁阀YA4故障”和“支腿缸故障”。

对于数字流量阀故障，由于数字流量阀本身具有检测是否转到指定步数的功能，则如果数字流量阀发生驱动不良或卡滞等故障，系统会首先进行报警，并按照“无效子事件隔离”原则，把这类故障可予以屏蔽。又由于数字流量阀也存在着。虽然步进电动机已转到指定步数，但数字流量阀没能达到指定流量的故障可能，这往往是阀芯与步进电动机传动失效或其他原因所导致，而这类情况发生的可能性很小，属小概率事件。上述故障模式表现为控制系统给数字流量阀发出脉冲信号后，且在规定时间内收到了旋转变压器的正确反馈信号，但是流量计BF的流量值远小于正常值却大于零（系统中已经人为地将数字流量阀的零位流量设置为大于零）。这样通过检测、调用在工作过程中流量计BF的流量值即可判断这一故障是否发生。因此可将其约束条件规定为“数字流量阀已转到指定步数，但流量远小于标准值但大于零”。

在数字流量阀YDL故障可以隔离的情况下，只需判断电磁阀YA4故障和支腿缸故障即可。分析可知，系统中的已有资源不足以隔离这两个故障，又由于“支腿缸故障”（此处指由于液压缸卡滞等原因导致支腿无法伸出）是小概率事件，因此就不必专门增加检测手段获取进一步信息，应该按照一般原则，认为液压缸卡滞故障没有发生，直接将故障定位于电磁阀YA4故障。

4）判断条件简单明确。约束条件是否成立应视为简单的逻辑判断，即条件满足得到逻辑“是”，条件不满足得到逻辑“非”，应尽量避免概率性判断。在传统故障树分析中，一般按照“最小割集”等方法得出引起故障的底事件可能性排序。但由于在线诊断过程中，所有约束条件作为诊断参数而存在，计算机处理概率性条件相当困难。又由于故障诊断的最终目的是为了指导维修，而维修人员通常不具备很深的理论基础，概率性的判断有可能引起操作者概念上的模糊和误解，造成误诊断，因此判断条件越简单、越明确，诊断就越有效、越准确。

（4）难以在线检测事件的处理 难以在线检测事件是指一些现有技术手段无法进行在线检测的事件，更多的是指如果进行在线检测设计会严重增加系统负担、降低系统可靠性，但比较容易依靠人工方式进行判断的事件，如各类电缆连接故障等。对于这类故障，一般应保留到最后再进行处理，当所有能够在线诊断的事件均被判断为“不发生”后，再转入人工方式进行排除。

3.电路板BIT

基于故障树的故障诊断方法一般能将故障定位到元件级/部件级，对电控系统而言，当任务要求将故障定位到电路板级别时，就应该在电路板中进行BIT设计。

BIT（built-intest）意为机内测试，表达了系统或设备提供的检测和隔离故障的自动测试能力。根据测试阶段和测试需求的不同，BIT设计具有不同的功能和复杂程度。对于特种车液压电控故障诊断系统而言，电路板BIT设计具有其自身的要求和特点。

在对液压电控系统进行故障诊断时，一般仅需知道电路板的功能是否正常，而不关心电路板本身的故障机理，因此液压电控故障诊断系统中电路板的BIT设计只需能够对电路板的控制功能进行测试即可，而不必要针对电路板的故障树分解进行进一步的检测设计。从这个角度看，可以将特种车液压电控故障诊断系统的电路板BIT设计称之为“面向控制对象的电路板BIT设计”。

进行BIT设计的电路板可以对大部分电路板本身的故障进行机内测试，从而达到判断电路板是否发生故障的目的。

4.故障诊断的一般流程

经过简化、补充、增加了约束条件后的“扩展故障树”可以作为故障诊断的依据，故障诊断流程按照“由顶至下、逐级分解”的原则，图4-18给出了本例诊断过程的流程图。

图4-18 故障诊断流程

5.小结

将故障树原理应用于特种车液压电控故障诊断系统时，应以“故障代码”为顶事件，并将故障树进行必要的简化、完善和补充，建立起增加约束条件的“扩展故障树”；并在此基础上构建高效准确的故障诊断系统，这一过程依赖于对系统的深刻了解与分析。实践证明，对于特种车液压电控故障诊断系统，这是一条行之有效的途径，这种方法在产品的故障诊断系统设计中必然起到良好的指导和借鉴作用。