故障树分析在电动观光车使用与维修中的应用

李春景，李军，孙磊，胡国柱

（浙江天能电池（江苏）有限公司，江苏 沭阳 223600）

故障树分析在电动观光车使用与维修中的应用

李春景，李军，孙磊，胡国柱

（浙江天能电池（江苏）有限公司，江苏 沭阳 223600）

本文根据故障树分析法和电动观光车的特点，建立了整车故障树，深入分析了电动机系统和蓄电池系统故障的潜在原因，为解决实际问题和改进电动观光车设计提供了改进方向。

电动机；蓄电池；故障树；电动观光车；故障诊断；逻辑符号

0 引言

蓄电池作为电动观光车的动力部件，广泛应用于旅游景区的短途客运活动。电动观光车主要包括车身、电机、蓄电池、控制器等部件。在电动观光车的使用过程中可能会出现各种各样的故障，快速有效地找出原因是解决故障的前提[1]。这就需要梳理电动观光车故障的基本原因，建立一套故障分析表，方便故障诊断。国内技术人员对于电动观光车的故障分析和排除摸索出众多经验，并对主要部件的故障原因进行了阐述，但是没有形成多层次系统的图表。

本文应用故障树分析法（FTA），建立电动观光车的故障模型，深入分析故障的潜在原因，为故障诊断提供依据。

1 故障树分析法

故障树分析法（FTA）是美国贝尔电报公司于1962 年提出的，它使用多种逻辑符号表示系统内部各种故障之间的层级关系，找出故障的主要失效机理[2-3]，用相应的符号及逻辑门把顶事件、中间事件、基本事件连接成故障树[4]。各种逻辑符号见图1，主要有“或门”“与门”“事件符号”“基本事件”和“未展开的事件”。

图1 故障树分析常用基本符号

通常情况下，输入事件和输出事件逻辑关系可以使用一定的公式进行表达。与门输入事件 A1、A2、…、An和输出事件 Z 之间的逻辑关系公式可以表达为或门输入事件 A1、A2、…、An和输出事件 Z 之间的逻辑关系公式则可以表达为

应用故障树分析法可进行定性分析和定量分析。定性分析通过逐层分析，得出基本事件，建立故障树模型，从而达到简化分析过程的目的，同时得出故障发生概率 P(Z)。定量分析的理论和实际运用目前还有待完善，需要大量统计数据进行支撑。n

2 建立故障树

应用故障树分析法（FTA）从整体到部分逐层深入地寻找故障产生原因，先建立整车故障树，再建立各子系统故障树，然后建立各零件故障树。按照电动观光车的主要部件，建立了整车的一级故障树，如图 2 所示，包含车身系统、电机及控制系统、蓄电池系统、制动系统、悬挂系统、传动系统、转向系统、低压电器系统。各子系统的故障都会造成部分功能的失效，从而影响整车系统的正常运行。

图2 电动观光车整车故障树

要进一步分析子系统故障发生的原因，需要再建立零件的故障树，直至分析到基本事件。在整个分析过程中，需要挖掘影响电动观光车可靠性的主要因素。只有管控好这些主要影响因素，才能提高电动观光车的可靠性，降低故障率。以下将以电机及控制系统、蓄电池系统为例，详细地分析故障产生的原因。

2.1 电机及控制系统故障树分析

电机是成熟的工业品，但是电动观光车对电机的要求较高，要求载荷范围更宽，能适应各种气候条件。电机故障树如图 3 所示，系统失效原因主要是从电机不转和性能下降两种现象入手分析。电机不转是紧急故障，可从电机本体和控制器两个部件继续分解故障。电机自身故障的原因包含卡住和绕组损坏。卡住可能是由定子转子摩擦大、轴承损坏、异物进入和磁钢脱落等造成的。绕组损坏可能是因为断线或者绝缘损坏。控制器又从控制信号和驱动电路两个方向进行分析。电机性能下降属于较为缓慢的故障，主要是由永磁铁退磁、元器件老化松动等原因造成。所有故障分析最终分解到基本事件 ①②③……，相互关系为或门，所以每个事件均为一阶最小割集。在使用和维修中，永磁铁退磁、控制器功率管损坏和绝缘击穿发生的概率比较高。

2.2 蓄电池系统故障树分析

阀控式铅酸蓄电池（VRLA 电池）已成为电动观光车用动力电池的主力。VRLA 电池具有接近完全的密封性、不用补充电解液、无酸雾污染等优点，但是 VRLA 电池对充电器和充电工艺要求较为苛刻[5]。建立蓄电池系统的故障树，把系统失效作为顶事件，寻找导致系统故障发生的中间事件，最终分解到基本事件。应用 FTA 能高效精确地探寻引起故障发生的主要原因，采取针对性较强的处理措施。

图3 电机及控制系统故障树

蓄电池主要由外部的塑料壳体和内部的单体极群组成，所以建立蓄电池系统的故障树要从这内外两个方面进行剖析。单体极群失效主要是由正极板、负极板、隔板和导流体失效引起的：极板活性物质发生软化或硫酸盐化会造成电池容量的下降；隔板发生铅绒微短路会使自放电加快；导流体断路会导致蓄电池完全断路；当密封不良时负极活性物质会被氧化等[6]。正极活性物质严重软化可能是由于电机或充电器错误配置或失效，引起蓄电池严重过充电或大电流放电，损伤极板活性物质；也可能是由于极板本身的工艺配方缺陷，导致极板性能下降较快。温度过高、充电不足或长期未充电都会导致极板硫酸盐化。温度过高的原因包含外部环境和自身发热，充电器参数漂移或电池内阻过大都会导致电池在充电过程中产生大量的热能。电池内阻变大可能是由于充电器损坏或安全阀开阀过早导致的。外壳漏液主要原因是外壳破裂或密封性差，其可导致电解液漏酸干涸，从而使电池容量下降。外壳破裂可能是由外力冲击磨损、材料韧性差或外壳鼓胀造成的。同时在温度过高和内部气压较高的条件下，外壳将会鼓胀。内部气压较高与充电器损坏和安全阀开阀过迟有关。通过以上分析，最后确定了充电器损坏、控制器损坏和极板不良等12 个基本事件，并建立了蓄电池系统的故障树，如图 4 所示。

3 基本故障的处理

将故障原因层层推理为基本事件后，可以方便使用维修人员找准故障根源，还可以将基本事件进行分类管理，并给出对应的排除方法。表 1 中列出了电机及控制系统的基本事件的故障排除方法，主要从维修更换电机或维修更换控制器等两个方向进行处理。

蓄电池系统的基本事件故障排除方法包含维修更换充电器、维修更换控制器、更换蓄电池、远离热源、定期充电和加强防护六个方面进行处理，见表 2。

图4 蓄电池系统故障树

表1 电机及控制系统故障排除方法

表2 蓄电池系统故障排除方法

4 结论

本文将 FTA 应用于电动观光车，建立了整车一级故障树，深入分析了电机控制系统和蓄电池系统的中间事件和基本事件，理清了故障的层级关系，并提出了故障排除方法，可以方便车辆使用和维修人员迅速找出故障原因，还可以为电动观光车及其关键零部件的质量提升提供帮助。

[1]刘玢宏. 液压系统故障诊断的探讨[J]. 大观周刊, 2012(19):109.

[2]游勇涛. 故障预测与健康管理 (PHM) 技术在雷达系统中的应用[D]. 重庆大学, 2013.

[3]刘冬伟, 王优强. 抽油杆断脱故障树分析[J]. 石油矿场机械, 2007(9): 91-93.

[4]丁继斌,丁士清,宋延东. 故障树分析在汽车使用与维护中的应用[J].机械工程与自动化, 2009(5): 103-104.

[5]马永泉, 刘孝伟, 陈体衔, 等. 新能源汽车用铅酸蓄电池探究[J]. 蓄电池, 2011(3): 99-103.

[6]杨秀娟. 农用车铅酸蓄电池极板硫化的原因及排除方法[J]. 农机使用与维修, 2014(10): 38.

Application of FTA in the usage and maintenance of electric sightseeing cars

LI Chunjing, LI Jun, SUN Lei, HU Guozhu
(Zhejiang Tianneng Battery (Jiangsu) Co., Ltd., Shuyang Jiangsu 223600, China)

According to the fault tree analysis (FTA) and characteristics of electric sightseeing cars, the fault tree of vehicle was established. By studying the fault of electric motor system and battery system in detail, the direction is put forward to solve the practical problems and improve design of electric sightseeing cars.

electric motor; storage battery; fault tree; electric sightseeing car; fault diagnosis; logical symbol

TM 912.9

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1006-0847(2016)06-291-04

2016-06-29