故障树分析法在汽车液压系统故障诊断中的应用

彭高宏

摘 要：介绍了基于故障树分析法的汽车液压系统故障诊断的方法。以汽车液压式动力转向系统的典型故障“动力转向沉重”为例建立了故障树，并依据故障树得到的最小割集，结合汽车故障诊断的基本原则，对这一故障进行了诊断。结果表明此方法简单、可靠、实用，在汽车液压系统故障诊断中有较好的推广应用价值。

关键词：故障树分析；汽车液压系统；动力转向沉重；故障诊断

1 引言

液压系统以其重量轻、体积小、布置灵活、运动惯性小、反应速度快等优点，在汽车中得到了广泛的应用。但由于液压系统结构复杂、精度要求高、密封要求严，再加上液压系统故障的隐蔽性、多发性和不确定性，导致液压系统的故障发生率相对较高，故障诊断和排除的难度也就相对较大。机电维修实践证明，故障树分析法能够将液压系统故障现象和故障原因之间的逻辑关系“树型图”化，直观明了，有利于液压系统的故障诊断和排除。本文采用故障树分析法对汽车液压式动力转向系统的典型故障“转向沉重”进行了有益的探索，结果表明此法对汽车液压系统故障能够快速、准确地找到故障原因和部位，从而减少维修的盲目性和缩短维修的周期。

2 故障树分析法（FAT）简介

2.1 故障树分析法的含义

故障树分析法（Fault Tree Analysis，简称FTA）是1961年由美国贝尔实验室的华生（H.A.Watson）

和汉塞尔（D.F.Haasl）首先提出[1]。其后，在宇航、核能、电子、机械、化工、采矿等领域得到了广泛的应用。

故障树分析法是一种需要整体、综合、定量地考虑系统异常行为的系统方法[2]，是一种图形演绎方法，是一种由系统到部件再到零件的“下降型”分析方法，是故障事件在一定条件下发生的逻辑规律它是用一种特殊的倒立树状逻辑因果关系图——故障树，清晰地说明系统是怎样失效的[3]，即是怎样发生故障的，能将系统的故障树与组成系统的各零部件的故障有机地联系在一起，可以找出系统的全部可能的故障状态，即原因和部位。具体来說，就是以所研究的系统中最不愿意发生的事情作为故障树的顶事件，并找出造成该顶事件发生的直接全部因素；然后以这些直接因素作为中间事件，再找出造成这些中间事件发生的全部直接因素；如此类推，直到不能展开为止。这些不能展开的因素为故障树的基本事件或底事件。

故障树分析的步骤一般可表示为：选择顶事件→构建故障树→定性分析→定量分析[4]。对于汽车故障诊断来说，其具体步骤可概括为：熟悉系统构造→选择顶事件→进行故障分析→构建故障树→故障定性分析→故障定量分析或按照汽车故障诊断原则进行分析。

2.2 故障树分析法的特点

（1）故障树分析法不仅能对系统故障进行定性分析，而且也能进行定量分析。但是定量分析需要获取足够的零部件故障概率。

（2）故障树分析法不仅能分析由单一构件所引起的系统故障，而且也能分析多个构件所引起的系统故障。

（3）因为故障树分析法使用的是一个逻辑图，因此，不论是设计人员或是使用和维修人员都容易掌握和运用。

（4）由于故障树是一种逻辑门所构成的逻辑图，因此适合于用计算机来分析，而且对于复杂系统的故障树的构成和分析，也只有在应用计算机的条件下才能实现。

（5）运用故障树分析法需要构建故障树，其工作繁重，难度较大，因而对分析人员的要求也较高。

（6）在构建故障树时要运用逻辑运算，在其未被一般分析人员充分掌握的情况下，很容易发生错误，很有可能把重大影响系统故障的事件漏掉；同时，由于每个分析人员所取的研究范围各有不同，所得结论的可信度也可能有所不同。

综上所述，建立正确合理的故障树是运用故障树分析法对汽车液压系统故障进行分析的前提，故障树的建立需要维修人员对汽车液压系统的基本结构、工作原理和常见故障有充分认识，对汽车故障诊断与检修有丰富经验，特别是能灵活地运用汽车故障诊断的基本原则。

3 系统构造分析

液压技术在汽车上的应用主要有液压式动力转向系统、液压式离合器操作装置、液压式制动系统、液力式自动变速器等等。本文以液压式动力转向系统为例来阐释故障树分析法在汽车液压系统故障诊断中的应用。

3.1 液压式动力转向装置的结构分析

汽车液压式动力转向装置分为常压式和常流式两种。常流式在汽车不转向时转向控制阀中的滑阀或转阀保持在中间位置，油液从油罐吸入油泵，经转向控制阀回到油罐，一直处于循环流动的不工作状态，具有结构简单、寿命长、泄漏少、耗功小等优点，所以被广泛应用于各种货车和轿车。按照转向控制阀的结构不同常流式又分为滑阀式和转阀式两种。

液压式动力转向装置是利用液压技术将发动机的机械能（动力）传递到转向传动机构，以帮助执行转向操作的转向助力装置。它加装在机械转向系统之上，构成液压式动力转向系统。它一般由动力转向油罐、油管、油泵、油缸、控制阀，以及其它控制装置等组成。图1[5]所示的是液压常流滑阀式动力转向装置的基本组成。

3.2 液压式动力转向装置的回路分析

由于液压式动力转向装置基本结构和液压回路比较复杂，本文仅以液压常流滑阀式动力转向装置为例对其工作原理作简单介绍：

如图1、图2所示，汽车直线行驶时，转向控制阀中的滑阀在回位弹簧的作用下保持在中间位置，自油泵送出的油液分别流入转向油缸的L腔和R腔，然后流回油罐。这时，滑阀与阀体各环槽与槽肩之间的间隙大小相等，油路通畅，L、R腔油压相等，转向油缸不起加力作用，液压回路处于低压状态，油泵负荷很小，消耗发动机功率小。

汽车右转向时，驾驶员通过转向盘使转向器的转向螺杆向右转动，带动滑阀压缩回位弹簧而向右轴方向移动，左端间隙消除。油泵送来的油液流入L腔，形成高压油区，R腔的油液流回油罐，成为低压油区。在L、R腔油压差的作用下，转向油缸中的活塞向右移动，并通过活塞杆使转向摇臂逆时针摆动，起到向右转向加力的作用。

动力转向装置能使转向轮的偏转角随转向盘转角的增大而增大，转向盘保持不动而转向轮的偏转角也保持不动，转向油缸活塞上的作用力用来克服转向轮的回正力矩，使转向轮的偏转角维持不动。即具有“随动”作用。如继续转动转向盘则重复上述过程。

松开转向盘，滑阀在回位弹簧和反作用柱塞上的油压的作用下回到中间位置，转向油缸停止工作。转向轮在前轮定位产生的回正力矩的作用下自动回正，通过转向螺母带动转向螺杆反向转动，使转向盘回到直线行驶位置。

汽车左转向的液压回路与汽车右转向时的方向相反，原理相同，如图2所示。

4 液压式动力转向装置的故障分析

一般来说，汽车动力转向故障与其机械转向故障的现象很相似，主要有转向沉重、行驶跑偏、回正不良、转向异响等常见故障。下面以“动力转向沉重”为顶事件进行分析。

4.1 “动力转向沉重”的故障现象

装备动力转向系统的汽车在发动机、底盘（除转向系统之外）、车身、电器设备工作正常，以及路面、天气、交通状况等正常的条件下，在行驶过程中，驾驶员按照行驶需要转向时，突然或逐渐感到转动转向盘沉重费力，也即动力转向装置不助力。但是汽车仍然能按照驾驶员的操纵实现正常的转向，也即机械转向系统的工作正常。

4.2 “动力转向沉重”的故障原因

（1）辅助元件和工作介质故障。下列原因会造成系统油压过低或回路阻塞。例如，罐缺油或油量不足；油管接头泄漏；油管中有空气、油管路和油滤清器堵塞；转向压力开关损坏，发动机电控单元不能取得动力转向信号，发动机不能提速。

（2）油泵总成故障（在汽车维修中，部件俗称为总成）。下列原因会造成系统油压过低。例如，油泵密封垫损坏；转向油泵皮带打滑，油泵转速降低；转向油泵磨损，内部泄漏；油泵辅助阀故障；安全阀故障；安全阀卡死在打开位置；安全阀弹簧失效；安全阀关闭不严；溢流阀故障；溢流阀卡死在打开位置；溢流阀弹簧失效；溢流阀关闭不严。

（3）转向控制阀总成故障。下列原因会造成转向控制阀工作异常。例如，密封垫损坏，外部泄漏；转向控制阀阀心阀体磨损，内部泄漏，阀心卡死在中间位置或回位弹簧损坏，阀心回位不良；单向阀卡死在打开位置、弹簧失效、关闭不严。

（4）转向油缸总成故障。下列原因会造成转向油缸工作异常。例如，转向油缸缸体磨损和活塞O形密封圈磨损或损坏，内部泄漏；推杆磨损或变形和推杆O形密封圈磨损或损坏，外部泄漏。

5 “动力转向沉重”的故障树诊断

5.1 建立“动力转向沉重”故障树

根据故障树分析法的原理和特点，汽车故障诊断的基本原则，以及汽车动力转向系统的基本构造和液压回路，采用演绎法建立故障树，经简化和修正后，得到如图3所示的“动力转向沉重”故障树。图中的相关符号含义是：

表示“顶事件或中间事件”， ○表示“基本事件或底事件”，◇表示“未展开事件”，

表示“或門”。

在图3中，顶事件T0表示动力转向沉重故障；中间事件M1表示辅助元件和工作介质故障；M2表示油泵总成故障；M3转向控制阀总成故障；M4表示转向油缸总成故障；M5表示油管故障；M6表示油泵故障；M7表示油泵辅助阀故障；M8表示转向控制阀故障；M9表示单向阀故障；M10表示安全阀故障；M11表示溢流阀故障。底事件X1表示油罐缺油或油量不足；X2表示油管接头泄漏；X3表示油管中有空气而回路阻塞；X4表示油管路、油滤清器堵塞；X5表示转向压力开关损坏，发动机电控单元不能取得动力转向信号，发动机不能提速；X6表示转向油泵总成密封垫损坏，外部泄漏；X7表示转向油泵皮带打滑，油泵转速降低；X8表示转向油泵磨损，内部泄漏；X9表示安全阀卡死在打开位置；X10表示安全阀弹簧失效；X11表示安全阀关闭不严；X12表示溢流阀卡死在打开位置；X13表示溢流阀弹簧失效；X14表示溢流阀关闭不严； X15表示转向控制阀总成密封垫损坏，外部泄漏；X16表示转向控制阀阀心、阀体磨损，内部泄漏；X17表示转向控制阀阀心卡死在中间位置；X18表示转向控制阀阀心回位弹簧损坏，阀心回位不良；X19表示单向阀卡死在打开位置；X20表示单向阀弹簧失效；X21表示单向阀关闭不严；X22表示油缸推杆磨损或变形，外部泄漏；X23表示油缸推杆O形密封圈磨损或损坏，外部泄漏。X24表示油缸缸体磨损，内部泄漏；X25表示油缸活塞O形密封圈磨损或损坏，内部泄漏。

5.2 求“动力转向沉重”最小割集

故障树建立后，需要求故障树的最小割集，每一种最小割集都是造成顶事件发生的一种可能。常用的故障树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车“转向沉重”故障树的最小割集：{Xl}，{X2}，……，{X25}。这25个最小割集都是引发“转向沉重”故障的可能原因，应该予以全面考虑和分析。

由于下列原因，在汽车动力转向装置故障诊断中，既不方便进行定量分析，也不方便从最小割集开始逐个向上查找：①汽车动力转向装置液压元件发生故障的统计概率数据不足，无法计算每一最小割集对顶事件的概率重要度，进而把最小割集按照概率重要度大小排序，确定检查各个总成、零件的顺序；②如果按照最小割集依次检查来排除故障，虽然有一定的可行性，但是工作量很大；③如果随意地对动力转向油泵、转向控制阀等精密的液压元件进行拆检，有可能造成新的故障。因此，将故障树分析法的定性分析和汽车故障诊断的基本原则有机结合起来，对“动力转向沉重”的原因和部位进行分析，是一种可行的方法。

5.3 “动力转向沉重”的诊断分析

按照“由简到繁、先外后内、先电后机、易损件优先、尽可能免拆、先常见故障后疑难故障”的汽车故障诊断原则，按照故障树定性分析的导向进行如下诊断分析。

5.3.1 油罐油量和外部泄漏诊断分析

用目测的方法检查如下最小割集：

（1）检查X1 和X2，即油罐是否缺油、油量是否不足、油管接头是否泄漏；

（2）检查X6，即转向油泵总成密封垫是否损坏，造成外部泄漏；

（3）检查X15，即转向控制阀总成密封垫损坏，造成外部泄漏；

（4）检查X22 和X23，即油缸推杆是否磨损或变形、推杆O形密封圈是否磨损或损坏，造成外部泄漏。

5.3.2 油管状况检查与分析

检查X3和X4，即检查油管中是否有空气、油管路是否堵塞，造成回路阻塞。检查方法：首先检查油罐油液中是否有泡沫，如有则可能是油管中有空气；然后顶起转向桥，启动发动机怠速运转，反复将转向盘从左边尽头转到右边尽头，使转向油缸作全行程往复运动，观察油罐油液中是否有气泡冒出来，如有则表明油管中有空气。

5.3.3 油泵皮带诊断分析

检查X7，即转向油泵皮带是否过松或磨损造成打滑。检查时用可98N的力压下皮带，新皮带挠变应为5～7mm.旧皮带应为7～9mm，否则应予调整。

5.3.4 发动机提速检测与分析

检查X5，即即检查在汽车转向时发动机是否提速，以补偿液压式动力转向时的功率需要。检查方法：顶起转向桥，启动发动机怠速运转，反复将转向盘从左边尽头转到右边尽头，观察发动机转速表。

5.3.5 工作油压诊断分析

最小割集X8、 X9、X10、X11、X12、X13、X14、X16、X17、X18、X19、X20、X21、X24和X25，在免拆的原则下无法直接检查，但可以通过检查系统油压来进行间接诊断。具体方法是：把带有手动阀的压力表接到油泵与转向控制阀之间的回路中，起动发动机，原地转动方向盘数次，将动力转向油油温升到80℃。发动机怠速运转时，将转向盘转到尽头，打开手动阀时，表压最小压力应该达到该车型规定值，若低于该规定值的90%，且逐步关闭手动阀时（不超过10s），油压也不提高，则表明油泵磨损造成内部泄漏（X8）或安全阀有故障（X9、X10、X11），若油压表读数达到规定值，表明油泵良好，故障在动力缸（X24、X25）或控制阀（X16、X17、X18、X19、X20、X21）。发动机转速在1000r/min～3000 r/min时，表压最大压力应低于该车型规定值，若压力过高则表明安全阀有故障和溢流阀有故障（X12、X13、X14）。在油泵油压正常，打開手动阀，将转向盘转到尽头，发动机怠速时，表压最低压力应该达到该车型规定值，若压力过低则表明转向油缸缸体磨损、活塞O形密封圈磨损或损坏，造成内部泄漏（X24、X25）。此外若油泵的压力过低或流量过小，则应检查M5下的X4，即油管路、油滤清器堵塞有无堵塞。

由上述诊断分析可知，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个最小割集中，如果按照易损件优先诊断的原则进行诊断，不难推断出X23和X25是造成“动力转向沉重”的首要原因，因为转向油缸的推杆O形密封圈和活塞O形密封圈都是动密封易损件，相对运动频繁，容易磨损和损坏。

6 结语

（1）故障树分析法是一种逻辑性强、形象直观的故障分析方法，能对复杂的汽车液压系统能够快速找出系统故障的所有可能原因，便于定性分析。

（2）针对汽车液压系统元件失效的统计概率不好获取，无法计算底事件对顶事件的概率重要度问题，定量分析困难。所以只能在故障树进行定性分析的基础上，结合汽车故障诊断的基本原则对故障的原因和部位进行分析。

（3）运用故障树分析法对汽车液压系统故障进行诊断，要求专业维修人员必须具备深厚的专业知识和丰富的故障诊断经验，以及对故障树分析法有一定的认识深度。

基金项目：广州市高等学校第七批教育教学改革项：基于CRP的高职“双课堂”式“理实一体化”教学模式研究（编号：FJGJ2015-12-81）。

参考文献：

[1]许荣，车建国，杨作宾，等.故障树分析法及其在系统可靠性分析中的应用[J].指挥控期与仿真，2010，32（1）：112-115.

[2] 魏选平，卞树檀.故障树分析法及其应用[J].计算机科学与技术，2004，（3）：43-45.

[3]贾雪峰.故障树分析法在门式起重机维修中的应用[J].机电工程技术，2012（1）：72-74.

[4]娅萍，郝利华，王玉财.发动机电启动失败的故障树分析[C].中国内燃机学会2008年学术年会暨大功率发动机分会六届二次联合学术年会论文集.2008：47-49.

[5]屠卫星.汽车底盘构造与维修[M].北京：人民交通出版社，2005.