鄒天剛，杜明剛，陳 娟

(中國北方車輛研究所車輛傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100072)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種車輛的結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，特別是在信息化技術(shù)浪潮推動(dòng)下，及電子計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在車輛上的廣泛應(yīng)用，使得車輛機(jī)電液一體化成為一種必然的選擇和發(fā)展趨勢(shì)[1].而與此同時(shí)，伴隨著傳動(dòng)電控系統(tǒng)日趨龐大、技術(shù)越來越復(fù)雜，給傳統(tǒng)的傳動(dòng)裝置維修帶來了挑戰(zhàn)，因而，現(xiàn)代故障診斷技術(shù)的研究成為當(dāng)務(wù)之急[2].

在經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上，設(shè)置測試點(diǎn)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測并完成故障診斷設(shè)計(jì)，是一套行之有效的方法.但隨著系統(tǒng)復(fù)雜程度越來越高，信號(hào)之間的邏輯關(guān)系越來越復(fù)雜，信息量也呈幾何級(jí)數(shù)增長，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行測試與故障診斷的方法逐漸顯露出弊端，例如:電控系統(tǒng)中各種信號(hào)傳感器之間存在的冗余邏輯關(guān)系、測試點(diǎn)設(shè)置是否能夠滿足測試需求，需要通過專業(yè)軟件進(jìn)行分析.

本文選用液壓操縱系統(tǒng)作為研究對(duì)象進(jìn)行分析，有3個(gè)原因:1)由于測試傳感器設(shè)置數(shù)量僅有30個(gè)，與綜合傳動(dòng)裝置近20個(gè)部件(逾6000個(gè)零件)相比，數(shù)量明顯不足，所以若將整個(gè)綜合傳動(dòng)裝置作為分析對(duì)象明顯不具備分析條件;2)液壓操縱系統(tǒng)內(nèi)部零件邏輯關(guān)系復(fù)雜，有必要進(jìn)行分析;3)液壓操縱系統(tǒng)工作原理清晰，便于分析.

1 液壓操縱系統(tǒng)工況的確定

1.1 液壓操縱系統(tǒng)功能

液壓操縱系統(tǒng)的主要功能是按照電子控制系統(tǒng)的指令，完成換擋操作，完成閉鎖離合器的結(jié)合與分離，并對(duì)離合器的結(jié)合過程進(jìn)行控制，保證過渡過程的品質(zhì).在電控系統(tǒng)配合下，可實(shí)現(xiàn)6個(gè)前進(jìn)擋、2個(gè)倒擋、1個(gè)中心轉(zhuǎn)向擋以及空擋的操作.

1.2 液壓操縱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

液壓操縱系統(tǒng)由比例減壓閥、梭閥、開關(guān)電磁閥等組成，其中比例減壓閥按照電控系統(tǒng)指令根據(jù)目標(biāo)油壓曲線完成充放油控制.電液比例閥包含DB1、DB2、DB3、DBL、DBH、DBR、DBB，梭閥包含S1、SR、SL，開關(guān)電磁閥包含K3、KH.行星變速機(jī)構(gòu)用的油缸與本研究關(guān)系密切，也作為分析對(duì)象.其組成見圖1.

圖1 液壓系統(tǒng)組成圖

1.3 液壓操縱系統(tǒng)工況的確定

通過將各個(gè)元件按照預(yù)先設(shè)計(jì)規(guī)律的狀態(tài)進(jìn)行組合(如閥的開關(guān)、開口量的大小)來實(shí)現(xiàn)不同擋位狀態(tài)和變矩器狀態(tài)的控制.在換擋過程中，液壓元件呈現(xiàn)出2種狀態(tài):動(dòng)態(tài)過程和靜態(tài)過程。動(dòng)態(tài)過程是指在換擋過程中或者液力變矩器在液力和機(jī)械工況轉(zhuǎn)換過程中，電液比例閥處在動(dòng)態(tài)變化過程中，其狀態(tài)隨時(shí)間連續(xù)變化。靜態(tài)過程是指在換擋結(jié)束到下一次換擋開始之前，以及液力變矩器處于機(jī)械或者液力工況時(shí)，各個(gè)液壓元件處于相對(duì)不變的確定狀態(tài).

液力變矩器控制部分分為閉鎖狀態(tài)(對(duì)應(yīng)于變矩器機(jī)械狀態(tài))和解鎖狀態(tài)(對(duì)應(yīng)于變矩器液力狀態(tài)).

換擋控制部分要控制的狀態(tài)有13種，即斷電狀態(tài)、空擋、1擋、2擋、3擋、4擋、5擋、6擋、倒1擋、倒2擋、應(yīng)急1擋、應(yīng)急倒1擋、中心轉(zhuǎn)向擋.

當(dāng)夜壓操縱系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)調(diào)整過程中時(shí)，各個(gè)液壓元件的狀態(tài)是連續(xù)變化的.在這種情況下，其狀態(tài)監(jiān)測困難，故障診斷的實(shí)現(xiàn)難度大.因此，此狀態(tài)不作為車輛隨車診斷的分析工況.

因考慮到4擋是經(jīng)常使用的擋位(其工作時(shí)間約占車輛總行駛時(shí)間的30% ～40%)，并且車輛由3擋換位到4擋是該綜合傳動(dòng)裝置動(dòng)態(tài)變化最劇烈的一個(gè)擋位，所以選用4擋工況作為車輛隨車診斷的分析工況.

2 4擋工況下的控制狀態(tài)分析

4擋工況的控制原理圖見圖2.

2.1 4擋工況的運(yùn)行狀態(tài)分析

在4擋工況下，操縱件C1和CH為結(jié)合狀態(tài)，其余操縱件均為分離狀態(tài)，閥DB1、DBH和KH為通電狀態(tài)，其余的閥均為斷電狀態(tài).

C1控制回路中，電液比例閥DB1通電，油壓通過電液比例閥DB1、梭閥S1作用于單作用缸C1，使油缸向右側(cè)移動(dòng)，摩擦片結(jié)合.

CH控制回路中，電液比例閥DBH通電，油壓通過電液比例閥DBH作用于雙作用缸CH的左缸;同時(shí)，電磁閥KH通電，壓力油經(jīng)過電磁閥KH到達(dá)油箱，即油壓不作用于閥HH，雙作用缸CH的右缸與油箱連通，油缸活塞在左缸的油壓作用下向右側(cè)運(yùn)動(dòng)，摩擦片結(jié)合.

C3控制回路中，電磁閥K3為斷電，油壓作用于閥H3，油壓能夠作用于單作用缸C3的右缸;此時(shí)，電液比例閥DB3為斷電狀態(tài)，雙作用缸C3左缸與油箱連通，油缸活塞在右缸的油壓作用下向左側(cè)移動(dòng)，摩擦片分離.

4擋工況下，C2、CL、CR、CB控制回路中的電液比例閥均為斷電狀態(tài)，油缸活塞在彈簧的作用下向左側(cè)運(yùn)動(dòng)，摩擦片分離.

圖2 4擋工況的原理圖

2.2 各組成單元工作狀態(tài)分析

綜合傳動(dòng)裝置在4擋工況下，各組成單元的工作狀態(tài)見表1.

表1 4擋工況各組成單元工作狀態(tài)表

3 測試性模型建立

3.1 元件與故障的定義

在定義元件與故障之前，作如下前提假設(shè):

1)位于閥H3和閥HH前的2個(gè)不可調(diào)節(jié)流孔以及閥YJF可靠性很高，假定其總是處于正常狀態(tài);

2)假定壓力傳感器可靠性足夠高，即假定其總是處于正常工作狀態(tài);

3)操縱主壓故障模式與本分析無關(guān)，因此假定操縱主壓總是處于正常狀態(tài);但該油壓影響單作用缸C1和CH的工作狀態(tài)，故在建模時(shí)增加了輸入油壓模塊來說明輸入信號(hào)的狀態(tài).若經(jīng)診斷確認(rèn)輸入油壓有故障時(shí)，則說明其輸入信號(hào)異常.

4)油底殼的狀態(tài)對(duì)本模型的結(jié)果沒有影響，故沒有建立油底殼模塊的模型;

5)油缸及液壓閥未出現(xiàn)中間狀態(tài)(卡死在中間過渡位置)，即對(duì)液壓閥故障情況定義為“應(yīng)該導(dǎo)通而未導(dǎo)通”和“應(yīng)該關(guān)閉而未關(guān)閉”2種.

在4擋工況下，對(duì)各組成單元的故障進(jìn)行定義，見表2.

表2 各組成單元的故障定義表

根據(jù)以往測試經(jīng)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)布置需求，在4擋工況下，各測試點(diǎn)的布置和具體定義見表3.

表3 各測試點(diǎn)邏輯值的含義

3.2 測試性模型的建立

根據(jù)4擋工作狀態(tài)原理，以及測試性建模的單元和測試點(diǎn)的定義，在分析各個(gè)單元間的相關(guān)性關(guān)系基礎(chǔ)上，采用Teams軟件建立了4擋工況下的測試性模型，見圖3.

圖3 4擋工作狀態(tài)下的測試性模型

4 測試性模型的靜態(tài)分析

4.1 模糊組分析

根據(jù)現(xiàn)有測試點(diǎn)，液壓操縱系統(tǒng)按照診斷到元件級(jí)別的水平，存在的模糊組有5個(gè)，見表4.由此可見，如果要進(jìn)一步區(qū)分模糊組內(nèi)部到底哪個(gè)元件出現(xiàn)了故障，那么現(xiàn)有的測試點(diǎn)需要增加.

表4 模糊組組成

4.2 不能檢測的故障

基于目前所設(shè)置的測試點(diǎn)，綜合傳動(dòng)裝置在4擋工況下不能檢測到的組件見表5.

表5 不能被檢測到的組件

4.3 隱藏故障

本模型中，對(duì)于梭閥S1和電液比例閥DB1模糊組、梭閥SL和電液比例閥DBL模糊組、梭閥SR和電液比例閥DBR模糊組、電液比例閥DB3和雙作用缸C3模糊組，均沒有隱藏故障.對(duì)于輸入油壓故障，隱藏故障集為:梭閥S1、電液比例閥DBH、電液比例閥DB1.

5 診斷策略設(shè)計(jì)分析

在假定測試費(fèi)用、測試時(shí)間、可靠性、被監(jiān)測元件重要性均相等的前提下，以最少測試次數(shù)、最高軟件診斷速度為優(yōu)化目標(biāo)，利用Teams軟件提供的診斷策略設(shè)計(jì)和分析功能，在測試性模型基礎(chǔ)上以故障診斷樹形式生成最優(yōu)診斷策略，并對(duì)策略的故障檢測和隔離能力進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析.

在診斷策略設(shè)計(jì)中，僅考慮故障狀態(tài)的影響，未考慮故障發(fā)生概率以及各測試點(diǎn)的測試時(shí)間和測試費(fèi)用的影響.

在4擋工況下的相關(guān)性矩陣，見表6.

表6 4擋工況相關(guān)性矩陣

該裝置共選用了8個(gè)測試點(diǎn)，即所有測試點(diǎn)均被選用.合并相關(guān)性矩陣相同的行，去掉未選用測試點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的列，再加上“無故障”時(shí)所對(duì)應(yīng)的結(jié)果，即可得到其故障字典.4擋工況下的故障字典，見表7.

表7 液壓操縱系統(tǒng)4擋工況故障字典

以測試性模型為基礎(chǔ)，利用Teams軟件得到4擋工況下的故障診斷樹圖，見圖4.

圖4 4擋工況故障診斷樹

4擋工況下的測試性模型的測試性結(jié)果統(tǒng)計(jì)，見表8.

表8 4擋工況測試性模型的測試性指標(biāo)

對(duì)4擋測試性模型進(jìn)行測試性分析，生成模糊組和測試使用情況柱狀圖，見圖5.

圖5 模糊組和測試使用情況柱狀圖

圖5表明:從模糊度指標(biāo)來看，模糊組為1個(gè)的占18%，模糊組為2個(gè)的占36%，模糊組大于9個(gè)的占46%;最終實(shí)現(xiàn)故障隔離需要用到2個(gè)測試的占22%，要求用到3個(gè)測試的占9%，要求用到4個(gè)測試的占9%，要求用到5個(gè)測試的占4%，要求用到6個(gè)測試的占4%，要求用到7個(gè)測試的占52%.由此可見，大于9個(gè)元件的模糊組所占元件數(shù)量多，實(shí)現(xiàn)故障隔離所用的測試步驟和測試點(diǎn)多，現(xiàn)有的測試傳感器數(shù)量不能滿足狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的需要，應(yīng)增加傳感器數(shù)量.

6 結(jié)論

基于單故障假設(shè)條件，運(yùn)用Teams軟件建立了綜合傳動(dòng)裝置液壓操縱系統(tǒng)4擋工況測試性模型，在假設(shè)各組件可靠性和費(fèi)用相等的情況下，對(duì)模型進(jìn)行了靜態(tài)分析和測試性分析，得出了相關(guān)性矩陣和故障診斷樹，并生成了故障字典.最后按照診斷到每個(gè)組件的目標(biāo)，對(duì)現(xiàn)有傳感器設(shè)置水平下的測試性進(jìn)行了分析計(jì)算.以下是根據(jù)分析結(jié)果得到的幾點(diǎn)改進(jìn)啟示.

1)增加測試點(diǎn)的配置.

根據(jù)現(xiàn)有8個(gè)傳感器設(shè)置的情況進(jìn)行分析，不能被檢測到的組件有單作用缸CR、電磁閥KH、單作用缸CL、單作用缸CB、雙作用缸CH、單作用缸C2、閥HH、電磁閥 K3、閥H3、單作用缸C1.目前傳感器沒有冗余、重復(fù)設(shè)置.因此，如果要加強(qiáng)測試性，必須增加傳感器設(shè)置數(shù)量，具體安裝位置需要根據(jù)具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì).

2)增強(qiáng)故障診斷的能力.

按照診斷到每個(gè)元件的目標(biāo)，故障檢測率為54.55%，隔離到單個(gè)元件的故障隔離率為18%，隔離到單個(gè)組件水平的故障隔離率為33.33%，隔離到兩個(gè)組件水平的故障隔離率為66.67%.由此可見，目前傳感器設(shè)置不能很好滿足故障診斷的要求.解決措施有2個(gè):(1)增加測試點(diǎn)的數(shù)量;(2)根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品運(yùn)行過程中的具體情況，合理設(shè)置隔離單元，即隔離單元可按照實(shí)際部件總成來設(shè)置，以滿足故障診斷指標(biāo).

3)優(yōu)化檢測與故障診斷的順序

當(dāng)需要檢測與診斷的系統(tǒng)較為復(fù)雜時(shí)，運(yùn)用Teams軟件進(jìn)行測試性分析，優(yōu)化檢測和故障診斷的流程，將提高測試系統(tǒng)尤其是故障診斷軟件的運(yùn)行效率，從而提高故障診斷結(jié)果預(yù)報(bào)的實(shí)時(shí)性和可靠性.

[1]朱大奇.電子設(shè)備故障診斷原理與實(shí)踐[M].北京:電子工業(yè)出版社，2004.

[2]馬 彪，萬耀青，王文清.車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷研究和應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)車輛工程學(xué)院，1999.