朱 榮

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院 陜西 咸陽 712000）

引言

由我國交通運(yùn)輸部于2016 年以1 號令形式頒發(fā)，并于2019 年通過第19 號令修正的《道路運(yùn)輸車輛技術(shù)管理規(guī)定》中強(qiáng)調(diào)：不但鼓勵道路運(yùn)輸企業(yè)使用節(jié)能且環(huán)保型的車型，而且簡政放權(quán)，將營運(yùn)車輛的技術(shù)管理主責(zé)交還給道路運(yùn)輸企業(yè)本身[1]。在這種背景下，道路運(yùn)輸經(jīng)營者積極響應(yīng)政策號召投入新能源節(jié)能環(huán)保車輛運(yùn)營的同時，還要考慮在不影響車輛運(yùn)營時間且不提高維護(hù)和修理成本的前提下，對道路運(yùn)輸車輛實(shí)行正確使用、周期維護(hù)、視情修理、定期檢測[2-3]。當(dāng)前我國絕大多數(shù)城市投入使用的主流新能源公交是純電動和混合動力這2 類形式的。對于城市公交客車而言，混合動力公交客車（以下簡稱混動公交）因具有2 套動力系統(tǒng)，兼顧了傳統(tǒng)動力車輛和純電動車輛的優(yōu)點(diǎn)，在使用過程中駕駛員及公交運(yùn)營企業(yè)反響均較純電動公交客車好。由于混動公交的高壓電氣系統(tǒng)部分與傳統(tǒng)動力源公交客車的結(jié)構(gòu)迥異，且對其進(jìn)行維護(hù)和修理需要特種作業(yè)證（高壓電工證），因此對于高壓電氣系統(tǒng)部分的維護(hù)和修理目前絕大多數(shù)公交企業(yè)均嚴(yán)重依賴于廠家。高壓電氣系統(tǒng)的故障主要屬于電子元件及電路故障，這類故障一般與車輛使用時間或行駛里程沒有直接的線性關(guān)系。然而作為城市公交客車而言，使用條件基本是固定的，且車輛除了正常的修理或保養(yǎng)時間外，其他時間基本均處于運(yùn)營狀態(tài)。因此對高壓電氣系統(tǒng)的故障規(guī)律進(jìn)行探究，有助于指導(dǎo)車輛的正確使用、周期維護(hù)和視情修理。

1 故障分布規(guī)律研究技術(shù)方案

為了指導(dǎo)西安市混動公交的維護(hù)與使用，在對其進(jìn)行應(yīng)用探究過程中[3]，為摸索混動公交高壓電氣系統(tǒng)故障分布規(guī)律，提出了一套高壓電氣系統(tǒng)故障分布規(guī)律研究方案。該方案以可靠性理論為基礎(chǔ)，采用啟發(fā)式算法思維，具體技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 技術(shù)路線圖

具體技術(shù)方案分為以下幾步：

1）故障數(shù)據(jù)收集與整理

選擇n 臺同類型混動公交車輛，以故障現(xiàn)象和故障里程的方式，采集高壓電氣系統(tǒng)初次故障數(shù)據(jù)，共n 個。剔除非正常使用導(dǎo)致的m（0≤m ＜n）個故障數(shù)據(jù)后，將剩余的n-m 個故障數(shù)據(jù)按照故障里程數(shù)從小到大依次進(jìn)行排序，記為Li，i=1，2，…，n-m。

2）故障數(shù)據(jù)分析

計算Li（i=1，2，…，n-m）時的累積分布函數(shù)的估計值Li），數(shù)學(xué)公式為：

3）選擇理論分布模型

對初次故障里程處理后的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行不同的理論分布最小二乘擬合，求得回歸直線圖進(jìn)行線性比較；并借助于最小二乘法計算相關(guān)系數(shù)后，進(jìn)行相關(guān)系數(shù)大小對比?；谝陨? 種方法綜合選擇合適的理論分布模型。

4）理論分布模型擬合檢驗(yàn)

借助于擬合檢驗(yàn)法來判斷基于上一步選取的理論分布模型是否合格。若經(jīng)過擬合檢驗(yàn)確認(rèn)不合格，則返回步驟3），進(jìn)行理論分布模型的再選擇。常用的分布擬合檢驗(yàn)方法有：正態(tài)分布擬合檢驗(yàn)法、t 擬合檢驗(yàn)法、χ2擬合檢驗(yàn)法、K 擬合檢驗(yàn)法等[4]。

5）理論分布模型參數(shù)估計

確認(rèn)好理論分布模型之后，借助圖分析法或數(shù)值分析法估計所確認(rèn)的理論分布模型的參數(shù)[5-6]。

6）故障分布函數(shù)確認(rèn)

基于上述兩步，求出故障分布函數(shù)，并對應(yīng)地計算出概率密度函數(shù)、可靠度函數(shù)、故障率函數(shù)等。

7）可靠性指標(biāo)計算

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，依據(jù)上一步計算獲得的相關(guān)函數(shù)進(jìn)行所需的可靠性指標(biāo)計算。常用的可靠性指標(biāo)主要有：可靠度、有效度、平均維修時間、平均工作時間、失效度等。

2 案例分析

以西安市40 路型號為KLQ6129GAHEV5C 的蘇州金龍海格牌混動公交為研究對象，通過對高壓電氣系統(tǒng)初次故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計與分析，以期挖掘出該車型高壓電氣系統(tǒng)故障分布規(guī)律，進(jìn)而指導(dǎo)該公交線路上同類型車輛的維護(hù)周期修訂以及維護(hù)作業(yè)內(nèi)容的編排。

2.1 故障數(shù)據(jù)收集與整理

以走訪調(diào)查及查詢車輛維修履歷的形式，搜集到西安市40 路累計共20 臺混動公交高壓電氣系統(tǒng)的初次故障數(shù)據(jù)。20 個高壓電氣系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)中沒有因非正常使用而導(dǎo)致的故障。根據(jù)故障里程數(shù)的大小進(jìn)行從小到大排序，如表1 所示。

表1 20 臺混動公交車輛初次故障數(shù)據(jù)

2.2 故障數(shù)據(jù)分析

將表1 中的故障里程數(shù)據(jù)代入公式（1）中進(jìn)行計算，結(jié)果如表2 所示。

表2 故障數(shù)據(jù)處理結(jié)果

2.3 理論分布模型的選擇

選擇常見的正態(tài)分布模型、對數(shù)正態(tài)分布模型、指數(shù)分布模型以及2 參數(shù)威布爾分布模型，利用上一步處理獲取的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行最小二乘擬合，獲得回歸直線圖，詳見圖2～圖5。通過對比觀察不同理論分布模型的回歸直線圖可知，服從2 參數(shù)威布爾分布的幾率最大。

圖2 正態(tài)分布函數(shù)回歸直線圖

圖3 對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)回歸直線圖

圖4 指數(shù)分布函數(shù)回歸直線圖

圖5 2參數(shù)威布爾分布函數(shù)回歸直線圖

進(jìn)一步借助于excel 函數(shù)對上述4 種理論分布函數(shù)模型計算最小二乘法擬合的相關(guān)系數(shù)，計算結(jié)果詳見表3。

表3 4 種理論分布模型相關(guān)系數(shù)計算結(jié)果

2.4 理論分布模型擬合檢驗(yàn)

在上述2.3 中，借助于回歸直線圖進(jìn)行線性分析和比較最小二乘法擬合的相關(guān)系數(shù)大小2 種方法，對4 種常見的理論分布模型進(jìn)行分析，判斷首次故障分布規(guī)律服從2 參數(shù)威布爾分布的可能性最大。本案例擬借助t 檢驗(yàn)法進(jìn)行2 參數(shù)威布爾分布模型假設(shè)檢驗(yàn)，具體方案如下：以t 檢驗(yàn)法確定臨界擬合優(yōu)度，再將臨界擬合優(yōu)度與擬合優(yōu)度作大小比較，判斷線性關(guān)系成立與否，進(jìn)而分析假設(shè)是否成立。

擬合優(yōu)度計算公式：

借助tn-2，1-a/2確認(rèn)臨界擬合優(yōu)度：

式中：α 是t 分布的顯著水平。

通過檢驗(yàn)：r2＞能否成立，進(jìn)而判斷y 和x 之間一元線性關(guān)系（y=ax+b）是否存在。

經(jīng)計算，可求出擬合優(yōu)度r2=0.977 1。因?yàn)閞2=0.977 1 ＞0.9=，所以y 和x 之間存在一元線性關(guān)系（y=ax+b），進(jìn)而說明假設(shè)成立。

2.5 理論分布模型參數(shù)估計

2 參數(shù)威布爾分布，其可靠度函數(shù)為：

式中：L 為故障里程，km；m 為形狀參數(shù)；η 為尺度參數(shù)。

對上式兩邊取兩次對數(shù)可得：

因此，對于InLi和的一組數(shù)據(jù)，可用最小二乘法擬合求得回歸系數(shù)a 和b。其中a=m，b=-mInη，進(jìn)而可求得威布爾分布模型的參數(shù)估計值m 和η。

通過計算，得到a≈1.454 10，b≈-15.699 12。進(jìn)一步計算，得到形狀參數(shù)m=1.454 10，尺度參數(shù)η≈48 847.154 21。

2.6 故障分布函數(shù)確認(rèn)

將2.5 中求得的m 與η 代入2 參數(shù)威布爾分布模型中。

1）計算求得故障分布函數(shù)為：

對應(yīng)函數(shù)圖形如圖6 所示。

圖6 故障分布函數(shù)曲線圖

2）計算求得概率密度函數(shù)為：

對應(yīng)函數(shù)圖形如圖7 所示。

圖7 故障概率密度函數(shù)曲線圖

3）計算求得可靠度函數(shù)為：

對應(yīng)函數(shù)圖形如圖8 所示。

圖8 可靠度函數(shù)曲線圖

4）計算求得故障率函數(shù)為：

對應(yīng)函數(shù)圖形如圖9 所示。

圖9 失效度函數(shù)曲線圖

2.7 可靠性壽命值估計

基于可靠度函數(shù)，考慮維護(hù)周期的優(yōu)化修訂需要以及不同級別的維護(hù)作業(yè)內(nèi)容的設(shè)計，求出混動公交高壓電氣系統(tǒng)特征壽命、平均初次故障里程、額定壽命等可靠性壽命度量指標(biāo)，如表4 所示。

表4 部分可靠性壽命度量指標(biāo)計算值km

3 結(jié)論

利用車輛維修履歷，在剔除因非正常使用導(dǎo)致的故障數(shù)據(jù)后，以故障現(xiàn)象和故障里程的形式收集初次故障數(shù)據(jù)，并以可靠性理論為研究基礎(chǔ)，引入啟發(fā)式算法思維，提出了一套故障分布規(guī)律研究技術(shù)方案。并以西安市40 路20 輛混動公交高壓電氣系統(tǒng)為例，對所提出的的技術(shù)方案進(jìn)行了驗(yàn)證，得出該路線混動公交高壓電氣系統(tǒng)故障服從2 參數(shù)威布爾分布，并相應(yīng)地計算得出了其故障分布函數(shù)及可靠性壽命值。該技術(shù)方案具有故障數(shù)據(jù)獲取方便，操作簡單等特點(diǎn)，具有較好的實(shí)際推廣價值和意義。該技術(shù)方案同樣也適用于其他使用條件相對固定的道路運(yùn)輸車輛故障分布規(guī)律研究。不足之處在于，案例中選取的試驗(yàn)車輛數(shù)和故障數(shù)據(jù)相對偏少；故障分布模型選擇時，只列舉了常見的故障分布模型，不常見的分布模型未進(jìn)行羅列。