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第39卷第4期 北京交通大学学报 V01.39 No.4 2Q 生曼月 .1 1 ITY Aug.2015 文章编号:1673 0291(2015)04—0029—04 DOI:10.118604.issn.1673—0291—2015.04.006 FTA方法在汽车油耗分析中的应用 秦华 ,邵舒羽 ,杨 云 ,鲁艳伟2 (1.北京建筑大学机电与车辆工程学院,北京100044;2.郑州航 ̄SE,II,管理学院管理科学与工程学院,郑州450015) 摘要:通过FTA方法,根据一些汽车油耗的数据对汽车油控进行分析计算,得出对汽车油耗的影 响最大因子或因子组合,从而对其进行设计、改进、故障诊断及故障维修等.对影响国内某汽车中的 轻型汽车油耗参数的燃料消耗量和比功率两个因子进行定性和定量分析,得出汽车的比功率对汽 车的油耗参数影响程度较大的结论. 关键词:故障树分析;汽车油耗;比功率;可比燃料消耗因子 中图分类号:T13277 文献标志码:A Application research on vehicles oil-consumption analysis using FTA method QIN Hua ,SHAO Shuyu ,YANG Yun ,LU Yanwei (1.School of Mechanical—electronic nad Automobile Engineering,Beijing University of Civil Engineering and Architceture,Beijing 100044,China;2.cShool of Management cSience nad Engineering,Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management,Zhengzhou 450015,China) Abstract:By the FTA(Fault Tree Analysis)method,we can analyze and calculate vehicles oil control according to vehicles oil—consumption data,then figure out a factor or a combination of factors that af— fect vehicles oil—consumption most,SO that we can design,improve,diagnose the fault or corrective maintenance about vehicles oil contro1.This paper analyzes the two factors qualitatively and quantita— tively that affecting the fuel consumption and specific power of certain domestic automobile brand, then draws the conclusion that the degree of impact on the specific power of the automobile affected the vehicles oil—consumption parameters a lot. Key words:FTA method;automobile oi1 contro1:specific power;fuels equivalent depletion component FTA方法是一种评价复杂系统可靠性与安全 到人们的高度重视.衡量汽车动力油耗参数的大小 性的方法,通过此方法可以实现产品设计、过程等方 一般以汽车比功率表示,对同类型汽车而言,国产汽 面的优化,从而确保产品的可靠性.故障树分析法将 车的比功率相对较小,一般在0.04~0.13,而国外 系统的故障形成原因由总体至部分按树状逐级细 的汽车比功率却可以达到0.16,说明国外汽车的油 分,以确定系统故障的原因可能的组合方式及发生 耗明显比国产汽车的低,如何降低汽车油耗则成为 概率…1,从而采取更加有针对性的措施来保障系统 了汽车制造业关注的焦点.据此,本文作者将运用 的有效运行.故障树分析法已被广泛应用于汽车、航 FTA方法对影响某汽车中的轻型汽车油耗参数的 天航空、机械电子等各种制造业领域 J. 燃料消耗量和比功率进行相关的应用分析. 从全球石油危机爆发开始,汽车油耗的问题受 收稿日期:2015—01—17 作者简介:秦华(1971一),女,安徽马鞍山人,副教授,博士.研究方向为人因工程、人机交互等.email:qinhua@bucea.edu.cn 北京交通大学学报 第39卷 1故障树的建立 FTA方法需确定系统可能产生的异常行为,根 据分析的目的和故障判据确定顶事件并作为分析的 目标,通过逐层向下推溯所有可能的原因,且每层推 溯其直接原因(中间事件),从而找出系统内可能存在 因素(各种底事件)与系统失效(顶事件)间的逻辑关 系,并用倒立树形图形表示出来_3 J,它不仅可分析由 单一缺陷所诱发的系统故障,而且还可分析当有两个 以上的构件同时发生故障(失效)时发生的系统故 障l4 J.本文运用FTA方法,找出系统发生故障以及导 致系统发生故障的因子之间的逻辑关系,并且用故障 树表示,依据实验数据对汽车油控进行计算分析,进 而得出对汽车油控的影响最大因子或因子组合,然后 对其进行设计、改造、故障诊断及故障维修等. 1.1建立故障树需注意的问题 人工建树是严格的按照逻辑关系,自顶事件开 始,从上至下逐渐找出事件的直接原因,直至找出所 有的底事件l 5.在建树的过程中应注意正确选取顶 5_事件,准确写出故障事件方框中的说明;正确划分每 个事件方框中故障的类型;严格遵守循序渐进的原 则;严格禁止“门门”短路l4j. 1.2汽车油耗故障树的建立 由各种调查和实践研究显示影响汽车油耗的因 子有很多种,在本文中主要分析燃料消耗量和比功 率对汽车油耗的影响. 顶事件确定为衡量汽车耗油参数的可比燃料消 耗因子(Fuels Equivalent Depletion Component, )较高.可比燃料消耗因子越低,说明汽车越 节能;而数值越大,说明该车型的节能环保技术相对 落后.燃料消耗因子的计算公式为 可比燃料燃料消耗量、,燃料消耗量 消耗因子一 比功率 脚印面积‘ 其中:比功率是发动机净功率(或0.9倍的发动机额 定功率)与车辆的整车整备质量的比;脚印面积是前 轮距和轴距的乘积.根据上述公式可得影响其故障 分析的主要因子有燃料消耗量和比功率等(为了方 便研究,设定脚印面积和车辆的整车整备质量相同, 其中脚印面积为10 em2).下面的分析主要是以轻 型汽车(排量在1.5~2.0 L)为例,根据分析并简化 得故障树图如图1所示.其中:丁为可比燃料油耗 因子大于0.3;E2为可比燃料油耗因子大于0.3但 比功率小于0.04;E1为可比燃料油耗因子大于O.3 比功率小于0.04和燃料消耗量大于10.3;E3为可 比燃料油耗因子大于0.3但燃料消耗量大于10.3; C1为比功率小于0.04;D1为燃料消耗量大于 10.3;C2为比功率大于0.04;D2为燃料消耗量小 于10.3;B1为D;÷c1÷10 000>0.3;B2为D}÷ C2÷10 000>0.3. …一顶事件 …一逻辑rJ …一中间事件 …一底事件 图1故障树图 Fig.1 Fault tree chart 2故障树的分析 2.1故障树的定性分析 利用FTA方法定性分析,找出导致顶事件发生 的因子及因子与因子之间的组合,发现潜在的质量 问题,对以后产品的改进、生产设计、故障诊断及维 修提供参考.故障树利用结构函数表示后,可根据布 尔运算规则进行数学运算. 求最小割集的常用的方法有5种,分别是上行法 (SernmandeSes法)、行列法(Fussell法)、布尔代数法、 矩阵列表(矩阵)法和最小路集法.其中最常用的是布 尔代数法,利用定性分析运用布尔代数法从顶事件开 始,依次根据逻辑关系(“与门”为乘,“或门”为加),用 输入事件替换输出事件,直到全部中间事件均被基本 事件替换为止,即将顶事件化简到全部用基本事件表 达.根据图1,用布尔代数法求最小割集得 丁=E1+E2+E3: C1B1D2+C1D1+D1C2B2 (1) 由此得到系统的最小割集为 {C1BID2}, {C1D1}, {D1C2B2}. 2.2故障树的定量分析 2.2.1求顶事件的失效概率 故障树的定量分析是在定性分析的基础上进行 的分析:①由底事件的失效概率求出顶事件的失效概 率;②求出底事件的基本重要度,然后通过重要度的 分析排列出每个底事件对顶事件发生的影响程度,为 产品的改善提供有力的数学依据.本文中共采集30 第4期 秦华等:FTA方法在汽车油耗分析中的应用 3 个汽车油耗数据,如表1所示.底事件的失效概率如 下:C1有7个,P=0.233;C2有23个,P=0.767;D1 有16个,P=0.533;D2有14个,P=0.467;B1有6 和D2互逆,则系统只有4个单元,即C1,Dl,B1, B2共有2 =16个状态,全部4个基本事件两种状 态的组合情况状态用布尔真值表,具体表示见表2 个,P:0.2;B2有0个,P=0. 表1汽车油耗数据 Tab.1 Data of vehicles oil-consumption 序号 料捎耗 FEDC消耗量 /100 km 率/kg “ 量/100 km 率/kg1 9.48 0.04 0.225 16 10.63 O.05 0.226 2 9.50 0.06 O.15O 17 11.13 0.06 0.206 3 10.78 O.O3 0.387 18 1O.59 0.04 0.280 4 10.71 0.05 0.229 19 9.72 0.O3 0.315 5 10.47 0.O6 0.183 20 10.23 O.05 0.209 6 9.99 0.04 0.250 21 1O.35 0.04 0.268 7 9.50 O.02 0.451 22 10.55 0.02 0.557 8 10.71 0.04 0.287 23 9.98 0.O6 0.166 9 9.48 0.O5 0.180 24 10.93 0.05 0.239 1O 1O.78 0.4 0.291 25 1O.88 0.02 0.592 11 10.91 0.06 0.198 26 10.44 0.05 0.218 12 1O.1O 0.04 0.255 27 10.03 0.04 0.252 13 10.13 0.03 0.342 28 10.21 O.02 0.521 14 10.11 0.06 0.170 29 11.11 O.05 0.247 15 l1.61 0.05 0.270 30 9.66 0.06 0.155 根据上述概率计算顶事件的失效概率. 1)将最小割集进行不交化处理并简化. S=CID1+B1 C1D2+B2C2D1=ClD1+ B1C1D2 CID,+B2C2D1 C,DI BlC1D2=C1D1+ B1C1D2 C1+B1C1D2C1 D1+B2C2D1 CIB1+ B2C2D1 C1B1 C1 (2) 因CI和 ,DI和 互为逆事件,所以C1= C2,C2=C1,D1=D2,D2=D1且根据吸收律(A+ AB:A)和等幂律(A*A=A),化简式(2)得 S=C1D1+B1CID2+B2C2Dl (3) 2)本文中采用的是最小割集法,将底事件的失 效概率代入式(3),同时代入不可靠度数据,计算得 出顶事件的失效概率P(T)=0.146. 2.2.2基本事件重要度计算 重要度是指底事件或最小割集对顶事件发生的 影响程度.重要度分析的目的是进一步确定产品的 薄弱环节和改进设计,维护优化方案.重要度分析包 括结构重要度、概率重要度和关键重要度3个部分. 1)结构重要度.结构重要度表示基本事件在故 障树中所占位置对顶事件造成的影响程度,反映了 底事件对顶事件发生所做贡献大小的量度[ ,它是 单元临界状态组合数目与其他剩余单元状态组合数 目的比值,由单元在故障树中所处位置决定,与单元 本身的故障概率无关[ .其系统中单元状态不发生 (单元状态正常)用0表示,单元状态发生(单元状态 失效)用1表示.在本文的案例中因为C】和C2,D1 表2布尔真值表 Tab.2 TabIe of boolean truth-value 序号B1 B2 C1 Dl T 序号B1 B2 C1 D1 T 1 0 0 0 O O 9 1 0 0 0 0 2 O 0 0 1 O 10 1 0 O 1 l 3 0 0 1 0 0 11 1 0 1 O 0 4 0 0 1 1 1 12 1 O 1 1 1 5 0 1 0 O O 13 1 1 0 O 0 6 O 1 O 1 0 14 1 1 0 1 1 7 0 1 1 0 1 15 1 1 1 0 1 8 O 1 1 1 1 l6 1 1 1 1 1 当把第i个基本事件作为变化对象,其他的基 本事件的状态对应保持不变时,共有2一 个组 合L5_.序号1~8中,B1的状态值均为0;序号9~16 中,B1状态值均为1,同时其他3个基本事件的状 态值无变化,所以共有2 -1:8个对照组.B 的状 态由0变到1且其他3个事件不变时,即顶事件的 状态 (0 ,B1)=0变为 (1i,B1):l,所以用表2 的右半部分的 (1 ,B1)减去对应的 (0 ,B1)的 值,累积差为 喜.=2,这2组割集就是基本事件BI 的临界割集,即在8个对照组中,共有2组说明B 的变化引起了顶事件的变化. 同理 § =2,咒皂,=4, 刍,=4.因此,基本事件 B1的结构重要度系数暖=2/8=1/4. 用上述同样的分析方法可得出B1,B2,C1,D1 4个基本事件的结构重要度分别为瑶=1/4,瑶= 1/4, =1/2,瑶=1/2. 2)概率重要度.概率重要度是指某个单元的失 效概率的变化对系统失效概率变化的影响程度.由 式(3)及C1和C2、D1和D2互为逆事件,得顶事件 (系统故障)发生概率为 Fs(t)=P(S)= P(C1D1+B1C1D2+B2C2D1): P(C1D1)+P(B1C1D2)+P(B2C2D1)~ P(B1C1DID2)一P(B2C1C2D1)一 P(B1B2CaCzD1D2)+P(B1B2C1C2D1D2)= P(C1)P(D1)+P(B1)P(C1)P(D2)+ P(B2)P(C2)P(D1)=Fc,FD,+ Fc (1一FD )+FB,(1一Fc )FD (4) 由概率重要度公式△ (t):OFs(t)/a (t)得 AgB,(t)=Fc,(1一FD,); AgB,(t)=FD.(1一Fc ); 北京交通大学学报 第39卷 Agc ( )=FD (1一,曰,)+F8.(1一FD,); AgD ( )=Fc。(1+F8 )+F ,(1一Fc,)(5) 式中F (t)为第i个基本事件的发生概率.将底事 件的失效概率代入式(5)得 AgB.(t)=0.109;Ag8,(t)=0.409; Agc.(t)=0.626;AgD.(t)=0.186. 3)关键重要度.关键重要度是某个单元故障概 率变化所引起系统故障概率变化率变化的程度,即 顶事件发生概率与某底事件概率变化率之比L8],它 既可以直观地反映出单元概率重要度的影响[ ,又 可以排列出最佳的故障诊断和维修顺序. ,f(t)=F (f)/Fs(t)・Ag (t) (6) 式中 t)为第 个单元的关键重要度.得出各单元 的关键重要度为 (t)=0.149; (t)=0; ,c.(t)=0.999;ID.(t)=0.679. 2.3结果分析 各单元的结构重要度、概率重要度和关键重要 度的计算结果如表3所示. 表3各单元重要度 Tab.3 Importance of each unit 由表3可知,从结构重要度分析得B1=B2< Cl=D1,即单元B1、B2没有单元cl、D1在结构上 重要,因此在设计和生产产品时应使c1、D1的可靠 尽量高些.从概率重要度上分析得Cl>B2>Dl> ,,c,发生故障的概率最大,所以在设计系统时, 可以着重降低C 的故障概率对顶事件故障概率的 贡献,但此改进也必须保证D 能够满足顾客要求. 从关键重要度分析得C1>D】>Bl>B2,因此在找 故障诊断和维修顺序时,首先考虑cl,其次D1. 3 结论 1)同质量同大小的汽车中,影响汽车油耗的因 子为比功率. 2)重要度作为底事件或最小割集事件对顶事件 发生影响程度的判断准则,在发动机设计阶段应综 合考虑3个重要度的共同影响. 3)汽车油耗的影响因素包括汽车本身特性(如 汽车重量、造型和发动机的热效率等)及自然环境和 道路交通等,以后的环境中可以综合考虑内外因素 来最大限度的降低汽车油耗. 参考文献(References): [1]陈金国.实现内燃机振动故障诊断眼睛的模型与方法 [J].振动、测试与诊断,1995,15(3):49—55. 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