关于二甲醚客车燃料系统失效的故障树分析

　　二甲醚因在替代柴油、改善排放污染物方面具有优势而受到关注。二甲醚物化性质与传统燃油有较大的不同。因此，为了使车辆安全、稳定地运营，需要采用与传统燃油车不同的燃料系统，以实现燃料加注、储存、输送及多余燃料回流的功能。二甲醚客车研制和示范运营中的故障记录表明，燃料系统故障导致发动机不能起动或发动机熄火发生的次数约占全部故障的78%。为了总结排除二甲醚燃料系统故障的经验，本文采用故障树分析法，梳理燃料系统的各种故障模式及其与燃料系统失效的逻辑关系，为指导二甲醚客车使用、维护和排故提供一个简洁、直观的方法。同时，通过对该故障树的定性分析，可以优化车辆的设计、制造和管理，提高二甲醚客车的可靠性。
　　1 燃料系统及其主要失效模式
　　1)燃料系统。二甲醚客车的燃料系统由快插式车用二甲醚加注口，车用液化二甲醚钢瓶组、增压泵、二甲醚粗精滤清器、压力控制阀、压力表、发动机供液管路、发动机回液管路、电磁阀等组成。
　　2)主要失效模式。燃料系统主要失效模式是燃料系统的工作压力建立不起来，发动机不能起动或发动机起动后燃料系统压力下降，导致车辆熄火。
　　2 故障树分析及建议
　　故障树分析法是一种图形演绎的方法，是失效事件在一定条件下的逻辑推理方法。在故障数据齐全的情况下，可以通过故障树定量计算复杂系统的故障概率和有关可靠性参数，为评估和改善系统的可靠性，优化系统的维护策略，提供定量的依据。
　　2.1 故障树的建立
　　1)确定顶事件。据车辆研制和示范运营记录，二甲醚客车燃料系统失效模式有：发动机不能起动、发动机行驶途中熄火、发动机动力不足、系统因密封失效、管路接头失效泄漏、液位显示失效等。由于发动机不能起动或行驶途中熄火的故障占全部故障的78%，故障发生直接影响运营并导致路援，这是最不希望发生的事件，因此，被确定为故障树的顶事件P1。
　　2)确定第一级中间事件。导致顶事件P1 发生的中间事件有两个方面：一是管路问题导致二甲醚流量不足;二是增压泵输送能力下降或丧失。在本项研究中，将二甲醚管路故障流量不足P2 和增压泵故障P3 作为第一级中间事件。顶事件与第一级中间事件之间的逻辑关系为或门G1 的关系。
　　3)管路故障P2 的下级中间事件与底事件。能够导致二甲醚管路流量不足P2 的下级中间事件有：管路有气体P4、压力控制阀故障P5 和管路阻力大P6，其逻辑关系是或门G2 关系。对下级中间事件进一步分析：导致管路进入气体P4 的下级事件有二甲醚钢瓶中的氮气未排净C3、钢瓶液位低P8，它们与上级事件P4 间的逻辑门是或门G4。C3 是底事件，发生钢瓶液位低P8 的两种可能：一是距增压泵最近的第3 钢瓶液位过低(其余钢瓶液位并不低)使气体吸入C10;二是所有钢瓶液位均过低C11。C10、C11 与P8 间的逻辑门是或门G8。导致压力控制阀故障P5 的底事件是压力调节不当(气温升高未及时调整)C4 或阀芯密封失效C5，与上级事件P5的逻辑门是或门G5。导致管路阻力大P6 的下级事件有滤清器堵塞C6 和电磁阀开启不足C7，与上级事件P6的逻辑门是或门G6。
　　4)增压泵故障P3 的下级中间事件与底事件。增压泵总成由叶片泵、直流电机和联轴器组成。增压泵叶片磨损C1、联轴器失效C2 和电机失效或异常P7 都会导致增压泵输送能力下降或失效。其中C1、C2 是底事件，P7 是二级中间事件。它们与一级中间事件P3 间的逻辑门是或门G3。对下级中间事件P7 的进一步分析：电机失效或异常P7 的原因有电机碳刷失效C8、绕组失效C9 或供电压力低P9。C8、C9 是底事件;而供电压力低P9 则可能是电压低C12 或因线路接插件电阻大C13 所导致。P7 与C8、C9 和P9 间的逻辑门是或门G7。P9 与C12 和C13 间的逻辑门是或门G9。
　　根据以上分析，构建二甲醚客车不能起动或行驶途中熄火的故障树。
　　2.2 失效故障树的定性分析
　　故障树中所有逻辑门都是或门，按照最小割集的定义，所有13 个底事件都是最小割集，而每个最小割集则代表一个故障模式。以增压泵磨损C1、联轴器失效C2 为例进行分析。
　　2.2.1 增压泵磨损
　　1)故障现象。起初表现为起动困难、动力下降，随后发展到车辆加速时易熄火，最后导致车辆不能起动。该故障最明显的特征是起动后燃料压力迅速下降、增压泵的工作噪声明显减小。因此，可以从系统压力变化和增压泵的工作噪声来判断。
　　2)故障原因。增压泵长期、高速运转，增压泵叶片的径向和端面间的密封性因磨损下降，导致内部泄漏增大，使输出压力下降。发动机大负荷时，故障导致喷射泵前管路压力不能维持在二甲醚的饱和蒸汽压以上，使部分二甲醚气化，发动机转速不稳，以致于熄火。
　　3)排除方法。更换增压泵。
　　4)预防措施。按规定维护滤清器，考虑定期强制性更换增压泵。
　　2.2.2 联轴器失效
　　1)故障现象。接通电源，增压泵电机工作，但系统压力不升高，发动机无法起动。拆检可见联轴器碎裂。
　　2)故障原因。叶片泵卡死或联轴器材料老化。
　　3)排除方法。排除叶片泵卡死原因，更换联轴器。
　　4)预防方法。车辆制造应保持管路清洁;使用中应按规定维护滤清器;车辆停用后重新启用应先检查增压泵转子转动是否灵活。如有卡滞，需通过检修、清洗予以排除。
　　2.3 对策建议
　　通过对二甲醚客车燃料系统失效故障树的定性分析，确定了导致车辆不能起动或行车途中熄火的全部13 个故障模式，并根据车辆研制和示范运营中积累的经验对每个故障模式的故障现象进行了详细的描述，分析了故障发生的原因，并提出了判断故障和排除故障的方法。除了在二甲醚客车整修已经落实的措施外，建议需要进一步采取以下几方面的预防措施：
　　1)车辆研发与设计。进一步开发可靠、耐用增压泵;钢瓶护罩两侧增加通风孔;增压泵电路采用防水接插件;压力控制阀采用与二甲醚兼容的密封材料。
　　2)车辆制造。采购的液化二甲醚钢瓶应在采购技术要求中对清洁度提出要求;采购的压力控制阀阀芯密封件应采用与二甲醚兼容的密封材料;管路安装前安排吹管工序，保持管路清洁;在新车首次起动前，通过放气阀排除二甲醚钢瓶内的氮气;在试车后检查钢瓶液位均衡性，有特别明显差异，需调整回液均衡性。
　　3)车辆使用。停用重启前检查增压泵转子转动灵活性。如有卡滞，需通过检修、清洗予以排除;如采用氮气加注燃料，应排除钢瓶中氮气;使用说明书规定不同季节对工作压力的调整要求;使用说明书规定碳刷定期更换的周期。
　　4)车辆维护。将碳刷作为易损件，列入备件计划并定期更换;车辆维护规范增加对管路工作压力的检查与调整。
　　3 结论
　　1)在二甲醚客车研制和示范运营中故障记录的基础上建立的燃料系统失效的故障树，直观、形象地揭示了二甲醚客车不能起动或行驶途中熄火的故障与故障模式之间的逻辑关系，为分析和迅速排除车辆燃料系统故障提供了工具。
　　2)通过二甲醚客车燃料系统失效故障树的定性分析，确定了使二甲醚客车不能起动或行驶途中熄火的全部故障模式，并从设计、制造、使用、维护等方面提出了建议，进一步提高了二甲醚客车的可靠性。
　　3)从二甲醚客车不能起动或行驶途中熄火的故障树分析可以看出，管路和增压泵是该系统的薄弱环节，管路故障已能解决，增压泵尚未有适合的产业化产品，需要加强研发，只有大大提高增压泵的可靠性与耐久性，才能提高城市客车的可靠性并实现二甲醚客车的产业化。