用聲壓法診斷汽車水泵軸承的故障噪聲

周先輝，馮長虹，趙衛(wèi)東，胡 濱

（1.鄭州大學(xué) 控制科學(xué)與工程博士后流動站，鄭州 450001；2.南陽理工學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，河南 南陽 473006；3.河南省西峽汽車水泵股份有限公司 技術(shù)中心，河南 西峽474500）

用聲壓法診斷汽車水泵軸承的故障噪聲

周先輝1，2，馮長虹3，趙衛(wèi)東3，胡 濱3

（1.鄭州大學(xué) 控制科學(xué)與工程博士后流動站，鄭州 450001；2.南陽理工學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，河南 南陽 473006；3.河南省西峽汽車水泵股份有限公司 技術(shù)中心，河南 西峽474500）

通過在一球一柱型軸連軸承上預(yù)置多種常見故障，采用半消聲室聲壓測試方法，考察了含單一軸承故障的汽車水泵工作噪聲，基于聲壓和時頻域分析方法研究了軸承故障對汽車水泵工作噪聲特性的影響。由此表明當(dāng)水泵工作于發(fā)動機怠速附近時，軸承故障對水泵工作噪聲增量的影響最明顯。單一故障下的噪聲時域波形表現(xiàn)出不同的沖擊性特征；水泵400 Hz～3000 Hz內(nèi)的噪聲聲壓譜隨軸承故障類型的不同而變化。另外，滾動體磨損成為水泵噪聲最敏感因素，使水泵噪聲聲壓譜呈寬頻特性。滾道面?zhèn)顾迷黾痈哳l主聲源成分，同時，潤滑脂異物及軸向游隙偏大也將引發(fā)高頻滾道聲。這些噪聲特性均為水泵軸承的故障提供了識別的依據(jù)。

聲學(xué)，故障診斷；汽車水泵；聲壓法

汽車水泵運行過程中，泵的各個部件和內(nèi)部流動介質(zhì)在各種工況下都會產(chǎn)生不同程度的噪聲。由于影響因素復(fù)雜，如設(shè)計缺陷、工藝不穩(wěn)定、裝配不規(guī)范等，現(xiàn)階段我國汽車水泵生產(chǎn)行業(yè)批量生產(chǎn)的水泵噪聲性能尚不穩(wěn)定，水泵異音在各類發(fā)動機故障中占據(jù)一定比例，成為影響產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要因素，異音識別、診斷與控制備受企業(yè)關(guān)注。傳統(tǒng)的水泵異音識別常采用聽診法，依據(jù)人的感覺和經(jīng)驗來判斷，具有很大的局限性。企業(yè)迫切需要一種客觀科學(xué)的水泵噪聲檢驗與分析方法，不但可以判斷噪聲質(zhì)量合格與否，更重要的是可以診斷出導(dǎo)致噪聲超標(biāo)或異常的原因。

軸承噪聲為汽車水泵工作噪聲的主聲源之一[1,2]。關(guān)于軸承故障對噪聲的影響已有大量實驗研究，但由于噪聲測量環(huán)境的限制，現(xiàn)有軸承噪聲的研究大多通過振動速度或加速度來分析，拘泥于振動學(xué)領(lǐng)域，很少直接涉及噪聲問題[3,4]。雖然噪聲和振動密切相關(guān)，但對軸承零部件而言，某些情況下的噪聲和振動關(guān)系并不明顯[5]。此外，軸承故障對水泵工作噪聲的影響不僅取決于軸承本身的噪聲，還取決于水泵結(jié)構(gòu)及其制造工藝。目前，關(guān)于軸承零部件故障對水泵工作噪聲聲壓和時頻域特性影響的研究還很少，利用聲壓譜或時頻域特征對水泵異音進(jìn)行診斷的報道也極少。有鑒于此，本文通過在汽車水泵中預(yù)設(shè)多種軸承故障，采用半消聲室聲壓測試方法，基于時頻域分析方法研究常見軸承故障對水泵噪聲特性的影響規(guī)律，為水泵異音識別及質(zhì)量控制提供依據(jù)。

1 軸連軸承故障預(yù)置

軸連軸承為汽車水泵廣泛采用的結(jié)構(gòu)形式，常安裝在鋁制的水泵殼體中,為兩面密封并充填“終身”潤滑脂的軸承單元，其一端連接皮帶輪，另一端連接水封和葉輪。工作時，水泵承受著較大的沖擊力，如皮帶張力、轉(zhuǎn)子不平衡等引起的徑向力以及葉輪軸向推力。軸連軸承在承受載荷旋轉(zhuǎn)時，由于套圈滾道面及滾動體表面不斷地受到交變載荷的作用，材料疲勞會使?jié)L道面及滾動體出現(xiàn)磨損和疲勞失效。此外，軸承選型不當(dāng)、潤滑不良、安裝不正確、配合不當(dāng)以及異物侵入等均易引發(fā)軸承故障。軸承故障時，水泵常產(chǎn)生異音。

軸承異音在水泵異音中占據(jù)較大比例[6]，實踐中常見軸承異音種類繁多，且常常疊加在一起而難于分辨?；诖?，本研究實驗設(shè)計時，依據(jù)軸連軸承常見失效形式，在某型號水泵一球一柱型軸連軸承上，預(yù)置了如表1所示的八類典型故障，將這些預(yù)置了單一故障的軸承按相同的工藝裝配到同一批合格的水泵組件中，形成一批預(yù)置軸承故障的汽車水泵。在汽車水泵半消聲室內(nèi)，測試該批水泵的工作噪聲特性。

表1 某型號汽車水泵軸連軸承預(yù)置故障設(shè)計

2 半消聲室噪聲測試

測試聲學(xué)環(huán)境選用工程級半消聲室，測試室本底噪聲低于25.0 dB(A)，環(huán)境系數(shù)0.33，截止頻率≤125 Hz。在離開尖劈面0.8 m的所有空間區(qū)域內(nèi)，在125 Hz～12 500 Hz的頻率范圍內(nèi)，自由場精度誤差符合ISO 3744和GB 3767-1996《聲學(xué)：用聲壓法測定噪聲源聲功率級 反射面上方近似自由場的工程法》標(biāo)準(zhǔn)要求[7]。測試時，水泵安裝在半消聲室實驗臺架上，帶輪的張力、扭矩和水管的連接表現(xiàn)發(fā)動機上的環(huán)境，水泵性能與設(shè)計點流量保持一致[8]。檢測人員在半消聲室外通過測控系統(tǒng)使水泵在規(guī)定的轉(zhuǎn)速、壓力、流量、溫度等工作條件下運轉(zhuǎn)。測試轉(zhuǎn)速范圍300 r/min～7 392 r/min，環(huán)境溫度為18°C～30°C，相對濕度不大于70%。聲級計布置在水泵正前方0.5 m處，測試系統(tǒng)接收的信號頻率范圍為20 Hz～20 000 Hz，采樣頻率4.41 kHz。測試結(jié)果分析按GB 3767（ISO 3744）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，測點處噪聲總聲壓、聲壓譜為30 s內(nèi)傳聲器采樣平均值。

3 軸承故障對水泵工作噪聲的影響

3.1 正常水泵工作噪聲特性

圖1為試驗型號水泵正常件典型的噪聲時域波形及其不同轉(zhuǎn)速下的聲壓譜。由圖可知：全程時域波形疏密均勻且無明顯沖擊振動，400 Hz～10 000 Hz范圍內(nèi)，不同轉(zhuǎn)速下的水泵噪聲聲壓譜曲線具有平移特性，各轉(zhuǎn)速下的聲壓譜均表現(xiàn)出兩個明顯的固有單頻主聲源，即1 500 Hz和4 250 Hz（1/12倍頻程中心頻率）單頻噪聲，低速（n≤3 000 r/min）運轉(zhuǎn)時，該特征表現(xiàn)尤為明顯。由水泵工作噪聲特性可知[1]：本試驗型號水泵正常件低速噪聲主聲源為1 500 Hz軸承噪聲和4 250 Hz水封噪聲，該噪聲主頻不隨轉(zhuǎn)速而變化，為該型號水泵的固有結(jié)構(gòu)噪聲。當(dāng)轉(zhuǎn)速n≥4 000 r/min時，工作噪聲聲壓譜呈現(xiàn)寬頻特性，此時工作噪聲主要來源于渦流噪聲。

圖1 正常水泵噪聲時頻域特征

3.2 軸承故障對水泵噪聲總聲壓級的影響

圖2表示了各轉(zhuǎn)速下九類試驗水泵噪聲總聲壓級—轉(zhuǎn)速關(guān)系。由圖可知，水泵工作噪聲隨轉(zhuǎn)速的增加而增大，各故障軸承水泵工作噪聲總聲壓級均高于正常水泵，預(yù)置故障引起的噪聲增量大小與水泵轉(zhuǎn)速和故障類型相關(guān)。轉(zhuǎn)速大于5 000 r/min后，預(yù)置故障水泵的噪聲增量逐漸減小，同一故障軸承水泵在不同轉(zhuǎn)速下的噪聲增量不同，相同速度下不同故障類型水泵的噪聲增量亦不相同。在300 r/min～4 000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，滾動體磨損水泵的噪聲增量在3 dB(A)～18 dB(A)之間變化，最大噪聲增量轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，且滾動體磨損數(shù)量越多，噪聲增量越大；軸上柱滾道面?zhèn)迷肼曉隽繛? dB (A)～18 dB(A)，最大噪聲增量轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，刻痕數(shù)量越多，噪聲增量越大。潤滑脂異物水泵在300 r/min～2500 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的噪聲增量約3 dB(A)～9 dB(A)，轉(zhuǎn)速大于3 000 r/min后的噪聲增量小于2.2 dB(A)，最大噪聲增量轉(zhuǎn)速為800 r/min。外圈球或柱滾道面?zhèn)眉按筝S向游隙水泵各轉(zhuǎn)速下的噪聲增量均小于3 dB(A)。綜合可知：軸承故障引起的水泵噪聲增量最大值出現(xiàn)在800 r/min～1 500 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，該轉(zhuǎn)速段常對應(yīng)著發(fā)動機怠速工況；滾動體磨損和軸上柱滾道面?zhèn)麑λ迷肼曉隽坑绊懽畲?，外圈滾道傷及軸向游隙偏大對噪聲增量影響最小。

圖2 不同故障對水泵噪聲總聲壓級的影響

3.3 不同軸承故障下的噪聲時域特征

圖3 不同故障下峭度因子隨轉(zhuǎn)速的變化

圖3表示了測試的9類水泵噪聲全程時域波形峭度因子隨轉(zhuǎn)速的變化情況。由圖可知：對正常件（No.1）而言，各速度下的峭度指標(biāo)均在3上下作小幅波動，且不隨轉(zhuǎn)速而變化；預(yù)設(shè)了軸承故障的2—9號水泵，其波形峭度因子均不同程度地大于正常件。依據(jù)故障診斷理論，對于正態(tài)隨機信號，峭度指標(biāo)為定值，振幅滿足正態(tài)分布的無故障軸承其峭度值約為3，當(dāng)值大于4時，即預(yù)示著軸承有一定程度的損傷。由此可知：No.1水泵（正常件）運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無明顯沖擊信號，屬良好的合格件，而故障軸承水泵噪聲時域波形均包含著明顯的故障特征。

由圖3(b)可知，轉(zhuǎn)速大于5 000 r/min后，故障水泵噪聲時域波形峭度因子逐漸與正常件相近，不同軸承故障水泵各轉(zhuǎn)速下的噪聲時域波形峭度因子不同。其中，滾動體磨損水泵峭度因子在300 r/min～5 000 r/min范圍內(nèi)均大于4，明顯高于正常件。由此可見，滾動體磨損為水泵噪聲敏感性故障，在轉(zhuǎn)速小于5 000 r/min范圍內(nèi)均出現(xiàn)。潤滑脂異物時，大部分轉(zhuǎn)速下的峭度因子與正常水泵相同，但在某些轉(zhuǎn)速下會發(fā)生突變，此時峭度因子增量最大，這說明潤滑脂異物對水泵運轉(zhuǎn)時的沖擊很大且具有隨機性。同理，滾道面?zhèn)麨槌掷m(xù)性故障，柱滾道面?zhèn)a(chǎn)生的沖擊性較球滾道面顯著，外圈球（柱）滾道面相對于軸上球（柱）滾道面故障使水泵產(chǎn)生的沖擊性小。軸向游隙增大時，高速下的沖擊性振動表現(xiàn)不明顯，但低速峭度因子可能出現(xiàn)較大值，水泵表現(xiàn)出隨機性故障特征。

除動態(tài)統(tǒng)計指標(biāo)外，對噪聲時域信號的時間歷程進(jìn)行分析和評估是狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷最直接的方法。噪聲信號原始時域波形不僅反應(yīng)出信號幅度隨時間的變化情況，還表示了信號的周期、諧波、脈沖及各個時間點的幅值大小。圖4為試驗中幾類典型的故障軸承水泵時域波形。由圖可知，軸承滾動體磨損水泵噪聲全程波形具有明顯的沖擊特征。將沖擊峰區(qū)域在時間軸上放大如圖（b）所示，1 s內(nèi)時域波形中可見明顯的沖擊峰基本圖元，相鄰圖元時間間隔T相同，轉(zhuǎn)速增大或表面?zhèn)撉驍?shù)目增多，基本圖元間隔減小。軸承外圈滾道面?zhèn)迷肼暼虝r域波形沖擊峰具有明顯的隨機特征，沖擊峰幅值上下對稱，沿時間軸逐漸衰減，細(xì)密的振動信號加載在相對稀疏的衰減振動曲線上，同時，無明顯沖擊峰區(qū)域內(nèi)的波形沿時間軸放大后可見明顯的調(diào)制波形（圖4d）。軸滾道面?zhèn)迷肼晻r域波形常出現(xiàn)非周期性沖擊波，與外圈滾道傷相比，該沖擊波形為密實的衰減振蕩曲線。潤滑脂異物水泵噪聲波形沖擊峰幅值常較大，具有明顯的隨機特性，沖擊峰波形表現(xiàn)出明顯的衰減振動形狀。

圖4 不同軸承故障下的水泵典型工作噪聲時域波形（n=800 r/min）

3.4 各類故障對水泵噪聲聲壓譜的影響

圖5分別表示了滾珠、滾柱及其相應(yīng)滾道面?zhèn)麜r水泵工作噪聲聲壓譜。分析可知，軸承滾道面?zhèn)麜r，水泵噪聲構(gòu)成中新增2 120 Hz主聲源，該聲源頻率高于正常軸承固有的噪聲峰值頻率（1 500 Hz）。當(dāng)滾動體存在故障時，400 Hz至正常軸承固有主聲源頻率范圍內(nèi)的聲壓均增大，聲壓譜呈現(xiàn)寬頻特性。鋼球磨損引發(fā)噪聲譜波動較滾柱磨損小，主聲源頻率除包含因滾道面?zhèn)鸬妮^高主聲源頻率外，新增低頻（475 Hz）主聲源成分。此外，軸承滾動體磨損及滾道面?zhèn)l(fā)了水封的2倍頻噪聲，但以滾動體磨損和軸上柱滾道面?zhèn)绊懽铒@著。

圖6表示了軸向游隙偏大時水泵聲壓譜的變化。由圖可知，此時水泵噪聲新增2 000 Hz和3 000 Hz主聲源成分，主聲源由單頻向多頻發(fā)展，為該水泵噪聲增長的主要因素。圖7為典型的潤滑脂異物水泵噪聲聲壓譜。由圖可知，在400 Hz至正常水泵固有軸承噪聲頻率（1 500 Hz）范圍內(nèi)，各中心頻率處聲壓均不同程度地增大，但在正常水泵固有軸承噪聲頻率周圍，其聲壓值增量最大，且該段聲壓譜呈寬頻特性。軸承噪聲源除正常軸承固有頻率主聲源外，新增第一主聲源，該聲源頻率與滾道面?zhèn)略鲋髀曉搭l率相對應(yīng)，這可能是由于潤滑脂異物與滾道面相互作用的結(jié)果。

圖5 滾動體及相應(yīng)滾道表面?zhèn)麑β晧鹤V的影響

圖6 游隙偏大時的噪聲聲壓譜（n=1 500 r/min）

圖7 潤滑脂異物對聲壓譜的影響（n=800 r/min）

4 結(jié)語

為實現(xiàn)水泵異音識別與質(zhì)量控制，通過在水泵中預(yù)置多種常見軸連軸承故障，采用半消聲室聲壓測試法獲得了單一軸承故障水泵的典型噪聲特性：

（1）預(yù)置軸承故障引起的水泵噪聲增量大小與轉(zhuǎn)速和故障類型相關(guān)。軸承故障最大噪聲增量轉(zhuǎn)速為800 r/min～1 500 r/min，滾動體磨損和軸上柱滾道面?zhèn)麑λ迷肼曉隽坑绊懽畲螅馊L道面?zhèn)拜S向游隙偏大對噪聲增量影響最?。?/p>

（2）水泵軸承故障可表現(xiàn)為噪聲時域波形峭度因子的變化。在低于5 000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，故障水泵峭度因子均高于正常值，滾動體傷為水泵噪聲敏感性故障，潤滑脂異物水泵峭度因子具有大幅突變性；

（3）不同故障水泵具有不同的沖擊時域波形特征，滾動體故障常產(chǎn)生周期性沖擊峰圖元，外圈滾道面?zhèn)资顾脮r域波形產(chǎn)生調(diào)制波；

（4）水泵400 Hz～3 000 Hz內(nèi)的噪聲聲壓譜隨軸承故障類型的不同而變化，滾動體磨損水泵聲壓譜呈寬頻特性，滾道面?zhèn)顾眯略龈哳l主聲源成分，潤滑脂異物及軸向游隙偏大均引發(fā)高頻滾道聲。

[1]馮長虹，周先輝，趙衛(wèi)東，等.汽車水泵噪聲特性與評價[J].噪聲與振動控制，2014，34(1)：118-122.

[2]周先輝，馮長虹，胡濱，等.汽車水泵總成半消聲室噪聲測試與聲學(xué)評價[J].汽車技術(shù)，2013，(12)：50-53.

[3]胡榮華，魯文波，章藝.基于近場聲全息的滾動軸承故障診斷[J].噪聲與振動控制，2013，33(3)：218-221.

[4]林瑋，方開翔.滾動軸承故障診斷的實驗研究[J].噪聲與振動控制，2008，(3)：71-73.

[5]楊曉蔚，李紅濤.滾動軸承振動與噪聲的相關(guān)性解析[J].軸承，2011，7：53-56.

[6]曹占龍，李宏燕，任柏林.汽車水泵故障分析及改進(jìn)[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2013，27(3)：65-68.

[7]全國聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 3767-1996(eqv ISO 3744-1994)聲學(xué)用聲壓法測定噪聲源聲功率級 反射面上方近似自由場的工程法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996.

[8]中國機械工業(yè)聯(lián)合會.QC/T 288.2-2001汽車發(fā)動機冷卻水泵實驗方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001．

Noise Characteristics Diagnosis of Faulty Bearings of
Automobile Water-pumps Based on Sound Pressure Method in Semi-anechoic Room

ZHOU Xian-hui1,2,FENG Chang-hong3,ZHAO Wei-dong3,HU Bing3
(1.Postdoctoral Research Station of Control Science and Engineering of Zhengzhou University, Zhengzhou 450001,China; 2.School of Mechanical andAutomotive Engineering of Nanyang Institute of Technology, Nanyang 473006,Henan China; 3.Technical Center of Henan Province XixiaAutomobile Water Pump Co.Ltd., Xixia 474500,Henan China)

Several kinds of common faults were prepared in the ball-and-roller type bearings.Noise of a faulty bearing of an automobile water pump was tested with sound pressure method in semi-anechoic room.Influence of bearing faults on water pump noise performance was studied based on sound pressure and time-frequency domain analysis methods.The results show that the bearing faults have obvious influence on the noise increment when the water pump is operating near the engine idle speed.The noise wave of the unitary bearing fault can display different shock wave characteristics in time domain.The sound pressure spectrum of the noise from 400 Hz-3 000 Hz of the water pump varies with different bearing fault types.Roller worn-out is the most sensitive factor of the water pump noise and make the sound pressure of the noise to have broadband characteristics of frequency.New main noise sources which frequency was higher than the normal may appear for the pump due to raceway scars in the bearing.Meanwhile,grease impurity and large axial clearance can also cause high-frequency raceway noise.These noise characteristics have provided a basis for fault identification of water pump bearings.

acoustics;fault diagnosis;automobile water pump;sound pressure method

TB132；TH3；470.30

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.01.046

1006-1355(2015)01-0225-05

2014－06－06

國家自然科學(xué)基金資助（51105211）；河南省西峽汽車水泵股份有限公司博士后科研工作站項目

周先輝（1973－），女，湖南湘潭人，博士后，副教授。研究方向：噪聲與振動測試和分析、材料摩擦磨損。E-mail:zhouxianhui2010@163.com