用声压法诊断汽车水泵轴承的故障噪声

周先辉，冯长虹，赵卫东，胡 滨

（1.郑州大学 控制科学与工程博士后流动站，郑州 450001；2.南阳理工学院 机械与汽车工程学院，河南 南阳 473006；3.河南省西峡汽车水泵股份有限公司 技术中心，河南 西峡474500）

用声压法诊断汽车水泵轴承的故障噪声

周先辉1，2，冯长虹3，赵卫东3，胡 滨3

（1.郑州大学 控制科学与工程博士后流动站，郑州 450001；2.南阳理工学院 机械与汽车工程学院，河南 南阳 473006；3.河南省西峡汽车水泵股份有限公司 技术中心，河南 西峡474500）

通过在一球一柱型轴连轴承上预置多种常见故障，采用半消声室声压测试方法，考察了含单一轴承故障的汽车水泵工作噪声，基于声压和时频域分析方法研究了轴承故障对汽车水泵工作噪声特性的影响。由此表明当水泵工作于发动机怠速附近时，轴承故障对水泵工作噪声增量的影响最明显。单一故障下的噪声时域波形表现出不同的冲击性特征；水泵400 Hz～3000 Hz内的噪声声压谱随轴承故障类型的不同而变化。另外，滚动体磨损成为水泵噪声最敏感因素，使水泵噪声声压谱呈宽频特性。滚道面伤使水泵增加高频主声源成分，同时，润滑脂异物及轴向游隙偏大也将引发高频滚道声。这些噪声特性均为水泵轴承的故障提供了识别的依据。

声学，故障诊断；汽车水泵；声压法

汽车水泵运行过程中，泵的各个部件和内部流动介质在各种工况下都会产生不同程度的噪声。由于影响因素复杂，如设计缺陷、工艺不稳定、装配不规范等，现阶段我国汽车水泵生产行业批量生产的水泵噪声性能尚不稳定，水泵异音在各类发动机故障中占据一定比例，成为影响产品质量的一个重要因素，异音识别、诊断与控制备受企业关注。传统的水泵异音识别常采用听诊法，依据人的感觉和经验来判断，具有很大的局限性。企业迫切需要一种客观科学的水泵噪声检验与分析方法，不但可以判断噪声质量合格与否，更重要的是可以诊断出导致噪声超标或异常的原因。

轴承噪声为汽车水泵工作噪声的主声源之一[1,2]。关于轴承故障对噪声的影响已有大量实验研究，但由于噪声测量环境的限制，现有轴承噪声的研究大多通过振动速度或加速度来分析，拘泥于振动学领域，很少直接涉及噪声问题[3,4]。虽然噪声和振动密切相关，但对轴承零部件而言，某些情况下的噪声和振动关系并不明显[5]。此外，轴承故障对水泵工作噪声的影响不仅取决于轴承本身的噪声，还取决于水泵结构及其制造工艺。目前，关于轴承零部件故障对水泵工作噪声声压和时频域特性影响的研究还很少，利用声压谱或时频域特征对水泵异音进行诊断的报道也极少。有鉴于此，本文通过在汽车水泵中预设多种轴承故障，采用半消声室声压测试方法，基于时频域分析方法研究常见轴承故障对水泵噪声特性的影响规律，为水泵异音识别及质量控制提供依据。

1 轴连轴承故障预置

轴连轴承为汽车水泵广泛采用的结构形式，常安装在铝制的水泵壳体中,为两面密封并充填“终身”润滑脂的轴承单元，其一端连接皮带轮，另一端连接水封和叶轮。工作时，水泵承受着较大的冲击力，如皮带张力、转子不平衡等引起的径向力以及叶轮轴向推力。轴连轴承在承受载荷旋转时，由于套圈滚道面及滚动体表面不断地受到交变载荷的作用，材料疲劳会使滚道面及滚动体出现磨损和疲劳失效。此外，轴承选型不当、润滑不良、安装不正确、配合不当以及异物侵入等均易引发轴承故障。轴承故障时，水泵常产生异音。

轴承异音在水泵异音中占据较大比例[6]，实践中常见轴承异音种类繁多，且常常叠加在一起而难于分辨。基于此，本研究实验设计时，依据轴连轴承常见失效形式，在某型号水泵一球一柱型轴连轴承上，预置了如表1所示的八类典型故障，将这些预置了单一故障的轴承按相同的工艺装配到同一批合格的水泵组件中，形成一批预置轴承故障的汽车水泵。在汽车水泵半消声室内，测试该批水泵的工作噪声特性。

表1 某型号汽车水泵轴连轴承预置故障设计

2 半消声室噪声测试

测试声学环境选用工程级半消声室，测试室本底噪声低于25.0 dB(A)，环境系数0.33，截止频率≤125 Hz。在离开尖劈面0.8 m的所有空间区域内，在125 Hz～12 500 Hz的频率范围内，自由场精度误差符合ISO 3744和GB 3767-1996《声学：用声压法测定噪声源声功率级 反射面上方近似自由场的工程法》标准要求[7]。测试时，水泵安装在半消声室实验台架上，带轮的张力、扭矩和水管的连接表现发动机上的环境，水泵性能与设计点流量保持一致[8]。检测人员在半消声室外通过测控系统使水泵在规定的转速、压力、流量、温度等工作条件下运转。测试转速范围300 r/min～7 392 r/min，环境温度为18°C～30°C，相对湿度不大于70%。声级计布置在水泵正前方0.5 m处，测试系统接收的信号频率范围为20 Hz～20 000 Hz，采样频率4.41 kHz。测试结果分析按GB 3767（ISO 3744）标准进行，测点处噪声总声压、声压谱为30 s内传声器采样平均值。

3 轴承故障对水泵工作噪声的影响

3.1 正常水泵工作噪声特性

图1为试验型号水泵正常件典型的噪声时域波形及其不同转速下的声压谱。由图可知：全程时域波形疏密均匀且无明显冲击振动，400 Hz～10 000 Hz范围内，不同转速下的水泵噪声声压谱曲线具有平移特性，各转速下的声压谱均表现出两个明显的固有单频主声源，即1 500 Hz和4 250 Hz（1/12倍频程中心频率）单频噪声，低速（n≤3 000 r/min）运转时，该特征表现尤为明显。由水泵工作噪声特性可知[1]：本试验型号水泵正常件低速噪声主声源为1 500 Hz轴承噪声和4 250 Hz水封噪声，该噪声主频不随转速而变化，为该型号水泵的固有结构噪声。当转速n≥4 000 r/min时，工作噪声声压谱呈现宽频特性，此时工作噪声主要来源于涡流噪声。

图1 正常水泵噪声时频域特征

3.2 轴承故障对水泵噪声总声压级的影响

图2表示了各转速下九类试验水泵噪声总声压级—转速关系。由图可知，水泵工作噪声随转速的增加而增大，各故障轴承水泵工作噪声总声压级均高于正常水泵，预置故障引起的噪声增量大小与水泵转速和故障类型相关。转速大于5 000 r/min后，预置故障水泵的噪声增量逐渐减小，同一故障轴承水泵在不同转速下的噪声增量不同，相同速度下不同故障类型水泵的噪声增量亦不相同。在300 r/min～4 000 r/min转速范围内，滚动体磨损水泵的噪声增量在3 dB(A)～18 dB(A)之间变化，最大噪声增量转速为1 500 r/min，且滚动体磨损数量越多，噪声增量越大；轴上柱滚道面伤水泵噪声增量为9 dB (A)～18 dB(A)，最大噪声增量转速为1 000 r/min，刻痕数量越多，噪声增量越大。润滑脂异物水泵在300 r/min～2500 r/min转速范围内的噪声增量约3 dB(A)～9 dB(A)，转速大于3 000 r/min后的噪声增量小于2.2 dB(A)，最大噪声增量转速为800 r/min。外圈球或柱滚道面伤水泵及大轴向游隙水泵各转速下的噪声增量均小于3 dB(A)。综合可知：轴承故障引起的水泵噪声增量最大值出现在800 r/min～1 500 r/min转速范围内，该转速段常对应着发动机怠速工况；滚动体磨损和轴上柱滚道面伤对水泵噪声增量影响最大，外圈滚道伤及轴向游隙偏大对噪声增量影响最小。

图2 不同故障对水泵噪声总声压级的影响

3.3 不同轴承故障下的噪声时域特征

图3 不同故障下峭度因子随转速的变化

图3表示了测试的9类水泵噪声全程时域波形峭度因子随转速的变化情况。由图可知：对正常件（No.1）而言，各速度下的峭度指标均在3上下作小幅波动，且不随转速而变化；预设了轴承故障的2—9号水泵，其波形峭度因子均不同程度地大于正常件。依据故障诊断理论，对于正态随机信号，峭度指标为定值，振幅满足正态分布的无故障轴承其峭度值约为3，当值大于4时，即预示着轴承有一定程度的损伤。由此可知：No.1水泵（正常件）运转平稳，无明显冲击信号，属良好的合格件，而故障轴承水泵噪声时域波形均包含着明显的故障特征。

由图3(b)可知，转速大于5 000 r/min后，故障水泵噪声时域波形峭度因子逐渐与正常件相近，不同轴承故障水泵各转速下的噪声时域波形峭度因子不同。其中，滚动体磨损水泵峭度因子在300 r/min～5 000 r/min范围内均大于4，明显高于正常件。由此可见，滚动体磨损为水泵噪声敏感性故障，在转速小于5 000 r/min范围内均出现。润滑脂异物时，大部分转速下的峭度因子与正常水泵相同，但在某些转速下会发生突变，此时峭度因子增量最大，这说明润滑脂异物对水泵运转时的冲击很大且具有随机性。同理，滚道面伤为持续性故障，柱滚道面伤产生的冲击性较球滚道面显著，外圈球（柱）滚道面相对于轴上球（柱）滚道面故障使水泵产生的冲击性小。轴向游隙增大时，高速下的冲击性振动表现不明显，但低速峭度因子可能出现较大值，水泵表现出随机性故障特征。

除动态统计指标外，对噪声时域信号的时间历程进行分析和评估是状态监测和故障诊断最直接的方法。噪声信号原始时域波形不仅反应出信号幅度随时间的变化情况，还表示了信号的周期、谐波、脉冲及各个时间点的幅值大小。图4为试验中几类典型的故障轴承水泵时域波形。由图可知，轴承滚动体磨损水泵噪声全程波形具有明显的冲击特征。将冲击峰区域在时间轴上放大如图（b）所示，1 s内时域波形中可见明显的冲击峰基本图元，相邻图元时间间隔T相同，转速增大或表面伤钢球数目增多，基本图元间隔减小。轴承外圈滚道面伤水泵噪声全程时域波形冲击峰具有明显的随机特征，冲击峰幅值上下对称，沿时间轴逐渐衰减，细密的振动信号加载在相对稀疏的衰减振动曲线上，同时，无明显冲击峰区域内的波形沿时间轴放大后可见明显的调制波形（图4d）。轴滚道面伤水泵噪声时域波形常出现非周期性冲击波，与外圈滚道伤相比，该冲击波形为密实的衰减振荡曲线。润滑脂异物水泵噪声波形冲击峰幅值常较大，具有明显的随机特性，冲击峰波形表现出明显的衰减振动形状。

图4 不同轴承故障下的水泵典型工作噪声时域波形（n=800 r/min）

3.4 各类故障对水泵噪声声压谱的影响

图5分别表示了滚珠、滚柱及其相应滚道面伤时水泵工作噪声声压谱。分析可知，轴承滚道面伤时，水泵噪声构成中新增2 120 Hz主声源，该声源频率高于正常轴承固有的噪声峰值频率（1 500 Hz）。当滚动体存在故障时，400 Hz至正常轴承固有主声源频率范围内的声压均增大，声压谱呈现宽频特性。钢球磨损引发噪声谱波动较滚柱磨损小，主声源频率除包含因滚道面伤引起的较高主声源频率外，新增低频（475 Hz）主声源成分。此外，轴承滚动体磨损及滚道面伤均引发了水封的2倍频噪声，但以滚动体磨损和轴上柱滚道面伤影响最显著。

图6表示了轴向游隙偏大时水泵声压谱的变化。由图可知，此时水泵噪声新增2 000 Hz和3 000 Hz主声源成分，主声源由单频向多频发展，为该水泵噪声增长的主要因素。图7为典型的润滑脂异物水泵噪声声压谱。由图可知，在400 Hz至正常水泵固有轴承噪声频率（1 500 Hz）范围内，各中心频率处声压均不同程度地增大，但在正常水泵固有轴承噪声频率周围，其声压值增量最大，且该段声压谱呈宽频特性。轴承噪声源除正常轴承固有频率主声源外，新增第一主声源，该声源频率与滚道面伤新增主声源频率相对应，这可能是由于润滑脂异物与滚道面相互作用的结果。

图5 滚动体及相应滚道表面伤对声压谱的影响

图6 游隙偏大时的噪声声压谱（n=1 500 r/min）

图7 润滑脂异物对声压谱的影响（n=800 r/min）

4 结语

为实现水泵异音识别与质量控制，通过在水泵中预置多种常见轴连轴承故障，采用半消声室声压测试法获得了单一轴承故障水泵的典型噪声特性：

（1）预置轴承故障引起的水泵噪声增量大小与转速和故障类型相关。轴承故障最大噪声增量转速为800 r/min～1 500 r/min，滚动体磨损和轴上柱滚道面伤对水泵噪声增量影响最大，外圈滚道面伤及轴向游隙偏大对噪声增量影响最小；

（2）水泵轴承故障可表现为噪声时域波形峭度因子的变化。在低于5 000 r/min转速范围内，故障水泵峭度因子均高于正常值，滚动体伤为水泵噪声敏感性故障，润滑脂异物水泵峭度因子具有大幅突变性；

（3）不同故障水泵具有不同的冲击时域波形特征，滚动体故障常产生周期性冲击峰图元，外圈滚道面伤易使水泵时域波形产生调制波；

（4）水泵400 Hz～3 000 Hz内的噪声声压谱随轴承故障类型的不同而变化，滚动体磨损水泵声压谱呈宽频特性，滚道面伤使水泵新增高频主声源成分，润滑脂异物及轴向游隙偏大均引发高频滚道声。

[1]冯长虹，周先辉，赵卫东，等.汽车水泵噪声特性与评价[J].噪声与振动控制，2014，34(1)：118-122.

[2]周先辉，冯长虹，胡滨，等.汽车水泵总成半消声室噪声测试与声学评价[J].汽车技术，2013，(12)：50-53.

[3]胡荣华，鲁文波，章艺.基于近场声全息的滚动轴承故障诊断[J].噪声与振动控制，2013，33(3)：218-221.

[4]林玮，方开翔.滚动轴承故障诊断的实验研究[J].噪声与振动控制，2008，(3)：71-73.

[5]杨晓蔚，李红涛.滚动轴承振动与噪声的相关性解析[J].轴承，2011，7：53-56.

[6]曹占龙，李宏燕，任柏林.汽车水泵故障分析及改进[J].湖北汽车工业学院学报，2013，27(3)：65-68.

[7]全国声学标准化技术委员会.GB/T 3767-1996(eqv ISO 3744-1994)声学用声压法测定噪声源声功率级 反射面上方近似自由场的工程法[S].北京：中国标准出版社，1996.

[8]中国机械工业联合会.QC/T 288.2-2001汽车发动机冷却水泵实验方法[S].北京：中国标准出版社，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

国家自然科学基金资助（51105211）；河南省西峡汽车水泵股份有限公司博士后科研工作站项目

周先辉（1973－），女，湖南湘潭人，博士后，副教授。研究方向：噪声与振动测试和分析、材料摩擦磨损。E-mail:zhouxianhui2010@163.com