某型混凝土泵车异响故障诊断

刘永红，卢立秀，邓习树

（三一集团有限公司，长沙410100）

某型混凝土泵车异响故障诊断

刘永红，卢立秀，邓习树

（三一集团有限公司，长沙410100）

为找到某型混凝土泵车底盘出现异响的原因，首先对异常车进行振动和噪声测试，判断底盘异响来源于分动箱。其次，对分动箱振动时域及频域信号进行分析并结合轴承缺陷的特征频率，判定异响原因为支承分动箱输出轴的NJ1028轴承内滚道缺陷。最后，对轴承内滚道缺陷形态及分动箱装配流程进行分析，找出轴承出现缺陷的原因，提出并实施相应的改进措施后至今一年多来未再接到类似的故障反馈。

振动与波；混凝土泵车；异响；故障诊断；分动箱

汽车底盘异响是指汽车在行驶时传动系、行驶系、转向系和制动系各总成部件或者机械中发出的不正常噪声、响声及振动[1]。底盘异响是车辆即将或者已经发生某种故障的先兆，重型车辆底盘系统一旦发生故障往往会造成经济上的损失甚至造成严重的人身伤害，因此，若能及时诊断故障的原因并提前排除故障，则可以确保人身安全和减少用户的财产损失。然而，由于汽车底盘可能导致异响的零部件众多，加上某些故障出现时无法用肉眼观察，因此，客户或者技术人员往往无法判断异响来自哪些部件，这就给故障的诊断带来了很大的困难，有时需要反复试错才能找出问题的原因，甚至找不到原因。

随着计算机及测试技术的发展，各种故障诊断技术和信号特征提取方法不断被提出以诊断和解决机械系统的异常问题。在故障诊断技术方面，以振动诊断、声诊断、温度诊断及综合诊断等为代表的诊断方法已得到广泛应用[2]；在信号特征提取方面，以傅里叶变换为核心的经典信号处理方法在机械系统故障诊断中也发挥了巨大的作用，这些方法包括时域分析、频谱分析、相关分析、细化普分析、倒频谱分析、包络分析和全息谱分析等[3—7]。

本文针对某型号混凝土泵车底盘发出“咔咔”的声音，对一台有异响的车（以下简称异常车）和同型号无异响的车（简称正常车）进行振动和噪声的对比测试与分析。

1 底盘异响源识别

本次异响源测试的平台为LMS数据采集系统，主要包括LMS SCR05数据采集器、PCB三向加速度传感器、GRAS传声器及HT 5500转速传感器。正式试验前对该泵车进行了简单调试，在调试过程中发现该泵车在打泵工况无论怎么调整均没有异响，而行驶工况当车速超过60 km/h以上无论轮胎是否着地,均能听到整个底盘下面有明显异响。为减少路面的干扰，试验时将泵车的支腿支起使轮胎悬空，变速器置7档，控制油门踏板使车速保持在60 km/h左右。由于整个底盘下面均能听到明显异响而又难以判断异响大致来源于哪些部位，因此，试验时在容易产生异响的子系统，包括变速器、分动箱及后桥主减速器上均布置了麦克风和三向加速度传感器。正常车还增加了发动机的噪声测点，部分测点如图1所示。

图1 部分测点示意图

为查看各点声压的分布情况，将异常车和正常车同一工况各点的声压级汇总如图2所示。

图2 正常车和异常车声压级对比

由图2可知，异常车底盘各点的声压级远高于正常车，说明异响的声压级比较高，这与试验时整个底盘下部均能听到异响的现象相符；此外，正常车各点的声压级随着测点远离发动机呈逐渐下降趋势，这说明发动机是底盘噪声的最主要来源；与正常车相比，异常车各点声压级的分布完全不一样，分动箱最高，其次是后桥，变速器最低。由此，可初步判断异响来源于泵车的分动箱。

为进一步确认以上判断，图3对正常车和异常车分动箱测点的横向加速度时域曲线进行对比分析。

对比图3可以看出，正常车分动箱测点的振动时域曲线基本呈正弦波的形态，这是由于传动轴转动引起的；异常车分动箱的振动时域曲线则存在很多冲击，由此可知异响源确实来源于分动箱，需更进一步分析分动箱内部的结构和运行机理。

2 泵车分动箱原理与结构

泵车分动箱的大体结构如图4所示。

图3 正常车与异常车分动箱加速度对比

图4 分动箱结构示意图

当泵车需要泵送位时，操作员将翘板开关扳到泵送状态，气缸动作，带动拨叉向左移动，离合套在拨叉的作用下向左移动，连通输入轴和空套齿轮；空套齿轮带动二轴齿轮，二轴齿轮带动三轴齿轮，三轴齿轮通过花键带动三轴，三轴同时带动左、右两边的臂架泵和主油泵工作，使混凝土泵车处于泵送状态；当需要正常行驶时，拨叉向右移动进入离合套，发动机传入分动箱输入端的扭矩通过离合套传递至输出轴和后桥，混凝土泵车处于行驶状态。

3 分动箱故障原因分析

根据异常车泵送状态无异响的现象，可将泵送工况下参与工作及行驶工况不转动的零部件排除，仅剩下输入轴轴承和输出轴轴承是可能存在问题的零部件。由于滚动轴承是机器中最容易损坏的元件之一[8]，而滚动轴承常见缺陷的特征频率可以通过公式(1)至公式（3）计算[9]，如表1所示

式中ft、fc、fb分别为轴承内圈、外圈及滚动体存在缺陷时的特征频率；z为滚子数量、α为接触角；D和d分别为轴承节圆直径和滚子直径。

表1 轴承缺陷特征频率

为找到异常频率，图5及图6列出了异常车和正常车分动箱测点的振动频谱图：

根据混凝土泵车动力传动系统的传动比可以换算出泵车7档60 km/h行驶时传动轴的转动频率约为32.4 Hz，可见分动箱振动频谱图中对应的33.5 Hz即为传动轴的转动频率。对比图5及图6可知，异常泵车分动箱在437 Hz处存在很大的加速度峰值且在该频率附近出现了大量边频带，而正常泵车仅在33.5 Hz处存在较大的峰值。对比表1轴承缺陷特征频率计算结果可知，NJ 1028轴承内滚道缺陷的特征频率441.1与437 Hz相吻合，因此，将异响的原因诊断为NJ 1028轴承内滚道缺陷。为验证诊断的结果，现场将分动箱解体，并逐个对分动箱内部的零件进行检查，确实发现NJ 1028轴承内滚道上有明显压痕（图7）。

图5 异常车分动箱测点振动功率谱密度

图6 正常泵车分动箱振动功率谱密度

图7 NJ 1028轴承内圈缺陷

对故障件的分析可知，NJ 1028轴承内圈轨道面的伤痕呈等间距性，且存在于无挡边的一侧。结合分动箱现场装配流程可以判断，该划痕应是压入6309轴承内圈时输入轴的垂直度无法保证而导致NJ 1028轴承的内圈和滚子发生碰撞形成的。在工厂内更换该轴承并重新装配分动箱后该泵车底盘异响现象消失。改进装配工艺流程，在NJ 1028轴承下面加装一个带锥度的导套后至今一年多来未再接到类似的故障反馈。

4 结语

针对某型号混凝土泵车在使用过程中底盘出现异响的情况，进行了一系列对比试验及分析，得出以下结论：

（1）通过对正常车和异常车振动、噪声数据的对比分析确定异响来源于分动箱；结合分动箱的振动频谱及轴承故障特征频率确定分动箱异响的原因为支承分动箱输出轴的NJ 1028轴承内圈故障；

（2）结合NJ 1028轴承内圈故障的形式及现场装配流程，分析NJ 1028轴承过早出现故障的原因并提出了更合理的装配工艺；

（3）综合诊断技术的使用、合理的试验设计及对试验对象结构的深刻理解有助于提高故障诊断的准确性及降低诊断的难度。

[1]于丽萍.汽车底盘异响的诊断[J].交通与运输，1998，2：43.

[2]王江萍.机械设备故障诊断技术及应用[M].西安：西北工业大学出版社，2001.5-6.

[3]李晓虎，贾民平，许飞云.频谱分析法在齿轮故障诊断中的应用[J].振动、测试与诊断，2003，23(3)：168-170.

[4]王金福，李富才.机械故障诊断技术中的信号处理方法：时域分析[J].噪声与振动控制，2013，2：132-136.

[5]孙 涛，王晋忠.包络分析在动力装置冲击故障诊断中的应用[J].噪声与振动控制，2012，5：154-157.

[6]Randall R B.The Relationship between spectral correlation and envelope analysis in the diagnostics of bearing faults and other cyclostationary machine signals[J].Mechanical System and Signal Processing,2002,15(5)∶945-962.

[7]Rubini R，Meneghetti U．Application of the envelope and wavelet transform analyses for the diagnosis of incipient faults in ball bearing［J］．Mechanical Systems and Signal Processing,2001,15(2)∶287-302.

[8]严新平.机械系统工况监测与故障诊断[M].武汉：武汉理工大学出版社，2009.82-85；

[9]杨志伊.设备状态检测与故障诊断[M].北京：中国计划出版社，2006.51-55.

Abnormal Noise Fault Diagnosis of a Concrete Pump Truck

LIU Yong-hong,LU Li-xiu,DENG Xi-shu

(Sany Group Co.Ltd.,Changsha 410100,China)

∶In order to find the cause of the abnormal noise from the chassis of a concrete pump truck,the vibration and noise of the abnormal concrete pump truck were tested firstly.It was estimated that the abnormal noise came from the transfer case of the truck.Secondly,the vibration signals in time domain and frequency domain from the transfer case were analyzed.According to the frequency characteristics of the defected bearings,the fault in the inner track of NJ 1028 bearing, which supports the export axes,was identified.Then,the configuration of the fault in the inner track and the assembly process of the transfer case were analyzed,and the reason which induces this kind of fault was found.Finally,relevant improvement was proposed and carried out,and its effectiveness was verified.

∶vibration and wave;concrete pump;abnormal noise;fault diagnosis;transfer case

TB53< class="emphasis_bold">文献标识码：ADOI编码：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.035

1006-1355(2014)06-0157-04

2014-02-18

国家科技支撑计划资助项目（2012BAF02B01）

刘永红（1972-），男，安徽砀山人，博士，高级工程师，研究方向：内燃机虚拟试验与工程机械振动噪声控制研究。

卢立秀，男，工程师。

E-mail∶waterbabyi@163.com。