汽车水泵轴承故障下的时域特性

摘 要：汽車水泵（以下简称水泵）出现异常噪声由轴承故障原因引起的比例较多，本文介绍了水泵轴承不同故障下的噪声时域特性，为了解水泵整体噪声特征及判定产品质量提供了参考。

关键词：汽车水泵;轴承;时域特性;冲击峰

1 水泵及轴承结构和轴承主要故障

水泵作为发动机上的一个运转件，主要有水泵体、轴承、水封、叶轮、皮带轮等部件组成，叶轮、皮带轮等部件依靠轴承承载，若轴承出现故障就会造成水泵运转时出现异常噪声，降低水泵寿命，严重时会造成水泵失效。

水泵轴承多数为轴连结构，即轴连轴承，它主要由外圈、轴、滚柱、滚球、密封圈、保持架、润滑脂等部件组成。

水泵轴承常见主要故障可归纳为：（1）钢球表面磕碰伤、划伤及制作缺陷。（2）滚柱表面磕碰伤、划伤及制作缺陷。（3）外圈滚道表面磕碰伤、划伤及制作缺陷。（4）轴滚道面磕碰伤、划伤及缺陷。（5）轴承游隙超差，过大或过小。（6）润滑脂内有异物。

2 水泵噪声检测

水泵噪声检测装置包括：噪声测试系统（麦克风、分析软件等）、半消声室、试验台（运行传动、控制系统）、试验夹具等。

我公司的水泵噪声检测方法步骤如下：（1）水泵噪声试验台水箱内加注冷却液，水泵装夹至试验夹具上，安装驱动水泵的皮带，调整皮带张力。（2）按照要求设定水泵转速、流量、介质温度、系统压力等参数。（3）布置噪声测试系统的麦克风位置，通常布置在水泵的正前方、左侧方、右侧方、上方0.5m或0.2m处;设定、调试噪声测试系统参数，启动试验台，水泵预运转。（4）去掉驱动水泵的皮带，设定水泵对应转速下的驱动装置转速，测试背景噪声。（5）安装驱动水泵的皮带，设定转速、流量、系统压力等参数，测试水泵工作声压级值。（6）根据测试数据编写试验报告。

我公司为了解水泵轴承噪声特性，根据轴承常见的几类故障预制了对应缺陷的水泵轴承，将这些轴承分别安装至水泵上，进行噪声检测，并对检测结果和正常的水泵噪声时域特性进行比较。

3 水泵噪声时域特性

按照我公司的水泵噪声检测方法，对某种水泵进行了噪声检测，水泵转速设定1000r/min，检测时间30s，对应的时域特性结果如下：

3.1 正常水泵轴承

正常水泵的工作总声压级值最小，时域波形无明显冲击性故障特征，无明显的声压峰值，波形疏密均匀且上下呈对称分布。

3.2 钢球表面缺陷

钢球表面缺陷分为两种：一个钢球表面伤和多个钢球表面伤，两种情况下，水泵工作总声压级值均较大，时域波形具有相似性，均为断续周期性冲击波，波形呈上下对称分布，时间间隔基本相同;表面伤的钢球数目增大，冲击波的时间间隔亦相应减小。

3.3 滚柱表面缺陷

滚柱表面伤也分为两种：一个滚柱表面伤和多个滚柱表面伤，两种情况下，水泵工作总声压级值均较大，水泵噪声时域波形具有相似性，具有明显的冲击特征，冲击峰呈细线形，且疏密均匀，冲击幅值具有上下不对称特征，有多个衰减振动信号，同一转速下相邻冲击峰时间间隔相同;表面伤的数目增大，时间间隔亦减小。

3.4 外圈滚道面缺陷

外圈滚道面伤分两种：一处外圈球滚道面伤和多处外圈柱滚道面伤，水泵工作总声压级值均明显较大，时域波形显示有大幅冲击和明显的随机特征，冲击峰上下对称，沿时间逐渐衰减，细密的振动信号加载在相对稀疏的衰减振动曲线上，主峰频率不随转速和滚道面伤的数量而变化，为结构固有噪声。轴承运转时，滚动体与外圈滚道相互作用而形成振动源。

3.5 轴滚道面缺陷

轴滚道面伤分两种：一处滚道面伤和多处滚道面伤。多处滚道面伤产生的冲击峰较一处滚道面伤的冲击峰明显，都具备相似特征：出现较正常水泵相对密集的高幅值衰减振荡区，冲击峰具有非周期性和随机性，并上下对称，主峰频率不随转速和滚道面伤的数量多少而变化。

3.6 轴承游隙超差

轴承游隙超差分为径向、轴向游隙超上限值和超下限值两种，两种情况下工作时域波形未反映出明显的异常特征，只是游隙超下限值后的时域波形偶尔出现冲击峰，有明显的随机性特征。长时间工作轴承磨损后，出现冲击峰的频率增大，幅值增大。

3.7 润滑脂内有异物

润滑脂内有异物时的水泵工作时域波形冲击峰有明显的随机性特征，冲击峰或有或无，峰值或高或低。冲击峰表现出明显的衰减振动形状，有细密的高频振动信号，幅值上下对称。

4 总结

水泵噪声主要由水泵工作时轴承各零部件振动而发出，假如轴承不存在缺陷，装配水泵后尺寸、形位公差、游隙等也均为理想状态，则会发生一种平稳、连续的噪声，该噪声属于水泵或轴承的固有噪声，其主频率与转速无关。通过检测结果表明，轴承外圈滚道面缺陷的水泵工作声压级值最大，时域波形的冲击峰最大，有明显的随机性，但频次较高;轴承钢球表面缺陷和滚柱表面缺陷的水泵工作声压级值较大，分别呈现断续和连续的冲击峰，同一种缺陷稳定转速条件下冲击峰的时间间隔基本相同，有一定的规律性;轴承轴滚道面缺陷水泵冲击波形具有非周期性随机性，冲击峰上下对称。轴承游隙超差、润滑脂内有异物的水泵，时域波形冲击峰有明显的随机性特征，无明显规律。任何时域波形中异常的冲击峰均会使声压级值增大，明显的冲击峰造成水泵出现异响。

作者简介：胡滨（1972-），男，河南西峡人，主要从事水泵的研究测试工作。