爱学习不爱吃饭 发表于 2020-5-29 10:27

故障模式:叶片通过频率

叶片通过频率,经常出现在风机和泵等流体机械的频谱中。英文Blade Passing Frequency(简写为BPF)。叶片通过频率的定义是,工作机械转动频率乘以叶片数。

出现叶片通过频率,并不意味着设备故障。出现叶片通过频率,并结合分析相关的边带模式、谐波模式,可以有指向性地表征设备存在故障。

今天我们来聊一聊这个话题。


- 01 - 叶片通过频率成因

风机和泵,是提高流体压力和(或)输送流体的流体机械。工作对象是气体,工作机械叫风机。工作对象是液体,工作机械叫泵。

风机和泵有多种不同的工作原理,例如活塞式、螺杆式等等。我们在这里,着重讨论叶片式。

叶片式又分为离心式和轴流式。

· 离心式的工作原理,流体沿轴向进入风机(泵),在叶轮转动产生的离心力的作用下,变成沿径向流出。
· 轴流式的工作原理,流体沿轴向进入风机(泵),又沿轴向排出。通常其叶轮的叶片是机翼型的。

首先,我们来看离心机。
大多数离心机的外壳设计是蜗壳样式的螺旋结构。蜗壳出口处有舌状结构,称为蜗舌。蜗舌顶端与叶轮外径的间隙很小,从而防止气体在机壳内打转。当运行在设计工况下时,叶轮一圈流体压力是一致的。但当叶片经过蜗舌这个点时,由于流场发生改变,叶片的整个受力也会发生改变。叶轮有多少个叶片,受力就变化多少次。

有文章将产生叶轮通过频率的原因归结为流体脉动,对此笔者不敢苟同。最简单的分析方法是能量。振动的能量来源归根结底来自叶轮转动,然后传导给流体。流体脉动,应该是这种能量传导产生的后果。

我们再来看轴流式设备。

与离心式风机相比较,轴流式风机不改变气流的方向,因而流道内气流相对平稳。但依然会有以下的一些情况,需要格外注意:
· 叶片顶部与流道外壁之间,通常会是比较小的间隙。如果流道形状不规则,或者叶轮没有处在流道的中心位置,则频谱中就会出现转速频率和叶片通过频率。
· 叶片会有一定的倾角。有些轴流风机的倾角是可调节的。如果其中的一个或几个叶片的倾角出现偏差,则轴向振动会增大,振动信号被调幅。
· 单个叶片有时会出现前后的安装误差。从侧面看,所有叶片应该一致。如果一个或几个叶片突前或靠后,会产生不同的作用力,导致轴向振动增大,振动信号被调幅。

同样是流体,气体可被压缩,而液体(例如水)几乎不可压缩。所以,风机和泵的分析既有相同,亦有差别。叶片通过频率更容易出现在泵类设备中。

不管是离心式,还是轴流式,当风机运行偏离最佳效率点时(无论高或者低),叶片通过频率都会在频谱中凸现出来。

- 02 - 叶片故障模型

由于离心式的设计,叶片通过频率普遍存在。对于轴流式,任何破坏流道中心对称的设计,都会导致叶片通过频率。

叶片通过频率的存在,并不代表有故障。叶片通过频率的大小,会随负载变化而变化。

同等工况条件下,叶片通过频率的幅值变化的趋势,是值得关注的。另外,叶片通过频率的边带变化,是重要的指标。

模式一:单片叶片出现问题,导致与其他叶片的受力情况不同

假设风机转速为985转/分钟(16.4赫兹)。叶轮上有7个叶片,叶片通过频率为114.9赫兹。其中一个叶片受力变小。


叶轮上有22个叶片,叶片通过频率为361.2赫兹。其中一个叶片受力变小。


从上面两图,可以看出,单叶片的异常,会在叶片通过频率两侧出现间隔为转速频率的边带。

模式二:叶片的受力情况连续变化,受力幅值被调制

假设风机转速仍然为985转/分钟(16.4赫兹)。叶轮上有7个叶片,叶片通过频率为114.9赫兹。由于叶轮偏心,或者叶轮没有处在流道中心位置,导致叶片受力产生规律性变化。


如果叶轮上有22个叶片,叶片通过频率为361.2赫兹。


模式三:叶片的受力大小的变化,没有遵循正弦波。

在这种情况下,会出现叶片通过频率的谐波。有时,只有叶片通过频率的奇数次谐波。

模型四:如果叶片共振,情况会如何?

大部分叶片的结构,类似一个悬臂梁。当叶片高速旋转时,会激发出叶片共振。叶片共振的频率,可以估算,或查询生产厂商,或进行试验获得。

通常,怀疑有共振的时候,可以使用振动高级测试的方法,进行判别。

有关共振的问题,将作专门讨论。

注意事项:

前三种模式中,当叶片数目较小的时候,频谱图中所有的峰值为转速的谐波,这与机械松动的频谱特征类似,从而非常容易混淆。请参考《故障模式:机械松动》。需要先排除机械松动问题。

当叶片数目较大时,与机械松动比较容易区分。机械松动的谐波,一般不会超过转速的10倍频。

- 03 - 故障后果

在前一小节,已经阐述了观点。叶片通过频率的存在,并不代表有故障。叶片通过频率的大小,会随负载变化而变化。

当叶片通过频率振动变大时,会在两方面产生后果。

· 机械方面振动变大,会直接加剧轴承磨损,导致叶片碰擦等等。
· 流体方面振动变大,会加剧管道内流体脉动,导致整个管路振动加剧。

- 04 - 故障判断

以下对判断叶片通过频率涉及的故障进行一些总结:

· 需要掌握叶轮的信息,包括转速和叶片数,最好能够进一步了解叶片是前倾设计还是后倾。
· 测试得到的频谱,最高有效分析频率要大于等于转速的70倍,或叶片通过频率的3.5倍,取两者中大的设置。
· 如果是离心式,注意测量径向和轴向振动;如果是轴流式,着重轴向。
· 测试时,注意叶片通过频率及其谐波,特别注意这些谐波两侧的边带。
· 如果边带聚集在叶片通过频率两侧,表示有平滑周期性的调幅,例如偏心;如果边带分布广泛,则有脉冲或随机的调幅。
· 叶片通过频率的幅值大小,更多受载荷影响。越偏离最佳运行效率点,幅值越大。

联能电子技术 发表于 2020-5-29 15:21

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blueshaha 发表于 2020-8-10 16:45

这个叶片整体受力大小变大时,叶片通频率1X应该也会增大吧,和齿轮负载增加时1x增大类似,倍频变化不明显。
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