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[综合讨论] 故障模式:叶片通过频率

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发表于 2020-5-29 10:27 | 显示全部楼层 |阅读模式

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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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如果叶轮上有22个叶片,叶片通过频率为361.2赫兹。
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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。

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发表于 2020-5-29 15:21 | 显示全部楼层
你好我们江苏联能电子有双轴振动温度复合的传感器来专门测量风机叶片的振动和温度的,如果需要请联系我!倪峰 187 5272 1559,电话微信同号。
发表于 2020-8-10 16:45 | 显示全部楼层
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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