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。
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