基于双谱估计的牙轮钻头故障诊断方法.pdf

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1、石油机械2010年第38卷第2期CHINAPETROLEUMMACHINERY●检测诊断基于双谱估计的牙轮钻头故障诊断方法王鲁豫裴峻峰凌翔鞲(江苏工业学院)摘要基于高阶谱能够抑制高斯信号，并且可以在较强的背景噪声中提取故障信息的特点，在分析高阶累积量与高阶谱的理论基础上，针对牙轮钻头运转中振动信号的非线性、频谱成分多样性和二次相位耦合性等特点，研究了基于高阶谱分析的机械故障特征提取方法，提出了基于双谱估计的钻头故障诊断方法。试验结果表明，双谱估计方法不仅能有效地区分出正常牙轮和故障牙轮，也能很好地区分出牙轮不同的故障类型；能有效地抑制高斯噪声，可以在较强的背景信号中有效

2、地提取故障信号；可作为牙轮钻头早期故障诊断的量化指标。关键词牙轮钻头故障诊断高阶谱双谱积量和高阶谱¨J，它是比二阶统计量更高阶的随0引言机变量或随机过程的统计量。对于正态分布的随机变量，用一阶统计量和二机械设备状态监测和故障诊断过程是一个模式阶统计量就可以完全地表示其统计特征。但是，对识别过程，它包括信号特征的提取和特征识别2个不服从高斯分布的随机变量和随机过程，一阶统计过程。人们根据对象故障的不同特点和机理选择各量和二阶统计量就不能完全地表示其统计特征。高种各样的方法，但无论采取何种方法都离不开故障阶统计量信号处理方法就是从非高斯信号的高阶统特征的提取，此环节也是最重

3、要、最关键的环节。计量中提取信号的有用信息，特别是从一、二阶统然而，在石油钻井作业中，由于钻采地层不计量中无法提取的信息的方法。其中，最常用的高同、岩石的性质不同、井下的情况不明，采集到的阶统计量是高阶累积量及高阶谱。钻头振动信号通常夹杂着大量的噪声信号，甚至被背景噪声信号淹没。并且在钻头故障产生的早期阶对于0均值的平稳随机过程{L(n)J}，其二阶、段，其故障特征信息微弱，信噪比很小，有用的特三阶累积量的定义为：征信号往往淹没在其他振动信号和大量的随机振动C()：E{()(n+r)}：R()(1)信号中。这个时候常用的频域分析方法和各种故障的功率谱图分析方法差别不大，

4、给具体诊断带来困C3(rJ，丁2)：E{(n)(凡+1)(n+丁2)}难。高阶谱分析是针对功率谱分析在实际应用中暴(2)露出的种种不足而提出的，它对高斯噪声具有很好的抑制能力，同时又能保持非线性系统的相位信其中，(r)=E{(n)(+r)}是{(n)}息，用高阶谱分析振动信号更容易提取故障信息。的自相关函数，若是高斯过程，则Ch=0，k>13。笔者以钻头运行模拟试验台为研究对象，采用通过分析可知，高斯分布随机变量的一阶累高阶谱中的双谱分析方法对3种类型牙轮钻头的运积量c为的均值，二阶累积量c为的方差，行状态进行分类和故障诊断，取得了良好的效果。高斯分布随机变量的高阶累积

5、量恒等于0，而且高斯分布随机过程{(n)}阶次大于2的高阶累1高阶累积量和高阶谱LJ积量亦等于0。由此可知，高阶累积量对高斯过程高阶统计量，通常可以理解为高阶矩、高阶累不敏感，当外加噪声是高斯有色噪声时，理论上高石油机械2010年第38卷第2期阶累积量可以完全抑制噪声的影响。但是，在实际B(∞1，2)=B(∞2，1)(7)的信号处理中，真实的各阶累积量是无法知道的。(3)双谱具有共轭性，即为了获得累积量的一致样本估计，通常假设非高斯日(1，(EJ2)=曰(一1，一092)(8)过程是k阶绝对可积的，这时二、三阶累积量的均(4)对于高斯噪声则有方一致估计分别通过以下的有偏

6、估计实现_4]：B(l，2)=0(9)．，v双谱是所有高阶谱中阶数最低、计算量最少、ch(7I)=1∑(n)x(n+)=’n=l计量效率最高且最为简单的一种谱，在实际过程Ch(一丁)=0，1，2⋯(3)中应用也最为广泛，它具有多谱的特征，又不失一，v1般性。笔者以双谱为例研究了高阶谱在钻头故障特e。(，，：)=∑(n)(凡+r)(n+：)’n1征分析中的应用。(4)式中，对于n≤O或>N，均取(n)：0进3牙轮钻头振动信号的处理和分析行计算。假定非高斯随机过程的k阶累积量c(『，通过在实验室模拟石油钻井用牙轮钻头的运行⋯，r)是绝对可求和的，则k阶谱定义为k阶工况，采用

7、双谱估计方法对正常状况、牙轮磨损和累积量的(k一1)维离散时间付氏变换，即高阶牙轮卡死3种类型的牙轮钻头振动信号进行分析，谱又叫多谱或累积量谱，特别称经常使用的三阶谱有效地对不同类型的故障进行了区分。S3(，∞2)为双谱，并用B(1，2)表示；试验中共使用3个HJT517G型三牙轮钻头，分四阶谱(，：，∞，)为三谱，用(。，别为无故障钻头、经过一段时间磨损的旧钻头和牙，，)表示。轮卡死无法转动的旧钻头。针对牙轮钻头不同工作状态，进行钻头轴向振动测试并采样，采样频率为2双谱7680Hz，每组信号采样点数16384，钻头的钻速为150r／ra