基于小波分析的油田機(jī)械傳動裝置振動信號識別方法

摘要：為提高油田機(jī)械設(shè)備運行的穩(wěn)定性與高效性，分析傳動裝置的運行特性，該研究設(shè)計了一種基于小波分析的油田傳動裝置振動信號識別方法。應(yīng)用小波分析方法采集機(jī)械傳動裝置的振動信號，為振動信號的識別提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。然后對采集到的振動信號進(jìn)行卷積預(yù)處理，根據(jù)Hilbert變換、小波變換原理，從振動信號的時域特征、頻域特征以及時頻特征等方面出發(fā)，識別傳動裝置的振動信號。實驗結(jié)果顯示：經(jīng)過小波分析后的3組振動信號頻率均變得更加簡潔，保留的關(guān)鍵頻率特征為85.11 Hz，與實際傳動頻率85.399 Hz非常接近，表明該文方法通過將復(fù)雜的信號簡化，能夠有效地識別裝置振動的振動信號特征，便于對油田機(jī)械傳動裝置的運行狀態(tài)進(jìn)行判斷。

關(guān)鍵詞：小波分析? 智能化油田? 機(jī)械傳動裝置? 振動信號識別? 傳動信號? 支持向量機(jī)

中圖分類號：TP751文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： In order to improve the stability and efficiency of oilfields mechanical equipment operation and analyze the running characteristics of the gear， a method of vibration signal identification of the oilfields mechanical gear based on wavelet analysis is designed in this study. It uses the wavelet analysis method? to collect the vibration signal of the mechanical gear and provides the data basis for the identification of vibration signals， then performs? convolution pre-processing of the collected vibration signal， and according to the principle of Hilbert transform and wavelet transform， identifies the vibration signal of the gear from the time-domain characteristics， frequency-domain characteristics and time-frequency characteristics of vibration signals and other aspects. The experimental results show that the frequencies of the three groups of vibration signals are all more concise after wavelet analysis，? the key frequency characteristic retained is 85.11 Hz， which is very close to the actual transmission frequency of 85.399 Hz， indicating by simplifying the complex signals， the method in this paper can effectively identify the characteristics of the vibration signal of the device vibration， and is convenient to judge the running state of the oilfields mechanical gear.

Key Words： Wavelet analysis; Intelligent oilfield; Mechanical gear; Vibration signal identification; Transmission signal; Support vector machine

隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國各個行業(yè)對機(jī)械設(shè)備的要求越來越高，開始將大型作業(yè)、智能化技術(shù)以及高度集成的特性與機(jī)械設(shè)備相結(jié)合，成為我國現(xiàn)在短自動化設(shè)備的發(fā)展趨勢，這就要求相關(guān)機(jī)械設(shè)備需要有更多樣化的功能與高質(zhì)量的性能[1]。

在石油工程中，油田機(jī)械設(shè)備是工業(yè)運營的核心部分，在設(shè)備性能優(yōu)良的基礎(chǔ)上，還要保證環(huán)保性、安全性與穩(wěn)定性[2-3]。機(jī)械設(shè)備的傳動裝置是其能否正常運行的關(guān)鍵部分，若不及時發(fā)現(xiàn)傳動裝置的故障，不僅會阻礙油田工程的運轉(zhuǎn)，降低工程的工作效率，還會對相關(guān)工作人員帶來一定的安全隱患。因此，對傳動裝置的穩(wěn)定性研究是非常重要的[4]。在檢測傳動裝置的運行狀態(tài)時，一般通過對裝置的振動信號的分析，判斷傳動裝置的性能好壞。

基于以上背景，該研究應(yīng)用小波分析法，設(shè)計了一種油田機(jī)械傳動裝置振動信號識別方法，為大型機(jī)械設(shè)備的傳動裝置的故障分析提供一種識別方法，為油田工業(yè)的長久穩(wěn)定發(fā)展提供一種參考。

1分析傳動裝置運行特性

在機(jī)械設(shè)備中，傳動裝置是設(shè)備穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)部分。油田機(jī)械設(shè)備作為油田工業(yè)的主要動力設(shè)備，其正常穩(wěn)定地運行，是油田工業(yè)生產(chǎn)效率與效益的基礎(chǔ)保障?，F(xiàn)通過對油田傳動裝置的運行機(jī)理進(jìn)行分析，提取傳動裝置的特性指標(biāo)，為裝置振動信號特征的識別提供基礎(chǔ)的理論依據(jù)[5]。

現(xiàn)階段，我國油田工業(yè)常用的機(jī)械設(shè)備，其傳動裝置的主要構(gòu)成部分有齒輪、傳動鏈條、萬向軸、三角膠帶等。通過相互作用，從裝置的驅(qū)動側(cè)傳遞能量，并分配到裝置的運行側(cè)，裝置傳動的本質(zhì)是一種運動形式的轉(zhuǎn)換。計算機(jī)械設(shè)備傳動裝置的相關(guān)指標(biāo)參數(shù)，包括傳動裝置的轉(zhuǎn)速比、變矩向量、功率能容、傳動效率以及過載向量。

綜上所述，油田機(jī)械設(shè)備傳動裝置的振動，主要來自于齒輪振動，其振動的特征與其傳動效率、過載系數(shù)等相關(guān)，基于上述分析，對油田機(jī)械傳動裝置額振動信號進(jìn)行研究。

2振動信號采集

在油田機(jī)械傳動裝置的運行過程中，不同節(jié)點發(fā)生偏差，都會以不同的振動信號特征顯示出來[6]。因此，為了把控油田機(jī)械傳動裝置的穩(wěn)定運行效果，結(jié)合傳動裝置的運行機(jī)理，采用小波分析的方式對油田機(jī)械傳動裝置振動信號進(jìn)行采集、處理與特征識別。

將上文所述的時域特征與頻域特征結(jié)合，構(gòu)建時、頻域的特征矩陣，通過小波變換，將振動信號，進(jìn)行多層次的分解，對矩陣進(jìn)行計算，得到振動信號的綜合特征結(jié)果，實現(xiàn)對油田機(jī)械傳動裝置振動信號的識別。

5測試與分析

為檢測基于小波分析的油田機(jī)械傳動裝置振動信號識別方法的效果，進(jìn)行裝置振動試驗。

5.1試驗準(zhǔn)備

以M油田機(jī)械傳動裝置為試驗對象，傳動裝置的基本參數(shù)如下表1所示?；贚abview振動信號采集系統(tǒng)，應(yīng)用本文設(shè)計的振動信號識別方法，進(jìn)行試驗，為排除因試驗用傳感器故障或調(diào)試不準(zhǔn)等外部相關(guān)因素的影響，分別選擇傳動裝置的隨機(jī)三處，作為試驗的檢測點，設(shè)為試驗組1、試驗組2、試驗組3，以此來避免外界因素影響，提高試驗檢測的準(zhǔn)確性。

5.2試驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述試驗準(zhǔn)備完成振動試驗。提取傳感去檢測的三組振動信號，作為對照組，應(yīng)用該文方法監(jiān)測的三組振動信號，作為實驗組。采用Matlab程序，繪制兩組試驗結(jié)果，如圖1、圖2所示。

由圖2可知，經(jīng)過小波分析的3組振動信號頻率均變得更加簡潔，將高頻區(qū)域的一段信息與低頻區(qū)域的信息去掉，并且均保留了初始振動信號的主要信號頻率特征，保留的關(guān)鍵頻率特征為85.11 Hz，計算實際的傳動裝置的傳動頻率，結(jié)果為85.399 Hz，兩個數(shù)值非常接近。

上述結(jié)果表明該文方法通過將復(fù)雜的信號進(jìn)行簡化，能夠有效地識別裝置振動的相關(guān)特征，便于對油田機(jī)械傳動裝置的運行狀態(tài)進(jìn)行分析和判斷，為傳動裝置的穩(wěn)定運行提供保障。

6結(jié)語

傳動裝置的穩(wěn)定與否關(guān)系到大型工業(yè)的生產(chǎn)效率。石油工業(yè)作為我國重要大型工業(yè)的一種類型，維持其相關(guān)機(jī)械設(shè)備傳動裝置的性能是油田工業(yè)生產(chǎn)效率的保障。為此，該文研究了識別油田機(jī)械設(shè)備傳動裝置的信號特征，及時判斷機(jī)械設(shè)備是否正常運轉(zhuǎn)，以期提高我國油田工業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：趙磊（1985—），男，本科，工程師，研究方向為機(jī)電儀表。