钻机故障诊断研究毕业论文.doc

西安石油大学本科毕业设计（论文）钻机故障诊断研究毕业论文目 录1 绪论11.1 课题背景及目的11.2 国内外研究现状11.3 课题的研究方法11.4 课题的内容21.5 论文的章节安排22 钻机常见故障机理分析32.1 钻机的基本组成及作用32.2 钻机常见故障机理分析42.2.1传动系统常见故障机理分析42.2.2天车及游车常见故障机理分析82.2.3绞车常见故障机理分析92.2.4钻井泵常见故障机理分析113 钻机常见故障诊断数据库的建立153.1 关系型数据库的基本概念及常用的关系型数据库153.2 Microsoft access数据库163.3 数据库的创建173.4 钻机常见故障数据库的建立194 钻机常见故障诊断专家系统的设计224.1 专家系统的基本概念224.1.1专家系统的定义224.1.2专家系统的组成224.2 钻机常见故障诊断专家系统知识库的获取234.3 知识库254.3.1知识表示254.3.2知识的产生方式264.4 推理机264.5 解释机275 钻机常见故障专家系统软件设计285.1 设计目标285.2 系统软件的框架及模块的划分285.3 软件的开发工具305.3.1 VB数据库的组成305.3.2 VB访问数据库的方法315.4 软件的运行实例325.4.1钻机常见故障分析及处理措施345.4.2知识库和故障记录库的管理376 结论与展望40参考文献41致谢42附录1 软件使用说明书43附录2 程序源代码46831 绪论1.1 课题背景及目的石油是工业的血液，是一个国家工业发展的基本保证。而石油钻机则是石油工业重要的机械设备。对提高生产质量、竞争力、生产效率和可靠性有重要的意义。然而，石油钻机的工作条件十分恶劣，对于地面设备，既有工作于沙漠、高寒、高原地带的，又有处于沼泽、海洋、浅滩环境的，由于风沙、低温、缺氧、海水腐蚀等因素，给石油钻机的运输、安装、使用、搬迁、维修等带来许多的困难，对其可靠性的要求也就很高。另一方面石油钻机井下长期工作于油、气钻井液环境中，高压高温、污染、腐蚀等复杂的工作条件产品的可靠性也提出了更高的要求，当钻井事故发生前或发生时，若不能及时的加以预防和处理，就可能引起恶性事故的发生或扩大；事故后，若不能及时的诊断排除，就会贻误生产，带来巨大的经济损失，极大地影响生产效率和工程质量，严重时可导致整个钻孔报废。因此，开展钻机的故障诊断，对隐含的故障进行正确的早期诊断，并提出解决措施，对于减少和防止故障的发生，提高经济效益，起到极大地促进作用。1.2 国内外研究现状由于地层的复杂性，初期钻井施工单位处于凭经验打钻，对于常出现的钻机故障的诊断和处理只能凭借认为的经验来决定，即只能凭听（机器的声音）、看（压力表）、摸（机器的振动）等感觉来获取钻机运转过程的状态信息，而人的感觉难免粗糙失准，且易受环境和情绪等的影响。即使操作者精神高度集中，随时对耳、眼、手感觉到得信息进行综合，与头脑中经验进行分析对比并快速作出判断和采取手动控制措施，也跟不上孔内状态变化速度。几年来，随着石油工业的发展和高新技术的出现，人工智能技术和专家系统逐渐引入到钻机诊断中，通过研究钻机系统故障智能诊断的理论和方法，建立了钻机故障图形化模糊神经网络专家知识库，提出了有专家规则、模糊逻辑、神经网络有机结合构成的智能推理机，使钻机故障诊断系统使用于多变量、多参数、多过程的复杂系统。例如，我国河南石油勘探局研发的基于振动测试及频谱分析基础、综合应用共振解调、模糊判别、小波分析、人工神经网络等技术的钻井泵状态检测和故障诊断系统1，此系统在对多台钻井泵的现场实测中，故障诊断准确率达到90%以上，取得了较好的效果。1.3 课题的研究方法钻机在运转过程中，其运行状态会通过各种物理参数反映出来，并且随时间的变化呈现出一定的规律。当钻机正常运转时，这些物理参数都有特定的浮动范围，一旦钻机某个部位发生故障，会伴随有某些参数的变化。所以当系统发生故障时其特征参数必随之又相应的变化，因此振动信号的分析是对钻机进行故障诊断的一种重要方法。个物理参量可通过各种相应的传感器、测量仪器及数据采集装置转化为随时间变化的数字信息，这些信号中包含了设备运行状态的有关各种信息。有效的利用、分析和处理这些信息，建立起他们与钻机运行状态之间的相互联系，是进行钻机故障识别与诊断的基础。本文将从这些物理参数着手，对这些参数进行分析处理，进而提取反映钻机工作状况的关键特征数据信息，将采样到的数据信息与专家知识库着那个建立的系统模型输入节点进行比较，再按照推理引擎需要的特定数据格式将输入数据信息通过指定通讯协议传替给推理机，根据特定的推理机制，就可得到钻机发生的故障，同时搜索故障知识库，寻找发生故障的原因、部位，并给出合理的处理方法。1.4 课题的内容本设计的主要任务是搜集钻机各类设备的征兆和故障，通过计算机编程开发出界面友好、功能完备、运行可靠的钻机常见故障诊断专家系统。具体内容包括：1）钻机常见故障机理分析学习石油钻井设备，搜集并整理钻机常见故障，研究故障产生的原因和症状并对故障作出合理的排除建议。2）钻机常见数据库的建立通过数据库相关知识，在研究钻机常见故障机理的基础上，建立钻机常见故障数据库包括：知识库的建立和故障记录库的建立1.5 论文的章节安排本论文共分六章来阐述钻机常见故障诊断专家系统的开发过程，第一章绪论论述了钻机故障诊断的方法，并介绍了钻机故障诊断的现状和发展趋势，叙述了本课题的研究内容和实际意义。第二章研究了钻机常见故障机理，详细叙述了钻机的组成及作用，钻机常见故障产生的机理。第三章介绍了钻机常见故障诊断数据库的建立，详细介绍了本数据库的模块，以及个数据库的关系。第四章讨论了钻机常故障专家系统的设计方案，包括专家系统的原理、组成、知识表示等。第五章介绍了钻机常见故障诊断系统软件设计，包括软件设计的目标，诊断系统的框架及模块的划分以及所用开发工具，并用故障实例演示了钻机常见故障诊断专家系统的效果和功能。第六章总结与展望。2 钻机常见故障机理分析2.1 钻机的基本组成及作用石油钻机属于重型矿业机械，是有多种机器设备组成的、具有多种联合工作的机组。为了满足钻井工艺要求，整套钻机必须具备下列八大系统2：（1）旋转设备常规钻机配备有转盘和水龙头，顶驱动钻机配备有顶驱钻井装置。旋转设备的作用：带动钻具旋转，并带动钻头破碎岩屑。（2）循环系统设备钻机配备有全套钻井液的循环设备，如钻井泵、地面高压管汇钻井液净化及调配装置（固控设备）等。循环系统的作用：及时清洗井底、携带岩屑、保护井壁。当采用井下动力钻具钻进时，该系统提供高压钻井液，以驱动井下涡轮钻具或螺杆钻具。（3）起升系统设备起升系统设备有钻井绞车、辅助刹车、游动系统（钢丝绳、天车、游车、大钩和井架组成。另外还有用于起下操作的井口工具及机械化设备，如吊环、吊卡、卡瓦动力大钳或“铁钳工”、立根移动机构等。起升系统设备作用：起下钻具、下套管，控制钻压、及钻头等。（4）动力驱动系统设备动力驱动系统设备可是内燃机，也可是交流、直流电动机。动力驱动系统设备作用：为钻井设备的各个工作机组及其它辅助机组（如空气压缩机）提供动力。（5）传动系统设备对于内燃机驱动的传动系统设备主要由减速机构，并车机构，转向、倒转及变速机构，以及液力传动装置组成。传动系统设备作用：连接动力机和工作机，实现驱动设备到工作机组的能量传递、分配及运动方式的转换。（6）控制系统和监测显示仪表控制系统是钻机自动化程度高低的一个重要标志，整套钻机配备有各种控制装置，常用的有机械控制、气控、电控、液控、和电液气混合控制。现代钻机还配备有各种钻井仪表及随钻测量系统（MWD）。控制系统作用：指挥各机组协调的进行工作。（7）钻机机座钻机机座是钻机组成部分之一，包括钻台底座和机房底座。钻机机座作用：用于安装设备，方便钻井设备的移动。（8）辅助设备成套钻机必须具有供气设备、辅助发电设备、井口防喷设备、钻鼠洞设备与辅助起重设备，在寒冷的地带钻井时还应必须配备保温设备。辅助设备作用：保证选景工作的顺利进行。2.2 钻机常见故障机理分析钻井过程中石油钻机的工作条件十分恶劣，常常会出现种种故障。比如钻机常见的故障就有：传动系统故障、绞车故障、钻井泵故障；柴油机故障等。钻机是石油企业生产的关键设备，稍微不慎都会面临停产威胁，如何维护好钻机一直是企业关注的重点。由于钻机成本较高，所以备件较少。一旦发生故障，修复时间很长，费用很高，损失较大。所以，研究故障产生机理具有非常重要的意义2-3。下面本文就钻机常见的一些故障的机理进行分析。2.2.1传动系统常见故障机理分析（1）联动机支承轴承温度过高症状：联动机在运转中，个别支承轴承发热，而且轴承两侧端盖没有挤出新的润滑脂。分析：根据上述情况，该轴承保养方面存在疑点，很可能是很长时间没有注润滑油。原因：轴承缺乏油脂症状：在搬家或调试联动机转动皮带张紧度后，靠近皮带轮的支承轴承发热。分析：联动机传动皮带绷得太紧，使支承轴承受到较大的径向力，增加了摩擦力，引起温度升高。原因：转动皮带绷得太紧症状：联动机运转中，支承轴承发烧，而且发出响声，轴承座附近挤出大量油脂，并有金属粉末。分析：由于保持架损坏，使轴承温度升高，运动体的撞击发出异常的响声。原因：轴承磨损损坏症状：在保养完轴承后，联动机在运转过程中温度升高。分析：润滑油内含有杂物，打入轴承后，使轴承运转时，摩擦力增加，温度较高原因：轴承内有杂物（2）联动机振动严重症状：联动机运转时，上下两部分都振动，随绞车负荷的突然变化而变化。分析：绞车于机房的1号联动机通过链条连在一起，当绞车挂合气胎离合器时链条突然旋转而产生振动，另外，在工作状态中机房设备本身也产生振动。因此，机房和钻台设备运转时，共同产生一定振动，联动机压板螺栓长时间在振动的环境中机会越来越松，使联动机振动加剧。原因：联动机压板螺母松动症状：联动机运转时，整个联动机和机房底座同时出现较大颤动。分析：由于机房底座摆在水泥基墩上，水泥基墩在摆放时，地面软硬不一，或各基墩不在同一平面上，都会造成机房底座局部悬空；另外各块机房底座又没有搭扣螺栓联成一体，在这种情况下引起联动机产生较大振动。原因：机房底座固定或摆放不牢靠症状：联动机上部分出现较大振动。分析：在安装联动机传动皮带时，没有装调整垫片，使离合器两侧的传动轴不同心，造成联动机振动较大。原因：联动机离合器安装不同心症状：柴油机与对应的联动机一同出现较大震颤。分析：柴油机输入法兰与联动机减速箱出现较大的安装误差，使万向轴产生较大的径向力，在该力的作用下，联动机和柴油机均出现较大的振动。原因：万向轴与联动机安装误差太大症状：联动机运转时，上部振动较严重，转速越高越剧烈。分析：支承轴承磨损后，出现间隙，使传动轴在工作时形成较大摆动，造成联动机振动加剧。转速越高，旋转体的惯性力越大，形成的振动越大，反之，惯性、振动减弱。原因：支承轴承磨损严重症状：绞车转速与负荷变化越大，联动机出现的振动越大。分析：这种现象出现在大庆型钻机1号联动机上，原钻机井架底座为单层矮底座。当使用双层高井架底座后，绞车至1号联动机的传动链条必须加长，这样传动链条的重量增加，下垂量增大，在运转时产生的冲击负荷加重，尤其在绞车转速和负载变化的情况下，更为突出。原因：井架采用高底座 （3）减速箱齿轮啮合不良的响声症状：减速箱在运转时，发出连续而无节奏的明显响声，同时出现很大振动，转速越高，负荷越重，响声和振动也就越大。分析：传动齿轮点蚀后，在啮合时产生一定的摩擦，发出“嗡嗡”响声。原因：传动齿轮点蚀；轴承磨损严重症状：减速箱在运转时，发出连续而无节奏的明显响声，同时出现很大振动，转速越高，负荷越重，响声和振动也就越大。分析：在使用过程中，支承轴承磨损后，使输出轴发生偏斜，破坏了齿轮的正常啮合，出现响声和振动。原因：轴承磨损严重（4）正车厢轴承温度过高症状：井位搬迁后，正车厢被动轴承发热。分析：爬坡链条安装不正，在运转时产生额外的轴向力，使支承轴受力过大，造成温度升高。原因：正车厢链轮与绞车链轮安装误差过大 症状：正车厢各支承轴承温度上升，被动支承轴承的温度最高。分析：正车箱内润滑油漏失，使箱内油量减少，油位下降，不能满足轴承飞溅润滑的需要，致使轴承出现干摩擦或半干摩擦，从而使轴承温度升高。原因：正车厢缺乏润滑油（5）减速箱轴封漏油症状：减速箱运转时，润滑油从主动轴轴头甩出。分析：支承轴承磨损后，轴承间隙过大，使主动轴在转动中出现一定摆动，引起油封出现间隙，致使箱内润滑油沿轴面甩出。原因：支承轴承磨损严重症状：减速箱在运转过程中，各轴头漏出润滑油，同时呼吸器也冒出油来，壳体温度升高。分析：操作人员加油太多，使润滑油在运转中从一端轴封漏出，一部分从呼吸器冒出。由于油量太多，产生了较多热量使减速箱温度上升。原因：润滑油加入过多症状：减速箱在运转中，润滑油从主动轴一端轴头漏出。分析：油封在使用过程中磨损，使润滑油渗出箱外。原因：轴封磨损（6）常烧气胎离合器气胎症状：气胎离合器放气后，主动轴仍带动被动轴旋转或经过较长时间，甚至在被动件带有较大负荷时才能停下来。在这种情况下，往往可闻到一股摩擦片摩擦时的焦臭气味。分析：当离合器摩擦片与摩擦鼓之间的间隙不均匀时，使气胎在传递扭矩时受到的交变应力，在该力的作用下，使气胎过早的损坏。离合器摩擦片与摩擦鼓之间的间隙不均匀，其原因是主动轴与被动轴在安装时出现较大的偏心所造成。原因：离合器气胎与摩擦鼓安装不同心症状：带轻负荷时，离合器没出现打滑，但负荷加重时，离合器出现局部打滑，被动件速度与主动件速度出现差别，负荷越重打滑越严重。分析：离合器摩擦鼓磨损过多，使摩擦鼓和摩擦片之间出现过大间隙，造成气胎在额定的充气压力下对摩擦片产生的压力减小，压力减小使离合器通过摩擦力传递扭矩的能力降低，因此，在负荷加重时，离合器出现打滑。当打滑严重时，产生大量的热量，导致气胎烧损。原因：离合器摩擦鼓磨损严重症状：带轻负荷时，离合器没出现打滑，但负荷加重时，离合器出现局部打滑，被动件速度与主动件速度出现差别，负荷越重打滑越严重。分析：由于离合器摩擦片硬度不均，使用过程中引起摩擦鼓的磨损，形成尖角和沟槽，尖角和沟槽的出现加剧了摩擦片的磨损，较小了摩擦力，使离合器传递扭矩减小，并在泵压高时（负荷重）出现打滑，甚至烧损离合器。原因：离合器摩擦鼓磨成凹凸不平症状：当离合器气开关后，离合器出现烟雾，经过一段时间后烟雾消失，同时可嗅到摩擦片摩擦时产生的气味。当摘掉离合器气开关后，离合器仍出现烟雾，且被动件不能立即停下。分析：离合器紫铜气管碰扁后，影响气胎的进气速，延长了气胎达到额定的时间，造成离合器气胎压力上升过慢，在啮合过程中打滑并产生一定的摩擦烟雾和热量。离合器放气时碰扁处阻碍了放气速度，离合器不能马上分离，造成合、分时间加长，离合器冒烟。离合器紫铜气管碰扁越严重，进气和放气所需时间越长，离合器气胎和摩擦片的损坏越严重，当损坏到一定程度后，就会使气胎漏气以致彻底损坏。原因：离合器进气管线通径太小症状：当合上离合器开关后，继气器出现“刺刺”的漏气声，同时离合器出现烟雾，过一段时间后，继气器的漏气声停止，离合器烟雾消失。这种现象在拆掉离合器气开关时，也常常出现。分析：继气器内结冰后，继气器活塞芯子在控制气压作用下，不能移动到位，形成一边想气胎进气，一边向外放气。原因：气路管线结冰症状：当联动部分运转时，或负荷轻时，离合器工作正常，当负荷较重时，有关的离合器开始打滑冒烟。分析：离合器气胎进气压力较低，使离合器的摩擦扭矩减小，满足不了负荷所需扭矩，从而离合器打滑并产生烟雾。原因：气源压力较低2.2.2天车及游车常见故障机理分析（1）滑轮组滑轮转动不灵活症状：某一滑轮位移后，其端面与另一滑轮端面顶住，使滑轮不能单独转动。分析：钢丝绳跳槽后，可落入两轮之间，另外，轮辐有一定角度，正好帮助挤动滑轮，使两轮端面顶住原因：滑轮组滑轮端面顶死 症状：滑轮轴承转动受阻后，轴承内圈在轴上转动分析：由于轴承损坏，致使滑轮转动困难，引起滑轮轮槽损伤。原因：滑轮轴承跑内圆（2）滑轮组轴向窜动症状：轴承不能正常转动，而在轴承外圈旋转。分析：滑轮孔与轴承外圈采用的是过渡配合，若加工孔时尺寸误差偏向上偏差，轴承外圈尺寸偏向下偏差，就很容易痴线间隙配合，在这种情况下若轴承出现问题，将会引起滑轮跑外圆。另外，若轴承损坏，即使在正常的过渡配合下也会出现滑轮跑外圆现象。原因：滑轮轴承卡阻 症状：滑轮同轴承一起旋转时，出现轴向窜动。这种窜动发生在滑轮孔与轴承外圈表面上，当滑轮沿轴承来回移动到一定程度后，便会出现少量相对转动。分析：滑轮轴承外圆与轮孔配合较松，在使用过程中，滑轮在钢丝绳产生的轴向力作用下来回窜动，这种移动经过一段时间后，轮孔越磨越大，最后出现滑轮与轴承外圈之间相对的转动。原因：轴承与轮孔配合较松（3）钢丝绳跳槽症状：提升系统时钢丝绳跳出天车槽外。分析：挡绳装置变形使其与滑轮外缘的间隙大于钢丝绳直径，在钢丝绳弹跳的情况下跳出滑轮槽外。原因：挡绳装置损坏；挡绳装置固定螺栓松脱 2.2.3绞车常见故障机理分析（1）绞车刹车鼓裂症状：刹车鼓表面除出现龟裂外，还有很大很深的裂纹。分析：绞车在使用过程中，主要在下钻到一定深度后，刹车鼓与刹带摩擦产生很高温度，在这种情况下如果使用冷却水冷却很容易使刹车鼓出现问题，造成严重损坏。原因：冷却水使用不合理（2）绞车振动严重症状：当挂合绞车低、高气胎离合器时，整个绞车出现较大的短时振动，均匀提升钻具后，振动强度明显减弱。分析：绞车在使用过程中，底座固定螺栓被振松或原安装时没有拧紧，造成绞车振动加剧。原因：绞车底座固定螺栓松动症状：在使用绞车某一档链条时，整个绞车出现剧烈的跳动和振动，当换用另一档时，现象消失。分析：主动轴链轮的链齿磨损后，使轮齿的节距与链条的节距相差较大，造成链条爬链，破坏了链条原有的运动状况，形成冲击性载荷，使绞车剧烈跳动和震颤。原因：链条与链齿节距相差太大 症状：绞车的上部分振动较大，下部分振动较小，在绞车负荷和转速突变时，整个轴系出现轻微晃动。分析：滚筒轴固定螺栓松动后，引起轴上部件一起晃动产生一定冲击负荷，引起绞车振动剧烈。原因：三大轴固定螺栓松动 症状：无论空载，还是负载，绞车各档链条在运转中均使绞车产生较大振动。转速越高负载越重，振动就越大。分析：绞车在长期使用过程中，承受过各种不同大小的载荷，尤其在起钻过程中，有时为了抢时间，在钻具负载较大的情况高速起钻，另外，在处理井下卡钻事故时，提升负荷过大引起传动轴弯曲，传动轴弯曲后，链条与链轮轮齿不能很好的啮合，造成绞车振动加剧。原因：绞车轴弯曲 （3）刹车气缸工作不正常症状：当合上刹车气缸单向开关后，刹车气缸进气很慢，过一段时间后，刹把抬不起来。分析：金属管线接头母扣首先装入胶管端部，使胶管向内压缩，由于胶管内径较小，在装金属管线公接头式，将胶管内层胶皮挤出，并进入公接头的内空中，从而阻碍了压缩空气正常通过，减小刹车气缸的进气量，致使刹车气缸不能正常工作。原因：气路堵塞 症状：当合上刹车气缸单向开关后，刹车气缸没有动作，刹把可以任意抬起。使用防碰天车气源时，仍然如此。分析：绞车在使用过程中，压缩空气中含有许多水进入气缸内，经过一段时间停用后，气缸内的水分使气缸严重锈蚀，将活塞卡死。原因：气缸卡死症状：当合上刹车气缸单向开关后，刹车气缸没有动作，刹把可以任意抬起。使用防碰天车气源时，刹车气缸工作正常。分析：压缩空气中的水分使三通阀锈蚀，并将三通阀阀芯卡死在另一端（此时来自防碰天车装置的气源仍然通过）。切断来自刹车单向气开关的气源通路，造成刹车气缸不能正常工作。原因：三通阀卡死 （4）水刹车水封漏水症状：水刹车在使用一段时间后，轴承端盖处漏水。分析：水刹车使用一段时间后，水封与轴套之间摩擦，引起水封磨损，这种磨损在不缺润滑油的情况下，属非责任磨损损坏，此外由于水封质量低劣，轴套表面粗糙，润滑不良引起水封过早磨损。原因：水封严重磨损 症状：水刹车在使用过程中，水刹车轴出现摆动，轴承端盖处漏水。分析：由于水刹车安装误差造成水刹车轴与绞车滚筒轴不同心，在使用时，使水刹车轴承受力状态改变（增加了一个力矩）。原因：轴承旷动2.2.4钻井泵常见故障机理分析（1）排出压力偏低症状：钻进过程中，钻井泵泵压一直正常，在继续使用后，泵压下降。在液缸缸盖处可听到缸内有“刺刺”的声响。分析：阀体与阀座在使用过程中刺坏，形成缸内泥浆回流，减少了排量，降低了压力。原因：阀体和阀座刺坏 症状：钻井泵在工作中，泵压突然下降，排出部分振动加剧，水龙带大幅摆动，上水胶管出现较大蠕动。分析：上水闸门挂有杂物，在泵上水时阻碍了泥浆的正常通过，反冲时将其带走但上水时再次吸入挂在闸门芯子上。钻井泵上水受阻，必然造成液力端吸空，泵排量和压力减小吸空时造成水击，使排出管汇振动加剧，水龙带大幅摆动，液力端声响增加。原因：上水管闸门芯子挂有杂物 症状：钻井泵泵压下降较为缓慢，排出部分振动较大，水龙带摆动，上水胶管蠕动，有时钻井泵运转中本身响声较大。分析：由于泥浆固控设备没有很好使用，使缸内沉积了许多泥砂影响里泵的正常上水，造成泵压下将，泥浆排出不稳定。原因：泥浆循环罐内泥砂太多症状：钻井泵在工作中，泵压略有下降，钻井泵冷却系统有大量你将出现。分析：活塞刺坏到一定程度后，有大量泥浆漏出使钻井泵的泵压下将。原因：活塞磨损刺漏症状：钻进过程中，钻井泵泵压突然下降在泵压突然下降的同时液力端出现敲击声，水龙带跳动。分析：上水胶管使用过程中，由于质量差造成内层加布脱落开，钻井泵工作时，在抽吸力的作用下，胶管通径部分阻塞，影响了液流的通过，造成钻井泵抽空，压力下降，水龙带跳动。原因：上水胶管内层起皮（2）排出压力波动大症状：钻井泵在工作时，高压立管和平管线出现强烈振动，同时水龙带抖动严重，震颤的频率较高，强度较大。分析：钻井泵在使用过程中，排出空气包的气胎损坏后，气胎内的空气漏失进入泥浆，钻井泵排出的高压泥浆就不能在空气包内得到平衡，因此，排出压力和流量波动大（于三缸单作用泵的运动形式有关），从而引起高压立管、平管线和水龙带的震颤。原因：排出空气包损坏症状：钻井泵在运转工作中，液力端突然出现间断的敲击声，随着泵体严重的振动，水龙带剧烈跳动。分析：阀体导向整体脱落，其主要原因是固定不可靠和尺寸不合格挂碰阀体引起，导向爪断裂与加工误差有关，当阀体中心线与导向座中心线出现较大偏差时，阀体在阀座内上下运动时而碰掉。 阀体导向座在损坏时，使阀体出现卡碰，引起金属撞击，造成排水出现很大波动，以及泵体严重振动和水龙带剧烈跳动。原因：阀体导向座脱落（3）液缸刺漏泥浆症状：钻井泵在工作时，液缸显示孔或压盖处漏出泥浆。分析：压盖拧得不够紧，使阀盖施加在密封圈的压力不够大，造成泥浆从液缸空隙内泄漏，从显示孔中流出。 在钻井泵在现场使用中，操作员往往不用锲块张紧装置来紧固压盖，压紧阀盖，而是用撬杠上紧压盖来达到密封的目的。因此，在压紧力不够大时，就会出现泄漏。 在安装密封圈时，没有将密封件和密封部位清洗干净，造成密封圈受压不均，形成间隙，使泥浆漏出。原因：压盖未上紧；阀盖密封圈处有杂物 症状：钻井泵在工作时，液缸显示孔和压盖处严重漏出泥浆，有时泥浆刺向空中。分析：由于阀盖没有压紧或密封圈质量差，在开始出现泄漏后，操作人员没有及时发现，以致越刺越重，造成液缸本体刺坏。原因：液缸密封台阶处刺漏（4）上水管与液缸联体螺栓损坏症状：钻井泵液缸蠕动，上水法兰于上水液缸连接处出现泥浆跑漏。分析：液缸出现蠕动后，上水管法兰与上水液缸联接螺栓受到液缸摆动的作用，造成螺栓滑扣或断裂。原因：液缸蠕动症状：钻井泵在工作时，上水法兰于上水液缸连接处出现泥浆跑漏、螺栓松动或滑扣，甚至断裂。分析：钻井泵在运转工作中会产生一定振动，当上水滤清器悬空时，在上水管线段形成悬臂，滤清器的全部重量落在上水法兰与液缸部位的情况下，将会使上水管法兰和液缸联接螺栓振松或损坏。原因：上水滤清器悬空（5）灌注泵盘根处漏泥浆症状：灌注泵在使用一段时间后，盘根处漏出少量泥浆。分析：灌注泵轴与壳体考密封填料密封，常用的是石棉石墨材料，靠金属压套压紧。在使用一段时间后，就会有一定的磨损，并出现间隙，造成泥浆漏出。原因：盘根正常磨损症状：灌注泵在运转使用时，盘根处出现大量泥浆漏出。分析：灌注泵轴支承轴承磨损后，泵轴就会出现跳动，使轴与盘根材料间出现间隙，造成泥浆漏出。原因：轴承磨损严重症状：灌注泵使用较长时间后，更换盘根几小时或几分钟后，盘根处出现泥浆漏失。分析：灌注泵在使用过程中，由于泥浆内含有砂粒，而且这些砂粒很坚硬，盘根材料较软，因此，砂粒很容易保留在盘根内，并对泵轴产生磨削作用，使轴表面磨损，出现沟槽及轴径减小，造成密封失效，泥浆漏出。原因：泵轴磨损严重。3 钻机常见故障诊断数据库的建立数据库系统使用来多数据进行存储、处理管理及传送的系统，它是具有大量、特久、可靠、共享的特点。其中，大量是指数据的数量；持久是指数据库的保持时间；可靠是指数据的安全；共享是指数据对不同人的使用权限4。3.1 关系型数据库的基本概念及常用的关系型数据库 (1) 关系型数据库的基本概念数据库数据库是指一组排列成易于处理或读取的相关信息记录，它是由一个或多个表组成。表表是按行与列排列的相关信息的逻辑组，类似于工作单表。有关信息存放在表的各行中，这些行被称为记录。一般来说，数据库表中记录任意两行都都不能相同。字段数据库的每一列称作一个字段。表是由其包含的各种字段定义的，每个字段描述了它所含有的数据，创建一个数据库时，为每个字段分配一个数据类型、最大长度和其它属性。字段可包含各种字符、数字甚至图形。关键字关键字是表中的一个字段或多个字段，是为快速检索而被索引的。关键字可以是唯一的也可是非唯一的，取决于是否允许重复。唯一关键字可以指定为主关键字，用来唯一标识表的每行。索引为快速的访问数据，大多数数据库都使用索引。数据库的索引算法是一种比表搜索算法更快的排序算法，每个索引输入项指向其相关数据库行如果数据库在寻找时先浏览索引，寻找记录将变得更容易而且数据返回得更快。当与Data控件一起使用表类型的记录库时，表的索引可用于加速索引操作。关系数据库可以由多个表组成，表与表之间可以用不同的方式相互连接构成一个整体。一个关系中的两个字段分别是关键字（主键）和外部关键字（外键）。(2) 目前常用的关系型数据库目前常用的关系型数据库管理系统有：ORACLE、SYBASE SQL SERVER、MSSQLSERVER、IBMDB2UDB、Iformix等，常用的小型数据库有Access、Pradox、FoxPro等，个人用户比较常有的主要是基于中小型数据库的MS SQLServer和Access。ORACLEORACLE数据库是ORACLE公司的产品，ORACLE几乎可以在目前所有的平台上面运行，是目前世界第一大数据库产品，ORACLE产品具有优越的性能，其价格也较昂贵。SYBASE SQL SERVER SYBASE SQL SERVER是SYBASE公司是第一个在数据库推出的关系型数据库产品，SYBASE公司是第一个在数据库产品上实现CLIENT 1 SERVER计算的公司，目前已经推出了11版，同时SYBASE公司的全系列数据库产品可运行在各种平台上，包括UNIX、Windows NT、Windows 95/98/2000、Windows XP等。Microsoft SQL SERVERMicrosoft SQL SERVER最初是微软公司和SYBASE公司的合作产品，后来由微软独立开发。目前已经推出SQL SERVER2000版，能在Windows NT、Windows 95/98/2000、Windows XP环境下运行，该数据库和微软的BACKOFFICK系统配合紧密，性能优越，在Windows NT环境下值得考虑的数据库。IBMDB 2 UDBIBM DBZ UDB是IBM公司推出的数据库产品，DB2原先的主要应用领域是大型机环境，由于小型化的潮流，才使得它逐渐适应各种小型环境，DB2能够支持各种数据类型是支持数据库最丰富的数据库之一。IBM数据库具有经过考验的高质量和可靠性；其技术领先产品灵活性、可升级性、可管理性，并有技术服务的支持。3.2 Microsoft access数据库Microsoft access是当前最流行的关系型数据库管理系统之一，于Visual Basic数据库一样，基本核心是Microsoft Jet数据库引擎，数据库的访问于在Visual Basic中访问数据库一样，它以操作方便、简单易学以及和 Microsoft Office的完美结合著称于世。同时，Access又能满足小型企业客户、服务器解决方案的要求来组建客户、服务器的数据库应用系统，是一种功能较完备的系统，他几乎包含了数据库领域的所有技术和内容。正因为这些特点，在使用Visual Basic开发数据库应用程序时，比较适合采用Access作为后台数据库管理系统。Access数据库是用Microsoft Jet数据库引擎创建的关系型数据库，是一些关于某个特定主题或目的的信息集合，它的作用是用来存放、维护和检索数据。一个数据库对象(Database)是由若干表（Table）、查询（Query）、窗体（Form）、报表（Report）、宏（Macro）和模块（Module）等对象及对象的集合组成的。通过这些 集合的组成，Access几乎无所不能。在Access中，所有的对象均保存在一个*.MDB文件中，非常便于维护。在Access中使用的图形界面管理数据库对象（如图3-1所示）。图3-1 Access数据库从图中可以看出，一个Access数据库应用程序师友一系列的表、查询、窗体、报表、宏和模块的集合组成的。图3-1Access数据库对象窗口在一个Access数据库应用程序中，用一系列表的集合来存放各种经过提取的原始数据。通过表的视图可以直接操作数据。但是为了能够使用户方便又安全地操作数据，应用程序一般吧允许用户通过表来直接操作数据，而是通过窗体对象来操作。要想从表中检索或查找特定的数据信息，一般用自定义或通用的查询模块从表中检索或查找特定的数据信息，然后直接显示或将数据送到某个具体的窗体中供分析使用；或者以具有丰富格式的报表形式打印出来，以提供决策支持和分析在数据库窗口中，可以创建、设计、删除每个集合中的对象。在对象上右击鼠标，在快捷菜单中可以找到该对象可能的操作，如重命名等。3.3 数据库的创建在Access 2003中，要创建一个新的数据库，按以下步骤操作5： （1）在数据窗口的“对象”列表中单击“表”。（2）双击“使用设计器创建表”；或者单击“新建”按钮，在出现的的“新建表”对话框中选择“设计视图”选项，然后单击“确定”按钮，进入设计视图（如图3-2所示）。 图3-2 数据库创建窗体（3）在表设计视图中，“字段名称”列输入字段名；“数据类型”列选择字段的数据了类型；“说明”栏中输入有关此字段的说明；窗口下部的“字段属性”区用于设置字段的属性，例如，设置文本字段的“字段大小”来控制容许输入的最大字符数。每个字段可用属性取决于为该字段选择的数据类型。（4）当把数据表的所有字段名、数据类型、说明及字段属性等项都设置完毕后，可以选择“文件”菜单中的“保存”命令或单击工具栏上的“保存”按钮，在打开的“另存为”对话框中输入表的名称，然后单击“确定”按钮，完成数据表结构的设计。（5）如果在保存表之前未定义主码字段，则Access2003将询问是否由系统自动添加一个主码，选择“是”表示确认，也可以选择“否”表示不需要自动添加主码字段。下面给出了在创建数据表结构时经常遇到的术语：字段大小：在该字段中所能输入的最大字符数或数字的大小及类型。例如，当设定一个字符型的字段的大小为20时，最多只能在该字段中输入20个字符或10个汉字。格式：该字段的显示格式。例如，对于数据字段，常常将0显示为空白将负数显示为红色。输入掩码：该字段的数据输入模式。例如，可以让用户按“YYYY-MM-DD”格式输入当前日期。标题：显示给用户的字段的标题。例如，将字段Salary的标题设为“月薪（人民币）”的话，在显示表格时，该字段的标题是“月薪（人民币）”有效性规则：对该字段中所能输入的数据的约束条件。例如，对于某日期字段，有效性规则为“Now（）”，表示该字段不接受小于计算机当前日期的断据。有效性文本：当输入不符合有效性规则的数据时，系统显示的警告或说明字符串。必填字段：当前字段是否可以为NULL。索引：是否用当前字段为表建立索引。NULL是一种特殊的数据库类型，可以简单地理解为“空”或者“什么也没有”。如果某个变量或字段的值为NULL，则说明该变量或字段中不包含有效的数据。NULL不等同于空字符串“”，空字符串也是一个字符串，其长度为零。输入、添加或删除记录要向表中输入数据和修改表中的数据，可以在表的数据表视图中完成。打开数据库，切换到“表”选项卡，然后用鼠标双击表的名字，或选定表后，单击数据库窗口上的“打开”命令按钮，即可打开表的数据表视图。在视图中，可以像操作普通的电子表格一样进行操作，如向表中添加记录。记录的添加和删除可以直接在表的数据视图中进行，因为在数据库应用程序中，一般不容许用户直接操作数据库本身，用户通过窗体等用户界面完成对数据的路途和修改。打开表的数据视图后，可以通过工具按钮添加、删除和查找记录。添加记录（1）打开表的数据表视图。（2）单击工具栏上的“新纪录”按钮。（3）输入所需数据，然后按Tab键转至下一个字段。（4）在记录末尾，按Tab键转至下一个记录。（5）打开表的数据表视图。（6）将光标移动到要删除的行，或拖动鼠标选择多行。删除记录单击工具栏上的“删除记录”按钮，然后单击“确定”按钮。3.4 钻机常见故障数据库的建立钻机常见故障数据库包括故障诊断知识库和故障记录数据库两个模块。（1）钻机常见故障知识库钻机常见故障知识库包含钻机传动系统故障诊断数据表、天车和游车故障诊断数据表、绞车故障诊断数据表、钻井泵故障诊断数据表四个数据表。每个数据表包含故障类型、故障原因、故障征兆、故障处理等（如图3-3）图3-3 知识库表（2）钻机常见故障记录库钻机常见故障知识库同样包含钻机传动系统故障记录数据表、天车和游车故障记录数据表、绞车故障记录数据表、钻井泵故障记录数据据表四个数据表。每个数据表同样包含年份、月份、处理人、故障类型、故障原因、故障征兆、故障处理等记录信息（如图3-4）。 图3-4 故障记录库表4 钻机常见故障诊断专家系统的设计钻机常见故障诊断的实质是在分析异常症状和故障原因的基础上，由症状推出原因。本故障诊断系统融诊断系统与专家系统于一体，利用计算机模拟专家进行故障诊断6。4.1 专家系统的基本概念4.1.1专家系统的定义专家系统是一种智能的计算机程序，这种计算机程序使用知识和推理过程、求解那些需要杰出人物的专家知识才能求解的高难度问题。它的知识处理所模拟的是人的逻辑思维机制7-9。 4.1.2专家系统的组成为了完成专家系统的功能，专家系统应包括以下组成部分：知识库、推理机、人机接口、全局数据库、知识获取部分和解释部分（如图4-1）。 图4-1 专家系统的组成知识库是领域知识及该专家系统工作室所需一般常识性知识的集合，这些知识可以用一种或几种表示方法来表示，通过程序来提取和管理。推理机是专家系统的组织控制机构，要根据当前的输入数据、运用知识库中的知识，按一定的策略进行推理，以达到要求的目标。全局数据库又称为工作存储器或动态数据库，是用于存储所诊断问题领域内原始特征数据的信息，推理过程中得到的各种中间信息和解决问题后输出结果信息的存储器。知识获取系统是专家系统和领域专家、知识工程师的接口。通过它与领域专家和知识工程师的交互，使知识库不仅可获得知识，而且可使知识库中的知识得到不断的改善。解释系统能够对推理过程做出解释，可以解释推理路线和为什么需要询问那些特征信息数据，而且还可以解释推理得到的确定性结论。在专家系统中设置解释系统式专家系统与传统的计算机系统不同的一个重要特色，其目的是使用户更容易接受系统的整个推理过程和所得出的结论，同时也是为专家系统的维护和专家经验知识的传授提供方便。人机接口有时又称为用户界面，是专家系统和用户之间进行信息交换的媒介。它通常以用户熟悉的手段（如自然语言、图形、表格等）与用户进行交互，把用户输入的信息转换成系统的内部知识表示形式，然后由相应的部件去处理，把系统内部的信息显示给用户，友善的用户界面是专家系统的重要组成部分。专家系统具有以下特点：（1）可以清晰可读的类自然语言方式表达无法用数学模型表达的专家知识，便于理解及知识库维护；（2）能在特定领域内模仿专家工作，处理非常发杂的情况，包括异常情况；在已知的基本原则的情况下，无需输入大量的细节数据，即可运行；（3）能对系统的结论作出解释。4.2 钻机常见故障诊断专家系统知识库的获取在诊断专家系统中，诊断知识来源于浅知识和深知识两个方面：其浅知识包括两种形式，其一为自然语言文献，包括专业书籍、期刊、产品出场文件、设计施工总结、安装调试记录以及设备运行历史资料等；其二是领域专家的经验，包括领域专家在问题求解过程中所用的结构知识、因果知识、行为知识等；深知识是指对钻机结构系统静、动关系的描述和对系统功能行为的描述10。通常，获取知识有四种方法：（1）通过知识工程师获取知识通过知识工程师获取知识是最直接、最简单的获取知识方法。知识工程师通过与领域专家接触、对话，并在专家的指导下通过对必要的书本知识和实例知识的提取，然后以一种合适的计算机内部表示方式吧专家的经验知识存入知识库。知识工程师提取规则特点工作量大、周期长、效率低。其过程如图4-2所示。图4-2 通过知识工程师获取知识（2）通过知识编辑器获取知识在这种方法中，领域专家通过与知识编辑程序进行对话，吧经验知识输入知识库，系统按照约定获取知识。其过程如图4-3所示。图4-3 通过知识编辑器获取知识知识编辑器是采用交互方式用于展示输入的工具软件，它是在建造专家系统是根据需要编制的。一般说来，她应具有如下功能；把知识工程师用某种语言表示的知识转换成计算机可以表示的内部形式并输入到知识库中：检查输入知识的语法是否正确，发现错误应报告，以及时进行修改；检查知识的一致性和完整性，报告产生错误的原因和部位，以便进行更正。（3）通过学习程序获取知识这是一种哟学习系统从数据库、已有知识和实例中获取知识的方法，也是目前专家系统研制者研究的热点，近几年发展较快。其过程如图4-4所示。 图4-4 通过学习程序获取知识学习程序使得系统自身具有获取知识的能力。它不仅可以从已知的原始信息中“学习”到专家系统所需的知识，而且还可以从系统自身的运行实践中总结和归纳出新的只是，发现知识中可能存在的错误，不断自我完善。学习程序一般应具有如下功能：识别语言、文字和图像的能力，以便能够直接获得专家系统所需的原始知识；理解、分析和归纳的能力，从而可以从各种事例中抽取知识；从运行实践中学习的能力，产生新的知识，纠正存在的错误，实现知识库的自我完善。（4）通过神经网络的获取知识 基于神经网络的获取知识并不需要知识工程师从领域专家的经验中提取规则，它只对领域专家提供的大量故障实例进行学习，自动从领域专家的实例中提取知识，知识也是隐含地分布存储在神经网络中，并不像规则那样显示的表示出来，这种知识的获取方式是自动的，它在一定程度上缓解或克服了传统专家系统研制中存在的知识获取瓶颈问题。后三种获取知识的方法就是所谓的自动知识获取，尽管人们在努力寻找实现知识获取自动化的方法的技术，但在一段时间内，还难以期待这方面的突破性进展。故本次设计仍采用非自动化知识获取方法建立知识库。钻机故障诊断专家系统要获取的只是主要是故障特征信号和各种故障的判别征兆，主要来源有：教科书、期刊资料、钻井经验、专家和作者的知识。4.3 知识库4.3.1知识表示众所周知，计算机的计算，历来以数据作为处理对象，但只有当数据用二进制来表示时才得以在计算机中进行存储和运算。任何需要进行交流、处理的对象都需要用适当的形式表示出来才能被应用，对于诊断知识当然也是如此。人工智能研究的目的是要建立一个能模拟人类智能行为的系统。为达到这个目的，就须研究人类智能行为在计