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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。