[发明专利]千米深井提升机主轴多失效模式可靠性评估方法

说明书

本发明公开了一种考虑多失效模式的千米深井提升机主轴的可靠性评估方法，首先，根据主轴的结构尺寸建立主轴的参数化三维模型，其次，根据主轴随机变量的概率属性，建立随机变量的抽样矩阵，并使用有限元方法求解抽样矩阵下主轴的强度和刚度响应，再次，使用神经网络方法建立响应与随机变量矩阵之间的显式函数，根据强度和刚度设计准则，分别建立强度和刚度失效模式下的显式功能函数，然后，使用鞍点逼近方法计算两种失效概率，最后，通过Clayton copula函数构建两种失效模式间的联合失效概率模型，使用区间可靠性方法求解联合失效下的系统可靠性。本发明考虑了强度与刚度失效间的概率相关性，能够更加准确和合理地评估提升机主轴的系统可靠性。

技术领域

本发明是一种针对千米深井提升机主轴并考虑失效模式概率相关时的机械产品的系统可靠性评估方法，属于机械结构可靠性技术研究领域。

背景技术

我国目前大多数煤井都是浅井，深至地面500～800m，而煤炭资源埋藏深度在1000～2000m的约占总储量的53％，必须采用千米深井提升系统(包括提升机、提升容器、提升钢丝绳等)。作为提升机的主要承载部件，主轴承担了提升、下放载荷的全部扭矩，同时也承受着两侧钢丝绳的拉力。随着井深达到千米以上，提升机最大静张力以及主轴卷筒的缠绕层数大大增加，导致钢丝绳在卷筒上产生远大于现有结构的缠绕压力，钢丝绳作用在主轴上的拉力以及扭矩也显著增加。当井深达到2000m时，提升机终端静载荷将达到240t以上，经济提升速度将达到20m/s以上，由此产生的巨大动载荷将严重危及主轴的使用寿命。因此，千米深井提升机对主轴的可靠性提出了更高的要求。

千米深井提升机主轴的故障种类较多，且形式各异，而强度失效和刚度失效是影响提升机安全、稳定工作的最主要的失效模式。由于激励作用的同源性和表征系统特征参数的同一性，使得提升机主轴的故障间普遍存在相关性，忽略这一特征将难以获得准确的失效数据和可靠性信息。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为解决千米深井提升机主轴多失效模式联合失效状态下的系统可靠性评估提供一种可行的概率建模与分析方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种千米深井提升机主轴多失效模式可靠性评估方法，首先，根据主轴的结构尺寸建立主轴的参数化三维模型，其次，根据主轴随机变量的概率属性，建立随机变量的抽样矩阵，并使用有限元方法求解抽样矩阵下主轴的强度和刚度响应，再次，使用神经网络方法建立响应与随机变量矩阵之间的显式函数，根据强度和刚度设计准则，分别建立强度和刚度失效模式下的显式功能函数，然后，使用鞍点逼近方法计算两种失效概率，最后，通过Clayton copula函数构建两种失效模式间的联合失效概率模型，使用区间可靠性方法求解联合失效下的系统可靠性。

其实现步骤具体如下：

步骤1、确定千米深井提升机主轴中尺寸参数、材料属性参数及工况载荷的均值和方差，确定各参数的分布类型；

步骤2、根据提升机主轴的结构参数，建立主轴的三维参数化模型，将主轴的三维参数化模型导入有限元软件，进行静力学分析；

步骤3、根据步骤1所确定的主轴各个基本参数的均值和方差，结合抽样方法，建立各基本参数的随机抽样矩阵；

步骤4、根据随机抽样矩阵每一行的参数值，重复生成新的主轴的三维模型，并重新进行有限元分析，获得新的应力与应变的响应样本；

步骤5、使用神经网络方法将随机抽样矩阵和应力应变值进行拟合，得到主轴应力应变响应与结构性能参数变化的函数关系；

步骤6、根据提升机主轴强度和刚度的要求，分别建立强度和刚度失效状态下的可靠性功能函数；根据基本参数的均值和方差，计算其三阶矩和四阶矩，进而根据已建立的功能函数，求得功能函数的均值、方差、三阶矩和四阶矩，使用鞍点逼近方法分别计算强度和刚度失效的失效概率；