CN107291989B - 千米深井提升机主轴多失效模式可靠性评估方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

千米深井提升机主轴多失效模式可靠性评估方法

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；

步骤7、通过统计方法获得强度失效与刚度失效间的关联系数，通过Claytoncopula函数建立强度与刚度失效的联合失效分布，进而结合区间可靠性方法求解失效相关时的系统失效概率。

步骤1具体为：

确定提升机主轴的结构尺寸和材料属性的均值和方差；

确定提升机主轴的工况，由此确定各工况下主轴所承担的静载荷、动载荷、弯矩和扭矩等载荷的均值和方差；

确定上述各参数的分布类型。

步骤2具体为：

通过提升机主轴的参数化建模，生成建模的命令流文件，导出建立的主轴模型，保存在工作目录中，

通过提升机主轴的有限元分析，生成分析过程的命令流文件，并导出包含分析结果的文本文件，保存在同一工作目录下；

根据主轴的材料性能参数，建立主轴的有限元模型，并施加弯矩、扭矩及最大静载荷等外载荷，

其中，主轴的结构参数包括主轴各轴段的直径、长度，各卷筒的直径和长度等；材料性能参数包括弹性模量、泊松比和密度。

步骤4具体为：

在设定的工作目录下，根据所生成的随机抽样矩阵，在建模过程的命令流文件中进行变量值的修改，生成新的主轴模型；

使用有限元分析的命令流分析新生成的主轴模型，获得新的应力应变响应值；

重复上述步骤，直到随机变量矩阵中的每组随机变量值都获得了对应的应力应变响应值。

步骤7具体为：

根据主轴随机变量的分布类型进行随机抽样，并通过步骤6所建立的可靠性功能函数获得强度与刚度失效之间的计算值；

使用统计方法求得两失效模式间的秩相关系数，并计算Clayton copula的待定参数；

使用Clayton copula计算强度与刚度的联合失效概率；

使用二阶窄界限理论，代入步骤6所得到的强度失效概率和刚度失效概率以及联合失效概率，计算提升机主轴的系统失效概率。

本发明方法的优点和积极效果在于：

1)采用WSP(Wootton,Sergent,Phan-Tan-Luu)抽样方法能够建立提升机主轴中多维随机变量的抽样矩阵，在保证非线性函数拟合精度的基础上，降低基于有限元分析的试验设计次数；

2)考虑了强度与刚度失效间的概率相关性，相对于失效独立假设，能够更加准确和合理地评估提升机主轴的系统可靠性；

3)提升机主轴强度与刚度失效表现为较强的正相关性，采用Clayton copula能够准确地建立这种正相关的概率模型，避免了Gaussian copula只能描述对称相关的缺点，从而提高提升机主轴系统可靠性评估的精度。

附图说明

图1为本发明的千米深井提升机主轴多失效模式可靠性评估方法的实现流程图。

图2为提升机主轴的二维结构图。

图3为Clayton copula函数的概率密度图。

图4为Clayton copula函数的散点图。

其中，D1为主轴与左侧轴承配合处的直径，L1为主轴与左侧轴承配合处的长度，D2为主轴安装套筒处的直径，D3为主轴与右侧轴承配合处的直径，L2为主轴与右侧轴承配合处的长度。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明所提出的考虑多失效模式的系统可靠性评估方法，包含如下步骤：

步骤1、通过现场测绘和提升机主轴的设计图纸，获取尺寸参数、材料属性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WSP(Wootton,Sergent,Phan-Tan-Luu)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(输入样本)和应力应变值(响应样本)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；

步骤7、通过统计方法获得强度失效与刚度失效间的关联系数，通过Claytoncopula函数建立强度与刚度失效的联合失效分布，进而结合区间可靠性方法求解失效相关时的系统失效概率。

实施例:

为了更充分地了解该发明的特点及工程适用性，本发明针对如图2所示拟建的千米深井提升机主轴结构，进行强度和刚度相关的系统可靠性求解。

该主轴结构承受弯矩和扭矩作用。综合主轴的结构尺寸和载荷条件，可以建立主轴随机抽样矩阵，并通过有限元方法获得主轴应力应变的响应样本矩阵。通过神经网络方法建立响应与输入矩阵的显式函数关系，进而根据提升机主轴的强度准则和刚度准则建立两种失效模式的显式极限状态方程，即强度失效的极限状态方程以及刚度失效的极限状态方程。表1给出了本实施例中主轴随机变量的概率信息。其中，D1为主轴与左侧轴承配合处的直径，L1为主轴与左侧轴承配合处的长度，D2为主轴安装套筒处的直径，D3为主轴与右侧轴承配合处的直径，L2为主轴与右侧轴承配合处的长度。

表1主轴中随机变量的概率统计特性

该实施例中利用本发明中所提出的失效概率的求解方法得到强度失效模式下的失效概率为Pf₁＝0.003241，刚度失效概率为Pf₂＝0.005173。通过随机抽样方法生成随机主轴结构随机变量的n个样本值，并代入两种失效模式的显式极限状态方程，分别计算得到n个响应值，并利用MATLAB中的命令计算得到强度响应向量和刚度响应向量之间的相关系数，并估计Clayton copula函数的待定参数。将失效概率Pf₁和Pf₂代入公式

式中，m表示提升机主轴失效模式的个数，P_f1表示提升机主轴失效模式中的最大失效概率，P_fi表示第i个失效模式的失效概率，P_fij表示第i个和第j个失效模式间的联合失效概率，P_fs表示提升机主轴失效相关的系统失效概率。

得到考虑主轴结构强度和刚度相关性的失效概率为Pf_s＝0.008536。通过仿真方法计算得到的系统失效概率为P_fsm＝0.008746。

综上所述，本方法提出了一种针对千米深井提升机主轴，考虑强度和刚度失效相关性的系统可靠性求解方法。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。

本发明未详细阐述的部分属于本领域研究人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种千米深井提升机主轴多失效模式可靠性评估方法，其特征在于：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；

步骤7、通过统计方法获得强度失效与刚度失效间的关联系数，通过Clayton copula函数建立强度与刚度失效的联合失效分布，进而结合区间可靠性方法求解失效相关时的系统失效概率。

2.根据权利要求1所述的一种千米深井提升机主轴多失效模式可靠性评估方法，其特征在于，步骤1具体为：

确定提升机主轴的结构尺寸和材料属性的均值和方差；

确定提升机主轴的工况，由此确定各工况下主轴所承担的静载荷、动载荷、弯矩和扭矩等载荷的均值和方差；

确定上述各参数的分布类型。

3.根据权利要求1所述的一种千米深井提升机主轴多失效模式可靠性评估方法，其特征在于，步骤2具体为：

通过提升机主轴的参数化建模，生成建模的命令流文件，导出建立的主轴模型，保存在工作目录中，

通过提升机主轴的有限元分析，生成分析过程的命令流文件，并导出包含分析结果的文本文件，保存在同一工作目录下；

根据主轴的材料性能参数，建立主轴的有限元模型，并施加弯矩、扭矩及最大静载荷等外载荷，

其中，主轴的结构参数包括主轴各轴段的直径、长度，各卷筒的直径和长度等；材料性能参数包括弹性模量、泊松比和密度。

4.根据权利要求1所述的一种千米深井提升机主轴多失效模式可靠性评估方法，其特征在于，步骤4具体为：

在设定的工作目录下，根据所生成的随机抽样矩阵，在建模过程的命令流文件中进行变量值的修改，生成新的主轴模型；

使用有限元分析的命令流分析新生成的主轴模型，获得新的应力应变响应值；

重复上述步骤，直到随机变量矩阵中的每组随机变量值都获得了对应的应力应变响应值。

5.根据权利要求1所述的一种千米深井提升机主轴多失效模式可靠性评估方法，其特征在于，步骤7具体为：

根据主轴随机变量的分布类型进行随机抽样，并通过步骤6所建立的可靠性功能函数获得强度与刚度失效之间的计算值；

使用统计方法求得两失效模式间的秩相关系数，并计算Clayton copula的待定参数；

使用Clayton copula计算强度与刚度的联合失效概率；

使用二阶窄界限理论，代入步骤6所得到的强度失效概率和刚度失效概率以及联合失效概率，计算提升机主轴的系统失效概率。