Метод оценки надежности подъемной системы шахтного ствола с подъемником в километровых шахтах

Изобретение относится к области технического исследования надежности механической конструкции и может быть использовано в горном деле для оценки работоспособности шахтного подъемного оборудования. Техническим результатом является повышение эффективности работы подъемной системы в километровых шахтах. Предложен метод оценки надежности подъемной системы шахтного ствола с подъемником в километровых шахтах с учетом нескольких режимов отказа, включающий следующие этапы: этап 1 определения средних значений и отклонений габаритных размеров, характеристик материалов и внешней нагрузки на шахтный ствол с подъемником и установления типов распределения этих параметров; этап 2 составления трехмерной параметрической модели шахты исходя из ее конструкционных параметров и импорт трехмерной параметрической модели шахтного ствола в ПО для расчета по конечноэлементному методу для выполнения статистического анализа; этап 3 составления матрицы случайной выборки для основных параметров исходя из их средних значений и отклонений, вычисленных на этапе 1, с использованием метода выборки; этап 4 составления нескольких новых трехмерных моделей шахтного ствола по значениям из каждой строки матрицы случайной выборки и получения новой выборки для профиля напряжение/деформация с использованием конечноэлементного анализа; этап 5 совмещения матрицы случайной выборки и значений профиля напряжение/деформация с применением нейросети и получения функции, описывающей отношение между профилем напряжение/деформация для шахтного ствола и изменением конструктивных характеристик; этап 6 расчета по отдельности функции надежности для режима отказа по прочности и для режима отказа по жесткости для шахтного ствола с подъемником; расчета моментов третьего и четвертого порядков для основных параметров по средним значениям и отклонениям; расчета моментов третьего и четвертого порядков для установленных функций и определения по отдельности вероятности отказа по прочности и вероятности отказа по жесткости методом перевала; этап 7 получения коэффициента корреляции между отказом по прочности и отказом по жесткости с использованием статистического метода, определения совместного распределения отказов как по прочности, так и по жесткости с использованием копулы Клейтона и расчета вероятности отказа подъемной системы в случае коррелирования отказов с использованием совместного метода определения надежности. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Область, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области технического исследования надежности механической конструкции и, в частности, методу оценки надежности подъемной системы применительно к механическому изделию, в особенности, к шахтному стволу с подъемником для километровых шахт в случае коррелирования вероятности наступления нескольких режимов отказа.

Существующий уровень техники

В настоящее время большинство угольных шахт в Китае неглубокие -от 500 до 800 м. Однако до 53% всех запасов угля в Китае залегает на глубине от 1000 до 2000 метров. Для их разработки необходимы километровые шахты (с подъемником, клетью, тросами и т.д.) Шахтный ствол является основной несущей конструкцией подъемника - он принимает на себя момент от подъема и спуска грузов и сопротивляется растягивающему усилию от стальных тросов с обеих сторон. При глубине шахты свыше одного километра также существенно увеличиваются максимальное статическое растяжение подъемника и количество слоев намотки на катушке подъемника. В результате давление намотки троса существенно превышает давление, которое создается за счет катушки. Также значительно увеличиваются сила растяжения и крутящий момент троса, которые воздействуют на шахтный ствол. При глубине шахты 2 километра статическая нагрузка подъемника может достигать 240 т или более, а скорость подъема - свыше 20 м/с. В результате создается значительная динамическая нагрузка, которая серьезно сокращает срок службы шахтного ствола. Поэтому для подъемных систем в километровых шахтах критическим показателем является надежность шахтного ствола.

Для шахтного ствола с подъемником в километровой шахте существуют несколько разнообразных режимов отказа, при этом критическими для безопасности и устойчивости ствола являются отказ по прочности и отказ по жесткости. Так как воздействия в основном однородны, а параметры, характеризующие систему, устойчивы, режимы отказов для шахтного ствола с подъемником коррелируют. Если не учитывать эту особенность, сложно получить точные данные и сведения о надежности.

Краткое изложение сущности изобретения

Задачей настоящего изобретения является возможность предоставления рабочего метода вероятностного моделирования и анализа для оценки надежности подъемной системы в условиях сочетания нескольких режимов отказа для шахтного ствола с подъемником в километровой шахте.

Для достижения вышеуказанной задачи в настоящем изобретении применяются следующие технические решения:

Предложен метод оценки надежности подъемной системы шахтного ствола с подъемником в километровой шахте с учетом нескольких режимов отказа. Сначала составляют параметрическую трехмерную модель шахтного ствола исходя из его габаритных размеров. Затем составляют матрицу случайных переменных для шахтного ствола исходя из коэффициента вероятности наступления таких переменных. Матрица используется для расчета прочностных и жесткостных реакций шахтного ствола по конечноэлементному методу. Затем с использованием нейросети строится явная функция, показывающая отношение реакций к матрице случайных переменных и отдельно рассчитываются явные функции характеристик для режима отказа по прочности и для режима отказа по жесткости исходя из расчетных прочностных и жесткостных характеристик. Далее рассчитывают вероятность наступления отказа для двух режимов с использованием метода перевала. В заключении составляют модель совместной вероятности отказов по двум режимам с использованием копулы Клейтона и рассчитывают надежность системы в случае отказа по двум режимам с использованием совместного метода определения надежности.

В более подробном изложении метод включает в себя следующие этапы:

этап 1: Определение средних значений и отклонений габаритных размеров, характеристик материалов и внешней нагрузки на шахтный ствол с подъемником и установление типов распределения этих параметров;

этап 2: Составление трехмерной параметрической модели шахты исходя из ее конструкционных параметров и импорт трехмерной параметрической модели шахтного ствола в ПО для расчета по конечноэлементному методу для выполнения статистического анализа;

этап 3: Составление матрицы случайной выборки для основных параметров исходя из их средних значений и отклонений, вычисленных на этапе 1b, с использованием метода выборки;

этап 4: составление нескольких новых трехмерных моделей шахтного ствола по значениям из каждой строки матрицы случайной выборки и получение новой выборки для профиля напряжение/деформация с использованием конечноэлементного анализа;

этап 5: совмещение матрицы случайной выборки и значений профиля напряжение/деформация с применением нейросети и получение функции, описывающей отношение между профилем напряжение/деформация для шахтного ствола и изменением конструктивных характеристик;

этап 6: расчет по отдельности функции надежности для режима отказа по прочности и для режима отказа по жесткости для шахтного ствола с подъемником; расчет момента третьего и четвертого порядка для основных параметров по средним значениям и отклонениям, расчет моментов третьего и четвертого порядка для установленных функций и определение по отдельности вероятности отказа по прочности и вероятности отказа по жесткости методом перевала;

этап 7: получение коэффициента корреляции между отказом по прочности и отказом по жесткости с использованием статистического метода, определение совместного распределения отказов как по прочности, так и по жесткости с использованием копулы Клейтона и расчет вероятности отказа системы в случае коррелирования отказов с использованием совместного метода определения надежности.

Этап 1 включает в себя:

определение средних значений и отклонений габаритных размеров,

характеристик материалов шахтного ствола с подъемником;

определение рабочих условий для шахтного ствола с подъемником, определение средних значений и отклонений нагрузок, действующих на шахтный ствол при различных рабочих условиях, в том числе, статической нагрузки, динамической нагрузки, момента изгиба, крутящего момента и т.д.;

определение типов распределения вышеуказанных параметров.

Этап 2 включает в себя:

параметрическое моделирование шахтного ствола с подъемником и создание командного файла модели, экспорт модели шахтного ствола и сохранение модели в рабочую папку;

конечноэлементный анализ шахтного ствола с подъемником и создание командного файла по результатам анализа, экспорт текстового файла с результатами анализа и сохранение файла в рабочую папку;

построение конечноэлементной модели шахтного ствола исходя из параметров характеристик материала шахтного ствола и приложение внешних нагрузок, таких как момент изгиба, крутящий момент и максимальная статическая нагрузка,

при этом к физическим характеристикам шахтного ствола относятся диаметры и длины сечения шахтного ствола, а также диаметры и длины катушек, а к характеристикам материала относятся модуль эластичности, коэффициент Пуассона и плотность.

Этап 4 включает в себя:

изменение переменных в командном файле модели из рабочей папки исходя из данных матрицы случайной выборки и построение новой модели шахтного ствола;

анализ созданной таким образом модели шахтного ствола с использованием командного файла конечноэлементного анализа и получение новых значений профиля напряжение/деформация;

повтор вышеуказанных этапов до получения значения профиля напряжение/деформация для каждого набора случайных переменных в матрице случайных переменных.

Этап 7 включает в себя:

создание случайной выборки исходя из типов распределения случайных переменных для шахтного ствола и получение расчетных значений для отказа по прочности и отказа по жесткости с помощью функции характеристик надежности, построенной на этапе 6;

расчет коэффициента ранговой корреляции для двух режимов отказа с использованием статистического метода и расчет остальных параметров с помощью копулы Клейтона;

расчет совместной вероятности отказа по прочности и жесткости с использованием копулы Клейтона;

подстановка совместной вероятности отказа к вероятности отказа по прочности и вероятности отказа по жесткости, полученным на этапе 6, с использованием теории второго приближения с узкими рамками и расчет вероятности отказа системы для шахтного ствола с подъемником.

Настоящее изобретение обладает следующими преимуществами и положительным эффектом:

1) Благодаря применению метода выборки WSP (Вуттон-Серджент-Фань Тань Лу) можно составить матрицу выборки по многомерным случайным переменным для шахтного ствола, что позволяет сократить количество запланированных экспериментов на основе конечноэлементного анализа за счет увеличения точности нелинейных функций.

2) Учитывается корреляция между вероятностью отказа по прочности и вероятностью отказа по жесткости, что позволяет более точно оценить надежность подъемной системы шахтного ствола по сравнению с оценкой независимых режимов отказа.

3) Для отказа шахтного ствола по прочности и отказа по жесткости предполагается высокая положительная корреляция. Благодаря применению копулы Клейтона можно точно построить вероятностные модели с положительной корреляцией в отличие, например, от копулы Гаусса, которая описывает только симметричные корреляции. Таким образом, обеспечивается более высокая точность оценки системной надежности шахтного ствола с подъемником.

Краткое описание чертежей

Фигура 1 представляет собой схему осуществления метода оценки надежности подъемной системы шахтного ствола с подъемником в километровой шахте с учетом нескольких режимов отказа согласно настоящему изобретению;

Фигура 2 представляет собой двумерную структурную схему шахтного ствола с подъемником;

Фигура 3 представляет собой схему плотности распределения вероятности по копуле Клейтона;

Фигура 4 представляет собой график разброса значений по копуле Клейтона.

На чертежах: D1 - диаметр отрезка шахтного ствола, вмонтированного в левый подшипник, L1 - длина отрезка шахтного ствола, вмонтированного в левый подшипник, D2 - диаметр отрезка шахтного ствола с установленной катушкой, D3 - диаметр отрезка шахтного ствола, вмонтированного в правый подшипник, L2 - длина отрезка шахтного ствола, вмонтированного в правый подшипник.

Подробное описание изобретения

Ниже приводится описание изобретения со ссылкой на чертежи и варианты осуществления.

Как показано на Фигуре 1, настоящее изобретение предлагает метод оценки надежности подъемной системы с учетом нескольких режимов отказа, включающий в себя следующие этапы:

Этап 1: Определение средних значений и отклонений габаритных размеров, характеристик материалов и внешней нагрузки на шахтный ствол с подъемником для различных режимов работы исходя из данных, полученных в результате топографической съемки местности, а также данных чертежа шахтного ствола, и установление типов распределения этих параметров;

Этап 2: Составление трехмерной параметрической модели шахты исходя из ее конструкционных параметров и импорт трехмерной параметрической модели шахтного ствола в ПО для расчета по конечноэлементному методу для выполнения статистического анализа;

Этап 3: Составление матрицы случайной выборки для основных параметров исходя из их средних значений и отклонений, вычисленных на этапе 1b, с использованием метода выборки WSP;

Этап 4: Составление нескольких новых трехмерных моделей шахтного ствола по значениям из каждой строки матрицы случайной выборки и получение новой выборки для профиля напряжение/деформация с использованием конечноэлементного анализа;

Этап 5: Совмещение матрицы случайной выборки (входящая выборка) и значений профиля напряжение/деформация (выборка отклика) с применением нейросети и получение функции, описывающей отношение между профилем напряжение/деформация для шахтного ствола и изменением конструктивных характеристик;

Этап 6: Расчет по отдельности функции надежности для режима отказа по прочности и для режима отказа по жесткости подъемной системы для шахтного ствола с подъемником; расчет момента третьего и четвертого порядка для основных параметров по средним значениям и отклонениям, расчет моментов третьего и четвертого порядка для установленных функций и определение по отдельности вероятности отказа по прочности и вероятности отказа по жесткости методом перевала;

Этап 7: получение коэффициента корреляции между отказом по прочности и отказом по жесткости с использованием статистического метода, определение совместного распределения отказов как по прочности, так и по жесткости с использованием копулы Клейтона и расчет вероятности отказа системы в случае коррелирования отказов с использованием совместного метода определения надежности.

Осуществление

Для полного понимания характеристик и технической применимости изобретения предлагается вариант оценки надежности подъемной системы по прочности и жесткости для строящегося шахтного ствола для километровой шахты с подъемником, как показано на Фигуре 2.

На шахтный ствол действуют момент изгиба и крутящий момент. По данным о габаритных размерах и режимах нагрузки для шахтного ствола можно составить матрицу случайных переменных и использовать конечноэлементный метод для получения матрицы профиля напряжение/деформация. С помощью нейросети строится явная функция отношения между матрицей входящей выборки и матрицей откликов, а затем составляются уравнения предельных значений в явном виде для двух режимов отказа, т.е. уравнение предельных значений для отказа по прочности и уравнение предельных значений для отказа по жесткости, на основе прочностных и жесткостных критериев для шахтного ствола. В Таблице 1 представлены вероятностные данные по случайным переменным для шахтного ствола в этом варианте осуществления, где D1 - диаметр отрезка шахтного ствола, вмонтированного в левый подшипник, L1 - длина отрезка шахтного ствола, вмонтированного в левый подшипник, D2 - диаметр отрезка шахтного ствола с установленной катушкой, D3 - диаметр отрезка шахтного ствола, вмонтированного в правый подшипник, L2 - длина отрезка шахтного ствола, вмонтированного в правый подшипник.

Для этого варианта осуществления метод расчета вероятности отказа согласно настоящему изобретению показывает, что вероятность отказа по прочности составляет Pf₁=0.003241, а вероятность отказа по жесткости - Pf₂=0.005173. n значений случайных переменных для шахтного ствола случайно генерируются с помощью метода случайной выборки, а n значений выборки подставляются в уравнения предельных значений по двум режимам отказа, чтобы получить п значений отклика. Коэффициент корреляции между вектором отклика по прочности и вектором отклика по жесткости рассчитывается с помощью специальной команды в MATLAB, затем проводится определение неустановленных параметров по копуле Клейтона. Значения вероятностей отказа Pf₁ и Pf₂ подставляются в следующее уравнение:

В этом уравнении m - количество режимов отказа для шахтного ствола, P_f1 - максимальная вероятность отказа для режимов отказа шахтного, P_fi - вероятность отказа для режима отказа i, P_fij - совместная вероятность отказа для режимов отказа i и j, P_fs - вероятность отказа системы для шахтного ствола.

Вероятность отказа, полученная с учетом корреляции между отказом по прочности и отказом по жесткости составляет Pf_s=0.008536. Вероятность отказа системы, рассчитанная по методу имитационного моделирования, составляет P_fsm=0.008746.

Таким образом, предложен метод оценки надежности подъемной системы с учетом корреляции между отказом по прочности и отказом по жесткости. Сначала составляют параметрическую трехмерную модель шахтного ствола исходя из его габаритных размеров. Затем составляют матрицу случайных переменных для шахтного ствола исходя из коэффициента вероятности наступления таких переменных. Матрица используется для расчета прочностных и жесткостных реакций шахтного ствола по конечноэлементному методу. Затем с использованием нейросети строится явная функция, показывающая отношение реакций к матрице случайных переменных и отдельно рассчитываются явные функции характеристик для режима отказа по прочности и для режима отказа по жесткости исходя из расчетных прочностных и жесткостных характеристик. Далее рассчитывают вероятность наступления отказа для двух режимов с использованием метода перевала. В заключении составляют модель совместной вероятности отказов по двум режимам с использованием копулы Клейтона и рассчитывают надежность системы в случае отказа по двум режимам с использованием совместного метода определения надежности.

Остальные моменты изобретения не описаны подробно, так как они относятся к областям деятельности, известным специалистам.

1. Метод оценки надежности подъемной системы шахтного ствола с подъемником в километровых шахтах с учетом нескольких режимов отказа, характеризующийся тем, что сначала составляют параметрическую трехмерную модель шахтного ствола исходя из его габаритных размеров, затем составляют матрицу случайных переменных для шахтного ствола исходя из коэффициента вероятности наступления таких переменных, причем матрица используется для расчета прочностных и жесткостных реакций шахтного ствола по конечноэлементному методу, затем с использованием нейросети строится явная функция, показывающая отношение реакций к матрице случайных переменных и отдельно рассчитываются явные функции характеристик для режима отказа по прочности и для режима отказа по жесткости исходя из расчетных прочностных и жесткостных характеристик, далее рассчитывают вероятность наступления отказа для двух режимов с использованием метода перевала, в заключение составляют модель совместной вероятности отказов по двум режимам с использованием копулы Клейтона и рассчитывают надежность подъемной системы в случае отказа по двум режимам с использованием совместного метода определения надежности, при этом метод включает в себя следующие этапы:

- этап 1 определения средних значений и отклонений габаритных размеров, характеристик материалов и внешней нагрузки на шахтный ствол с подъемником и установления типов распределения этих параметров;

- этап 2 составления трехмерной параметрической модели шахты исходя из ее конструкционных параметров и импорт трехмерной параметрической модели шахтного ствола в ПО для расчета по конечноэлементному методу для выполнения статистического анализа;

- этап 3 составления матрицы случайной выборки для основных параметров исходя из их средних значений и отклонений, вычисленных на этапе 1, с использованием метода выборки;

- этап 4 составления нескольких новых трехмерных моделей шахтного ствола по значениям из каждой строки матрицы случайной выборки и получения новой выборки для профиля напряжение/деформация с использованием конечноэлементного анализа;

- этап 5 совмещения матрицы случайной выборки и значений профиля напряжение/деформация с применением нейросети и получения функции, описывающей отношение между профилем напряжение/деформация для шахтного ствола и изменением конструктивных характеристик;

-этап 6 расчета по отдельности функции надежности для режима отказа по прочности и для режима отказа по жесткости для шахтного ствола с подъемником; расчета моментов третьего и четвертого порядка для основных параметров по средним значениям и отклонениям; расчета моментов третьего и четвертого порядка для установленных функций и определения по отдельности вероятности отказа по прочности и вероятности отказа по жесткости методом перевала;

- этап 7 получения коэффициента корреляции между отказом по прочности и отказом по жесткости с использованием статистического метода, определения совместного распределения отказов как по прочности, так и по жесткости с использованием копулы Клейтона и расчета вероятности отказа подъемной системы в случае коррелирования отказов с использованием совместного метода определения надежности.

2. Метод оценки надежности подъемной системы шахтного ствола с подъемником в километровых шахтах с учетом нескольких режимов отказа согласно п. 1, отличающийся тем, что этап 1 включает в себя следующие действия:

- определение средних значений и отклонений габаритных размеров, характеристик материалов шахтного ствола с подъемником;

- определение рабочих условий подъемной системы для шахтного ствола с подъемником, определение средних значений и отклонений нагрузок, действующих на шахтный ствол при различных рабочих условиях, в том числе статической нагрузки, динамической нагрузки, момента изгиба, крутящего момента и т.д.;

- определение типов распределения вышеуказанных параметров.

3. Метод оценки надежности подъемной системы шахтного ствола с подъемником в километровых шахтах с учетом нескольких режимов отказа согласно п. 1, отличающийся тем, что этап 2 включает в себя следующие действия:

- параметрическое моделирование шахтного ствола с подъемником и создание командного файла модели, экспорт модели шахтного ствола и сохранение модели в рабочую папку;

- конечноэлементный анализ шахтного ствола с подъемником и создание командного файла по результатам анализа, экспорт текстового файла с результатами анализа и сохранение файла в рабочую папку;

- построение конечноэлементной модели шахтного ствола исходя из параметров характеристик материала шахтного ствола и приложение внешних нагрузок, таких как момент изгиба, крутящий момент и максимальная статическая нагрузка,

при этом к физическим характеристикам шахтного ствола относятся диаметры и длины сечения шахтного ствола, а также диаметры и длины катушек, а к характеристикам материала относятся модуль эластичности, коэффициент Пуассона и плотность.

4. Метод оценки надежности подъемной системы шахтного ствола с подъемником в километровых шахтах с учетом нескольких режимов отказа согласно п. 1, отличающийся тем, что этап 4 включает в себя следующие действия:

- изменение переменных в командном файле модели из рабочей папки исходя из данных матрицы случайной выборки и построение новой модели шахтного ствола;

- анализ созданной таким образом модели шахтного ствола с использованием командного файла конечноэлементного анализа и получение новых значений профиля напряжение/деформация;

- повтор вышеуказанных этапов до получения значения профиля напряжение/деформация для каждого набора случайных переменных в матрице случайных переменных.

5. Метод оценки надежности подъемной системы шахтного ствола с подъемником в километровых шахтах с учетом нескольких режимов отказа согласно п. 1, отличающийся тем, что этап 7 включает в себя следующие действия:

- создание случайной выборки исходя из типов распределения случайных переменных для шахтного ствола и получение расчетных значений для отказа по прочности и отказа по жесткости с помощью функции характеристик надежности, построенной на этапе 6;

- расчет коэффициента ранговой корреляции для двух режимов отказа с использованием статистического метода и расчет остальных параметров с помощью копулы Клейтона;

- расчет совместной вероятности отказа по прочности и жесткости с использованием копулы Клейтона;

- подстановка совместной вероятности отказа к вероятности отказа по прочности и вероятности отказа по жесткости, полученным на этапе 6, с использованием теории второго приближения с узкими рамками и расчет вероятности отказа подъемной системы для шахтного ствола с подъемником.