一种刮板输送机中部槽的耦合故障动态可靠性评估方法技术

本发明专利技术公开了一种刮板输送机中部槽的耦合故障动态可靠性评估方法，充分利用基于矩的鞍点逼近方法的逼近精度以及动态t‑copula的函数属性，提供一种刮板输送机中部槽的耦合故障动态可靠性评估方法，从而更准确地描述小样本条件下刮板输送机中部槽失效模式间的动态相关性，提高刮板输送机中部槽耦合故障动态可靠性评估的精度。

A Dynamic Reliability Assessment Method for Coupled Faults in the Middle Slot of Scraper Conveyor

【技术实现步骤摘要】
一种刮板输送机中部槽的耦合故障动态可靠性评估方法
本专利技术涉及矿山运输设备
，尤其涉及一种刮板输送机中部槽的耦合故障动态可靠性评估方法。
技术介绍
深部资源开发利用是国家的发展战略，刮板输送机是实现深部资源开发的关键装备，其安全稳定运行对实现煤矿开采有着重要意义。由于井下运输设备运行条件复杂、工况极其恶劣，加剧了刮板输送机等设备的性能退化过程，降低了设备的实际使用寿命。因此，准确合理地评估和预测刮板输送机关键部件的可靠性对保障设备安全运行、提高经济效益有很大的意义。刮板输送机中部槽是刮板输送机的机身，由中板和槽帮刚等组成，上槽运煤下槽供刮板链返程用。刮板输送机中部槽作为刮板输送机的主体和主要失效件，其寿命和可靠性对煤炭安全高效开采和企业的经济效益及其重要。恶劣工况下，刮板输送机中部槽承受的动态载荷将导致结构的疲劳失效，而疲劳失效主要受到断裂失效和静强度失效两种失效模式的影响，传统的可靠性评估仅仅针对其中一种失效模式，或者假设两种失效模式相互独立，未能考虑到断裂失效和静强度失效同时作用下对刮板输送机中部槽疲劳失效的影响。实际上，刮板输送机运行过程中的动态载荷会引起中部槽材料裂纹的不断扩展，中部槽的静强度也随之发生变化，从而导致其疲劳强度的不断退化。由此可知，在同源载荷作用下，刮板输送机中部槽断裂强度和静强度之间不仅存在相关性，且其相关程度会随着运行时间发生变化。因此，有必要针对刮板输送机中部槽断裂失效和静强度失效之间的动态相关性进行建模，从而实现动态载荷作用下刮板输送机中部槽的耦合故障动态可靠性评估。本专利技术采用基于四阶矩的鞍点逼近方法和动态t-copula函数，针对小样本下刮板输送机中部槽的断裂和静强度联合失效问题，提出了一种耦合故障动态可靠性评估方法。在以下几篇文献中：[1]千米深井提升机主轴多失效模式可靠性评估方法[P],专利技术专利，ZL201710377138.7.[2]NohY,ChoiKK,DuL.Reliability-baseddesignoptimizationofproblemswithcorrelatedinputvariablesusingaGaussianCopula[J].Structuralandmultidisciplinaryoptimization,2009,38(1):1-16.[3]基于Copula理论的风光互补发电系统可靠性评估方法[P]，专利技术专利，ZL201210257528.8.文献1采用Claytoncopula进行提升机主轴强度和刚度的联合概率建模，所提方法仅仅针对静态可靠性评估问题，所采用的Claytoncopula仅能构建特定时刻的概率相关性，未考虑提升机主轴强度和刚度随时间变化的动态可靠性问题，而静态可靠性与动态可靠性问题在分析思路和处理方法上有本质区别。另外，该文献中所采用的鞍点逼近方法只适用于随机变量累积量母函数存在的条件下，当仅有失效数据的概率统计矩信息时，其适用性受到了限制。文献2提出了一种基于Gaussiancopula函数的多失效模式的概率相关性建模方法。该方法假设失效模式间的相关结构均符合Gaussiancopula函数结构，仅适用于对称相关性建模，当失效模式间为非对称相关时，其建模精度较差。文献3里提供了一种基于copula理论的发电系统的可靠性评估方法。该方法通过采集大量样本来实现概率分布的构建，并通过积分的方法进行累积概率分布的求解，无法适用小样本条件。且所采用的Frankcopula函数无法描述非对称的概率相关属性。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术使用基于矩的鞍点逼近方法和动态t-copula函数，构建一种刮板输送机中部槽的耦合故障动态可靠性评估方法，从而更准确地描述小样本条件下刮板输送机中部槽失效模式间的动态相关性，提高刮板输送机中部槽耦合故障动态可靠性评估的精度。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种刮板输送机中部槽的耦合故障动态可靠性评估方法，所述方法包括以下步骤：步骤1：定义数据采集的时间点，采集刮板输送机中部槽不同运行时间点的裂纹长度、中板宽度、断裂韧性、屈服强度及疲劳载荷数据样本，并统计各类数据样本的前四阶矩概率信息；步骤2：依据刮板输送机中部槽断裂失效和静强度失效的失效准则，分别定义两种失效模式下的功能函数；步骤3：基于刮板输送机中部槽各类数据样本的前四阶矩概率信息，采用基于矩的鞍点逼近方法建立各失效模式的概率分布函数，并计算不同时间点下断裂失效和静强度失效模式的失效概率；步骤4：采用动态copula函数构建刮板输送机中部槽断裂强度和静强度失效模式间的动态概率相关结构，进而建立失效模式间的动态联合概率分布函数；步骤5：结合刮板输送机中部槽各失效模式的概率分布函数和动态联合概率分布函数，采用系统可靠性理论开展刮板输送机中部槽的耦合故障动态可靠性评估。步骤1具体为：刮板输送机中部槽各类数据样本的前四阶矩概率信息是指均值、方差、偏度和峰度。步骤2具体为：依据刮板输送机中部槽的最大应力强度因子是否超过断裂韧性定义断裂失效模式的功能函数，依据刮板输送机中部槽的结构抗力是否大于疲劳载荷定义静强度失效的功能函数。步骤3具体为：所采用的基于矩的鞍点逼近方法建立的概率分布函数形式为其中，ωye和vye为函数的参数，可由下式计算其中，ye功能函数状态变量的标准化变量,KYs表示标准化变量的累积量母函数,KYs(2)表示累积量母函数的二阶导数，te表示鞍点值，可由下式计算其中，y为功能函数的二阶可靠性指标，t1，t2表示鞍点方程的两个解，在实际计算中取满足计算合理性的一个值作为鞍点值其中θYs和ηYs分别表示功能函数的偏度和峰度。步骤4具体为：所述动态copula函数采用动态t-copula函数，形式为其中，k和ρ为动态t-copula函数的参数，k为定参数，ρ为时变参数；结合不同时间点所采集到的数据样本，通过极大似然估计方法可得到不同时间点下时变参数ρ的值；u1和u2表示步骤3中计算得到的断裂失效模式和静强度失效模式下的失效概率。步骤5具体为：依据步骤3中得到的刮板输送机中部槽断裂失效模式和静强度失效模式下的失效概率u1和u2，以及步骤4中得到的两失效模式间的动态联合概率分布函数，采用下式计算刮板输送机中部槽的耦合故障动态可靠度，具体为Pf＝u1+u2-P(u1,u2|ρ)其中，P(u1,u2|ρ)为根据步骤4中动态联合概率分布函数计算得到的联合失效概率；通过分别计算不同时间点的可靠度，得到刮板输送机中部槽的耦合故障动态可靠度估计。由于采用了上述技术方案，本专利技术至少具有以下有益效果：(1)针对刮板输送机中部槽数据样本量较少的情况，所述方法能够在小样本条件下，采用数据样本的前四阶矩概率信息逼近断裂失效和静强度失效模式下的概率分布函数，从而提高概率分布逼近的精度；(2)本专利技术充分考虑了刮板输送机中部槽失效模式间可能存在的正相关、负相关及非对称相关等概率属性，并选择能够适应不同相关属性的动态t-copula函数进行动态联合失效概率建模，提高了刮板输送机中部槽多失效模式概率相关性建模的灵活性。(3)本专利技术充分考虑了影响刮板输送机中部槽疲劳强度的断裂失效和静强度失效模式间的动态相关性，通过估计动态t-copul本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种刮板输送机中部槽的耦合故障动态可靠性评估方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1：定义数据采集的时间点，采集刮板输送机中部槽不同运行时间点的裂纹长度、中板宽度、断裂韧性、屈服强度及疲劳载荷数据样本，并统计各类数据样本的前四阶矩概率信息；步骤2：依据刮板输送机中部槽断裂失效和静强度失效的失效准则，分别定义两种失效模式下的功能函数；步骤3：基于刮板输送机中部槽各类数据样本的前四阶矩概率信息，采用基于矩的鞍点逼近方法建立各失效模式的概率分布函数，并计算不同时间点下断裂失效和静强度失效模式的失效概率；步骤4：采用动态copula函数构建刮板输送机中部槽断裂强度和静强度失效模式间的动态概率相关结构，进而建立失效模式间的动态联合概率分布函数；步骤5：结合刮板输送机中部槽各失效模式的概率分布函数和动态联合概率分布函数，采用系统可靠性理论开展刮板输送机中部槽的耦合故障动态可靠性评估。

【技术特征摘要】
1.一种刮板输送机中部槽的耦合故障动态可靠性评估方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1：定义数据采集的时间点，采集刮板输送机中部槽不同运行时间点的裂纹长度、中板宽度、断裂韧性、屈服强度及疲劳载荷数据样本，并统计各类数据样本的前四阶矩概率信息；步骤2：依据刮板输送机中部槽断裂失效和静强度失效的失效准则，分别定义两种失效模式下的功能函数；步骤3：基于刮板输送机中部槽各类数据样本的前四阶矩概率信息，采用基于矩的鞍点逼近方法建立各失效模式的概率分布函数，并计算不同时间点下断裂失效和静强度失效模式的失效概率；步骤4：采用动态copula函数构建刮板输送机中部槽断裂强度和静强度失效模式间的动态概率相关结构，进而建立失效模式间的动态联合概率分布函数；步骤5：结合刮板输送机中部槽各失效模式的概率分布函数和动态联合概率分布函数，采用系统可靠性理论开展刮板输送机中部槽的耦合故障动态可靠性评估。2.根据权利要求1所述的一种刮板输送机中部槽的耦合故障动态可靠性评估方法，其特征在于，步骤1具体为：刮板输送机中部槽各类数据样本的前四阶矩概率信息是指均值、方差、偏度和峰度。3.根据权利要求1所述的一种刮板输送机中部槽的耦合故障动态可靠性评估方法，其特征在于，步骤2具体为：依据刮板输送机中部槽的最大应力强度因子是否超过断裂韧性定义断裂失效模式的功能函数，依据刮板输送机中部槽的结构抗力是否大于疲劳载荷定义静强度失效的功能函数。4.根据权利要求1所述的一种刮板输送机中部槽的耦合故障动态可靠性评估方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢昊，朱真才，江帆，李伟，彭玉兴，周公博，沈刚，王大刚，汤裕，李翔，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32