千米深井高速重载提升机制动系统多失效模式可靠性评估方法

For safety hazards such as skidding, rope break, hoisting conveyance crash that caused by brake failure, taking the ultra-deep well hoist brake system as the research object, this project carry out the research on the reliability evaluation method of the hoist brake system with multiple failure modes. Firstly, establish the elastic coupling thermal-structure model of the of hoist brake system, study the mechanical behavior of the brake system under high speed and heavy load condition and explore the effect of thermal-structure coupling effect on the performance of brake components. Secondly, consider the uncertainty of the working environment, geometric dimension error and the loading load of the hoist brake system, construct the nonlinear characterization model of failure mode consisting of uncertain parameters of friction and structure. Study the probability distribution and statistical characteristics of the braking performance parameters under the coupled thermal-structure effect. Then, in the light of the brake failure caused by the performance degradation of brake shoe material and spring stiffness, consider the time-varying correlation between degradation processes, and study the modeling method of multivariate correlation degradation process. Finally, study the reliability modeling and evaluation method of multiple failure modes of hoist braking system, and carry out the performance evaluation of hoist braking system under high speed and heavy load conditions. The research results are of great significance for improving the safety and reliability of the ultra-deep well lifting and avoiding the occurrence of malignant accidents.

针对高速重载提升机制动失效导致的打滑、断绳、提升容器坠毁等安全隐患，本项目以千米深井提升机制动系统为研究对象，开展提升机制动系统多失效模式的可靠性评估方法研究。首先，建立提升机制动系统的弹塑性热-结构耦合模型，研究高速重载工况下提升机摩擦制动的力学行为，探究热-结构耦合特征对制动部件使役性能的作用效应。其次，考虑提升机制动系统工作环境、几何尺寸误差及作用载荷的不确定性，构建包含摩擦与结构混合不确定参数的随机响应表征模型，研究热-结构耦合作用下制动系统失效模式的概率特征。然后，针对闸瓦材料磨损、弹簧刚度劣化等性能退化导致的制动失效，考虑退化过程间的动态相关性，研究制动系统多元相关退化过程的联合概率建模方法。最后，研究提升机制动系统多失效模式的可靠性建模与评估方法，开展高速重载工况下提升机制动系统性能评价的试验研究。研究成果对提高千米深井提升的安全性与可靠性、避免恶性事故发生具有重要意义。

千米深井提升带来的高速、重载和大惯量对提升机实施可靠制动提出了更高要求，现有提升机制动系统无法保证千米深井高速重载下的安全可靠制动。因此，千米深井提升机的安全制动已成为制约深部矿井建设和生产的技术瓶颈。本项目针对这一问题，课题组在前期研究基础上，围绕需解决的关键科学问题，开展了一系列研究工作。（1）建立了制动系统闸瓦-制动盘的弹塑性热-结构耦合模型，掌握了高速大比压下闸瓦-制动盘温度场和应力场的分布规律，明确了制动过程中热-结构耦合的作用机制；（2）构建了摩擦与结构混合不确定参数激励下制动系统的非线性随机响应模型，掌握了热-机械随机载荷联合作用下制动性能参数的响应规律，明确了基于有效制动力矩、制动减速度等性能指标的失效模式，探明了热-结构耦合作用下失效模式的概率分布与统计特性；（3）研究了单一失效模式下的可靠性评估方法，提出了改进的基于四阶矩的鞍点逼近方法，提高了非正态分布强非线性功能函数的失效概率求解精度；（4）提出了基于copula函数理论的多失效模式联合失效概率建模方法，建立了考虑失效相关性的系统可靠性评估模型，实现了不完全观测数据下模型参数的估计以及多失效模式制动系统的可靠性评估。项目的研究对提高矿山生产的安全性、减少恶性事故的发生、避免人员伤亡或设备损坏、保障我国能源供应等具有重要意义。