三 ZKKG-1型矿井主扇风机不停风倒机系统的技术方案

⑴ 基于人工免疫的通风机故障预警和分类诊断

突破将主通风机故障分为电气故障、机械故障、性能故障的传统分类方法，在本项目中将通风机故障分为致命性故障和非致命性故障两大类，前者直接导致通风失稳必须立即采取应对措施，如供电中断，通风机喘振等直接威胁通风设备安全或通风安全的故障；后者则是可以允许通风机带故障运行一段时间的。针对非致命性故障，基于人工免疫的思想，监控系统投运后首先积累通风机正常状态参数并通过平移和伸缩变换将其归一化，然后放在故障坐标平面上，接下来实时采集的通风机运行状态参数通过同样的变换也可以放在这个平面，通过引入故障距离函数可以区分安全自己、安全非己和危险非己等不同故障等级来实现故障的预警；另外，同样在这样一个故障坐标平面上，通过选择代表不同故障的特征量可以区分不同故障的隶属程度，作为触发不同的故障处理方法的条件，实现智能选择控制策略的目的；如通风机的性能故障和机械故障处理的方法不同，性能故障需要通过调节风机性能参数或通风网路风阻调节来消除，而机械故障则需要实时监测并根据异常度判断是否已经演变成致命性故障，必要时才进行风机的倒机。

图3-a为主通风机故障异常度分类示意图，为了检测通风机运行异常时设备的异常度，本项目将非己空间划分成5个不同的异常等级，设异常等级分别为k1、k2、k3、k4、k5，等级控制半径分别为r1、r2、r3、r4、r5，通过调整安全非我状态空间的半径rD，可以实现对报警阈值的控制，对应设备不同的报警级别，为维持原风机的运行状态还是立刻采取相应的控制措施提供量化依据。

在同一异常等级的检测器中，如图3-b所示，在坐标平面上的采用两条相互垂直分界线(边界1 和边界2)来细分故障的种类，将通风机的非己状态空间进一步分成四个扇形区域，分别定义为I区，II区，III区，IV区，其中，I和IV区性能故障所占的比重大，当故障落入此区间宜按照性能故障进行处理，如图中A点所示；II和III区机械故障样本所占的权重大，分类为机械故障，需按照机械故障处理，如图中B点所示。

图3-1 主通风机故障异常度分类示意图 图3-2 通风机故障分类和性能故障分类意图

基于以上思路，在线监控系统首先在线采集积累设备的正常运行状态样本，训练机器识别“安全自己”，然后在图2-a的状态空间上利用距离函数得到故障异常度，对于危险非己的故障则根据图2-b的状态空间划分自动识别通风机故障类别，最终给出继续维持运行，倒机、重启和工况调节等应对措施，并保证在一分钟时间内完成，可以有效的遏制由主通风机故障引发的通风系统事故的扩大问题。

⑵ 基于备用通风机热备用提高通风机倒机的成功率

如图3-3和3-4所示，在地面风道顶端布置“水平对空自密式旋叶风门（简称：水平对空短路风门）”和在风道内布置“立式挂网自密式旋叶风门（简称：立式挂网风门）。当该风机挂网运行时，两个自密式旋叶风门分别处于图3-3所示的状态，即立风挂网门打开，水平对空短路风门关闭；

图3-3 风机挂网运行时风门位置示意图

当备用风机需要由冷备用改变成热备用状态准备倒机时，两个自密式旋叶风门将分别切换到图3-4所示位置，即立式挂网风门关闭和水平对空短路风门打开，这样可以突破原“停机倒机”模式下备用风机无法提前启动进入热备用的弊端，在不影响原运行风机正常运行的前提下，实现备用风机的倒机前热备用。另外，根据轴流式通风机的启动特点，备用风机启动电流的大小和持续时间与等效到该通风机侧的风阻有关；这样通过在原通风系统增加水平对空短路风门，降低启动时的通风阻力，还可以提高备用风机电机启动的成功率。

图3-4 风机热备用运转时风门位置示意图

⑶ 自密式旋叶风门的引入和设计

在不停风倒机过程中，由于通风机进入热备用，以前经常采用的闸板风门因承受巨大风阻和负压可能造成无法启闭，或启闭速度过慢。在借鉴煤矿井下局部扇风机均压风门的思想，结合多年矿山设备的研发生产经验，我公司自主研发了“自密式旋叶风门”。自密式旋叶风门将一个风门整体拆分成一片一片旋叶，可以有效地克服原闸板风门带压力启闭困难的不足，启闭灵活，降低了风门操作中的故障机率；另外，旋叶风门开闭行程短，0-90°之间旋转叶片即可实现风门状态转换。将其用在通风机的风道中取代原有闸板式风门的开、闭功能，不仅操作灵活，还可以大幅度地缩短风路切换时间，减少由于倒机所造成井下通风不稳定的时段。

此外深度对比研究了传统的矿用百叶窗式风门的不足及缺陷，发现有以下几点需要去解决：

① 传统的百叶窗风门叶片由两层铁皮和一层芯板构成，过于单薄，在风道中会由于风的乱流而产生高频振动和巨大噪声。

② 传统的百叶窗风门叶片及框架材质低劣，因为风道内充斥着酸性、潮湿且夹带杂质的高速风流，很快叶片和框架会出现腐蚀和变形。 ③ 传统的百叶窗风门是在叶片边缘加软铁皮，利用和其他叶片挤压来进行密封，无任何弹性可言。由于执行机构的运动角度不能每次达到完全理论状态，仅0.1°的偏差能导致泄漏量增加3-5倍。 ④ 传统的百叶窗风门传动机构暴露在框架之外，很容易锈蚀和损坏。 针对这些缺陷和不足，我们对自密式旋叶风门进行了革命性的改进，主要的进步体现在以下几点：

① 新型的自密式旋叶风门的叶片设计成菱形，提高了叶片在风道中即使是乱流情况下的稳定性。叶片中间是传动轴，两侧是不锈钢叶板，叶板与轴之间靠加强筋板连接，加强了叶片的强度，抗负压能力比相同重量的百叶窗叶片提高了170%。

② 新型的自密式旋叶风门叶片采用了抗酸性较强的特殊不锈钢材质，对于井下排除的含酸性的潮热空气有较强的抗腐蚀作用。新型的自密式旋叶风门框架采用了BS700MC高强度合金钢，其强度是普通Q345D材料的2倍，可以承受风道内长时间高负压的工作环境而不变形，此外门框部分还经喷砂、除锈、镀锌、喷一遍底漆两遍防锈漆共六道工序处理，有较强的抗腐蚀能力。

③ 新型的自密式旋叶风门在叶片与叶片之间安装了专用的B型密封，在叶片与边框之间安装了专用的P型密封。这种密封材料抗酸性腐蚀，低温性能优异，尤其弹性很好，所以即使执行机构每次开关偏差较大，B型和P型密封都能提供良好的密封效果。

④ 新型的自密式旋叶风门将传动机构设计到了风门框架内部，避免了工作环境恶劣和人为不故意损坏而造成的设备受损。新型的自密式旋叶风门采用了齿条传动，这种传动结构简单，便于调节叶片角度，也利于传动机构的维修与更换。