CN104678992A - 矿用主通风机稳定性与经济性实时检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿用主通风机稳定性与经济性实时检测方法，包括以下步骤：步骤一、风量传感器对主通风机的风量进行实时检测，数据采集装置对风量传感器检测到的实时风量信号进行采集并实时传输给计算机；步骤二、计算机接收数据采集装置传输的实时风量信号，并将实时风量信号与计算机预先构建的主通风机的转速为n′时的主通风机稳定性与经济性评价模型进行对比，得到主通风机的稳定性与经济性综合运行状态。本发明方法步骤简单，实现方便且成本低，有效地将主通风机的稳定性与经济性结合了起来，有利于实现主通风机稳定经济的运行，使用效果好。

Description

矿用主通风机稳定性与经济性实时检测方法

技术领域

本发明属于矿井通风安全技术领域，具体涉及一种矿用主通风机稳定性与经济性实时检测方法。

背景技术

主通风机通常被比拟成人的呼吸系统，承担着整个煤矿或者整个煤矿中较大区域的通风，决定着整个煤矿的井下通风，故需要日夜不停的运转，一旦主通风机因发生故障而停机，将直接影响煤矿的安全生产，甚至带来灾害性事故。因此主通风机的安全运转是煤矿安全生产的基础保障。

鉴于轴流式主通风机特性曲线一般都有马鞍形驼峰存在的特点，且驼峰点以左的区域是主通风机的不稳定工作段，一旦主通风机处于不稳定区域工作，将极有可能引发主通风机的失速与喘振。若主通风机叶轮内产生一个至多个旋转失速区，则叶片每经过一次失速区就会受到一次激振力的作用，引发叶片产生共振而造成叶片折断，带来主通风机设备的重大灾害事故。若主通风机发生喘振，则伴随着风量、出口风速和电机电流出现剧烈波动，振动和异常噪音，严重时，会造成叶片折断或其他机械零部件的损害，从而危及整个煤矿的安全生产。为了有效地避免这两种有害情况的发生，提出了主通风机的合理工作区——稳定与经济区的概念，主要是从主通风机的稳定性与经济性两个方面进行考虑。

为了保证风机稳定工作，故应使主通风机的工况点落在驼峰点以右的区域，考虑到电压变化会使风机转速下降，因此限定轴流式主通风机稳定与经济区工况点静压不得超过最高静压的90％。另外，矿井主通风机是煤矿高能耗的大型设备，通常通风耗电量占原煤电耗的18％～21％，故从经济性上考虑，对工况点的效率也有一定的要求，这里指主通风机运转效率不低于60％。评价主通风机水平的重要指标之一就是主通风机的效率，从主通风机的设计人员、制造厂家到用户都极为关注。影响主通风机效率的因素有以下几个方面：电动机效率、测试误差、测试方法及主通风机是否带有附件等。在目前的设计和生产条件下，轴流式通风机的效率达到80％-85％已经是较高的水平。鉴于此种情况，主通风机的实时效率只能通过现场测试才可准确的得出。而目前，现有技术中做主通风机相关研究的很多，但是，大部分都是单纯的研究主通风机参数的监测或者单纯的做主通风机的工况范围及其调节方法相关的研究，没有将主通风机的稳定性与经济性结合起来研究的先例，不能实现煤矿现场主通风机参数的综合和全面监测，不能很好地了解煤矿现场主通风机的工作状态。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种矿用主通风机稳定性与经济性实时检测方法，其方法步骤简单，实现方便且成本低，有效地将主通风机的稳定性与经济性结合了起来，有利于实现主通风机稳定经济的运行，使用效果好。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种矿用主通风机稳定性与经济性实时检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、风量传感器对主通风机的风量进行实时检测，数据采集装置对风量传感器检测到的实时风量信号进行采集并实时传输给计算机；

步骤二、计算机接收数据采集装置传输的实时风量信号，并将实时风量信号与计算机预先构建的主通风机的转速为n′时的主通风机稳定性与经济性评价模型进行对比，得到主通风机的稳定性与经济性综合运行状态；其中，主通风机的转速为n′时的主通风机稳定性与经济性评价模型为多个不同风量区间与主通风机的稳定性与经济性综合运行状态的对应关系模型；

计算机预先构建主通风机的转速为n′时的主通风机稳定性与经济性评价模型的具体过程如下：

步骤201、将厂家提供的主通风机特性曲线图绘制为CAD图，并选取主通风机特性曲线中的其中一条风量与风压的关系曲线为研究曲线，获取所述研究曲线上的多个点的横坐标和纵坐标；

其中，所述研究曲线上的第r个点的横坐标Q_r为主通风机在额定转速n下的风量，所述研究曲线上的第r个点的纵坐标H_r为主通风机在额定转速n下的风压，r为1～m的自然数，m为要获取的所述研究曲线上的点的数量且m为不小于4的自然数；

步骤202、根据相似原理换算公式 $\left\{\begin{array}{c}\frac{Q_r}{Q_r^{\′}}=\frac{n}{n^{\′}}\\ \frac{H_r}{H_r^{\′}}{\left(\frac{n}{n^{\′}}\right)}^2\end{array}\right.,$ 并根据研究曲线上的第r个点的横坐标Q_r和纵坐标H_r，计算研究曲线上的第r个点对应的主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线上的第r个点的横坐标Q′_r和纵坐标H′_r；其中，所述主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线上的第r个点的横坐标Q′_r为主通风机在转速n′下的风量，所述主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线上的第r个点的纵坐标H′_r为主通风机在转速n′下的风压；取r＝1～m，计算得到研究曲线上的多个点对应的主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线上的多个点横坐标和纵坐标；

步骤203、根据主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线上的多个点横坐标和纵坐标，绘制出主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线上的多个点，并采用最小二乘法对该多个点进行四次曲线拟合，获得该多个点所在的主通风机在转速n′下的拟合曲线方程，即获得了主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线；

步骤204、在横坐标为风量Q′、纵坐标为风压H′的直角坐标系下，绘制主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线图；

步骤205、将主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线图上纵坐标最大的点的纵坐标的值定义为主通风机在转速n′下的最大静压值，根据最大静压值的90％确定出主通风机的转速为n′时主通风机的实际工作风压的最大阈值，并将转速为n′时主通风机的实际工作风压的最大阈值代入主通风机在转速n′下的拟合曲线方程中，得到主通风机在转速n′下的主通风机的实际工作风量的最小阈值Q_min，并在主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线图上绘制直线Q′＝Q_min作为左边界直线；

步骤206、将所述研究曲线与风压效率为60％时风压效率与流量的关系曲线的交点的横坐标的值定义为主通风机在转速n′下的实际工作风量的最大阈值Q_max，并在主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线图上绘制直线Q′＝Q_max作为右边界直线；

步骤207、将在左边界直线与右边界直线区域内的主通风机在转速n′下的特性曲线平均划分为N个区域，并将其中第i个区域定义为区域T_i，其中，N的取值为3～8的自然数，i＝1，2，…，N，区域T₁的横坐标区域，即风量区间为[Q_min，Q_min+ΔQ)，区域T_j的横坐标区域，即风量区间为[Q_min+(j-1)ΔQ，Q_min+jΔQ)，j＝2，…，N-1，区域T_N的横坐标区域，即风量区间为[Q_min+(N-1)ΔQ，Q_max]，ΔQ为各个区域的风量变化量且

步骤208、采用10分制给N个区域的稳定性和经济性分别进行评分，且将区域T_i的稳定性的评分定义为A_i，将区域T_i的经济性的评分定义为B_i，根据公式确定出区域T_i的稳定性和经济性的综合评分F_i，其中，J为经济性的加权系数且J的取值为0.2～0.4，W为稳定性的加权系数且W的取值为0.6～0.8，且J+W＝1；A_i的取值和B_i的取值均为6～10的正整数；

步骤209、根据区域T_i的稳定性和经济性的综合评分F_i的大小，定义主通风机在区域T_i内的稳定性与经济性综合运行状态等级，并根据区域T_i对应的风量区间构建起风量区间与主通风机的稳定性与经济性综合运行状态的对应关系，即构建出了主通风机的转速为n′时的主通风机稳定性与经济性评价模型。

上述的矿用主通风机稳定性与经济性实时检测方法，其特征在于：步骤201中获取所述研究曲线上的多个点的横坐标和纵坐标的具体过程为：

步骤2011、在所述研究曲线所在坐标范围内的坐标系中，绘制多条平行于横坐标的水平网格线和多条平行于纵坐标的竖直网格线，多条所述水平网格线和多条所述竖直网格线均均匀设置；

步骤2012、找出所述研究曲线与多条所述水平网格线的交点，对于所述研究曲线与其中一条所述水平网格线的交点X_p(Q_p,H_p)，首先根据交点X_p(Q_p,H_p)所在水平网格线的纵坐标直接读出该交点的纵坐标H_p，然后读出交点X_p(Q_p,H_p)所在水平网格线与该交点左相邻的竖直网格线相交的交点X_左(Q_左,H_左)的横坐标Q_左，并读出交点X_p(Q_p,H_p)所在水平网格线与该交点右相邻的竖直网格线相交的交点X_右(Q_右,H_右)的横坐标Q_右，再用CAD软件中的线性标注工具量取交点X_左(Q_左,H_左)与交点X_p(Q_p,H_p)之间的水平距离L′，量取交点X_左(Q_左,H_左)与交点X_右(Q_右,H_右)之间的水平距离L，最后根据公式计算得到交点X_p(Q_p,H_p)的横坐标Q_p；其中，p为1～m₁的自然数，m₁为所述研究曲线与多条所述水平网格线的交点的总数且m₁为不小于2的自然数；

步骤2013、找出所述研究曲线与多条所述竖直网格线的交点，对于所述研究曲线与其中一条所述竖直网格线的交点Y_q(Q_q,H_q)，首先根据交点Y_q(Q_q,H_q)所在竖直网格线的横坐标直接读出该交点的横坐标Q_q，然后读出交点Y_q(Q_q,H_q)所在竖直网格线与该交点上相邻的水平网格线相交的交点Y_上(Q_上,H_上)的纵坐标H_左，并读出交点Y_q(Q_q,H_q)所在竖直网格线与该交点下相邻的水平网格线相交的交点Y_下(Q_下,H_下)的纵坐标H_下，再用CAD软件中的线性标注工具量取交点Y_下(Q_下,H_下)与交点Y_q(Q_q,H_q)之间的竖直距离S′，量取交点Y_下(Q_下,H_下)与交点Y_上(Q_上,H_上)之间的水平距离S，最后根据公式计算得到交点Y_q(Q_q,H_q)的纵坐标H_q；其中，q为1～m₂的自然数，m₂为所述研究曲线与多条所述水平网格线的交点的总数且m₂为不小于2的自然数，m＝m₁+m₂。

上述的矿用主通风机稳定性与经济性实时检测方法，其特征在于：将步骤205所述主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线图上纵坐标最大的点表示为点E(Q_Emin,H_Emax)，获取点E(Q_Emin,H_Emax)的纵坐标H_Emax的值的具体过程为：

步骤2051、获取所述研究曲线上纵坐标最大的点C(Q_Cmin,H_Cmax)的纵坐标H_Cmax，具体过程为：

步骤20511、在所述研究曲线所在坐标范围内的坐标系中，寻找与所述研究曲线上纵坐标最大的点C(Q_Cmin,H_Cmax)距离最近的竖直网格线与水平网格线的交点D(Q_近C,H_近C)，并根据交点D(Q_近C,H_近C)所在水平网格线的纵坐标直接读出该交点的纵坐标H_近C；

步骤20512、用CAD软件中的线性标注工具量取所述研究曲线上纵坐标最大的点C(Q_Cmin,H_Cmax)的纵坐标H_Cmax的长度L_Cmax；

步骤20513、用CAD软件中的线性标注工具量取交点D(Q_近C,H_近C)的纵坐标H_近C的长度L_近C；

步骤20514、根据公式计算得到所述研究曲线上纵坐标最大的点C(Q_Cmin,H_Cmax)的纵坐标H_Cmax；

步骤2052、根据相似原理换算公式并根据所述研究曲线上纵坐标最大的点C(Q_Cmin,H_Cmax)的纵坐标H_Cmax，计算得到点E(Q_Emin,H_Emax)的纵坐标H_Emax的值。

上述的矿用主通风机稳定性与经济性实时检测方法，其特征在于：步骤206中获取所述研究曲线与风压效率为60％时风压效率与流量的关系曲线的交点的横坐标的值的具体过程为：

步骤2061、在所述研究曲线所在坐标范围内的坐标系中，寻找与所述研究曲线与风压效率为60％时风压效率与流量的关系曲线的交点A(Q_max,H_min)距离最近的竖直网格线与水平网格线的交点B(Q_近A,H_近A)，并根据交点B(Q_近A,H_近A)所在竖直网格线的横坐标直接读出该交点的横坐标Q_近A；

步骤2062、用CAD软件中的线性标注工具量取交点A(Q_max,H_min)的横坐标Q_max的长度L_Amax；

步骤2063、用CAD软件中的线性标注工具量取交点B(Q_近A,H_近A)的横坐标Q_近A的长度L_近A；

步骤2064、根据公式计算得到交点A(Q_max,H_min)的横坐标Q_max。

上述的矿用主通风机稳定性与经济性实时检测方法，其特征在于：步骤209中，当区域T_i的稳定性和经济性的综合评分F_i的取值为0.9≤F_i<1时，定义主通风机在区域T_i内的稳定性与经济性综合运行状态等级为很好；当区域T_i的稳定性和经济性的综合评分F_i的取值为0.8≤F_i<0.9时，定义主通风机在区域T_i内的稳定性与经济性综合运行状态等级为好；当区域T_i的稳定性和经济性的综合评分F_i的取值为0.7≤F_i<0.8时，定义主通风机在区域T_i内的稳定性与经济性综合运行状态等级为较好；当区域T_i的稳定性和经济性的综合评分F_i的取值为0.6≤F_i<0.7时，定义主通风机在区域T_i内的稳定性与经济性综合运行状态等级为一般；当区域T_i的稳定性和经济性的综合评分F_i的取值为F_i<0.6时，定义主通风机在区域T_i内的稳定性与经济性综合运行状态等级为差。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明方法步骤简单，实现方便且成本低，使用效果好。

2、本发明在借助厂家提供的主通风机特性曲线的基础上，通过最小二乘法拟合主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线，再在此曲线上标记出主通风机的稳定性与经济性工作区域，通过实时检测主通风机的风量可以很直观的看出主通风机此时是否在稳定性与经济性工作区域工作，再通过实时检测参数，能够实时的知道主通风机的稳定性与经济性综合运行状态。

3、本发明有效地将主通风机的稳定性与经济性结合了起来，有利于对主通风机运行状况稳定性和经济性进行综合评价，由于主通风机的合理工作区是相对安全高效(即稳定经济)的区域，因此当此时主通风机的工况点处于不稳定区域或者趋近于不稳定区域时，可以提前提醒现场值班人员，并有针对性的解决问题，起到预防主通风机在不稳定区域运行的作用，从而有效的避免因主通风机在不稳定区域所带来的故障，甚至灾难性事故；当此时主通风机的工况点处于不经济的区域时，可以提前提醒现场值班人员，并有针对性的解决问题，如通过调频或调节叶片安装角度使主通风机的工况点始终处于合理工作区，从而提高主通风机的效率，为企业带来最直接的经济效果。

综上所述，本发明方法步骤简单，实现方便且成本低，有效地将主通风机的稳定性与经济性结合了起来，有利于实现主通风机稳定经济的运行，使用效果好。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明采用的硬件设备的连接关系示意图。

图2为本发明矿用主通风机稳定性与经济性实时检测方法的方法流程框图。

图3为厂家提供的主通风机特性曲线图。

图4为主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线图。

图5为在主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线图上添加右边界直线和左边界直线后的图。

附图标记说明:

1—风量传感器；       2—数据采集装置；     3—计算机。

具体实施方式

如图2所示，本发明的矿用主通风机稳定性与经济性实时检测方法，包括以下步骤：

步骤一、风量传感器1对主通风机的风量进行实时检测，数据采集装置2对风量传感器1检测到的实时风量信号进行采集并实时传输给计算机3；具体实施时，所述数据采集装置2为数据采集卡；本发明采用的硬件设备的连接关系示意图如图1所示；

步骤二、计算机3接收数据采集装置2传输的实时风量信号，并将实时风量信号与计算机3预先构建的主通风机的转速为n′时的主通风机稳定性与经济性评价模型进行对比，得到主通风机的稳定性与经济性综合运行状态；其中，主通风机的转速为n′时的主通风机稳定性与经济性评价模型为多个不同风量区间与主通风机的稳定性与经济性综合运行状态的对应关系模型；

计算机3预先构建主通风机的转速为n′时的主通风机稳定性与经济性评价模型的具体过程如下：

步骤201、将厂家提供的主通风机特性曲线图绘制为CAD图，并选取主通风机特性曲线中的其中一条风量与风压的关系曲线为研究曲线，获取所述研究曲线上的多个点的横坐标和纵坐标；

其中，所述研究曲线上的第r个点的横坐标Q_r为主通风机在额定转速n下的风量，所述研究曲线上的第r个点的纵坐标H_r为主通风机在额定转速n下的风压，r为1～m的自然数，m为要获取的所述研究曲线上的点的数量且m为不小于4的自然数；

本实施例中，步骤201中获取所述研究曲线上的多个点的横坐标和纵坐标的具体过程为：

步骤2011、在所述研究曲线所在坐标范围内的坐标系中，绘制多条平行于横坐标的水平网格线和多条平行于纵坐标的竖直网格线，多条所述水平网格线和多条所述竖直网格线均均匀设置；

步骤2012、找出所述研究曲线与多条所述水平网格线的交点，对于所述研究曲线与其中一条所述水平网格线的交点X_p(Q_p,H_p)，首先根据交点X_p(Q_p,H_p)所在水平网格线的纵坐标直接读出该交点的纵坐标H_p，然后读出交点X_p(Q_p,H_p)所在水平网格线与该交点左相邻的竖直网格线相交的交点X_左(Q_左,H_左)的横坐标Q_左，并读出交点X_p(Q_p,H_p)所在水平网格线与该交点右相邻的竖直网格线相交的交点X_右(Q_右,H_右)的横坐标Q_右，再用CAD软件中的线性标注工具量取交点X_左(Q_左,H_左)与交点X_p(Q_p,H_p)之间的水平距离L′，量取交点X_左(Q_左,H_左)与交点X_右(Q_右,H_右)之间的水平距离L，最后根据公式计算得到交点X_p(Q_p,H_p)的横坐标Q_p；其中，p为1～m₁的自然数，m₁为所述研究曲线与多条所述水平网格线的交点的总数且m₁为不小于2的自然数；

步骤2013、找出所述研究曲线与多条所述竖直网格线的交点，对于所述研究曲线与其中一条所述竖直网格线的交点Y_q(Q_q,H_q)，首先根据交点Y_q(Q_q,H_q)所在竖直网格线的横坐标直接读出该交点的横坐标Q_q，然后读出交点Y_q(Q_q,H_q)所在竖直网格线与该交点上相邻的水平网格线相交的交点Y_上(Q_上,H_上)的纵坐标H_左，并读出交点Y_q(Q_q,H_q)所在竖直网格线与该交点下相邻的水平网格线相交的交点Y_下(Q_下,H_下)的纵坐标H_下，再用CAD软件中的线性标注工具量取交点Y_下(Q_下,H_下)与交点Y_q(Q_q,H_q)之间的竖直距离S′，量取交点Y_下(Q_下,H_下)与交点Y_上(Q_上,H_上)之间的水平距离S，最后根据公式计算得到交点Y_q(Q_q,H_q)的纵坐标H_q；其中，q为1～m₂的自然数，m₂为所述研究曲线与多条所述水平网格线的交点的总数且m₂为不小于2的自然数，m＝m₁+m₂。

本实施例中，厂家提供的主通风机特性曲线如图3所示，选取厂家提供的主通风机特性曲线中安装角度为0度、转速为额定转速n＝740r/min的风量与风压的关系曲线为研究曲线，m₁＝9，m₂＝7，m＝m₁+m₂＝16，获取得到的所述研究曲线上的16个点的横坐标和纵坐标如表1所示：

表1  研究曲线上的多个点的横坐标和纵坐标表

步骤202、根据相似原理换算公式 $\left\{\begin{array}{c}\frac{Q_r}{Q_r^{\&prime;}}=\frac{n}{n^{\&prime;}}\\ \frac{H_r}{H_r^{\&prime;}}{\left(\frac{n}{n^{\&prime;}}\right)}^2\end{array}\right.,$ 并根据研究曲线上的第r个点的横坐标Q_r和纵坐标H_r，计算研究曲线上的第r个点对应的主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线上的第r个点的横坐标Q′_r和纵坐标H′_r；其中，所述主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线上的第r个点的横坐标Q′_r为主通风机在转速n′下的风量，所述主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线上的第r个点的纵坐标H′_r为主通风机在转速n′下的风压；取r＝1～m，计算得到研究曲线上的多个点对应的主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线上的多个点横坐标和纵坐标；

本实施例中，n′＝629r/min，计算得到研究曲线上的16个点对应的主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线上的16个点横坐标和纵坐标如表2所示：

表2  主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线上的16个点横坐标和纵坐标表

步骤203、根据主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线上的多个点横坐标和纵坐标，绘制出主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线上的多个点，并采用最小二乘法对该多个点进行四次曲线拟合，获得该多个点所在的主通风机在转速n′下的拟合曲线方程，即获得了主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线；

本实施例中，采用MALAB软件绘制出主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线上的多个点，并采用最小二乘法对该多个点进行四次曲线拟合，获得的主通风机在转速n′下的拟合曲线方程为：

H′＝-0.00010734Q′⁴+0.025065Q′³-2.3377Q′²-79.912Q′+1924.3；采用MALAB软件进行绘点和曲线拟合，会更加简单、有效、可靠，且拟合能达到很好的精度。而理论和实践表明，进行曲线拟合时，拟合次数过高或过低，拟合精度都不会高，当拟合次数过高时，图形会发生严重变形，失去了高次拟合曲线的意义，因此本实施例中，选用了四次曲线拟合。

步骤204、在横坐标为风量Q′、纵坐标为风压H′的直角坐标系下，绘制主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线图；

本实施例中，绘制出的主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线图如图4所示；由于根据实际情况，考虑主通风机的叶片角度调节的难度，并在使用变频器的条件下，当主通风机达到额定转速还满足不了煤矿风量实际需要时，才选择调整叶片安装角度，根据实际风量的需求，由变频器来调节主通风机转速然后满足实际要求；因此，画出主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线图，比不同的安装角度的通风机特性曲线更有实际意义。

步骤205、将主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线图上纵坐标最大的点的纵坐标的值定义为主通风机在转速n′下的最大静压值，根据最大静压值的90％确定出主通风机的转速为n′时主通风机的实际工作风压的最大阈值，并将转速为n′时主通风机的实际工作风压的最大阈值代入主通风机在转速n′下的拟合曲线方程中，得到主通风机在转速n′下的主通风机的实际工作风量的最小阈值Q_min，并在主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线图上绘制直线Q′＝Q_min作为左边界直线，如图5所示；

本实施例中，将步骤205所述主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线图上纵坐标最大的点表示为点E(Q_Emin,H_Emax)，获取点E(Q_Emin,H_Emax)的纵坐标H_Emax的值的具体过程为：

步骤2051、获取所述研究曲线上纵坐标最大的点C(Q_Cmin,H_Cmax)的纵坐标H_Cmax，具体过程为：

步骤20511、在所述研究曲线所在坐标范围内的坐标系中，寻找与所述研究曲线上纵坐标最大的点C(Q_Cmin,H_Cmax)距离最近的竖直网格线与水平网格线的交点D(Q_近C,H_近C)，并根据交点D(Q_近C,H_近C)所在水平网格线的纵坐标直接读出该交点的纵坐标H_近C；

步骤20512、用CAD软件中的线性标注工具量取所述研究曲线上纵坐标最大的点C(Q_Cmin,H_Cmax)的纵坐标H_Cmax的长度L_Cmax；

步骤20513、用CAD软件中的线性标注工具量取交点D(Q_近C,H_近C)的纵坐标H_近C的长度L_近C；

步骤20514、根据公式计算得到所述研究曲线上纵坐标最大的点C(Q_Cmin,H_Cmax)的纵坐标H_Cmax；

步骤2052、根据相似原理换算公式并根据所述研究曲线上纵坐标最大的点C(Q_Cmin,H_Cmax)的纵坐标H_Cmax，计算得到点E(Q_Emin,H_Emax)的纵坐标H_Emax的值。

本实施例中，计算得到的点E(Q_Emin,H_Emax)的纵坐标H_Emax的值为2384.3Pa，即主通风机在转速n′下的最大静压值为2384.3Pa，最大静压值2384.3Pa的90％为2145.87Pa，即主通风机的转速为n′时主通风机的实际工作风压的最大阈值为2145.87Pa，将2145.87Pa代入主通风机在转速n′下的拟合曲线方程H′＝-0.00010734Q′⁴+0.025065Q′³-2.3377Q′²-79.912Q′+1924.3中，得到主通风机在转速n′下的主通风机的实际工作风量的最小阈值Q_min＝76.31m³/s，因此在主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线图上绘制直线Q′＝76.31m³/s作为左边界直线；

步骤206、将所述研究曲线与风压效率为60％时风压效率与流量的关系曲线的交点的横坐标的值定义为主通风机在转速n′下的实际工作风量的最大阈值Q_max，并在主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线图上绘制直线Q′＝Q_max作为右边界直线，如图5所示；

本实施例中，步骤206中获取所述研究曲线与风压效率为60％时风压效率与流量的关系曲线的交点的横坐标的值的具体过程为：

步骤2061、在所述研究曲线所在坐标范围内的坐标系中，寻找与所述研究曲线与风压效率为60％时风压效率与流量的关系曲线的交点A(Q_max,H_min)距离最近的竖直网格线与水平网格线的交点B(Q_近A,H_近A)，并根据交点B(Q_近A,H_近A)所在竖直网格线的横坐标直接读出该交点的横坐标Q_近A；

步骤2062、用CAD软件中的线性标注工具量取交点A(Q_max,H_min)的横坐标Q_max的长度L_Amax；

步骤2063、用CAD软件中的线性标注工具量取交点B(Q_近A,H_近A)的横坐标Q_近A的长度L_近A；

步骤2064、根据公式计算得到交点A(Q_max,H_min)的横坐标Q_max。

本实施例中，所述研究曲线与风压效率为60％时风压效率与流量的关系曲线的交点的横坐标的值为97.393m³/s，即主通风机在转速n′下的实际工作风量的最大阈值Q_max＝97.393m³/s，因此在主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线图上绘制直线Q′＝97.393m³/s作为右边界直线；

由于从经济的角度出发，主通风机的运转效率不应低于60％，从稳定方面考虑，主通风机的工况点必须位于最大静压值点的右下侧、单调下降的一段曲线上；而由于轴流式主通风机的性能曲线存在马鞍形区域，为了防止矿井风阻偶尔增加等原因，使工况点进入不稳定区域，一般限定实际工作风压不得超过最大静压值的90％，因此本发明绘制了左边界直线Q′＝Q_min和右边界直线Q′＝Q_max，左边界直线Q′＝Q_min与右边界直线Q′＝Q_max之间的区域为主通风机的稳定性与经济性工作区域。

步骤207、将在左边界直线与右边界直线区域内的主通风机在转速n′下的特性曲线平均划分为N个区域，并将其中第i个区域定义为区域T_i，其中，N的取值为3～8的自然数，i＝1，2，…，N，区域T₁的横坐标区域，即风量区间为[Q_min，Q_min+ΔQ)，区域T_j的横坐标区域，即风量区间为[Q_min+(j-1)ΔQ，Q_min+jΔQ)，j＝2，…，N-1，区域T_N的横坐标区域，即风量区间为[Q_min+(N-1)ΔQ，Q_max]，ΔQ为各个区域的风量变化量且

本实施例中，取N＝5，将在左边界直线Q′＝76.31m³/s与右边界直线Q′＝97.393m³/s区域内的主通风机在转速n′下的特性曲线平均划分为5个区域，区域T₁的横坐标区域，即风量区间为[76.31m³/s,80.5266m³/s)，区域T₂的横坐标区域，即风量区间为[80.5266m³/s,84.7432m³/s)，区域T₃的横坐标区域，即风量区间为[84.7432m³/s,88.9598m³/s)，区域T₄的横坐标区域，即风量区间为[88.9598m³/s,93.1764m³/s)，区域T₅的横坐标区域，即风量区间为[93.1764m³/s,97.393m³/s]；

步骤208、采用10分制给N个区域的稳定性和经济性分别进行评分，且将区域T_i的稳定性的评分定义为A_i，将区域T_i的经济性的评分定义为B_i，根据公式确定出区域T_i的稳定性和经济性的综合评分F_i，其中，J为经济性的加权系数且J的取值为0.2～0.4，W为稳定性的加权系数且W的取值为0.6～0.8，且J+W＝1；A_i的取值和B_i的取值均为6～10的正整数；

本实施例中，J的取值为0.2，W的取值为0.8，区域T₁～T₅的稳定性的评分、经济性的评分和综合评分如表3所示：

表3  区域T₁～T₅的稳定性的评分、经济性的评分和综合评分表

步骤209、根据区域T_i的稳定性和经济性的综合评分F_i的大小，定义主通风机的稳定性与经济性综合运行状态等级，并根据区域T_i对应的风量区间构建起风量区间与主通风机的稳定性与经济性综合运行状态的对应关系，即构建出了主通风机的转速为n′时的主通风机稳定性与经济性评价模型。

本实施例中，步骤209中，当区域T_i的稳定性和经济性的综合评分F_i的取值为0.9≤F_i<1时，定义主通风机在区域T_i内的稳定性与经济性综合运行状态等级为很好；当区域T_i的稳定性和经济性的综合评分F_i的取值为0.8≤F_i<0.9时，定义主通风机在区域T_i内的稳定性与经济性综合运行状态等级为好；当区域T_i的稳定性和经济性的综合评分F_i的取值为0.7≤F_i<0.8时，定义主通风机在区域T_i内的稳定性与经济性综合运行状态等级为较好；当区域T_i的稳定性和经济性的综合评分F_i的取值为0.6≤F_i<0.7时，定义主通风机在区域T_i内的稳定性与经济性综合运行状态等级为一般；当区域T_i的稳定性和经济性的综合评分F_i的取值为F_i<0.6时，定义主通风机在区域T_i内的稳定性与经济性综合运行状态等级为差。

本实施例中，区域T₁的稳定性和经济性的综合评分F₁的取值为0.6，因此定义主通风机在区域T₁内的稳定性与经济性综合运行状态等级为一般，而区域T₁对应的风量区间为[76.31m³/s,80.5266m³/s)，因此风量区间[76.31m³/s,80.5266m³/s)内，主通风机的稳定性与经济性综合运行状态等级为一般；区域T₂的稳定性和经济性的综合评分F₂的取值为0.72，因此定义主通风机在区域T₂内的稳定性与经济性综合运行状态等级为较好，而区域T₂对应的风量区间为[80.5266m³/s,84.7432m³/s)，因此风量区间[80_.5266m³/s,84.7432m³/s)内，主通风机的稳定性与经济性综合运行状态等级为较好；区域T₃的稳定性和经济性的综合评分F₃的取值为0.84，因此定义主通风机在区域T₃内的稳定性与经济性综合运行状态等级为好，而区域T₃对应的风量区间为[84.7432m³/s,88.9598m³/s)，因此风量区间[84.7432m³/s,88.9598m³/s)内，主通风机的稳定性与经济性综合运行状态等级为好；区域T₄的稳定性和经济性的综合评分F₄的取值为0.88，因此定义主通风机在区域T₄内的稳定性与经济性综合运行状态等级为好，而区域T₄对应的风量区间为[88.9598m³/s,93.1764m³/s)，因此风量区间[88.9598m³/s,93.1764m³/s)内，主通风机的稳定性与经济性综合运行状态等级为好；区域T₅的稳定性和经济性的综合评分F₅的取值为0.92，因此定义主通风机在区域T₅内的稳定性与经济性综合运行状态等级为很好，而区域T₅对应的风量区间为[93.1764m³/s,97.393m³/s]，因此风量区间[93.1764m³/s,97.393m³/s]内，主通风机的稳定性与经济性综合运行状态等级为很好。将以上文字描述的主通风机的转速为n′时的主通风机稳定性与经济性评价模型列表表示为表4：

表4  主通风机的转速为n′时的主通风机稳定性与经济性评价模型表

具体实施时，例如，计算机3接收到的实时风量信号为96m³/s，与主通风机的转速为n′时的主通风机稳定性与经济性评价模型进行对比，96m³/s在风量区间[93.1764m³/s,97.393m³/s]内，因此此时主通风机的稳定性与经济性综合运行状态为很好；例如，计算机3接收到的实时风量信号为90m³/s，与主通风机的转速为n′时的主通风机稳定性与经济性评价模型进行对比，90m³/s在风量区间[88.9598m³/s,93.1764m³/s)内，因此此时主通风机的稳定性与经济性综合运行状态为好；例如，计算机3接收到的实时风量信号为87m³/s，与主通风机的转速为n′时的主通风机稳定性与经济性评价模型进行对比，87m³/s在风量区间[84.7432m³/s,88.9598m³/s)内，因此此时主通风机的稳定性与经济性综合运行状态为好；例如，计算机3接收到的实时风量信号为82m³/s，与主通风机的转速为n′时的主通风机稳定性与经济性评价模型进行对比，82m³/s在风量区间[80.5266m³/s,84.7432m³/s)内，因此此时主通风机的稳定性与经济性综合运行状态为较好；例如，计算机3接收到的实时风量信号为78m³/s，与主通风机的转速为n′时的主通风机稳定性与经济性评价模型进行对比，78m³/s在风量区间[76.31m³/s,80.5266m³/s)内，因此此时主通风机的稳定性与经济性综合运行状态为一般。

采用上述的方法对矿用主通风机稳定性与经济性进行实时检测，有利于对主通风机运行状况稳定性和经济性进行综合评价，由于主通风机的合理工作区是相对安全高效(即稳定经济)的区域，若此时主通风机的工况点处于不稳定区域或者趋近于不稳定区域，即风量区间[76.31m³/s,80.5266m³/s)以左的区域，可以提前提醒现场值班人员，并有针对性的解决问题，起到预防主通风机在不稳定区域运行的作用，从而有效的避免因主通风机在不稳定区域所带来的故障，甚至灾难性事故；若此时主通风机的工况点处于不经济的区域，即风量区间[93.1764m³/s,97.393m³/s]以右的区域，可以提前提醒现场值班人员，并有针对性的解决问题，如通过调频或调节叶片安装角度使主通风机的工况点始终处于合理工作区，从而提高主通风机的效率，为企业带来最直接的经济效果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种矿用主通风机稳定性与经济性实时检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、风量传感器(1)对主通风机的风量进行实时检测，数据采集装置(2)对风量传感器(1)检测到的实时风量信号进行采集并实时传输给计算机(3)；

步骤二、计算机(3)接收数据采集装置(2)传输的实时风量信号，并将实时风量信号与计算机(3)预先构建的主通风机的转速为n′时的主通风机稳定性与经济性评价模型进行对比，得到主通风机的稳定性与经济性综合运行状态；其中，主通风机的转速为n′时的主通风机稳定性与经济性评价模型为多个不同风量区间与主通风机的稳定性与经济性综合运行状态的对应关系模型；

计算机(3)预先构建主通风机的转速为n′时的主通风机稳定性与经济性评价模型的具体过程如下：

步骤201、将厂家提供的主通风机特性曲线图绘制为CAD图，并选取主通风机特性曲线中的其中一条风量与风压的关系曲线为研究曲线，获取所述研究曲线上的多个点的横坐标和纵坐标；

其中，所述研究曲线上的第r个点的横坐标Q_r为主通风机在额定转速n下的风量，所述研究曲线上的第r个点的纵坐标H_r为主通风机在额定转速n下的风压，r为1～m的自然数，m为要获取的所述研究曲线上的点的数量且m为不小于4的自然数；

步骤202、根据相似原理换算公式 $\left\{\begin{array}{c}\frac{Q_r}{Q_r^{\&prime;}}=\frac{n}{n^{\&prime;}}\\ \frac{H_r}{{H_r}^{\&prime;}}={\left(\frac{n}{n^{\&prime;}}\right)}^2\end{array}\right.,$ 并根据研究曲线上的第r个点的横坐标Q_r和纵坐标H_r，计算研究曲线上的第r个点对应的主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线上的第r个点的横坐标Q′_r和纵坐标H′_r；其中，所述主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线上的第r个点的横坐标Q′_r为主通风机在转速n′下的风量，所述主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线上的第r个点的纵坐标H′_r为主通风机在转速n′下的风压；取r＝1～m，计算得到研究曲线上的多个点对应的主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线上的多个点横坐标和纵坐标；

步骤203、根据主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线上的多个点横坐标和纵坐标，绘制出主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线上的多个点，并采用最小二乘法对该多个点进行四次曲线拟合，获得该多个点所在的主通风机在转速n′下的拟合曲线方程，即获得了主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线；

步骤204、在横坐标为风量Q′、纵坐标为风压H′的直角坐标系下，绘制主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线图；

步骤205、将主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线图上纵坐标最大的点的纵坐标的值定义为主通风机在转速n′下的最大静压值，根据最大静压值的90％确定出主通风机的转速为n′时主通风机的实际工作风压的最大阈值，并将转速为n′时主通风机的实际工作风压的最大阈值代入主通风机在转速n′下的拟合曲线方程中，得到主通风机在转速n′下的主通风机的实际工作风量的最小阈值Q_min，并在主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线图上绘制直线Q′＝Q_min作为左边界直线；

步骤206、将所述研究曲线与风压效率为60％时风压效率与流量的关系曲线的交点的横坐标的值定义为主通风机在转速n′下的实际工作风量的最大阈值Q_max，并在主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线图上绘制直线Q′＝Q_max作为右边界直线；

步骤207、将在左边界直线与右边界直线区域内的主通风机在转速n′下的特性曲线平均划分为N个区域，并将其中第i个区域定义为区域T_i，其中，N的取值为3～8的自然数，i＝1，2，…，N，区域T₁的横坐标区域，即风量区间为[Q_min，Q_min+ΔQ)，区域T_j的横坐标区域，即风量区间为[Q_min+(j-1)ΔQ，Q_min+jΔQ)，j＝2，…，N-1，区域T_N的横坐标区域，即风量区间为[Q_min+(N-1)ΔQ，Q_max]，ΔQ为各个区域的风量变化量且

步骤208、采用10分制给N个区域的稳定性和经济性分别进行评分，且将区域T_i的稳定性的评分定义为A_i，将区域T_i的经济性的评分定义为B_i，根据公式确定出区域T_i的稳定性和经济性的综合评分F_i，其中，J为经济性的加权系数且J的取值为0.2～0.4，W为稳定性的加权系数且W的取值为0.6～0.8，且J+W＝1；A_i的取值和B_i的取值均为6～10的正整数；

步骤209、根据区域T_i的稳定性和经济性的综合评分F_i的大小，定义主通风机在区域T_i内的稳定性与经济性综合运行状态等级，并根据区域T_i对应的风量区间构建起风量区间与主通风机的稳定性与经济性综合运行状态的对应关系，即构建出了主通风机的转速为n′时的主通风机稳定性与经济性评价模型。

2.按照权利要求1所述的矿用主通风机稳定性与经济性实时检测方法，其特征在于：步骤201中获取所述研究曲线上的多个点的横坐标和纵坐标的具体过程为：

步骤2011、在所述研究曲线所在坐标范围内的坐标系中，绘制多条平行于横坐标的水平网格线和多条平行于纵坐标的竖直网格线，多条所述水平网格线和多条所述竖直网格线均均匀设置；

步骤2012、找出所述研究曲线与多条所述水平网格线的交点，对于所述研究曲线与其中一条所述水平网格线的交点X_p(Q_p,H_p)，首先根据交点X_p(Q_p,H_p)所在水平网格线的纵坐标直接读出该交点的纵坐标H_p，然后读出交点X_p(Q_p,H_p)所在水平网格线与该交点左相邻的竖直网格线相交的交点X_左(Q_左,H_左)的横坐标Q_左，并读出交点X_p(Q_p,H_p)所在水平网格线与该交点右相邻的竖直网格线相交的交点X_右(Q_右,H_右)的横坐标Q_右，再用CAD软件中的线性标注工具量取交点X_左(Q_左,H_左)与交点X_p(Q_p,H_p)之间的水平距离L′，量取交点X_左(Q_左,H_左)与交点X_右(Q_右,H_右)之间的水平距离L，最后根据公式计算得到交点X_p(Q_p,H_p)的横坐标Q_p；其中，p为1～m₁的自然数，m₁为所述研究曲线与多条所述水平网格线的交点的总数且m₁为不小于2的自然数；

步骤2013、找出所述研究曲线与多条所述竖直网格线的交点，对于所述研究曲线与其中一条所述竖直网格线的交点Y_q(Q_q,H_q)，首先根据交点Y_q(Q_q,H_q)所在竖直网格线的横坐标直接读出该交点的横坐标Q_q，然后读出交点Y_q(Q_q,H_q)所在竖直网格线与该交点上相邻的水平网格线相交的交点Y_上(Q_上,H_上)的纵坐标H_左，并读出交点Y_q(Q_q,H_q)所在竖直网格线与该交点下相邻的水平网格线相交的交点Y_下(Q_下,H_下)的纵坐标H_下，再用CAD软件中的线性标注工具量取交点Y_下(Q_下,H_下)与交点Y_q(Q_q,H_q)之间的竖直距离S′，量取交点Y_下(Q_下,H_下)与交点Y_上(Q_上,H_上)之间的水平距离S，最后根据公式计算得到交点Y_q(Q_q,H_q)的纵坐标H_q；其中，q为1～m₂的自然数，m₂为所述研究曲线与多条所述水平网格线的交点的总数且m₂为不小于2的自然数，m＝m₁+m₂。

3.按照权利要求2所述的矿用主通风机稳定性与经济性实时检测方法，其特征在于：将步骤205所述主通风机在转速n′下的风量与风压的关系曲线图上纵坐标最大的点表示为点E(Q_Emin,H_Emax)，获取点E(Q_Emin,H_Emax)的纵坐标H_Emax的值的具体过程为：

步骤2051、获取所述研究曲线上纵坐标最大的点C(Q_Cmin,H_Cmax)的纵坐标H_Cmax，具体过程为：

步骤20511、在所述研究曲线所在坐标范围内的坐标系中，寻找与所述研究曲线上纵坐标最大的点C(Q_Cmin,H_Cmax)距离最近的竖直网格线与水平网格线的交点D(Q_近C,H_近C)，并根据交点D(Q_近C,H_近C)所在水平网格线的纵坐标直接读出该交点的纵坐标H_近C；

步骤20512、用CAD软件中的线性标注工具量取所述研究曲线上纵坐标最大的点C(Q_Cmin,H_Cmax)的纵坐标H_Cmax的长度L_Cmax；

步骤20513、用CAD软件中的线性标注工具量取交点D(Q_近C,H_近C)的纵坐标H_近C的长度L_近C；

步骤20514、根据公式计算得到所述研究曲线上纵坐标最大的点C(Q_Cmin,H_Cmax)的纵坐标H_Cmax；

步骤2052、根据相似原理换算公式并根据所述研究曲线上纵坐标最大的点C(Q_Cmin,H_Cmax)的纵坐标H_Cmax，计算得到点E(Q_Emin,H_Emax)的纵坐标H_Emax的值。

4.按照权利要求2所述的矿用主通风机稳定性与经济性实时检测方法，其特征在于：步骤206中获取所述研究曲线与风压效率为60％时风压效率与流量的关系曲线的交点的横坐标的值的具体过程为：

步骤2061、在所述研究曲线所在坐标范围内的坐标系中，寻找与所述研究曲线与风压效率为60％时风压效率与流量的关系曲线的交点A(Q_max,H_min)距离最近的竖直网格线与水平网格线的交点B(Q_近A,H_近A)，并根据交点B(Q_近A,H_近A)所在竖直网格线的横坐标直接读出该交点的横坐标Q_近A；

步骤2062、用CAD软件中的线性标注工具量取交点A(Q_max,H_min)的横坐标Q_max的长度L_Amax；

步骤2063、用CAD软件中的线性标注工具量取交点B(Q_近A,H_近A)的横坐标Q_近A的长度L_近A；

步骤2064、根据公式计算得到交点A(Q_max,H_min)的横坐标Q_max。

5.按照权利要求1所述的矿用主通风机稳定性与经济性实时检测方法，其特征在于：步骤209中，当区域T_i的稳定性和经济性的综合评分F_i的取值为0.9≤F_i<1时，定义主通风机在区域T_i内的稳定性与经济性综合运行状态等级为很好；当区域T_i的稳定性和经济性的综合评分F_i的取值为0.8≤F_i<0.9时，定义主通风机在区域T_i内的稳定性与经济性综合运行状态等级为好；当区域T_i的稳定性和经济性的综合评分F_i的取值为0.7≤F_i<0.8时，定义主通风机在区域T_i内的稳定性与经济性综合运行状态等级为较好；当区域T_i的稳定性和经济性的综合评分F_i的取值为0.6≤F_i<0.7时，定义主通风机在区域T_i内的稳定性与经济性综合运行状态等级为一般；当区域T_i的稳定性和经济性的综合评分F_i的取值为F_i<0.6时，定义主通风机在区域T_i内的稳定性与经济性综合运行状态等级为差。