史赛峰
浙江友联修造船有限公司 浙江舟山 316000
[摘要]螺杆泵对高粘度流体的输送和含有硬质悬浮颗粒介质或含有纤维介质的输送，有一般泵种所不能胜任的特性，故在船舶上被广泛使用于吸排黏稠液体介质。同时也存在明显的缺点，就是对介质变化比较敏感，其橡胶定子容易被瞬间产生高温而烧坏。所以根据螺杆泵的用途来选用合理可靠的防干磨保护方式，则可以避免被烧毁的情况发生。
[关键词] 螺杆泵；防干磨保护；引水电磁阀；定子部件
1. 前言
随着全球贸易的不断加强，世界航运业也得到了迅猛发展，船舶的数量与日俱增，其中船舶机械设备的使用性能和安全可靠性越来越受到广大航运公司的重视。螺杆泵因具有结构简单、工作安全可靠、使用维护方便、出液连续均匀、压力稳定、自吸能力强等优点，且适用于吸排黏稠液体，在船舶上被广泛使用于驳运舱底水、油渣、污水等介质。但螺杆泵也存在明显的缺点，就是对吸排的介质变化比较敏感，如吸入泵体的液体中混入固体杂物，则会对螺杆泵的橡胶材质定子造成损坏，所以确保杂物不进入泵的腔体是非常重要的，更重要的是螺杆泵决不允许在干抽的条件下运转，一经发生就容易造成橡胶定子干磨，使之被瞬间产生的高温而损坏。为了进一步降低航运成本，如何提高船舶机械设备工作的可靠性成为人们日益关注的焦点问题。这里对于螺杆泵的参数选型不做详细介绍，本文将以某泵业公司生产的单螺杆泵的三种防干磨保护配置为例进行探讨预防螺杆泵定子被烧毁的最合理方法。
2. 螺杆泵的组成和工作原理
为了便于理解，以下主要对单螺杆泵的组成和工作原理进行列举说明。
2.1 螺杆泵的组成
1)单螺杆泵主要组成部分：排出体（出口侧）、转子（螺杆轴）、定子部件（橡胶衬套/腔体）、转动部件、吸入体、密封部分、轴承部件[1]。
2)电控部分：电气控制箱主要根据电动机参数实现其起动、停止、故障保护，防干磨保护等功能。
3)配套辅助工具部分：如压力表、流量表、温度表、电磁阀、压力开关、温度传感器等。
2.2 螺杆泵的工作原理
螺杆泵是一种基于阿基米德螺旋泵衍生的容积泵，它的主要工作部件是依靠螺杆轴（转子）与橡胶套（腔体/定子）相互啮合。其工作原理是当电动机带动泵轴转动时，螺杆一方面绕本身的轴线旋转，另一方面它又沿衬套内表面滚动，于是形成泵的密封腔室，螺杆每转一周，密封腔内的液体向前推进一个螺距，随着螺杆的连续转动，液体螺旋形方式从一个密封腔压向另一个密封腔，最后挤出泵体[2]。故单螺杆泵在工作时，定子橡胶衬套与转子处于摩擦状态，而单螺杆泵定子橡胶是易损构件，它与转子的配合状况对单螺杆泵的工作性能影响显著，决定着单螺杆泵的效率和寿命[3]，所以对单螺杆泵橡胶衬套与转子的接触状况的保护是非常重要的。
3 螺杆泵防干磨保护方式
船用螺杆泵的防干磨保护配置一般由泵组供应商根据驳运介质的工况提供推荐选项。例如：简易方案-仅配置吸口侧引水电磁阀（A）;标准方案-配置吸口侧引水电磁阀和腔体定子部件温度传感器（A+C）;专业方案-配置吸口侧引水电磁阀和出口侧压力传感器及腔体定子部件温度传感器（A+B+C）。如图3-1所示。
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3.1螺杆泵的防干磨保护配置一 - 简易方案：仅配置吸口侧引水电磁阀。
根据泵组供应商提供的螺杆泵防干磨保护简易方案：当选用吸口侧引水电磁阀防止干磨时，电气控制箱内需要配备延时继电器，在泵组开始运行前，吸口侧电磁阀首先打开提供引水。待延时一段时间间隔后，排出口建立起压力，可关断电磁阀停止引水，之后正式运行螺杆泵。这样设计的目的是为了防止螺杆泵开启运转时，驳运的介质从泵组吸入管口至排出管口之前那段时间，腔体定子处于干运行状态，若加入引水则可防止腔体定子部件因瞬间产生高温而烧坏情况。但这样的方案存在明显的弊端，即无法实时监测腔体定子部件使用状态，一旦发生干抽就会导致烧泵现象。
简易方案如图3-2控制原理图一所示：
按下S1起动按钮后（时间继电器KT动作后瞬时辅助触点对起动信号自保），电磁阀得电动作开启泵组吸口侧引水，同时时间继电器KT也开始计时（延时设定时间可根据现场调试工况调整，假设设定延时时间为25s），待延时25s之后， KT通电延时闭合触点动作，电机主接触器KM得电闭合，电机正式驱动泵运行，同时KM常闭触点动作，电磁阀回路被切断，引水停止。
3.2 螺杆泵的防干磨保护配置二 - 标准方案：配置吸口侧引水电磁阀和腔体定子部件温度传感器。
根据泵组供应商提供的螺杆泵防干磨保护标准方案：当选用吸口侧引水电磁阀+腔体定子部件温度传感器的防干磨保护组合配置时，电气控制箱中吸口侧引水电磁阀的回路与电机主回路同时被起动按钮按下后接通，并一直处于开启引水状态。同时温度传感器会实时监测腔体定子部件温度，以便在出现高温被烧坏情况之前就直接停止电机运行。这样的设计目的主要是为了满足泵组运行时注入足够引水以防干运行及万一在抽空介质之后腔体定子部件发生高温时可立即停止电机运行，但在泵运转时引水是连续不停的，所以容易使引水混入所驳运的介质中，同时也会增加引水的消耗量。
标准方案如图3-3控制原理图二所示：
在按下S1起动按钮之后，电磁阀得电动作开启泵组吸口侧引水，同时电机主接触器KM得电动作(KM动作后辅助触点对起动信号自保)，电机驱动泵开始运行。而温度传感器则实时监测着腔体定子部件温度，一旦发现温度高于设定值（泵组供应商推荐设定温度为环境温度或者介质温度中较高值加10℃，但≤80℃），温度控制器则会发出触点断开信号，切断电机主接触器KM回路，从而使泵组立即停止运行。
3.3 螺杆泵的防干磨保护配置三 - 专业方案：配置吸口侧引水电磁阀和出口侧压力传感器及腔体定子部件温度传感器。
根据泵组供应商提供的螺杆泵防干磨保护专业方案：当选用吸口侧引水电磁阀+出口侧压力开关+腔体定子部件温度传感器的防干磨保护组合配置时，电气控制箱中可将吸口侧引水电磁阀与出口侧压力开关回路串联在一起，以便压力开关在实时监测排出口出压力后，直接控制引水电磁阀的开闭状态。同时温度传感器也会实时监测腔体定子部件温度，以便在出现高温被烧坏情况之前就直接停止电机运行。这样的设计目的主要是为了满足腔体定子部件内充满介质之后可立即停止引水，从而减少引水混入所驳运的介质，也避免了引水的消耗。同时如发生吸入口被间断性的阻塞或者干抽情况下，可重新提供引水润滑，且若长时间处于该种引水空转工况下，泵膛内产生高温就会被立即检测发出报警或直接停止电机运行。
专业方案如图3-4控制原理图三所示：
在按下S1起动按钮之后，电磁阀得电动作开启泵组吸口侧引水，同时电机主接触器KM得电动作(KM动作后辅助触点对起动信号自保)，电机驱动泵开始运行。之后待螺杆泵腔体充满介质，泵组排出口侧建立起压力高于压力开关设定点时（假设设定为1Bar），压力开关动作，使引水电磁阀回路断开，停止引水。同时压力开关实时监测排出口侧压力，一旦发生压力小于1Bar时，压力开关复位闭合，引水电磁阀回路被重新连通，再次开始引水。而温度传感器则实时监测着腔体定子部件温度，一旦发现温度高于设定值，温度控制器则会发出触点断开信号，切断主接触器KM回路，电机立即停止运行。
4. 螺杆泵防干磨保护配置设计总结。
第一种螺杆泵的防干磨保护配置-简易方案，只在泵开启前提供吸口侧引水，但无法监测后期运行时泵组发生堵塞或高温情况，所以该方案仅适用于驳运不太粘稠的介质，且需要安排操作人员就地实时监控腔体侧是否有堵塞现象。所以该方案现已逐渐被船东及供应商所抛弃。
第二种螺杆泵的防干磨保护配置-标准方案，在吸口侧持续提供引水，同时利用温度传感器实时监测腔体定子部件温度变化。满足泵组运行时注入足够引水以防止干磨运行及万一在抽空介质之后发生高温情况时可立即停止泵组运行的保护功能。所以该方案以保护船舶泵组为主，尤其适用于驳运液体粘稠，流动性差，容易阻塞吸口的介质。如驳运排出船外的油渣，污水排放时选用标准方案最为合理。
第三种螺杆泵的防干磨保护配置-专业方案，在吸口侧提供足够引水，同时利用压力开关和温度传感器实时监测排出口侧压力和腔体定子部件温度变化。考虑到一般船舶在驳运舱底水时不能经常停泵,且如果是少量的吸口侧阻塞,有可能靠泵的自身吸力将阻塞冲开,同时依靠出口侧的压力开关来控制引水供给,可预防持续的引水混入所驳运的介质中。所以该方案主要以维持泵组运行及保护原有介质特性为主。如驳运日用舱底水，焚烧炉燃烧处理的油渣时选用专业方案最为合理。
6. 结语
本文从控制原理方面介绍了螺杆泵的防干磨保护方式，并针对螺杆泵在使用过程中对防干磨保护方式的选择问题做了总结分析,为船舶技术人员对设备进行管理和维护提供了参考。随着航运业不断的发展，安全、可靠、绿色、高效将成为今后船东对于船舶系统设备的发展要求。螺杆泵的防干磨保护方式的选用也应遵循合理可靠的原则，根据不同的用途采用不同的控制和保护方式，以保证其在使用过程中的安全、可靠、高效。
参考文献
[1] 周连考,龚绍海．单螺杆泵的设计与试验研究[J]．水泵技术,1999,000(003):19-25
[2] 李晓玲．单螺杆泵输油常见故障处理与维护[J]．设备管理与维修,2019,000(007):56-57
[3] 操建平,孟庆昆,高圣平,王向东,胡贵．单螺杆泵的接触疲劳磨损分析[J]．水泵技术,2011,000(003):1-6,13