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聚合物加工用熔体齿轮泵的开发与应用 |
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作者：北京化工大学 董奇 江波 黄娜斌 来源：雅式工业专网 |
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如今，聚合物熔体齿轮泵已经广泛应用于化纤、薄膜、型材、管材、板材、线缆、复合挤出、造粒等生产线，可加工的物料涵盖了大部分高分子材料，如：PE、PC、PP、PVC、HIPS、PS、PET、PUR、含氟聚合物、聚碸、聚酯、热塑性弹性体、橡胶以及热粘合剂等。
聚合物熔体齿轮泵作为一种具有正位移输送特性的静压式容积泵，它是按照容积封闭输送的原理操作的。通过由齿轮的齿与齿之间的缝隙构成的多个几乎成封闭的腔室，将输送介质（聚合物熔体）由低压侧向高压侧输送。通过这些齿的动作使低压侧与高压侧在齿的顶端相互分开从而起到密封作用。通过一对齿轮的旋转啮合，使进料端的齿槽自由松开，容积增大并充满物料。在出料端，齿槽容积通过齿的啮合又重新变小，从而挤出物料。
熔体齿轮泵的性能
熔体齿轮泵作为挤出机的辅助装置，主要有以下几点优越性能。
（1）实现稳定挤出，提高挤出制品尺寸精度，降低废品率。
在挤出工艺过程中，物料加料量的不均匀、机筒和机头温度的波动、螺杆转速的脉动等现象是难以避免的。在精密挤出生产线中，使用熔体齿轮泵可消除加料系统的加料误差，进一步提高系统的稳定性。
（2）提高产量，降低能耗，实现低温挤出，延长机器的寿命。
由于挤出机上安装了聚合物熔体齿轮泵，把挤出机的建压功能转移到齿轮泵上完成，挤出机可以在低压、低温状态下工作，漏流量大大减少，产量提高。
（3）具有线性挤出特性，便于上、下游设备协调工作。
由于齿轮泵漏流量较少，泵的输送能力与转速基本成线性关系，齿轮泵转速改变后，其流量就能确切地知道，由此可以确定上、下游设备与齿轮泵同步的工作速度，并利用齿轮泵入口、出口处采集的压力、温度等信息资料，实现整个挤出过程全程在线监测与反馈控制。
（4）降低生产成本，提高企业竞争力。
由于挤出系统使用齿轮泵之后可以降低废品率，降低能耗，因此可以节约企业的生产成本。例如在橡胶生产中，齿轮泵在混炼与挤出过程的应用经验表明，采用齿轮泵可使挤出机螺杆寿命增加近1倍。在橡胶加工设备上安装齿轮泵所需的投资回收期一般为1年，大型系统投资回收期通常更短。在降低成本的同时，产品质量也得到提高，从而提高了企业的竞争力。
不同类型熔体齿轮泵的用途和特点
用于塑料挤出的熔体齿轮泵
塑料熔体齿轮泵主要用于加工粘度相对较低的热塑性聚合物熔体，在国内外得到广泛的应用，可用于大部分塑料制品的挤出成型中。尤其在双向拉伸薄膜、无纺布、涂层、电线电缆、多层复合膜、化纤等精密挤出成型领域，塑料熔体齿轮泵得到了广泛的应用。目前，国内外对塑料熔体齿轮泵的原理、性能、结构特点和应用技术等方面均有一定程度的研究。
北京化工大学橡塑机械研究所经过多年对熔体齿轮泵的系统研究，已成功完成塑料熔体齿轮泵的系列开发和研制，现已能够设计制造塑料熔体齿轮泵产品如28/28（中心距/齿宽）、56/56、70/70、90/90等，最大出入口压力差可达30MPa，能够满足各种产量的要求，并已在实际中得到应用，取得良好的效果。图1为北京化工大学自行开发研制的PCP28/28塑料熔体齿轮泵。
图1 PCP28/28塑料熔体齿轮泵
塑料熔体齿轮泵主要采用由聚合物熔体自润滑的滑动轴承结构形式，这是塑料熔体齿轮泵最显著的结构特点，也是熔体齿轮泵中最主要的一种结构形式。一台完整的齿轮泵装置包括电机、减速器、联轴器、控制部分和泵体。泵体部分由主泵体、前后侧盖、齿轮轴、滑动轴承和密封轴承构成。
泵体的内部有温控夹套，用于精确控制齿轮泵内部的温度。两侧分别是进出口法兰，进口直径比出口大，这对于高粘度、低压力的吸入条件尤为重要，可提高泵效率及运转的稳定性。
齿轮是齿轮泵的关键部分。齿轮按齿向分有直齿、斜齿和人字齿三种。斜齿轮与直齿轮相比，齿轮啮合的重合度增加，啮合时能对物料进行连续、平稳的挤压，减小压力的波动，同时由于其旋转时的自洁作用，可以保持齿根的清洁，避免物料的沉积分解，但工作时会产生轴向力，影响轴承的使用寿命，也会加剧齿侧间隙内熔体的剪切，因此斜角不能太大。直齿轮工作时产生均衡的轴承载荷，而且加工费用低。其主要缺点是压力波动幅度较大。人字齿轮既能实现较为平稳的挤压，同时又能平衡轴向力，兼有斜齿轮和直齿轮的优点，但是人字齿轮在齿根处容易使物料滞留，且加工成本较高。
在聚合物熔体齿轮泵中大都采用“D”型滑动轴承，这是因为滑动轴承结构简单，安装方便、工作噪声低、抗冲击性能好，而且高聚物本身就是很好的润滑剂，可以形成良好的动润滑膜，能承受齿轮轴上相当高的载荷。
用于橡胶挤出的熔体齿轮泵
橡胶熔体齿轮泵主要用于橡胶的挤出成型中。与塑料熔体齿轮泵类似，由于橡胶熔体齿轮泵的工作特性硬，对不同胶料的种类、机头阻力和操作工艺条件适应性强，因此应用范围非常广泛，尤其在精密挤出成型和滤胶工艺以及压延喂料中具有明显的优势，已成为国际橡胶和热塑性弹性体加工领域中的一个新的热点，引起业内人士的广泛关注。相关的研究表明：橡胶齿轮泵挤出机可应用于橡胶的过滤、预热、塑化和成型，向压延机进行挤出供料，与热喂料挤出机、冷喂料挤出机以及冷喂料排气挤出机相配，进行轮胎胶胚的复合挤出、输送、牵引带、平板制品、胶管、胶条、内胎、电线电缆的挤出成型和胶辊的包胶以及高容量铸模的填充。目前齿轮泵在橡胶工业中应用时间并不长，据Froester公司称，它将齿轮泵与常规的GS挤出机、QSM（销钉）挤出机和排气挤出机组合后，使该家公司生产的橡胶制品在精度和质量上达到国际最高水平。
图2 XCP150/100橡胶熔体齿轮泵
为了满足国内对于橡胶熔体齿轮泵的需求，北京化工大学与北京航空制造工程研究所以及杭州朝阳橡胶有限公司三方合作，已开始研制XCP150/100、XCP120/90两个型号的橡胶熔体齿轮泵挤出机组。图2为XCP150/100橡胶熔体齿轮泵的外观效果图。其主要特点为：
1. 机组具有理想的工作特性，保证挤出量与齿轮泵的转速成线性关系，可以实现对产量精确控制，提高产品的尺寸精度。利用齿轮泵入口、出口处采集的压力、温度等信息资料，使上、下游设备与齿轮泵同步工作，实现整个挤出过程全程在线监视与反馈控制。
2. 采用独特的温控方式，能实现精确的温度闭环控制，将胶料的温度严格控制在设定的温度范围之内，防止胶料焦烧，并能实现低温挤出。
3. 采用特殊的结构形式，可以有效的防止胶料泄漏，实现自清洁。
4. 通过在与齿轮接触的端盖上卸荷槽，消除“困油”现象对齿轮泵的不良影响，提高齿轮泵的寿命，增加胶料输送的稳定性。
5. 齿轮泵采用一对变位斜齿轮相啮合，齿轮与轴为一体，齿轮轴采用高耐磨材料，齿面经高频淬火，表面硬度达到HRC58-62，精度等级为6HK。
6. 齿轮泵的喂料口和出料口采用独特的设计，使物料喂入齿轮泵流畅，不易产生滞留和气穴，齿轮轴所受的径向力减小，提高了轴承寿命。
挤出机与齿轮泵的一体化
传统的齿轮泵–挤出机组由于挤出机和齿轮需要单独驱动（电机、减速器）、单独控制，使得整个机组的占地面积较大，成本较高。挤出机在配备齿轮泵后，挤出机–齿轮泵机组系统所消耗的功率或所需的扭矩要比传统的冷喂料挤出机低得多。因此，配备有标准驱动功率的挤出机还应当具有较大的扭矩余量可供使用。一体化齿轮泵挤出机的螺杆正是利用了这些扭矩余量，实现齿轮泵与挤出机的一体化。这样就可以去掉不必要的独立驱动机构。
其具体结构为：在标准的双螺纹挤出机螺杆的喂料段后部装上四螺纹螺杆段。四螺纹挤出机螺杆的几何结构被均匀转变成实际齿轮泵的几何结构。齿轮泵本身含有4个行星齿轮，行星齿轮可绕自身的轴承旋转。这些行星齿轮与空心齿轮（机筒）啮合。物料通过4个输送螺纹被送入齿轮泵。在一定的压力作用下，物料一部分被压入行星齿轮的齿间，一部分被压入外壁空心齿轮的齿间。每个旋转的行星齿轮都承载着物料支流并使其通过螺杆传递的扭矩被送入高压腔。同时，与带齿的机筒配合，起着分离低压侧和高压侧的作用。这种结构使主物料流在每个入口点被分成两条支流，即共分成了8条支流，对物料起到了一定的混合效果。同时，多齿轮的共同挤压大大降低了挤出的波动，增加了挤出的温度性。图3为一体型齿轮泵挤出机的结构简图。
图3 一体型齿轮泵挤出机
北京化工大学橡塑机械研究所对一体型齿轮泵挤出机进行了深入的研究，并设计了115一体型齿轮泵挤出机。该设备可在不影响原有设备优点的前提下大大降低设备成本，同时还兼具操作简单、自清洁功能强及物料均匀程度高的优点。应用此项技术，可在现有的挤出机基础上进行改造，安装行星齿轮泵的相关组件，将设备升级成能够实现高压稳定挤出的一体型齿轮泵挤出机。 (end)
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(6/26/2007) |
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