橡膠擠出加工用齒輪泵和擠出機

趙忠強　張蕓蕓　任誼

摘 要：本文通過對國內外相關資料的分析，扼要介紹了橡膠擠出加工用齒輪泵和與其配套用擠出機設計、制造的實踐。

關鍵詞：齒輪嚙合、橡膠擠出

一.綜述

齒輪泵由于結構簡單、制造容易、成本低、工作可靠、維修方便等特點，一直廣泛用于液壓傳動中。隨科學技術發(fā)展，因其獨特的結構和良好的使用性能使得其在國內外塑料和熱塑性材料行業(yè)得到了廣泛地應用；然而由于橡膠的高粘度及擠出過程中齒輪泵部件的易損等因素齒輪泵近些年才在橡膠界逐漸得到認可和推廣。

橡膠擠出加工用齒輪泵（簡稱齒輪泵）既可單獨承擔橡膠的成型擠出、膠料的供給和過濾等各種加工工藝，同時還多用于由擠出機為其供料的各種場合。

二.齒輪泵

1.結構與原理

各種用途和類型齒輪泵的結構比較簡單和大致相同，其最基本結構就是兩個尺寸相同、相互嚙合的齒輪在一個內部型腔類似“8”字形的殼體內旋轉。

在齒輪泵的進料側隨齒輪的旋轉，齒棱自動松開容積逐漸增大，形成低壓，膠料被吸入。在齒輪泵的排料側隨齒棱的嵌入嚙合容積逐漸縮小，形成高壓，膠料被擠出。膠料在經歷吸入、擠壓和擠出的同時也受到了進一步的塑化。

2.主要構成

就目前國內來說齒輪泵乃是以直、斜齒嚙合為主，但據(jù)相關資料報道國外齒輪泵已發(fā)展到含人字型、行星型齒輪等各種類型和不同用途的結構

（1）主要組成

由一對斜齒輪（含齒輪軸）、泵殼體（含端蓋）、軸承、軸密封及泵體溫度調控通道等組成。

（2）主要技術參數(shù)

（3）主要技術指標

3主要特點

（1） 低壓吸入、高壓擠出

隨齒輪旋轉齒面間的動態(tài)嚙合線和齒輪與泵體內腔間的精密配合產生的密封在泵內腔形成了進、排料兩側。在進料側齒棱相互脫開，容積逐漸增大其間壓力也隨之減小，膠料被吸入。在排料側齒棱相互嚙合，相互嵌入對方充滿膠料的齒槽，齒槽容積逐漸減小其間壓力也隨之增大，膠料被機械性地帶壓擠出。

（2） 穩(wěn)壓、恒量擠出

齒輪泵是正排量、容積泵，即像一個缸筒內的活塞，當兩齒棱嚙合時一個齒進入另一個充滿膠料的齒槽，膠料就被機械性擠排。隨齒輪的不斷嚙合，在齒輪泵排料側產生了連續(xù)的排出量，由于齒槽間容積相同，故排出量也相同。所以只要齒輪轉速一定，膠料的擠出量也相對恒定，其流量取決于齒輪的轉速；其壓力取決于出口處的阻力。這種穩(wěn)壓、恒量擠出比擠出機更利于精密制品的連續(xù)擠出加工。

（3）工藝安全

由于膠料在齒輪泵中經歷的過程單一、時間短，當齒輪高速旋轉時外力對膠料的做功可以說是接近瞬間，故其所受到的剪切、摩擦少，生熱低，不易焦燒，安全系數(shù)大。為精密制品的擠出、膠料的過濾及為壓延等工序的供料等應用提供了優(yōu)勢。

齒輪泵與擠出機相比擠出過程中膠料的升溫要明顯小得多，據(jù)德國Berstorff報道[2]，當擠出壓力為100bar時，擠出機擠出過程中的升溫為17--35℃；而齒輪泵擠出過程中的升溫僅為9—13℃.

同時齒輪泵整體加工、裝配精度要求高，所以高質量的齒輪泵的自潔功能強，基本上可以避免泵腔內膠料流動的死角和焦燒

（4）能耗小、功效高

由于齒輪泵是通過對膠料微小的摩擦來移動少量膠料進行腔內傳送達到擠出之效果的，所以與擠出機相比其能耗要小的多，而功效卻成倍提高。據(jù)德國Berstorff報道[2]，當擠出壓力為100bar時，擠出機的功效為：0.14—0.28；而齒輪泵的功效卻為：0.38—0.55。

（5）潤滑簡單

齒輪泵在運行過程中泵體內軸承及齒輪兩側等各部位間的潤滑全憑配合精度和膠料產生的自潤滑膠膜來實現(xiàn)的，并始終有少量的潤滑膠料從滑動軸承間隙縫處向外排出。據(jù)相關資料報道其效率雖能達到93%～98%，但對于長周期、連續(xù)生產來說，累計排出膠料的總量還是不容忽視的。好在泵體溫度低（生產過程中應嚴格控制泵體的循環(huán)水溫），膠料經歷時間短、生熱少，故外排的膠料沒有焦燒，仍可返回再利用。

（6）綜合比較

齒輪泵結構相對簡單、噪音低、操作簡易、拆卸簡捷、維修容易、使用壽命長且占用空間小。

三.齒輪泵與擠出機并用

由擠出機為齒輪泵供料（擠出機+齒輪泵）組成的機組以兩者間的功能互補而廣泛用于橡膠擠出加工，并展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。

1.功能的互補

充分發(fā)揮齒輪泵高、恒壓，恒量擠出，膠料摩擦生熱低等優(yōu)勢，彌補了擠出機因長徑比（L/D）不適、螺桿與機筒間隙增大、背壓過大等造成的擠出（量與壓力）波動和膠料生熱高等不足。充分發(fā)揮擠出機對膠料塑化的功能，彌補了單獨使用齒輪泵膠料在泵內經歷過程單一、時間短，膠料塑化等不足。

2.并用的優(yōu)勢

（1）齒輪泵的供料得到增強

通過擠出機塑化后的膠料溫度和粘度都有利于齒輪泵的吸入和進料側齒間空隙的填充，保證了齒輪泵的高壓、恒量擠出。

（2）擠出機的脈動得到隔離

齒輪泵在有效隔離擠出機因螺桿顫動、速度不穩(wěn)、喂料不暢等產生的不規(guī)則脈動的同時并以自身高壓、恒量的擠出實現(xiàn)了快速、高效、穩(wěn)定生產精密擠出制品的高質量（含尺寸精度和合格率等）。

（3）擠出機內在的變化

擠出機為齒輪泵供料后整個（擠出機+齒輪泵機組）系統(tǒng)內的最大壓力已移至齒輪泵出料端與模頭（口型）之間，擠出機出口端的壓力也由單一擠出機時的最大降到很?。X輪泵的進料側有類似于虹吸的功能）。由此帶來了機筒內部功能、溫度及壓力（含螺桿各區(qū)段和背壓）等的變化。德國maag（馬格）公司[2]有相關道擠出機供料、塑化功能增強：有利于螺桿長徑比（L/D）的縮短和膠料的塑化。機筒內壓力（含各區(qū)段和背壓）的降低：有利于膠料停留時間和生熱的減少、螺桿與機筒間磨損的降低，螺桿功率減小，為齒輪泵提供膠量的增大。模頭（口型）進料端壓力顯著升高：有利于精密制品的連續(xù)擠出或膠料過濾。

（4）擠出產量提高幅度大：

由于擠出機能為齒輪泵提供足夠的膠料加上齒輪泵的擠出量與泵的轉速成正比，當擠出阻力一定時整個系統(tǒng)的擠出量隨轉速呈直線提高。據(jù)德國maag公司報道[2]，當用于橡膠電線、電纜生產時其產量可增加47%。

四.實踐及結論

為齒輪泵配置擠出機是國內外成功技術案例。以下是相關實踐及結論：

1組配

由于機組中冷喂料擠出機主要是為齒輪泵供料，所以機組在組配時有以下選擇和優(yōu)勢：

（1）配置新加工擠出機：可大幅度延長擠出機壽命。

（2）配置久用擠出機時：仍能滿足配套使用需要。

2設計

為齒輪泵設計專用擠出機時可考慮：

（1）加強強制供料因素。

（2）螺桿的長徑比（L/D）可相對減小、其結構可相對簡化。

（3） 針對過濾、擠出制品或供料等不同工藝條件時設計時的注意點又有所側重。 照片

3操作

（1）啟動時：先啟動齒輪泵再啟動擠出機，此時一般要求螺桿轉速稍大于泵的轉速以保證齒輪泵內充滿膠料。

（2）運行中：密切觀注齒輪泵的輸出端壓力P（出口壓力）和輸入端壓力P（入口壓力）并將：△P =P（出口壓力）—P（入口壓力）≧一個值（視工藝條件而定），并確保證齒輪泵滑動軸承間隙中有一定量潤滑膠溢出。.

（3）停機時：在原基礎上先稍加大螺桿轉速以盡量排出擠出機內部膠料；而后再關擠出機。齒輪泵在擠出機停機后再稍多運轉一會，待齒輪泵內部膠料盡量排完后再停。

參考文獻：

[1]齒輪泵的應用原理及在擠出機上的應用效果中國資產管理網www.china-eam.cn

[2]德國maag公司泵樣本

[3]德國Berstorff公司樣本

[4]美國Dynisco公司產品樣本

作者簡介：

趙忠強，1984-3-02，助理工程師，本科生，從事橡膠機械研發(fā)設計工作。