橡膠齒輪泵的設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析

曹施展

摘 要：通過(guò)對(duì)橡膠齒輪泵結(jié)構(gòu)及作用原理的分析，得出其正位移輸送特性可有效解決橡膠過(guò)濾和擠出成型時(shí)的膠料升溫快，壓力波動(dòng)，效率低，受力不良等問(wèn)題。結(jié)合工藝過(guò)程特點(diǎn)，闡述了齒輪泵的整體設(shè)計(jì)方案。進(jìn)一步的，給出了齒輪泵關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)思路，重點(diǎn)保證嚙合平穩(wěn)，低漏返，低殘余，潤(rùn)滑和密封等關(guān)鍵性能。

關(guān)鍵詞：橡膠齒輪泵;濾膠;擠出成型;設(shè)計(jì);應(yīng)用分析

0 引言

齒輪泵是容積式泵的一種，依靠泵缸與嚙合齒輪之間形成的工作容積的變化和移動(dòng)來(lái)增壓或輸送液體，廣泛應(yīng)用于流體加壓、輸送、計(jì)量等工藝過(guò)程中，如橡膠或塑料等聚合物的過(guò)濾成型過(guò)程，液壓油和潤(rùn)滑油脂的高壓輸送，化工實(shí)驗(yàn)原料的計(jì)量配比等。應(yīng)用于橡膠行業(yè)的齒輪泵又稱(chēng)熔體齒輪泵，其工作原理為，喂料裝置將物料送入齒輪泵喂料口一側(cè)，然后依靠一對(duì)嚙合的齒輪組的旋轉(zhuǎn)，不斷地在喂料一側(cè)形成空隙吸入物料并旋轉(zhuǎn)送到出料口一側(cè)[1]。

1 橡膠齒輪泵的結(jié)構(gòu)和功能簡(jiǎn)介

橡膠齒輪泵的結(jié)構(gòu)組成主要有喂料口，出料口，熔體腔，齒輪軸，軸承座和驅(qū)動(dòng)馬達(dá)等，如圖1所示。

2 橡膠齒輪泵工作特性

橡膠在加工過(guò)程中需要過(guò)濾和擠出成型，傳統(tǒng)方式主要用螺桿擠出機(jī)提供動(dòng)力，具有諸多局限性，如高速擠出時(shí)膠料溫升快，出料效率低，壓力波動(dòng)大，螺桿受力磨損嚴(yán)重等[2]。齒輪泵的工作特點(diǎn)可有效解決上述問(wèn)題，因此得到廣泛應(yīng)用。（1）齒輪泵具有正位移輸送特征，可將膠料從喂料口有效推送到出料口，膠料的摩擦和剪切生熱大幅減少，可避免出料溫升過(guò)快[3]。（2）齒輪與熔體腔的間隙很小，齒輪嚙合也很緊密，并具有低漏膠，低回流的特點(diǎn)，因此可在較小的空間內(nèi)迅速建立高壓，適用于濾膠時(shí)選擇目數(shù)高的濾網(wǎng)[3]。（3）正位移輸送特性使得齒輪泵出膠壓力波動(dòng)小，因此可保證擠出成型產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性[3]。（4）齒輪泵出膠速度與齒輪泵轉(zhuǎn)速線性度較高，有利于整線生產(chǎn)的聯(lián)動(dòng)控制[3]。

3 橡膠齒輪泵的設(shè)計(jì)

針對(duì)橡膠齒輪泵的工作特性和應(yīng)用要求，可從如下幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以更好的發(fā)揮設(shè)備優(yōu)勢(shì)，有效解決工藝過(guò)程的疑難點(diǎn)。

3.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

考慮到齒輪泵在橡膠行業(yè)的兩個(gè)個(gè)主要應(yīng)用過(guò)程及要求，可分別從喂料方式，出料形式，聯(lián)動(dòng)或離線等方面進(jìn)行整體及配套設(shè)備設(shè)計(jì)。對(duì)于原材料濾膠工藝過(guò)程，一般要求產(chǎn)能大，效率高。因此所需的喂膠量較大，一般可配備雙螺桿擠出機(jī)，出料口與齒輪泵喂料口密閉對(duì)接，入料口可直接置于密煉機(jī)卸料口下端，一次性承接密煉機(jī)的排膠，并輸送到齒輪泵喂料口處，持續(xù)喂料。入料口需為大口徑料倉(cāng)式結(jié)構(gòu)，容量設(shè)計(jì)略大于密煉機(jī)排膠量的2倍，且中間需設(shè)置過(guò)渡斜通道，避免排膠對(duì)螺桿的沖擊。螺桿應(yīng)尾大頭小呈錐狀，且向下傾斜，螺距漸進(jìn)式由大變小，可在向前輸送時(shí)排空物料空隙，便于增壓和喂料。出料口一般設(shè)計(jì)為鴨嘴狀，逐漸過(guò)渡到圓筒狀，然后對(duì)接多孔板和濾網(wǎng)，目的是物料出熔體腔后可均勻分散到濾網(wǎng)截面，同時(shí)避免物料在死角處殘留。通過(guò)濾網(wǎng)后的膠料可根據(jù)出料的形狀尺寸要求制作模口。對(duì)于擠出成型工序，通常選擇擠出機(jī)喂料，通過(guò)長(zhǎng)螺桿的分段剪切棱設(shè)計(jì)和分區(qū)溫度設(shè)置，對(duì)膠料進(jìn)行補(bǔ)充混煉、塑化等過(guò)程，提高膠料的流動(dòng)性和分散性，從而有利于喂膠和擠出成型質(zhì)量。由于機(jī)頭處出口壓力完全由齒輪泵來(lái)提供，擠出機(jī)的壓力顯著降低，螺桿和機(jī)筒的長(zhǎng)徑比的設(shè)計(jì)無(wú)需過(guò)多考慮剛度和后坐力。對(duì)于要求離線濾膠或擠出成型時(shí)，如返回膠或外購(gòu)膠，通常要求設(shè)備簡(jiǎn)單、靈活、占地小，或在原有產(chǎn)線上改造而成，也可選擇雙輥筒喂料方式。

3.2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

（1）齒輪設(shè)計(jì)。齒輪為關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)和承壓部件，宜選擇具有嚙合平穩(wěn)特征的漸開(kāi)線齒形齒輪。但不同于一般的漸開(kāi)線傳動(dòng)齒輪，此處要求齒部具有更高的強(qiáng)度。因此，需要在齒輪外徑一定的情況下，盡可能的降低齒數(shù)，增大模數(shù)，以增加齒部的厚度。根據(jù)漸開(kāi)線齒形設(shè)計(jì)原理，當(dāng)齒數(shù)小于17時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)齒輪組會(huì)產(chǎn)生根切，需要通過(guò)齒輪正變位安裝來(lái)避免，也就是齒輪組的分度圓直徑要小于中心距。正變位齒輪組可解決根切問(wèn)題，但會(huì)帶來(lái)齒頂間隙的增大。而對(duì)于齒輪泵，恰恰要求齒頂間隙盡可能小，以確保低漏膠率和低殘余量。根據(jù)齒形計(jì)算公式，標(biāo)準(zhǔn)漸開(kāi)線傳動(dòng)齒輪的齒頂系數(shù)為1，齒底系數(shù)為1.25，頂隙系數(shù)為0.25，齒全高系數(shù)為1.25。因此，可適當(dāng)降低頂隙系數(shù)至0.1。由于模數(shù)確定時(shí)，齒底系數(shù)越大，代表著齒槽越深，即齒輪吃膠量和吐出量越大，因此，齒底系數(shù)的設(shè)計(jì)還需考慮齒輪泵的吐出效率。

（2）軸和軸承設(shè)計(jì)。由于熔體腔內(nèi)的橡膠呈高壓流動(dòng)狀態(tài)，軸與軸承處既要起到支撐作用，又要考慮潤(rùn)滑和密封，可選擇滑動(dòng)軸承或滾動(dòng)軸承。對(duì)于滑動(dòng)軸承，承載力較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。可利用軸套和軸之間的微小間隙形成膠膜潤(rùn)滑。為了使膠膜均勻環(huán)繞整個(gè)軸承，又不至于漏膠量太大，需在軸承上設(shè)置導(dǎo)流槽。導(dǎo)流槽可從出料端開(kāi)設(shè)，沿著軸承內(nèi)端面向齒輪嚙合處延伸，然后進(jìn)入軸承內(nèi)圈并呈螺旋狀延伸到外端部。如使用滾動(dòng)軸承，則具有磨損小，適用于大分子聚合物或有雜質(zhì)的膠料特性，但是密封結(jié)構(gòu)會(huì)比較復(fù)雜，需引導(dǎo)膠料返流并設(shè)置溢流孔，防止物料進(jìn)入軸承滾柱，同時(shí)需設(shè)置密封圈防止軸承潤(rùn)滑脂污染膠料。

4 結(jié)論

橡膠齒輪泵在膠料的過(guò)濾和精密擠出成型應(yīng)用上具有諸多優(yōu)點(diǎn)，可從喂料方式、出料形式、聯(lián)動(dòng)或離線等方面進(jìn)行整體方案設(shè)計(jì)，以更好的發(fā)揮其效率高，壓力穩(wěn)，升溫小，喂料方式多樣靈活的特點(diǎn)。進(jìn)一步的，對(duì)于關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)重點(diǎn)保證嚙合平穩(wěn)，低漏返，低殘余，潤(rùn)滑和密封等，可保證其優(yōu)異性能的發(fā)揮。

參考文獻(xiàn)：

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