很有可能你已經(jīng)聽說過或讀到過一些有關(guān)在擠出生產(chǎn)線上應(yīng)用熔體增壓計(jì)量齒輪泵的介紹和文章。而有關(guān)加裝這種泵的優(yōu)點(diǎn)，確實(shí)也有許多報(bào)道。但是，對于一個(gè)具體工藝，齒輪泵有哪些價(jià)值？實(shí)際的效益和成本如何？怎樣才能知道？這些問題都是人們所關(guān)心的。

對于在擠出機(jī)上應(yīng)用齒輪泵，這種興趣在過去十幾年來一直在不斷增長，特別是在薄膜及片材等相似的擠出應(yīng)用中。當(dāng)然，引起這種興趣的真正原因是齒輪泵能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量、增加產(chǎn)量、降低耗材，特別是當(dāng)熔體的密度或產(chǎn)品變化的時(shí)候。

但是應(yīng)如何獲得這些益處？這種益處對任何一種應(yīng)用又有多大？你如何能在生產(chǎn)線上見到這些益處？你能得到什么樣的回報(bào)？

在本文中，我們將探討這些問題及其他有關(guān)問題，并試圖來解釋這種齒輪泵對一條擠出生產(chǎn)線有什么影響。我們將主要討論生產(chǎn)線的改造?即在原擠出線上增加一臺計(jì)量泵后的效果如何。

在這篇文章中，我們將以美國Zenith工廠的PEP-II齒輪泵為例，說明齒輪泵的應(yīng)用原理及效果。

Zenith PEP－II型齒輪泵是專為聚合物的生產(chǎn)，特別是擠出生產(chǎn)工藝而設(shè)計(jì)的，其優(yōu)異的性能可用于多種工藝條件，PEP-II泵具有與目前市場上任何泵型相比的zui高泵效。其制造材料為研制的工具鋼，并采用通體淬硬工藝，以期獲得更長的壽命以及更佳的承壓能力。

Zenith工廠處理高硬度材料的工藝與其他泵制造商相比，在尺寸誤差方面更為精密。

齒輪泵的工作原理

齒輪泵的概念是很簡單的，即它的zui基本形式就是兩個(gè)尺寸相同的齒輪在一個(gè)緊密配合的殼體內(nèi)相互嚙合旋轉(zhuǎn)，這個(gè)殼體的內(nèi)部類似“8”字形，兩個(gè)齒輪裝在里面，齒輪的外徑及兩側(cè)與殼體緊密配合。來自于擠出機(jī)的物料在吸入口進(jìn)入兩個(gè)齒輪中間，并充滿這一空間，隨著齒的旋轉(zhuǎn)沿殼體運(yùn)動，zui后在兩齒嚙合時(shí)排出。

在術(shù)語上講，齒輪泵也叫正排量裝置，即像一個(gè)缸筒內(nèi)的活塞，當(dāng)一個(gè)齒進(jìn)入另一個(gè)齒的流體空間時(shí)，液體就被機(jī)械性地?cái)D排出來。因?yàn)橐后w是不可壓縮的，所以液體和齒就不能在同一時(shí)間占據(jù)同一空間，這樣，液體就被排除了。由于齒的不斷嚙合，這一現(xiàn)象就連續(xù)在發(fā)生，因而也就在泵的出口提供了一個(gè)連續(xù)排除量，泵每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，排出的量是一樣的。隨著驅(qū)動軸的不間斷地旋轉(zhuǎn)，泵也就不間斷地排出流體。泵的流量直接與泵的轉(zhuǎn)速有關(guān)。

實(shí)際上，在泵內(nèi)有很少量的流體損失，這使泵的運(yùn)行效率不能達(dá)到100％，因?yàn)檫@些流體被用來潤滑軸承及齒輪兩側(cè)，而泵體也絕不可能無間隙配合，故不能使流體100％地從出口排出，所以少量的流體損失是必然的。然而泵還是可以良好地運(yùn)行，對大多數(shù)擠出物料來說，仍可以達(dá)到93％～98％的效率。

對于粘度或密度在工藝中有變化的流體，這種泵不會受到太多影響。如果有一個(gè)阻尼器，比如在排出口側(cè)放一個(gè)濾網(wǎng)或一個(gè)限制器，泵則會推動流體通過它們。如果這個(gè)阻尼器在工作中變化，亦即如果濾網(wǎng)變臟、堵塞了，或限制器的背壓升高了，則泵仍將保持恒定的流量，直至達(dá)到裝置中zui弱的部件的機(jī)械極限（通常裝有一個(gè)扭矩限制器）。

對于一臺泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)際上是有限制的，這主要取決于工藝流體，如果傳送的是油類，泵則能以很高的速度轉(zhuǎn)動，但當(dāng)流體是一種高粘度的聚合物熔體時(shí)，這種限制就會大幅度降低。
推動高粘流體進(jìn)入吸入口一側(cè)的兩齒空間是非常重要的，如果這一空間沒有填充滿，則泵就不能排出準(zhǔn)確的流量，所以PV值（壓力×流速）也是另外一個(gè)限制因素，而且是一個(gè)工藝變量。由于這些限制，齒輪泵制造商將提供一系列產(chǎn)品，即不同的規(guī)格及排量（每轉(zhuǎn)一周所排出的量）。這些泵將與具體的應(yīng)用工藝相配合，以使系統(tǒng)能力及價(jià)格達(dá)到*。

PEP－II泵的齒輪與軸共為一體，采用通體淬硬工藝，可獲得更長的工作壽命。“D”型軸承結(jié)合了強(qiáng)制潤滑機(jī)理，使聚合物經(jīng)軸承表面，并返回到泵的進(jìn)口側(cè)，以確保旋轉(zhuǎn)軸的有效潤滑。這一特性減少了聚合物滯留并降解的可能性。精密加工的泵體可使“D”型軸承與齒輪軸配合，確保齒輪軸不偏心，以防齒輪磨損。Parkool密封結(jié)構(gòu)與聚四氟唇型密封共同構(gòu)成水冷密封。這種密封實(shí)際上并不接觸軸的表面，它的密封原理是將聚合物冷卻到半熔融狀態(tài)而形成自密封。也可以采用Rheoseal密封，它在軸封內(nèi)表上加工有反向螺旋槽，可使聚合物被反壓回到進(jìn)口。為便于安裝，制造商設(shè)計(jì)了一個(gè)環(huán)形螺栓安裝面，以使與其它設(shè)備的法蘭安裝相配合，這使得筒形法蘭的制造更容易。

PEP－II齒輪泵帶有與泵的規(guī)格相匹配的加熱元件，可供用戶選配，這可保證快速加溫和熱量控制。與泵體內(nèi)加熱方式不同，這些元件的損壞只限于一個(gè)板子上，與整個(gè)泵無關(guān)。
齒輪泵由一個(gè)獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動，可有效地阻斷上游的壓力脈動及流量波動。在齒輪泵出口處的壓力脈動可以控制在1%以內(nèi)。在擠出生產(chǎn)線上采用一臺齒輪泵，可以提高流量輸出速度，減少物料在擠出機(jī)內(nèi)的剪切及駐留時(shí)間，降低擠塑溫度及壓力脈動以提高生產(chǎn)率及產(chǎn)品質(zhì)量。

齒輪泵效用實(shí)驗(yàn)分析

下面的分析將主要論證齒輪泵在擠出生產(chǎn)工藝上的*作用，這些分析是在一臺單螺桿擠出機(jī)上進(jìn)行的。

1.壓力均勻特性

圖1表示了一個(gè)擠出機(jī)如何消除進(jìn)口壓力脈動的實(shí)例。此曲線的測繪，是通過以恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行一臺排量為50cc/rev的Zenith齒輪泵，并改變一臺2-1/2口徑的單螺桿擠出機(jī)的喂料速度而獲得的，原料為PETG。左側(cè)曲線表示進(jìn)口壓力脈動值（每格為250PSI），右側(cè)曲線表示相應(yīng)出口壓力脈動值（每格為50PSI）。這個(gè)圖形表明了對于進(jìn)口壓力脈動，齒輪泵的輸出不受影響。在這個(gè)測試中，我們還通過手動方式在泵的進(jìn)口施加了一個(gè)750PSI脈動，而相應(yīng)的出口反應(yīng)僅為10PSI。這確認(rèn)了一個(gè)工作中的齒輪泵可使模頭處的壓力脈動衰減的效果。因而可以得出結(jié)論，齒輪泵能有效地隔離由擠出機(jī)螺桿抖動、速度不穩(wěn)、喂料不暢等引起的不規(guī)則脈動，使對zui終成型裝置的影響降至zui低。

進(jìn)一步的研究也證明了這點(diǎn)。使用一臺CDPE單螺桿擠出機(jī)，不連接齒輪泵，其壓力脈動均為1800PSI的±4.3%;而使用齒輪泵后，則降低至±1.2%。

在許多生產(chǎn)工藝中，進(jìn)口壓力高而出口壓力低也是很普遍的。給擠出機(jī)建立高背壓的目的是要強(qiáng)化混合與熔融，而通過模頭的流量則由泵進(jìn)行調(diào)節(jié)以達(dá)到zui終的產(chǎn)品尺寸。

通常，Zenith泵對進(jìn)口壓力在較寬的范圍內(nèi)基本上不是很敏感（500～1500PSI）,這取決于聚合物本身與齒輪泵上的壓降。根據(jù)這些測試的資料，齒輪泵可以降低在熔融過程中所產(chǎn)生的瞬間壓力脈動。由于這些特點(diǎn)，在模具頂端處的尺寸穩(wěn)定性可得到改善，而產(chǎn)品的質(zhì)量也得到了改善。

2.增加生產(chǎn)能力

在有齒輪泵相助的擠出線上，由于泵的進(jìn)口壓力維持較低（通常500PSI即可），因而在從擠出機(jī)的螺桿到齒輪泵之間的壓力輸送過程中，物料的回流可被降低。從液壓角度來講，齒輪泵是一種比擠出機(jī)更易有效建立壓力的裝置，因而螺桿擠出機(jī)在給定的模頭壓力下，其輸出可被大大改善。ZenithPEP－II泵可以容易地建立起模頭所需要的壓力，這樣就可以降低擠出機(jī)的背壓。按一般規(guī)律，擠出機(jī)的背壓每降低1000PSI，其在給定速度下的輸出量可增加大約10％。

在LDPE的擠出實(shí)驗(yàn)中，靠使用一臺齒輪泵，擠出機(jī)輸出量比在同樣的螺桿速度及模頭壓力下增長了29％。這是很容易理解的，因?yàn)閿D出機(jī)此時(shí)已不在3400PSI的壓力下輸出物料，齒輪泵只需要擠出機(jī)提供一個(gè)很小的進(jìn)口壓力（此實(shí)驗(yàn)中為500PSI）。

顯而易見，利用一臺齒輪泵，擠出機(jī)在同樣的速度下，其生產(chǎn)能力可大大提高。

3.溫度控制

需要再次強(qiáng)調(diào)的是，作為使用ZenithPEP－II齒輪的效果，擠出機(jī)背壓的降低將減少聚合物在機(jī)內(nèi)的駐留時(shí)間并使塑化過程更為穩(wěn)定。當(dāng)擠出機(jī)速度和壓力一定時(shí)，在齒輪泵擠出系統(tǒng)的泵入口處的溫度要比常規(guī)擠出系統(tǒng)在擠出機(jī)出口處的溫度降低許多。即使在泵中還有一個(gè)溫升，但總的溫度比常規(guī)擠出機(jī)系統(tǒng)還是要低。在一個(gè)生產(chǎn)工藝中，在低速度下運(yùn)行一臺大排量泵比在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行一臺小排量泵所表現(xiàn)出的好處。在流量為80bt/h，3臺不同排量的泵的條件下，其溫度結(jié)果如下：

根據(jù)比熱和熱傳導(dǎo)性，對于其它聚合物也有類似的結(jié)果。泵的溫升可計(jì)算如下:

T（℃）=2Π×TV×N/16800×Q×SH
其中TV——粘性扭矩（lb-in）
Q——流量（1b/min）
N——泵轉(zhuǎn)速（rpm）
SH——比熱

4.降低剪切能量

ZenithPEP-II泵中的齒輪采用了冠狀齒根形設(shè)計(jì)，與常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)齒型相比降低了剪切能量及功率消耗。此外，低長徑比齒形的利用還減少了聚合物從齒輪中部排出所須通過的距離，這些都大大降低了被傳遞給物料的能量，保護(hù)了其機(jī)械性能，并在整個(gè)過程中維持了較低溫度，同時(shí)，泵的壽命也得到了延長，驅(qū)動裝置被減小，為大多數(shù)擠出系統(tǒng)提供了一個(gè)、節(jié)能、穩(wěn)定的裝置。冠狀齒根齒形在效果上可使輸出量增長5％～10％。