很有可能你已經(jīng)聽(tīng)說(shuō)過(guò)或讀到過(guò)一些有關(guān)在擠出生產(chǎn)線(xiàn)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(duì)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(wèn)題都是人們所關(guān)心的。
對(duì)于在擠出機(jī)上應(yīng)用齒輪泵,這種興趣在過(guò)去十幾年來(lái)一直在不斷增長(zhǎng),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(duì)任何一種應(yīng)用又有多大?你如何能在
生產(chǎn)線(xiàn)上見(jiàn)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(wèn)題及其他有關(guān)問(wèn)題,并試圖來(lái)解釋這種齒輪泵
對(duì)一條擠出生產(chǎn)線(xiàn)有什么影響。我們將主要討論生產(chǎn)線(xiàn)的改造?即在原擠出線(xiàn)上
增加一臺(tái)計(jì)量泵后的效果如何。
在這篇文章中,我們將以美國(guó)zenith工廠的pep-ii齒輪泵為例,說(shuō)明齒輪
泵的應(yīng)用原理及效果。
zenith pep-ii型齒輪泵是專(zhuān)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(chǎng)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(zhǎng)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(jiǎn)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(lèi)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(lái)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(mǎn)這一空間,隨著齒的旋轉(zhuǎn)沿殼體運(yùn)動(dòng),zui后在兩齒嚙合時(shí)
排出。
在術(shù)語(yǔ)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(lái)。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(dòng)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(lái)潤(rùn)滑軸承及齒輪兩側(cè),而泵體也絕不可能無(wú)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(duì)大多數(shù)擠出物料來(lái)說(shuō),仍可以達(dá)到93%~98%的效率。
對(duì)于粘度或密度在工藝中有變化的流體,這種泵不會(huì)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(huì)推動(dòng)流體通過(guò)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(duì)于一臺(tái)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(lèi),泵則能以很高的速度轉(zhuǎn)動(dòng),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(huì)大幅度降低。
推動(dòng)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(méi)有
填充滿(mǎn),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(zhǎng)的工作壽命。“d”
型軸承結(jié)合了強(qiáng)制潤(rùn)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(rùn)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(hù)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(wú)關(guān)。
齒輪泵由一個(gè)獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng),可有效地阻斷上游的壓力脈動(dòng)及流量波動(dòng)。
在齒輪泵出口處的壓力脈動(dòng)可以控制在1%以?xún)?nèi)。在擠出生產(chǎn)線(xiàn)上采用一臺(tái)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(dòng)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(tái)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(dòng)的實(shí)例。此曲線(xiàn)的測(cè)繪,是通
過(guò)以恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行一臺(tái)排量為50cc/rev的zenith齒輪泵,并改變一臺(tái)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(xiàn)表示進(jìn)口壓
力脈動(dòng)值(每格為250psi),右側(cè)曲線(xiàn)表示相應(yīng)出口壓力脈動(dòng)值(每格為50psi)。
這個(gè)圖形表明了對(duì)于進(jìn)口壓力脈動(dòng),齒輪泵的輸出不受影響。在這個(gè)測(cè)試中,我
們還通過(guò)手動(dòng)方式在泵的進(jìn)口施加了一個(gè)750psi脈動(dòng),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(dòng)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(dòng)、速度不穩(wěn)、喂料不暢等
引起的不規(guī)則脈動(dòng),使對(duì)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(tái)cdpe單螺桿擠出機(jī),不連接齒輪泵,
其壓力脈動(dòng)均為1800psi的±4.3%;而使用齒輪泵后,則降低至±1.2%。
圖2表示了一個(gè)“主動(dòng)計(jì)量”的概念,在這里,齒輪泵保證了向模頭輸出一個(gè)
壓力與速度均為穩(wěn)定的物流。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(guò)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。此圖是在與圖1相同的實(shí)驗(yàn)中測(cè)繪的。
通常,zenith泵對(duì)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(cè)試的資料,齒輪
泵可以降低在熔融過(guò)程中所產(chǎn)生的瞬間壓力脈動(dòng)。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(xiàn)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(guò)程中,物料的回流可被降
低。從液壓角度來(lái)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(tái)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(3400psi,參見(jiàn)圖3)增長(zhǎng)了29%。這是很容易理解的,因?yàn)?br>擠出機(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(jiàn),利用一臺(tái)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(guò)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。圖4表明了在一個(gè)生產(chǎn)工藝中,在低速度下運(yùn)行一臺(tái)大排量泵比在高轉(zhuǎn)速
下運(yùn)行一臺(tái)小排量泵所表現(xiàn)出的好處。從圖4可知,在流量為80bt/h,3臺(tái)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(duì)于其它聚合物也有類(lèi)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
圖5顯示了一個(gè)溫升的實(shí)例。所用泵為zenithpep-ii,排量為100cc/rev,
本圖表示出了不 同轉(zhuǎn)速及不同壓力下溫升的變化。
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(zhǎng)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(guò)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(guò)程中維持了較低溫度,同時(shí),泵的壽命也得到了延長(zhǎng),驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)5%~10%。
圖6表明了具有冠狀齒根的齒輪與標(biāo)準(zhǔn)齒輪在一條ps生產(chǎn)線(xiàn)上對(duì)比的結(jié)果。
此曲線(xiàn)顯示其增長(zhǎng)約為30%。