趙忠強(qiáng)　張蕓蕓　任誼

摘 要：本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)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(jī)設(shè)計(jì)、制造的實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：齒輪嚙合、橡膠擠出

一.綜述

齒輪泵由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、成本低、工作可靠、維修方便等特點(diǎn)，一直廣泛用于液壓傳動(dòng)中。隨科學(xué)技術(shù)發(fā)展，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和良好的使用性能使得其在國(guó)內(nèi)外塑料和熱塑性材料行業(yè)得到了廣泛地應(yīng)用；然而由于橡膠的高粘度及擠出過(guò)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(rèn)可和推廣。

橡膠擠出加工用齒輪泵（簡(jiǎn)稱齒輪泵）既可單獨(dú)承擔(dān)橡膠的成型擠出、膠料的供給和過(guò)濾等各種加工工藝，同時(shí)還多用于由擠出機(jī)為其供料的各種場(chǎng)合。

二.齒輪泵

1.結(jié)構(gòu)與原理

各種用途和類型齒輪泵的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單和大致相同，其最基本結(jié)構(gòu)就是兩個(gè)尺寸相同、相互嚙合的齒輪在一個(gè)內(nèi)部型腔類似“8”字形的殼體內(nèi)旋轉(zhuǎn)。

在齒輪泵的進(jìn)料側(cè)隨齒輪的旋轉(zhuǎn)，齒棱自動(dòng)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(cè)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(jīng)歷吸入、擠壓和擠出的同時(shí)也受到了進(jìn)一步的塑化。

2.主要構(gòu)成

就目前國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)齒輪泵乃是以直、斜齒嚙合為主，但據(jù)相關(guān)資料報(bào)道國(guó)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(jié)構(gòu)

（1）主要組成

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

（2）主要技術(shù)參數(shù)

（3）主要技術(shù)指標(biāo)

3主要特點(diǎn)

（1） 低壓吸入、高壓擠出

隨齒輪旋轉(zhuǎn)齒面間的動(dòng)態(tài)嚙合線和齒輪與泵體內(nèi)腔間的精密配合產(chǎn)生的密封在泵內(nèi)腔形成了進(jìn)、排料兩側(cè)。在進(jìn)料側(cè)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(cè)齒棱相互嚙合，相互嵌入對(duì)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(jī)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(gè)缸筒內(nèi)的活塞，當(dāng)兩齒棱嚙合時(shí)一個(gè)齒進(jìn)入另一個(gè)充滿膠料的齒槽，膠料就被機(jī)械性擠排。隨齒輪的不斷嚙合，在齒輪泵排料側(cè)產(chǎn)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(zhuǎn)速一定，膠料的擠出量也相對(duì)恒定，其流量取決于齒輪的轉(zhuǎn)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(jī)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(jīng)歷的過(guò)程單一、時(shí)間短，當(dāng)齒輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)外力對(duì)膠料的做功可以說(shuō)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(guò)濾及為壓延等工序的供料等應(yīng)用提供了優(yōu)勢(shì)。

齒輪泵與擠出機(jī)相比擠出過(guò)程中膠料的升溫要明顯小得多，據(jù)德國(guó)Berstorff報(bào)道[2]，當(dāng)擠出壓力為100bar時(shí)，擠出機(jī)擠出過(guò)程中的升溫為17--35℃；而齒輪泵擠出過(guò)程中的升溫僅為9—13℃.

同時(shí)齒輪泵整體加工、裝配精度要求高，所以高質(zhì)量的齒輪泵的自潔功能強(qiáng)，基本上可以避免泵腔內(nèi)膠料流動(dòng)的死角和焦燒

（4）能耗小、功效高

由于齒輪泵是通過(guò)對(duì)膠料微小的摩擦來(lái)移動(dòng)少量膠料進(jìn)行腔內(nèi)傳送達(dá)到擠出之效果的，所以與擠出機(jī)相比其能耗要小的多，而功效卻成倍提高。據(jù)德國(guó)Berstorff報(bào)道[2]，當(dāng)擠出壓力為100bar時(shí)，擠出機(jī)的功效為：0.14—0.28；而齒輪泵的功效卻為：0.38—0.55。

（5）潤(rùn)滑簡(jiǎn)單

齒輪泵在運(yùn)行過(guò)程中泵體內(nèi)軸承及齒輪兩側(cè)等各部位間的潤(rùn)滑全憑配合精度和膠料產(chǎn)生的自潤(rùn)滑膠膜來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并始終有少量的潤(rùn)滑膠料從滑動(dòng)軸承間隙縫處向外排出。據(jù)相關(guān)資料報(bào)道其效率雖能達(dá)到93%～98%，但對(duì)于長(zhǎng)周期、連續(xù)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，累計(jì)排出膠料的總量還是不容忽視的。好在泵體溫度低（生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制泵體的循環(huán)水溫），膠料經(jīng)歷時(shí)間短、生熱少，故外排的膠料沒(méi)有焦燒，仍可返回再利用。

（6）綜合比較

齒輪泵結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、噪音低、操作簡(jiǎn)易、拆卸簡(jiǎn)捷、維修容易、使用壽命長(zhǎng)且占用空間小。

三.齒輪泵與擠出機(jī)并用

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

1.功能的互補(bǔ)

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(shì)，彌補(bǔ)了擠出機(jī)因長(zhǎng)徑比（L/D）不適、螺桿與機(jī)筒間隙增大、背壓過(guò)大等造成的擠出（量與壓力）波動(dòng)和膠料生熱高等不足。充分發(fā)揮擠出機(jī)對(duì)膠料塑化的功能，彌補(bǔ)了單獨(dú)使用齒輪泵膠料在泵內(nèi)經(jīng)歷過(guò)程單一、時(shí)間短，膠料塑化等不足。

2.并用的優(yōu)勢(shì)

（1）齒輪泵的供料得到增強(qiáng)

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

（2）擠出機(jī)的脈動(dòng)得到隔離

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

（3）擠出機(jī)內(nèi)在的變化

擠出機(jī)為齒輪泵供料后整個(gè)（擠出機(jī)+齒輪泵機(jī)組）系統(tǒng)內(nèi)的最大壓力已移至齒輪泵出料端與模頭（口型）之間，擠出機(jī)出口端的壓力也由單一擠出機(jī)時(shí)的最大降到很?。X輪泵的進(jìn)料側(cè)有類似于虹吸的功能）。由此帶來(lái)了機(jī)筒內(nèi)部功能、溫度及壓力（含螺桿各區(qū)段和背壓）等的變化。德國(guó)maag（馬格）公司[2]有相關(guān)道擠出機(jī)供料、塑化功能增強(qiáng)：有利于螺桿長(zhǎng)徑比（L/D）的縮短和膠料的塑化。機(jī)筒內(nèi)壓力（含各區(qū)段和背壓）的降低：有利于膠料停留時(shí)間和生熱的減少、螺桿與機(jī)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(jìn)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(guò)濾。

（4）擠出產(chǎn)量提高幅度大：

由于擠出機(jī)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(zhuǎn)速成正比，當(dāng)擠出阻力一定時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的擠出量隨轉(zhuǎn)速呈直線提高。據(jù)德國(guó)maag公司報(bào)道[2]，當(dāng)用于橡膠電線、電纜生產(chǎn)時(shí)其產(chǎn)量可增加47%。

四.實(shí)踐及結(jié)論

為齒輪泵配置擠出機(jī)是國(guó)內(nèi)外成功技術(shù)案例。以下是相關(guān)實(shí)踐及結(jié)論：

1組配

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

（1）配置新加工擠出機(jī)：可大幅度延長(zhǎng)擠出機(jī)壽命。

（2）配置久用擠出機(jī)時(shí)：仍能滿足配套使用需要。

2設(shè)計(jì)

為齒輪泵設(shè)計(jì)專用擠出機(jī)時(shí)可考慮：

（1）加強(qiáng)強(qiáng)制供料因素。

（2）螺桿的長(zhǎng)徑比（L/D）可相對(duì)減小、其結(jié)構(gòu)可相對(duì)簡(jiǎn)化。

（3） 針對(duì)過(guò)濾、擠出制品或供料等不同工藝條件時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)的注意點(diǎn)又有所側(cè)重。 照片

3操作

（1）啟動(dòng)時(shí)：先啟動(dòng)齒輪泵再啟動(dòng)擠出機(jī)，此時(shí)一般要求螺桿轉(zhuǎn)速稍大于泵的轉(zhuǎn)速以保證齒輪泵內(nèi)充滿膠料。

（2）運(yùn)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(gè)值（視工藝條件而定），并確保證齒輪泵滑動(dòng)軸承間隙中有一定量潤(rùn)滑膠溢出。.

（3）停機(jī)時(shí)：在原基礎(chǔ)上先稍加大螺桿轉(zhuǎn)速以盡量排出擠出機(jī)內(nèi)部膠料；而后再關(guān)擠出機(jī)。齒輪泵在擠出機(jī)停機(jī)后再稍多運(yùn)轉(zhuǎn)一會(huì)，待齒輪泵內(nèi)部膠料盡量排完后再停。

參考文獻(xiàn)：

[1]齒輪泵的應(yīng)用原理及在擠出機(jī)上的應(yīng)用效果中國(guó)資產(chǎn)管理網(wǎng)www.china-eam.cn

[2]德國(guó)maag公司泵樣本

[3]德國(guó)Berstorff公司樣本

[4]美國(guó)Dynisco公司產(chǎn)品樣本

作者簡(jiǎn)介：

趙忠強(qiáng)，1984-3-02，助理工程師，本科生，從事橡膠機(jī)械研發(fā)設(shè)計(jì)工作。