第 一 章 有 关 齿 轮 泵 的 问 题
很有可能你已 经 听 说 过 或 读 到 过 一 些 有 关 在 挤 出 生 产 线 上 应 用 熔 体 增 压 计 量 齿 轮 泵 的 介 绍 和 文 章。 而 有 关 加 装 这 种 泵 的 优 点， 确 实 也 有 许 多 报 道。 但 是， 对 于 一 个 具 体 工 艺， 齿 轮 泵 有 哪 些 价 值？ 实 际 的 效 益 和 成 本 如 何？怎 样 才 能 知 道？ 这 些 问 题 都 是 人 们 所 关 心 的。
对 于 在 挤 出 机 上 应 用 齿 轮 泵， 这 种 兴 趣 在 过 去 十几 年 来 一 直 在 不 断 增 长， 特 别 是 在 薄 膜 及 片 材 等 相 似 挤 出 应 用 中。 当 然， 引 起 这 种 兴 趣 的 真 正 原 因 是 齿 轮 泵 能 够 提 高 产 品 质 量、 增 加 产 量、 降 低 耗 材， 特 别 是 当 熔 体 的 密 度 或 产 品 变 化 的 时 候。
但 是 应 如 何 获 得 这 些 益 处？ 这 种 益 处 对 任 何 一 种 应 用 又 有 多 大？ 你 如 何 能 在 生 产 线 上 见 到 这 些 益 处？ 你 能 得 到 什 么 样 的 回 报？ 所 有 这 些 都 是 我 们 在 讨 论 这 一 应 用 时 大 家 所 关 心 的 问 题。
在 本 文 中， 我 们 将 探 讨 这 些 问 题 及 其 他 有 关 问 题， 并 试 图 来 解 释 这 种 齿 轮 泵 对 一 条 挤 出 生 产 线 有 什 么 影 响。 我 们 将 主 要 讨 论 生 产 线 的 改 造⎯ 即 在 原 挤 出 线 上 增 加 一 台 计 量 泵 后 的 效 果 如 何。 当 然 如 在 新 建 生 产 线 中 就 已 经 设 计 进 了 这 样 一 台 齿 轮 泵， 它 的 效 益 自 然 也 就 可 以 获 得 了， 但 是 这 个 话 题 就 要 反 过 来 讲 了。
在 这 篇 文 章 中， 我 们 将 以 美 国 Zenith 工 厂 的 PEP-II 齿 轮 泵 为 案 例， 说 明 齿 轮 泵 的 应 用 原 理 及 效 果。
Zenith PEP－II 型 齿 轮 泵 是 专 为 聚 合 物 的生 产， 特 别 是 挤 出 生 产 工 艺 而 设 计 的， 其 优 异 的 性 能 可 用 于 多 种 工 艺 条 件，PEP-II 泵 具 有 与 目 前 市 场 上 任 何 泵 型 相 比 的 最 高 泵 效。 其 制 造 材 料 为 最 新 研 制 的 工 具 钢， 并 采 用 通 体 淬 硬 工 艺， 以 期 获 得 更 长 的 寿 命 以 及 更 佳 的 承 压 能 力。
Zenith 工 厂 处 理 高 硬 度 材 料 的 工 艺 与 其 他 泵 制 造 商 相 比， 在 尺 寸 误 差 方 面 更 为 精 密。
二 章 齿 轮 泵 的 工 作 原 理
齿 轮 泵 的 概 念 是 很 简 单 的， 即 它 的 最 基 本 形 式 就 是 两 个 尺 寸 相 同 的 齿 轮 在 一 个 紧 密 配 合 的 壳 体 内 相 互 啮 合 旋 转， 这 个 壳 体 的 内 部 类 似“8” 字 型， 两 个 齿 轮 装 在 里 面， 齿 轮 的 外 径 及 两 侧 与 壳 体 紧 密 配 合。 来 自 于 挤 出 机 的 物 料 在 吸 入 口 进 入 两 个 齿 轮 中 间， 并 充 满 这 一 空 间， 并 随 着 齿 的 旋 转 沿 壳 体 运 动， 最 后 在 两 齿 啮 合 时 排 出。
在 术 语 上， 齿 轮 泵 也 叫 正 排 量 装 置， 即 像 一 个 缸 筒 内 的 活 塞， 当 一 个 齿 进 入 另 一 个 齿 的 流 体 空 间 时， 液 体 就 被 机 械 性 的 挤 排 出 来。 因 为 液 体 是 不 可 压 缩 的， 所 以 液 体 和 齿 就 不 能 在 同 一 时 间 占 据 同 一 空 间， 这 样， 液 体 就 被 排 除 了。 由 于 齿 的 不 断 啮 合， 这 一 现 象 就 连 续 的 发 生， 因 而 也 就 在 泵 的 出 口 提 供 了 一 个 连 续 的 排 除 量。 泵 每 转 一 转， 排 出 的 量 是 一 样 的。 随 着 驱 动 轴 的 不 间 断 的 旋 转， 泵 也 就 不 间 断 的 排 出 流 体。 泵 的 流 量 直 接 与 泵 的 转 速 有 关。
实 际 上， 在 泵 内 有 很 少 量 的 流 体 损 失， 这 使 泵 的 运 行 效 率 不 能 达 到 100％。 因 为 这 些 流 体 被 用 来 润 滑 轴 承 及 齿 轮 两 侧， 而 泵 体 也 绝 不 可 能 无 间 隙 配 合， 故 不 能 使 流 体 100％ 的 从 出 口 排 出， 所 以 少 量 的 流 体
损 失 是 必 然 的。 然 而 泵 还 是 可 以 良 好 的 运 行， 对 大 多 数 挤 出 物 料 来 说， 仍 可 达 到 93～98％ 的 效 率。
对 于 粘 度 或 密 度 在 工 艺 中 有 变 化 的 流 体， 这 种 泵 不 会 受 到 太 多 影 响。 如 果 有 一 个 阻 尼 器， 比 如 在 排 出 口 侧 放 一 个 滤 网 或 一 个 限 制 器， 而 泵 则 推 动 流 体 通 过 它 们。 如 果 这 个 阻 尼 器 在 工 作 中 变 化， 也 即 如 果 滤 网 变 脏， 堵 塞 了， 或 限 制 器 的 背 压 升 高 了， 则 泵 仍 将 保 持 恒 定 的 流 量， 直 至 达 到 装 置 中 最 弱 的 部 件 的 机 械 极 限( 通 常 装 有 一 个 扭 矩 限 制 器)。
对 于 一 台 泵 的 转 速， 实 际 上 是 有 限 制 的， 这 主 要 取 决 于 工 艺 流 体， 如 果 传 送 的 是 油 类， 泵 则 能 以 很 高 的 速 度 转 动， 但 当 流 体 是 一 种 高 粘 度 的 聚 合 物 熔 体 时， 这 种 限 制 就 会 大 幅 度 降 低。
推 动 高 粘 流 体 进 入 吸 入 口 一 侧 的 两 齿 空 间 是 非 常 重 要 的， 如 果 这 一 空 间 没 有 填 充 满， 则 泵 就 不 能 排 出 准 确 的 流 量， 所 以 PV 值( 压 力* 流 速) 也 是 另 外 一 个 限 制 因 素， 而 且 是 一 个 工 艺 变 量。 由 于 这 些 限 制， 齿 轮 泵 制 造 商 将 提 供 一 系 列 产 品， 即 不 同 的 规 格 及 排 量( 每 转 一 圈 所 排 出 的 量)。 这 些 泵 将 与 具 体 的 应 用 工 艺 所 配 合 以 使 系 统 能 力 及 价 格 最 优 化。
PEP－II 泵 的 齿 轮 与 轴 共 为 一 体， 采 用 通 体 淬 硬 工 艺， 可 获 得 更 长 的 工 作 寿 命。“D” 型 轴 承 结 合 了 强 制 润 滑 机 理， 使 聚 合 物 经 轴 承 表 面， 并 返 回 到 泵 的 进 口 侧， 以 确 保 旋 转 轴 的 有 效 润 滑。 这 一 特 性 减 少 了 聚 合 物 滞 留 并 降 解 的 可 能 性。 精 密 加 工 的 泵 体 可 使“D” 型 轴 承 与 齿 轮 轴 精 确 配 合， 确 保 齿 轮 轴 不 偏 心， 以 防 齿 轮 磨 损。Parkool 密 封 结 构 与 聚 四 氟 唇 型 密 封 共 同 构 成 水 冷 密 封。 这 种 密 封 实 际 上 并 不 接 触 轴 的 表 面， 它 的 密 封 原 理 是 将 聚 合 物 冷 却 到 半 熔 融 状 态 而 形 成 自 密 封。 也 可 以 采 用 Rheo seal 密 封， 它 在 轴 封 内 表 上 加 工 有 反 向 螺 旋 槽， 可 使 聚 合 物 被 反 压 回 到 进 口。 为 便 于 安 装， 制 造 商 设 计 了 一 个 环 形 螺 栓 安 装 面， 以 使 与 其 它 设 备 的 法 兰 安 装 相 配 合， 这 使 得 筒 形 法 兰 的 制 造 更 容 易。
PEP－II 齿 轮 泵 带 有 与 泵 的 规 格 相 匹 配 的 加 热 元 件， 可 供 用 户 选 配。 这 可 保 证 快 速 加 温 和 热 量 控 制。 与 泵 体 内 加 热 方 式 不 同， 这 些 元 件 的 损 坏 只 限 于 一 个 板 子 上， 与 整 个 泵 无 关。
齿 轮 泵 由 一 个 独 立 的 电 机 驱 动， 可 有 效 阻 断 上 游 的 压 力 脉 动 及 流 量 波 动。 在 齿 轮 泵 出 口 处 的 压 力 脉 动 可 以 控 制 在 1% 以 内。 在 挤 出 生 产 线 上 采 用 一 台 齿 轮 泵， 可 以 提 高 流 量 输 出 速 度， 减 少 物 料 在 挤 出 机 内 的 剪 切 及 驻 留 时 间， 降 低 挤 塑 温 度 及 压 力 脉 动 以 提 高 生 产 率 及 产 品 质 量。
第 三 章 齿 轮 泵 效 用 实 验 分 析
下 面 的 分 析 将 主 要 论 证 齿 轮 泵 在 挤 出 生 产 工 艺 上 的 独 特 作 用。 这 些 分 析 是 在 一 台 单 螺 杆 挤 出 机 上 进 行 的。
1. 压 力 均 匀 特 性
图 1 表 示 了 一 个 挤 出 机 如 何 消 除 进 口 压 力 脉 动 的 实 例。 此 曲 线 的 测 绘， 是 通 过 以 恒 定 转 速 运 行 一 台 排 量 为 50cc/rev 的 Zenith 齿 轮 泵， 并 改 变 一 台 2-1/2 口 径 的 单 螺 杆 挤 出 机 的 喂 料 速 度 而 获 得 的， 原 料 为 PETG。 左 侧 曲 线 表 示 进 口 压 力 脉 动 值 ( 每 格 为 250 psi)，右 侧 曲 线 表 示 相 应 出 口 压 力 脉 动 值 ( 每 格 为 50 psi)。 这 个 图 形 表 明 了 对 于 进 口 压 力 脉 动， 齿 轮 泵 的 输 出 不 受 影 响。 在 这 个 测 试 中， 我 们 还 通 过 手 动 方 式 在 泵 的 进 口 施 加 了 一 个 750 PSI 脉 动， 而 相 应 的 出 口 反 应 仅 为 10 PSI。 这 确 认 了 一 个 工 作 中 的 齿 轮 泵 可 使 模 头 处 的 压 力 脉 动 衰 减 的 效 果。 因 而 可 以 得 出 结 论， 齿 轮 泵 能 有 效 隔 离 由 挤 出 机 螺 杆 抖 动、速 度 不 稳、喂 料 不 畅 等 引 起 的 不 规 则 脉 动，使 对 最 终 成 型 装 置 的 影 响 降 至 最 低。
进 一 步 的 研 究 也 证 明 了 这 点。 使 用 一 台 CDPE 单 螺 杆 挤 出 机， 不 连 接 齿 轮 泵， 其 压 力 脉 动 均 为 1800 psi 的 ±4.3%; 而 使 用 齿 轮 泵 后， 则 降 低 至±1.2%。
图 2 表 示 了 一 个“ 主 动 计 量” 概 念， 在 这 里， 齿 轮 泵 保 证 了 向 模 头 输 出 一 个 压 力 与 速 度 均 为 稳 定 的 物 流。 在 许 多 生 产 工 艺 中， 进 口 压 力 高， 而 出 口 压 力 低 也 是 很 普 遍 的。 给 挤 出 机 建 立 高 背 压 的 目 的 是 要 强 化 混 合 与 熔 融， 而 通 过 模 头 的 流 量 则 由 泵 进 行 调 节 以 达 到 最 终 的 产 品 尺 寸。
此 图 是 在 与 图 1 相 同 的 实 验 中 测 绘 的。
通 常 Zenith 泵 对 进 口 压 力 在 较 宽 的 范 围 内 基 本 上 不 是 很 敏 感 (500-1500 psi), 这 取 决 于 聚 合 物 本 身 与 齿 轮 泵 上 的 压 降。 根 据 这 些 测 试 的 资 料， 齿 轮 泵 可 以 降 低 在 熔 融 过 程 中 所 产 生 的 瞬 间 压 力 脉 动。 由 于 这 些 特 点， 在 ?具 顶 端 处 的 尺 寸 稳 定 性 即 可 得 到 改 善， 而 产 品 的 质 量 也 即 得 到 了 改 善。
2. 增 加 生 产 能 力
在 有 齿 轮 泵 相 助 的 挤 出 线 上， 由 于 泵 的 进 口 压 力 维 持 较 低 ( 通 常 500psi ) 即 可， 因 而 在 从 挤 出 机 的 螺 杆 到 齿 轮 泵 之 间 的 压 力 输 送 过 程 中， 物 料 的 回 流 可 被 降 低。 从 液 压 角 度 来 讲， 齿 轮 泵 是 一 种 比 挤 出 机 更 易 有 效 建 立 压 力 的 装 置。 因 而， 螺 杆 挤 出 机 在 给 定 的 模 头 压 力 下， 其 输 出 可 被 大 大 改 善。Zenith PEP－II 泵 可 以 容 易 地 建 立 起 模 头 所 需 要 的 压 力， 这 样 就 可 以 降 低 挤 出 机 的 背 压。 按 一 般 规 律， 挤 出 机 的 背 压 每 降 低 1000 PSI， 其 在 给 定 速 度 下 的 输 出 量 可 增 加 大 约 10％。
在 LDPE 的 挤 出 实 验 中， 靠 使 用 一 台 齿 轮 泵， 挤 出 机 输 出 量 比 在 同 样 的 螺 杆 速 度 及 模 头 压 力 下 (3400 PSI，参 见 图 3) 增 加 了 29％。 这 是 很 容 易 理 解 的， 因 为 挤 出 机 此 时 已 不 在 3400 PSI 的 压 力 下 输 出 物 料， 齿 轮 泵 只 需 要 挤 出 机 提 供 一 个 很 小 的 进 口 压 力 ( 此 实 验 中 为 500 PSI)。
显 而 易 见， 利 用 一 台 齿 轮 泵， 挤 出 机 在 同 样 的 速 度 下， 其 生 产 能 力 可 大 大 提 高。
3. 温 度 控 制
需 要 再 次 强 调 的 是， 作 为 使 用 Zenith PEP－II 齿 轮 的 效 果， 挤 出 机 背 压 的 降 低 将 减 少 聚 合 物 在 机 内 的 驻 留 时 间 并 使 塑 化 过 程 更 为 稳 定。 当 挤 出 机 速 度 和 压 力 一 定 时， 在 齿 轮 泵 挤 出 系 统 的 泵 入 口 处 的 温 度 要 比 常 规 挤 出 系 统 在 挤 出 机 出 口 处 的 温 度 降 低 许 多。 即 使 在 泵 中 还 有 一 个 温 升， 但 总 的 温 度 比 常 规 挤 出 机 系 统 还 是 要 低。图 4 表 明 了 在 一 个 生 产 工 艺 中， 在 低 速 度 下 运 行 一 台 大 排 量 泵 比 在 高 转 速 下 运 行 一 台 小 排 量 泵 所 表 现 出 的 好 处。
从 此 图 可 知， 在 流 量 为 80 磅/ 小 时， 三 台 不 同 排 量 的 泵， 其 温 度 结 果 如 下：
排 量 (cc/rev) 转 速 (rpm) 温 升 (°C)
10 ～80 30
20 ～40 12
30 ～27 8
根 据 比 热 和 热 传 导 性， 对 于 其 它 聚 合 物 也 有 类 似 的 结 果。 泵 的 温 升 可 计 算 如 下 :
T (°C)=2Π×TV×N / 16800×Q×SH
其 中 TV＝ 粘 性 扭 矩 (lb-in) Q= 流 量 (1b/min)
N= 泵 转 速 (rpm) SH= 比 热
图 5 显 示 了 一 个 温 升 的 实 例。 所 用 泵 为 Zenith PEP-II， 排 量 为 100cc/rev, 本 图 表 示 出 了 不 同 转 速 及 不 同 压 力 下 温 升 的 变 化。
4. 降 低 剪 切 能 量
Zenith PEP-II 泵 中 的 齿 轮 采 用 了 冠 状 齿 根 形 设 计， 与 常 规 标 准 齿 型 相 比 降 低 了 剪 切 能 量 及 功 率 消 耗。 此 外 低 长 径 比 齿 形 的 利 用， 还 减 少 了 聚 合 物 从 齿 轮 中 部 排 出 所 须 通 过 的 距 离。 这 些 特 点 大 大 降 低 了 被 传 递 给 物 料 的 能 量， 保 护 了 其 机 械 性 能， 并 在 整 个 过 程 中 维 持 了 较 低 温 度。 同 时 泵 的 寿 命 得 到 延 长， 驱 动 装 置 被 减 小， 为 大 多 数 挤 出系 统 提 供 了 一 个 高 效 节 能 稳 定 装 置。 冠 状 齿 根 齿 形 在 效 果 上 可 使 输 出 量 增 加 5～10％。
图 6 表 明 了 具 有 冠 状 齿 根 的 齿 轮 与 标 准 齿 轮 在 一 条 PS 生 产 线 上 对 比 的 结 果。 此 曲 线 显 示 其 增 长 约 为 30％。
(未完待续)