橡胶挤出加工用齿轮泵和挤出机

赵忠强　张芸芸　任谊

摘 要：本文通过对国内外相关资料的分析，扼要介绍了橡胶挤出加工用齿轮泵和与其配套用挤出机设计、制造的实践。

关键词：齿轮啮合、橡胶挤出

一.综述

齿轮泵由于结构简单、制造容易、成本低、工作可靠、维修方便等特点，一直广泛用于液压传动中。随科学技术发展，因其独特的结构和良好的使用性能使得其在国内外塑料和热塑性材料行业得到了广泛地应用；然而由于橡胶的高粘度及挤出过程中齿轮泵部件的易损等因素齿轮泵近些年才在橡胶界逐渐得到认可和推广。

橡胶挤出加工用齿轮泵（简称齿轮泵）既可单独承担橡胶的成型挤出、胶料的供给和过滤等各种加工工艺，同时还多用于由挤出机为其供料的各种场合。

二.齿轮泵

1.结构与原理

各种用途和类型齿轮泵的结构比较简单和大致相同，其最基本结构就是两个尺寸相同、相互啮合的齿轮在一个内部型腔类似“8”字形的壳体内旋转。

在齿轮泵的进料侧随齿轮的旋转，齿棱自动松开容积逐渐增大，形成低压，胶料被吸入。在齿轮泵的排料侧随齿棱的嵌入啮合容积逐渐缩小，形成高压，胶料被挤出。胶料在经历吸入、挤压和挤出的同时也受到了进一步的塑化。

2.主要构成

就目前国内来说齿轮泵乃是以直、斜齿啮合为主，但据相关资料报道国外齿轮泵已发展到含人字型、行星型齿轮等各种类型和不同用途的结构

（1）主要组成

由一对斜齿轮（含齿轮轴）、泵壳体（含端盖）、轴承、轴密封及泵体温度调控通道等组成。

（2）主要技术参数

（3）主要技术指标

3主要特点

（1） 低压吸入、高压挤出

随齿轮旋转齿面间的动态啮合线和齿轮与泵体内腔间的精密配合产生的密封在泵内腔形成了进、排料两侧。在进料侧齿棱相互脱开，容积逐渐增大其间压力也随之减小，胶料被吸入。在排料侧齿棱相互啮合，相互嵌入对方充满胶料的齿槽，齿槽容积逐渐减小其间压力也随之增大，胶料被机械性地带压挤出。

（2） 稳压、恒量挤出

齿轮泵是正排量、容积泵，即像一个缸筒内的活塞，当两齿棱啮合时一个齿进入另一个充满胶料的齿槽，胶料就被机械性挤排。随齿轮的不断啮合，在齿轮泵排料侧产生了连续的排出量，由于齿槽间容积相同，故排出量也相同。所以只要齿轮转速一定，胶料的挤出量也相对恒定，其流量取决于齿轮的转速；其压力取决于出口处的阻力。这种稳压、恒量挤出比挤出机更利于精密制品的连续挤出加工。

（3）工艺安全

由于胶料在齿轮泵中经历的过程单一、时间短，当齿轮高速旋转时外力对胶料的做功可以说是接近瞬间，故其所受到的剪切、摩擦少，生热低，不易焦烧，安全系数大。为精密制品的挤出、胶料的过滤及为压延等工序的供料等应用提供了优势。

齿轮泵与挤出机相比挤出过程中胶料的升温要明显小得多，据德国Berstorff报道[2]，当挤出压力为100bar时，挤出机挤出过程中的升温为17--35℃；而齿轮泵挤出过程中的升温仅为9—13℃.

同时齿轮泵整体加工、装配精度要求高，所以高质量的齿轮泵的自洁功能强，基本上可以避免泵腔内胶料流动的死角和焦烧

（4）能耗小、功效高

由于齿轮泵是通过对胶料微小的摩擦来移动少量胶料进行腔内传送达到挤出之效果的，所以与挤出机相比其能耗要小的多，而功效却成倍提高。据德国Berstorff报道[2]，当挤出压力为100bar时，挤出机的功效为：0.14—0.28；而齿轮泵的功效却为：0.38—0.55。

（5）润滑简单

齿轮泵在运行过程中泵体内轴承及齿轮两侧等各部位间的润滑全凭配合精度和胶料产生的自润滑胶膜来实现的，并始终有少量的润滑胶料从滑动轴承间隙缝处向外排出。据相关资料报道其效率虽能达到93%～98%，但对于长周期、连续生产来说，累计排出胶料的总量还是不容忽视的。好在泵体温度低（生产过程中应严格控制泵体的循环水温），胶料经历时间短、生热少，故外排的胶料没有焦烧，仍可返回再利用。

（6）综合比较

齿轮泵结构相对简单、噪音低、操作简易、拆卸简捷、维修容易、使用寿命长且占用空间小。

三.齿轮泵与挤出机并用

由挤出机为齿轮泵供料（挤出机+齿轮泵）组成的机组以两者间的功能互补而广泛用于橡胶挤出加工，并展现出明显的优势。

1.功能的互补

充分发挥齿轮泵高、恒压，恒量挤出，胶料摩擦生热低等优势，弥补了挤出机因长径比（L/D）不适、螺杆与机筒间隙增大、背压过大等造成的挤出（量与压力）波动和胶料生热高等不足。充分发挥挤出机对胶料塑化的功能，弥补了单独使用齿轮泵胶料在泵内经历过程单一、时间短，胶料塑化等不足。

2.并用的优势

（1）齿轮泵的供料得到增强

通过挤出机塑化后的胶料温度和粘度都有利于齿轮泵的吸入和进料侧齿间空隙的填充，保证了齿轮泵的高压、恒量挤出。

（2）挤出机的脉动得到隔离

齿轮泵在有效隔离挤出机因螺杆颤动、速度不稳、喂料不畅等产生的不规则脉动的同时并以自身高压、恒量的挤出实现了快速、高效、稳定生产精密挤出制品的高质量（含尺寸精度和合格率等）。

（3）挤出机内在的变化

挤出机为齿轮泵供料后整个（挤出机+齿轮泵机组）系统内的最大压力已移至齿轮泵出料端与模头（口型）之间，挤出机出口端的压力也由单一挤出机时的最大降到很小（齿轮泵的进料侧有类似于虹吸的功能）。由此带来了机筒内部功能、温度及压力（含螺杆各区段和背压）等的变化。德国maag（马格）公司[2]有相关道挤出机供料、塑化功能增强：有利于螺杆长径比（L/D）的缩短和胶料的塑化。机筒内压力（含各区段和背压）的降低：有利于胶料停留时间和生热的减少、螺杆与机筒间磨损的降低，螺杆功率减小，为齿轮泵提供胶量的增大。模头（口型）进料端压力显著升高：有利于精密制品的连续挤出或胶料过滤。

（4）挤出产量提高幅度大：

由于挤出机能为齿轮泵提供足够的胶料加上齿轮泵的挤出量与泵的转速成正比，当挤出阻力一定时整个系统的挤出量随转速呈直线提高。据德国maag公司报道[2]，当用于橡胶电线、电缆生产时其产量可增加47%。

四.实践及结论

为齿轮泵配置挤出机是国内外成功技术案例。以下是相关实践及结论：

1组配

由于机组中冷喂料挤出机主要是为齿轮泵供料，所以机组在组配时有以下选择和优势：

（1）配置新加工擠出机：可大幅度延长挤出机寿命。

（2）配置久用挤出机时：仍能满足配套使用需要。

2设计

为齿轮泵设计专用挤出机时可考虑：

（1）加强强制供料因素。

（2）螺杆的长径比（L/D）可相对减小、其结构可相对简化。

（3） 针对过滤、挤出制品或供料等不同工艺条件时设计时的注意点又有所侧重。 照片

3操作

（1）启动时：先启动齿轮泵再启动挤出机，此时一般要求螺杆转速稍大于泵的转速以保证齿轮泵内充满胶料。

（2）运行中：密切观注齿轮泵的输出端压力P（出口压力）和输入端压力P（入口压力）并将：△P =P（出口压力）—P（入口压力）≧一个值（视工艺条件而定），并确保证齿轮泵滑动轴承间隙中有一定量润滑胶溢出。.

（3）停机时：在原基础上先稍加大螺杆转速以尽量排出挤出机内部胶料；而后再关挤出机。齿轮泵在挤出机停机后再稍多运转一会，待齿轮泵内部胶料尽量排完后再停。

参考文献：

[1]齿轮泵的应用原理及在挤出机上的应用效果中国资产管理网www.china-eam.cn

[2]德国maag公司泵样本

[3]德国Berstorff公司样本

[4]美国Dynisco公司产品样本

作者简介：

赵忠强，1984-3-02，助理工程师，本科生，从事橡胶机械研发设计工作。