橡胶齿轮泵的设计及应用分析

曹施展

摘 要：通过对橡胶齿轮泵结构及作用原理的分析，得出其正位移输送特性可有效解决橡胶过滤和挤出成型时的胶料升温快，压力波动，效率低，受力不良等问题。结合工艺过程特点，阐述了齿轮泵的整体设计方案。进一步的，给出了齿轮泵关键零部件的设计思路，重点保证啮合平稳，低漏返，低残余，润滑和密封等关键性能。

关键词：橡胶齿轮泵;滤胶;挤出成型;设计;应用分析

0 引言

齿轮泵是容积式泵的一种，依靠泵缸与啮合齿轮之间形成的工作容积的变化和移动来增压或输送液体，广泛应用于流体加压、输送、计量等工艺过程中，如橡胶或塑料等聚合物的过滤成型过程，液压油和润滑油脂的高压输送，化工实验原料的计量配比等。應用于橡胶行业的齿轮泵又称熔体齿轮泵，其工作原理为，喂料装置将物料送入齿轮泵喂料口一侧，然后依靠一对啮合的齿轮组的旋转，不断地在喂料一侧形成空隙吸入物料并旋转送到出料口一侧[1]。

1 橡胶齿轮泵的结构和功能简介

橡胶齿轮泵的结构组成主要有喂料口，出料口，熔体腔，齿轮轴，轴承座和驱动马达等，如图1所示。

2 橡胶齿轮泵工作特性

橡胶在加工过程中需要过滤和挤出成型，传统方式主要用螺杆挤出机提供动力，具有诸多局限性，如高速挤出时胶料温升快，出料效率低，压力波动大，螺杆受力磨损严重等[2]。齿轮泵的工作特点可有效解决上述问题，因此得到广泛应用。（1）齿轮泵具有正位移输送特征，可将胶料从喂料口有效推送到出料口，胶料的摩擦和剪切生热大幅减少，可避免出料温升过快[3]。（2）齿轮与熔体腔的间隙很小，齿轮啮合也很紧密，并具有低漏胶，低回流的特点，因此可在较小的空间内迅速建立高压，适用于滤胶时选择目数高的滤网[3]。（3）正位移输送特性使得齿轮泵出胶压力波动小，因此可保证挤出成型产品的尺寸稳定性[3]。（4）齿轮泵出胶速度与齿轮泵转速线性度较高，有利于整线生产的联动控制[3]。

3 橡胶齿轮泵的设计

针对橡胶齿轮泵的工作特性和应用要求，可从如下几个方面进行设计和优化，以更好的发挥设备优势，有效解决工艺过程的疑难点。

3.1 系统整体设计

考虑到齿轮泵在橡胶行业的两个个主要应用过程及要求，可分别从喂料方式，出料形式，联动或离线等方面进行整体及配套设备设计。对于原材料滤胶工艺过程，一般要求产能大，效率高。因此所需的喂胶量较大，一般可配备双螺杆挤出机，出料口与齿轮泵喂料口密闭对接，入料口可直接置于密炼机卸料口下端，一次性承接密炼机的排胶，并输送到齿轮泵喂料口处，持续喂料。入料口需为大口径料仓式结构，容量设计略大于密炼机排胶量的2倍，且中间需设置过渡斜通道，避免排胶对螺杆的冲击。螺杆应尾大头小呈锥状，且向下倾斜，螺距渐进式由大变小，可在向前输送时排空物料空隙，便于增压和喂料。出料口一般设计为鸭嘴状，逐渐过渡到圆筒状，然后对接多孔板和滤网，目的是物料出熔体腔后可均匀分散到滤网截面，同时避免物料在死角处残留。通过滤网后的胶料可根据出料的形状尺寸要求制作模口。对于挤出成型工序，通常选择挤出机喂料，通过长螺杆的分段剪切棱设计和分区温度设置，对胶料进行补充混炼、塑化等过程，提高胶料的流动性和分散性，从而有利于喂胶和挤出成型质量。由于机头处出口压力完全由齿轮泵来提供，挤出机的压力显著降低，螺杆和机筒的长径比的设计无需过多考虑刚度和后坐力。对于要求离线滤胶或挤出成型时，如返回胶或外购胶，通常要求设备简单、灵活、占地小，或在原有产线上改造而成，也可选择双辊筒喂料方式。

3.2 关键零部件设计

（1）齿轮设计。齿轮为关键运动和承压部件，宜选择具有啮合平稳特征的渐开线齿形齿轮。但不同于一般的渐开线传动齿轮，此处要求齿部具有更高的强度。因此，需要在齿轮外径一定的情况下，尽可能的降低齿数，增大模数，以增加齿部的厚度。根据渐开线齿形设计原理，当齿数小于17时，标准齿轮组会产生根切，需要通过齿轮正变位安装来避免，也就是齿轮组的分度圆直径要小于中心距。正变位齿轮组可解决根切问题，但会带来齿顶间隙的增大。而对于齿轮泵，恰恰要求齿顶间隙尽可能小，以确保低漏胶率和低残余量。根据齿形计算公式，标准渐开线传动齿轮的齿顶系数为1，齿底系数为1.25，顶隙系数为0.25，齿全高系数为1.25。因此，可适当降低顶隙系数至0.1。由于模数确定时，齿底系数越大，代表着齿槽越深，即齿轮吃胶量和吐出量越大，因此，齿底系数的设计还需考虑齿轮泵的吐出效率。

（2）轴和轴承设计。由于熔体腔内的橡胶呈高压流动状态，轴与轴承处既要起到支撑作用，又要考虑润滑和密封，可选择滑动轴承或滚动轴承。对于滑动轴承，承载力较强，结构简单。可利用轴套和轴之间的微小间隙形成胶膜润滑。为了使胶膜均匀环绕整个轴承，又不至于漏胶量太大，需在轴承上设置导流槽。导流槽可从出料端开设，沿着轴承内端面向齿轮啮合处延伸，然后进入轴承内圈并呈螺旋状延伸到外端部。如使用滚动轴承，则具有磨损小，适用于大分子聚合物或有杂质的胶料特性，但是密封结构会比较复杂，需引导胶料返流并设置溢流孔，防止物料进入轴承滚柱，同时需设置密封圈防止轴承润滑脂污染胶料。

4 结论

橡胶齿轮泵在胶料的过滤和精密挤出成型应用上具有诸多优点，可从喂料方式、出料形式、联动或离线等方面进行整体方案设计，以更好的发挥其效率高，压力稳，升温小，喂料方式多样灵活的特点。进一步的，对于关键零部件的设计重点保证啮合平稳，低漏返，低残余，润滑和密封等，可保证其优异性能的发挥。

参考文献：

[1]那洪东.橡胶加工用齿轮泵及配备齿轮泵的挤出机[J].世界橡胶工业，2006（08）：26-31.

[2]张脉永，谭峰.德国UTH橡胶挤出过滤技术及产品应用[J].橡塑技术与装备，2017，43（07）：20-26.

[3]毕超，庄园园，刘倩楠，李翱，江波.橡胶齿轮泵挤出系统的工作特性和设计难点分析[J].橡塑技术与装备，2013，39（11）：47-50.