橡膠齒輪泵的設計及應用分析

曹施展

摘 要：通過對橡膠齒輪泵結構及作用原理的分析，得出其正位移輸送特性可有效解決橡膠過濾和擠出成型時的膠料升溫快，壓力波動，效率低，受力不良等問題。結合工藝過程特點，闡述了齒輪泵的整體設計方案。進一步的，給出了齒輪泵關鍵零部件的設計思路，重點保證嚙合平穩，低漏返，低殘余，潤滑和密封等關鍵性能。

關鍵詞：橡膠齒輪泵;濾膠;擠出成型;設計;應用分析

0 引言

齒輪泵是容積式泵的一種，依靠泵缸與嚙合齒輪之間形成的工作容積的變化和移動來增壓或輸送液體，廣泛應用于流體加壓、輸送、計量等工藝過程中，如橡膠或塑料等聚合物的過濾成型過程，液壓油和潤滑油脂的高壓輸送，化工實驗原料的計量配比等。應用于橡膠行業的齒輪泵又稱熔體齒輪泵，其工作原理為，喂料裝置將物料送入齒輪泵喂料口一側，然后依靠一對嚙合的齒輪組的旋轉，不斷地在喂料一側形成空隙吸入物料并旋轉送到出料口一側[1]。

1 橡膠齒輪泵的結構和功能簡介

橡膠齒輪泵的結構組成主要有喂料口，出料口，熔體腔，齒輪軸，軸承座和驅動馬達等，如圖1所示。

2 橡膠齒輪泵工作特性

橡膠在加工過程中需要過濾和擠出成型，傳統方式主要用螺桿擠出機提供動力，具有諸多局限性，如高速擠出時膠料溫升快，出料效率低，壓力波動大，螺桿受力磨損嚴重等[2]。齒輪泵的工作特點可有效解決上述問題，因此得到廣泛應用。（1）齒輪泵具有正位移輸送特征，可將膠料從喂料口有效推送到出料口，膠料的摩擦和剪切生熱大幅減少，可避免出料溫升過快[3]。（2）齒輪與熔體腔的間隙很小，齒輪嚙合也很緊密，并具有低漏膠，低回流的特點，因此可在較小的空間內迅速建立高壓，適用于濾膠時選擇目數高的濾網[3]。（3）正位移輸送特性使得齒輪泵出膠壓力波動小，因此可保證擠出成型產品的尺寸穩定性[3]。（4）齒輪泵出膠速度與齒輪泵轉速線性度較高，有利于整線生產的聯動控制[3]。

3 橡膠齒輪泵的設計

針對橡膠齒輪泵的工作特性和應用要求，可從如下幾個方面進行設計和優化，以更好的發揮設備優勢，有效解決工藝過程的疑難點。

3.1 系統整體設計

考慮到齒輪泵在橡膠行業的兩個個主要應用過程及要求，可分別從喂料方式，出料形式，聯動或離線等方面進行整體及配套設備設計。對于原材料濾膠工藝過程，一般要求產能大，效率高。因此所需的喂膠量較大，一般可配備雙螺桿擠出機，出料口與齒輪泵喂料口密閉對接，入料口可直接置于密煉機卸料口下端，一次性承接密煉機的排膠，并輸送到齒輪泵喂料口處，持續喂料。入料口需為大口徑料倉式結構，容量設計略大于密煉機排膠量的2倍，且中間需設置過渡斜通道，避免排膠對螺桿的沖擊。螺桿應尾大頭小呈錐狀，且向下傾斜，螺距漸進式由大變小，可在向前輸送時排空物料空隙，便于增壓和喂料。出料口一般設計為鴨嘴狀，逐漸過渡到圓筒狀，然后對接多孔板和濾網，目的是物料出熔體腔后可均勻分散到濾網截面，同時避免物料在死角處殘留。通過濾網后的膠料可根據出料的形狀尺寸要求制作模口。對于擠出成型工序，通常選擇擠出機喂料，通過長螺桿的分段剪切棱設計和分區溫度設置，對膠料進行補充混煉、塑化等過程，提高膠料的流動性和分散性，從而有利于喂膠和擠出成型質量。由于機頭處出口壓力完全由齒輪泵來提供，擠出機的壓力顯著降低，螺桿和機筒的長徑比的設計無需過多考慮剛度和后坐力。對于要求離線濾膠或擠出成型時，如返回膠或外購膠，通常要求設備簡單、靈活、占地小，或在原有產線上改造而成，也可選擇雙輥筒喂料方式。

3.2 關鍵零部件設計

（1）齒輪設計。齒輪為關鍵運動和承壓部件，宜選擇具有嚙合平穩特征的漸開線齒形齒輪。但不同于一般的漸開線傳動齒輪，此處要求齒部具有更高的強度。因此，需要在齒輪外徑一定的情況下，盡可能的降低齒數，增大模數，以增加齒部的厚度。根據漸開線齒形設計原理，當齒數小于17時，標準齒輪組會產生根切，需要通過齒輪正變位安裝來避免，也就是齒輪組的分度圓直徑要小于中心距。正變位齒輪組可解決根切問題，但會帶來齒頂間隙的增大。而對于齒輪泵，恰恰要求齒頂間隙盡可能小，以確保低漏膠率和低殘余量。根據齒形計算公式，標準漸開線傳動齒輪的齒頂系數為1，齒底系數為1.25，頂隙系數為0.25，齒全高系數為1.25。因此，可適當降低頂隙系數至0.1。由于模數確定時，齒底系數越大，代表著齒槽越深，即齒輪吃膠量和吐出量越大，因此，齒底系數的設計還需考慮齒輪泵的吐出效率。

（2）軸和軸承設計。由于熔體腔內的橡膠呈高壓流動狀態，軸與軸承處既要起到支撐作用，又要考慮潤滑和密封，可選擇滑動軸承或滾動軸承。對于滑動軸承，承載力較強，結構簡單。可利用軸套和軸之間的微小間隙形成膠膜潤滑。為了使膠膜均勻環繞整個軸承，又不至于漏膠量太大，需在軸承上設置導流槽。導流槽可從出料端開設，沿著軸承內端面向齒輪嚙合處延伸，然后進入軸承內圈并呈螺旋狀延伸到外端部。如使用滾動軸承，則具有磨損小，適用于大分子聚合物或有雜質的膠料特性，但是密封結構會比較復雜，需引導膠料返流并設置溢流孔，防止物料進入軸承滾柱，同時需設置密封圈防止軸承潤滑脂污染膠料。

4 結論

橡膠齒輪泵在膠料的過濾和精密擠出成型應用上具有諸多優點，可從喂料方式、出料形式、聯動或離線等方面進行整體方案設計，以更好的發揮其效率高，壓力穩，升溫小，喂料方式多樣靈活的特點。進一步的，對于關鍵零部件的設計重點保證嚙合平穩，低漏返，低殘余，潤滑和密封等，可保證其優異性能的發揮。

參考文獻：

[1]那洪東.橡膠加工用齒輪泵及配備齒輪泵的擠出機[J].世界橡膠工業，2006（08）：26-31.

[2]張脈永，譚峰.德國UTH橡膠擠出過濾技術及產品應用[J].橡塑技術與裝備，2017，43（07）：20-26.

[3]畢超，莊園園，劉倩楠，李翱，江波.橡膠齒輪泵擠出系統的工作特性和設計難點分析[J].橡塑技術與裝備，2013，39（11）：47-50.