齒輪泵在塑料橡膠生產(chǎn)中的應(yīng)用

從1978年開始，齒輪泵就被運(yùn)用到熱塑性塑料的擠出線上，其中最典型的幾個(gè)運(yùn)用領(lǐng)域?yàn)樗芰现破?、塑料型材、澆鑄薄膜或吹膜。如今，齒輪泵在這些實(shí)際生產(chǎn)過程中已經(jīng)成為必不可少的設(shè)備，以至于儀器生產(chǎn)商們一般都會(huì)把齒輪泵與單螺桿擠出設(shè)備打包出售。齒輪泵能得到廣泛使用的原因很多，包括：提高吞吐量；更好的質(zhì)量；更高的產(chǎn)量；有效節(jié)約原料和降低能耗，使得投資的回收期縮短至6個(gè)月以內(nèi)。

當(dāng)齒輪泵用于橡膠產(chǎn)品的混合及擠出加工時(shí)，以上這些優(yōu)勢(shì)自然就被帶入到該產(chǎn)業(yè)中。本文主要討論齒輪泵運(yùn)用于橡膠擠出中的基本知識(shí)及由此帶來的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。討論主要集中在橡膠市場(chǎng)的兩塊領(lǐng)域：即型材擠出和定制混合/復(fù)合。在型材擠出領(lǐng)域，我們引用一個(gè)現(xiàn)實(shí)中的例子，即一位終端用戶利用齒輪泵改進(jìn)已有生產(chǎn)線后獲得了一系列生產(chǎn)上的利好（如圖1所示）。

 
圖1、齒輪泵實(shí)際應(yīng)用案例

齒輪泵的基本結(jié)構(gòu)

擠出齒輪泵是一種正排量裝置，通常被安裝于擠出機(jī)與口模之間。齒輪泵由兩個(gè)對(duì)稱的軸組成，每個(gè)軸又包含有嚙合齒輪和經(jīng)向軸承，整個(gè)泵外面有機(jī)殼包覆，如圖2所示。其中的齒輪直接提供了泵送動(dòng)作，而軸承決定了齒輪泵軸的位置并支撐起整個(gè)泵軸。齒輪和軸采用一體化的設(shè)計(jì)，因?yàn)楫?dāng)產(chǎn)品粘度較高或在特殊的壓力條件下，作用在齒輪泵上的扭矩和剪切負(fù)荷會(huì)很大，這種設(shè)計(jì)可以使得裝置能夠承受更大的力。其中一個(gè)齒輪為驅(qū)動(dòng)輪，與它相連的軸很長(zhǎng)，可以通過密封圈穿出齒輪泵的機(jī)殼，與泵外的變速箱相連，而變速箱則由一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。齒輪泵中的軸承由橡膠潤(rùn)滑。齒輪泵的機(jī)架上安裝了一種叫做Visco Seals的反向螺紋迷宮類密封圈，以防止擠出機(jī)中的橡膠泄露出來。不過在典型的橡膠生產(chǎn)過程中，為了避免橡膠在泵中燒焦或過早地發(fā)生固化（如果橡膠復(fù)合物中有固化劑的話），這些密封圈在設(shè)計(jì)上允許有少量的橡膠產(chǎn)品從泵中滲出。

 
圖2、擠出齒輪泵結(jié)構(gòu)

工作原理

如圖3所示，當(dāng)齒輪泵軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在泵入口端處的齒輪齒相互分開，這使得入口端的橡膠產(chǎn)品可以進(jìn)入到齒輪齒之間的空隙中。然后，隨著齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，橡膠被帶到齒輪的另一側(cè)。當(dāng)兩個(gè)齒輪的齒在那一側(cè)嚙合時(shí)，原先齒輪間的橡膠就被釋放出來，于是就完成了一個(gè)泵送的過程。

 
圖3、橡膠在齒輪泵的輸送原理圖

一個(gè)典型的齒輪泵系統(tǒng)應(yīng)該含有一個(gè)由交流電驅(qū)動(dòng)的泵，該泵的驅(qū)動(dòng)裝置包括齒輪減速器、主動(dòng)軸和以壓力回路控制為主的專用控制體系。該驅(qū)動(dòng)裝置接在擠出機(jī)的輸出接口上（電壓一般為0-10伏），于是擠出機(jī)就成了這個(gè)泵的電力來源。壓力傳感器分別安裝在齒輪泵的進(jìn)料口和出料口，其作用不僅僅是一個(gè)控制體系，也是用來防止齒輪泵的供料不足或體系的壓力過大。圖4展示了應(yīng)用在一個(gè)管道裝置中的齒輪泵及其驅(qū)動(dòng)裝置。

 
圖4、硅橡膠泵管及其驅(qū)動(dòng)裝置

橡膠生產(chǎn)中對(duì)齒輪泵的特殊需求

在橡膠工業(yè)中，用到齒輪泵的典型橡膠復(fù)合物包括聚丁橡膠（BR）、氯丁橡膠（CR）、乙丙三元共聚物橡膠（EPDM）、丁腈橡膠（NBR）、丁苯橡膠（SBR）以及天然橡膠。這些橡膠復(fù)合物給齒輪泵提出了許多挑戰(zhàn)性的問題。雖然與熱塑性塑料相比，這些橡膠的加工溫度已經(jīng)很低了，但是它們還是有可能發(fā)生燃燒或焦化，這些問題使得橡膠處理機(jī)出現(xiàn)了許多潛在的問題。這些橡膠還存在高粘度、低潤(rùn)滑性以及高磨損性等問題。此外，許多口模都被設(shè)計(jì)為適合在高壓下工作（高于5000 psi）。因此，要使齒輪泵的性能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持高水準(zhǔn)，所有這些問題都必須在齒輪泵設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮進(jìn)去。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)我們得出，在橡膠加工中，一個(gè)設(shè)計(jì)合理的齒輪泵必須包含以下要素：

在軸承和軸頸處要完全杜絕橡膠材料的進(jìn)入；
齒輪的設(shè)計(jì)不能使壓力偏離到5000 psi以上；
易磨損部件上需要涂覆特殊的加硬材料；
泵體和泵軸要有冷卻裝置，以控制好體系溫度。

在終端生產(chǎn)線上安裝齒輪泵的利好

齒輪泵的設(shè)計(jì)決定了其對(duì)產(chǎn)品的尺寸誤差能控制得很好，特別是在型材擠出過程中，由于規(guī)格控制非常重要，這點(diǎn)顯得尤為重要。通過減小壓力波動(dòng)、給出更平穩(wěn)的?？趬毫?，齒輪泵能將擠出產(chǎn)品的尺寸誤差控制得非常好（一般為±1.5%）。這是第一個(gè)主要的利好，能顯著提高產(chǎn)品產(chǎn)量并節(jié)約材料。

一般來說，擠出機(jī)的泵送能力很差，其工作效率一般為40～50%。在擠出機(jī)上增加一個(gè)齒輪泵、使其泵送效率增加到98%后，能極大減輕擠出機(jī)的泵送壓力，使擠出機(jī)的混合和研磨功能得到最大發(fā)揮。同時(shí)，齒輪泵的引入也大大降低了橡膠內(nèi)部的剪切力，于是極大地降低了橡膠的溫度（圖5）。這也使得擠出機(jī)中的線速度得到提高，使得產(chǎn)品的輸出量得到了25～40%的增長(zhǎng)。這是引進(jìn)齒輪泵后得到的第二個(gè)主要的利好。

 
圖5、齒輪泵承擔(dān)成型壓力時(shí)，橡膠溫度(T2對(duì)T1)成比例減小

此外，使用齒輪泵的其它利好還包括能降低能耗、減少擠出機(jī)螺桿和機(jī)筒的磨損，并能改善最終產(chǎn)品的外觀（利于銷售）。必須指出，當(dāng)齒輪泵用在連續(xù)硫化生產(chǎn)線上時(shí)，我們必須考慮其對(duì)樣品后續(xù)加工過程中硫化能力的影響。

在定制混合或復(fù)合過程中增加齒輪泵的利好

擠出處理器，一般也稱為混合間，廠商利用它們來制得各種橡膠復(fù)合物。而橡膠復(fù)合物又是根據(jù)定制的配方，把橡膠和各種其它成分共混制得。比如某一個(gè)特定的配方中包含了EPDM類橡膠材料、炭黑、增塑劑、著色劑、油類以及固化劑等成分。在接下來的混合過程中，當(dāng)所有這些成分都被放入到處理器中共混時(shí)，污染物或雜質(zhì)也很可能會(huì)被引入到體系中。這些污染物不僅僅會(huì)污染橡膠，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致體系中產(chǎn)生凝膠或燒結(jié)塊。這些凝膠或燒結(jié)塊會(huì)對(duì)最終的加工處理產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，特別是對(duì)于制造電線或電纜、型材、化妝品盒、薄壁模型制品和軋輥復(fù)合物的客戶來說后果尤為嚴(yán)重。

如今，許多客戶要求他們的橡膠加工商生產(chǎn)出“超潔凈”的橡膠復(fù)合物，以滿足他們?cè)趹?yīng)用上的需求。為了達(dá)到這一目標(biāo)，橡膠復(fù)合物必須在一個(gè)擠出機(jī)/過濾器上制備。當(dāng)加工商試圖利用擠出機(jī)完成這一目標(biāo)時(shí)，問題就出現(xiàn)了。典型的問題是該過程中產(chǎn)生過量的熱量，導(dǎo)致橡膠產(chǎn)生焦燒現(xiàn)象。此外，擠出機(jī)中出現(xiàn)的逆流也使得樣品輸出量下降。在這套擠出機(jī)/過濾器體系上加一個(gè)齒輪泵，其性能會(huì)得到如下幾點(diǎn)的改進(jìn)：

具有突破傳統(tǒng)擠出機(jī)極限的過濾能力；
精確控制產(chǎn)品的尺寸和均一度；
提高輸出量（泵送能力能達(dá)到7700 lbs/hr）；
擠出過程中熱量產(chǎn)出減小，消除了焦燒現(xiàn)象和擠出機(jī)中的逆流現(xiàn)象；
能夠徹底過濾用于汽車和建筑市場(chǎng)的海綿復(fù)合物；
減少螺桿和機(jī)筒的磨損；
在保證樣品不發(fā)生焦燒的前提下，通過一次擠出就完成混合和過濾。 

在橡膠制造和擠出的許多領(lǐng)域中，齒輪泵正獲得越來越多的認(rèn)同。許多早已在熱塑性塑料加工領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)了的利好，如更好的尺寸控制、更高的產(chǎn)量、節(jié)約用料以及更長(zhǎng)的擠出機(jī)壽命等，現(xiàn)在終于能在橡膠加工領(lǐng)域成為現(xiàn)實(shí)。