很有可能你已經(jīng)聽說過或讀到過一些有關(guān)在擠出生產(chǎn)線上應(yīng)用熔體增壓計(jì)量齒輪
泵的介紹和文章。而有關(guān)加裝這種泵的優(yōu)點(diǎn)，確實(shí)也有許多報(bào)道。但是，對(duì)于一
個(gè)具體工藝，齒輪泵有哪些價(jià)值？實(shí)際的效益和成本如何？怎樣才能知道？這些
問題都是人們所關(guān)心的。
    對(duì)于在擠出機(jī)上應(yīng)用齒輪泵，這種興趣在過去十幾年來一直在不斷增長，特
別是在薄膜及片材等相似的擠出應(yīng)用中。當(dāng)然，引起這種興趣的真正原因是齒輪
泵能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量、增加產(chǎn)量、降低耗材，特別是當(dāng)熔體的密度或產(chǎn)品變化的
時(shí)候。
    但是應(yīng)如何獲得這些益處？這種益處對(duì)任何一種應(yīng)用又有多大？你如何能在
生產(chǎn)線上見到這些益處？你能得到什么樣的回報(bào)？
    在本文中，我們將探討這些問題及其他有關(guān)問題，并試圖來解釋這種齒輪泵
對(duì)一條擠出生產(chǎn)線有什么影響。我們將主要討論生產(chǎn)線的改造?即在原擠出線上
增加一臺(tái)計(jì)量泵后的效果如何。
    在這篇文章中，我們將以美國Zenith工廠的PEP-II齒輪泵為例，說明齒輪
泵的應(yīng)用原理及效果。
    Zenith  PEP－II型齒輪泵是專為聚合物的生產(chǎn)，特別是擠出生產(chǎn)工藝而設(shè)
計(jì)的，其優(yōu)異的性能可用于多種工藝條件，PEP-II泵具有與目前市場(chǎng)上任何泵型
相比的zui高泵效。其制造材料為研制的工具鋼，并采用通體淬硬工藝，以期
獲得更長的壽命以及更佳的承壓能力。
    Zenith工廠處理高硬度材料的工藝與其他泵制造商相比，在尺寸誤差方面更
為精密。
    齒輪泵的工作原理
    齒輪泵的概念是很簡單的，即它的zui基本形式就是兩個(gè)尺寸相同的齒輪在一
個(gè)緊密配合的殼體內(nèi)相互嚙合旋轉(zhuǎn)，這個(gè)殼體的內(nèi)部類似“8”字形，兩個(gè)齒輪裝
在里面，齒輪的外徑及兩側(cè)與殼體緊密配合。來自于擠出機(jī)的物料在吸入口進(jìn)入
兩個(gè)齒輪中間，并充滿這一空間，隨著齒的旋轉(zhuǎn)沿殼體運(yùn)動(dòng)，zui后在兩齒嚙合時(shí)
排出。
    在術(shù)語上講，齒輪泵也叫正排量裝置，即像一個(gè)缸筒內(nèi)的活塞，當(dāng)一個(gè)齒進(jìn)
入另一個(gè)齒的流體空間時(shí)，液體就被機(jī)械性地?cái)D排出來。因?yàn)橐后w是不可壓縮的，
所以液體和齒就不能在同一時(shí)間占據(jù)同一空間，這樣，液體就被排除了。由于齒
的不斷嚙合，這一現(xiàn)象就連續(xù)在發(fā)生，因而也就在泵的出口提供了一個(gè)連續(xù)排除
量，泵每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，排出的量是一樣的。隨著驅(qū)動(dòng)軸的不間斷地旋轉(zhuǎn)，泵也就不間
斷地排出流體。泵的流量直接與泵的轉(zhuǎn)速有關(guān)。
    實(shí)際上，在泵內(nèi)有很少量的流體損失，這使泵的運(yùn)行效率不能達(dá)到100％，
因?yàn)檫@些流體被用來潤滑軸承及齒輪兩側(cè)，而泵體也絕不可能無間隙配合，故不
能使流體100％地從出口排出，所以少量的流體損失是必然的。然而泵還是可以
良好地運(yùn)行，對(duì)大多數(shù)擠出物料來說，仍可以達(dá)到93％～98％的效率。
    對(duì)于粘度或密度在工藝中有變化的流體，這種泵不會(huì)受到太多影響。如果有
一個(gè)阻尼器，比如在排出口側(cè)放一個(gè)濾網(wǎng)或一個(gè)限制器，泵則會(huì)推動(dòng)流體通過它
們。如果這個(gè)阻尼器在工作中變化，亦即如果濾網(wǎng)變臟、堵塞了，或限制器的背
壓升高了，則泵仍將保持恒定的流量，直至達(dá)到裝置中zui弱的部件的機(jī)械極限（通
常裝有一個(gè)扭矩限制器）。
對(duì)于一臺(tái)泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)際上是有限制的，這主要取決于工藝流體，如果傳送的是
油類，泵則能以很高的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，但當(dāng)流體是一種高粘度的聚合物熔體時(shí)，這種
限制就會(huì)大幅度降低。
    推動(dòng)高粘流體進(jìn)入吸入口一側(cè)的兩齒空間是非常重要的，如果這一空間沒有
填充滿，則泵就不能排出準(zhǔn)確的流量，所以PV值（壓力×流速）也是另外一個(gè)限制
因素，而且是一個(gè)工藝變量。由于這些限制，齒輪泵制造商將提供一系列產(chǎn)品，
即不同的規(guī)格及排量（每轉(zhuǎn)一周所排出的量）。這些泵將與具體的應(yīng)用工藝相配合，
以使系統(tǒng)能力及價(jià)格達(dá)到*。
PEP－II泵的齒輪與軸共為一體，采用通體淬硬工藝，可獲得更長的工作壽命。“D”
型軸承結(jié)合了強(qiáng)制潤滑機(jī)理，使聚合物經(jīng)軸承表面，并返回到泵的進(jìn)口側(cè)，以確
保旋轉(zhuǎn)軸的有效潤滑。這一特性減少了聚合物滯留并降解的可能性。精密加工的
泵體可使“D”型軸承與齒輪軸配合，確保齒輪軸不偏心，以防齒輪磨損。
Parkool密封結(jié)構(gòu)與聚四氟唇型密封共同構(gòu)成水冷密封。這種密封實(shí)際上并不接
觸軸的表面，它的密封原理是將聚合物冷卻到半熔融狀態(tài)而形成自密封。也可以
采用Rheoseal密封，它在軸封內(nèi)表上加工有反向螺旋槽，可使聚合物被反壓回
到進(jìn)口。為便于安裝，制造商設(shè)計(jì)了一個(gè)環(huán)形螺栓安裝面，以使與其它設(shè)備的法
蘭安裝相配合，這使得筒形法蘭的制造更容易。
    PEP－II齒輪泵帶有與泵的規(guī)格相匹配的加熱元件，可供用戶選配，這可保
證快速加溫和熱量控制。與泵體內(nèi)加熱方式不同，這些元件的損壞只限于一個(gè)板
子上，與整個(gè)泵無關(guān)。
    齒輪泵由一個(gè)獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可有效地阻斷上游的壓力脈動(dòng)及流量波動(dòng)。
在齒輪泵出口處的壓力脈動(dòng)可以控制在1%以內(nèi)。在擠出生產(chǎn)線上采用一臺(tái)齒輪
泵，可以提高流量輸出速度，減少物料在擠出機(jī)內(nèi)的剪切及駐留時(shí)間，降低擠塑
溫度及壓力脈動(dòng)以提高生產(chǎn)率及產(chǎn)品質(zhì)量。
    齒輪泵效用實(shí)驗(yàn)分析
    下面的分析將主要論證齒輪泵在擠出生產(chǎn)工藝上的*作用，這些分析是在
一臺(tái)單螺桿擠出機(jī)上進(jìn)行的。
    1.壓力均勻特性
    圖1表示了一個(gè)擠出機(jī)如何消除進(jìn)口壓力脈動(dòng)的實(shí)例。此曲線的測(cè)繪，是通
過以恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行一臺(tái)排量為50cc/rev的Zenith齒輪泵，并改變一臺(tái)2-1/2
口徑的單螺桿擠出機(jī)的喂料速度而獲得的，原料為PETG。左側(cè)曲線表示進(jìn)口壓
力脈動(dòng)值（每格為250PSI），右側(cè)曲線表示相應(yīng)出口壓力脈動(dòng)值（每格為50PSI）。
這個(gè)圖形表明了對(duì)于進(jìn)口壓力脈動(dòng)，齒輪泵的輸出不受影響。在這個(gè)測(cè)試中，我
們還通過手動(dòng)方式在泵的進(jìn)口施加了一個(gè)750PSI脈動(dòng)，而相應(yīng)的出口反應(yīng)僅為
10PSI。這確認(rèn)了一個(gè)工作中的齒輪泵可使模頭處的壓力脈動(dòng)衰減的效果。因而
可以得出結(jié)論，齒輪泵能有效地隔離由擠出機(jī)螺桿抖動(dòng)、速度不穩(wěn)、喂料不暢等
引起的不規(guī)則脈動(dòng)，使對(duì)zui終成型裝置的影響降至zui低。
    進(jìn)一步的研究也證明了這點(diǎn)。使用一臺(tái)CDPE單螺桿擠出機(jī)，不連接齒輪泵，
其壓力脈動(dòng)均為1800PSI的±4.3%;而使用齒輪泵后，則降低至±1.2%。
    圖2表示了一個(gè)“主動(dòng)計(jì)量”的概念，在這里，齒輪泵保證了向模頭輸出一個(gè)
壓力與速度均為穩(wěn)定的物流。在許多生產(chǎn)工藝中，進(jìn)口壓力高而出口壓力低也是
很普遍的。給擠出機(jī)建立高背壓的目的是要強(qiáng)化混合與熔融，而通過模頭的流量
則由泵進(jìn)行調(diào)節(jié)以達(dá)到zui終的產(chǎn)品尺寸。此圖是在與圖1相同的實(shí)驗(yàn)中測(cè)繪的。
    通常，Zenith泵對(duì)進(jìn)口壓力在較寬的范圍內(nèi)基本上不是很敏感（500～
1500PSI）,這取決于聚合物本身與齒輪泵上的壓降。根據(jù)這些測(cè)試的資料，齒輪
泵可以降低在熔融過程中所產(chǎn)生的瞬間壓力脈動(dòng)。由于這些特點(diǎn)，在模具頂端處
的尺寸穩(wěn)定性可得到改善，而產(chǎn)品的質(zhì)量也得到了改善。
    2.增加生產(chǎn)能力
    在有齒輪泵相助的擠出線上，由于泵的進(jìn)口壓力維持較低（通常500PSI即
可），因而在從擠出機(jī)的螺桿到齒輪泵之間的壓力輸送過程中，物料的回流可被降
低。從液壓角度來講，齒輪泵是一種比擠出機(jī)更易有效建立壓力的裝置，因而螺
桿擠出機(jī)在給定的模頭壓力下，其輸出可被大大改善。ZenithPEP－II泵可以容
易地建立起模頭所需要的壓力，這樣就可以降低擠出機(jī)的背壓。按一般規(guī)律，擠
出機(jī)的背壓每降低1000PSI，其在給定速度下的輸出量可增加大約10％。
    在LDPE的擠出實(shí)驗(yàn)中，靠使用一臺(tái)齒輪泵，擠出機(jī)輸出量比在同樣的螺桿
速度及模頭壓力下（3400PSI，參見圖3）增長了29％。這是很容易理解的，因?yàn)?br />擠出機(jī)此時(shí)已不在3400PSI的壓力下輸出物料，齒輪泵只需要擠出機(jī)提供一個(gè)
很小的進(jìn)口壓力（此實(shí)驗(yàn)中為500PSI）。
    顯而易見，利用一臺(tái)齒輪泵，擠出機(jī)在同樣的速度下，其生產(chǎn)能力可大大提
高。
    3.溫度控制
    需要再次強(qiáng)調(diào)的是，作為使用ZenithPEP－II齒輪的效果，擠出機(jī)背壓的降
低將減少聚合物在機(jī)內(nèi)的駐留時(shí)間并使塑化過程更為穩(wěn)定。當(dāng)擠出機(jī)速度和壓力
一定時(shí)，在齒輪泵擠出系統(tǒng)的泵入口處的溫度要比常規(guī)擠出系統(tǒng)在擠出機(jī)出口處
的溫度降低許多。即使在泵中還有一個(gè)溫升，但總的溫度比常規(guī)擠出機(jī)系統(tǒng)還是
要低。圖4表明了在一個(gè)生產(chǎn)工藝中，在低速度下運(yùn)行一臺(tái)大排量泵比在高轉(zhuǎn)速
下運(yùn)行一臺(tái)小排量泵所表現(xiàn)出的好處。從圖4可知，在流量為80bt/h，3臺(tái)不
同排量的泵的條件下，其溫度結(jié)果如下：
    根據(jù)比熱和熱傳導(dǎo)性，對(duì)于其它聚合物也有類似的結(jié)果。泵的溫升可計(jì)算如
下:
    T（℃）=2Π×TV×N/16800×Q×SH
    其中TV——粘性扭矩（lb-in）
    Q——流量（1b/min）
    N——泵轉(zhuǎn)速（rpm）
    SH——比熱
    圖5顯示了一個(gè)溫升的實(shí)例。所用泵為ZenithPEP-II，排量為100cc/rev,
本圖表示出了不 同轉(zhuǎn)速及不同壓力下溫升的變化。
    4.降低剪切能量
    ZenithPEP-II泵中的齒輪采用了冠狀齒根形設(shè)計(jì)，與常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)齒型相比降低
了剪切能量及功率消耗。此外，低長徑比齒形的利用還減少了聚合物從齒輪中部
排出所須通過的距離，這些都大大降低了被傳遞給物料的能量，保護(hù)了其機(jī)械性
能，并在整個(gè)過程中維持了較低溫度，同時(shí)，泵的壽命也得到了延長，驅(qū)動(dòng)裝置
被減小，為大多數(shù)擠出系統(tǒng)提供了一個(gè)、節(jié)能、穩(wěn)定的裝置。冠狀齒根齒形
在效果上可使輸出量增長5％～10％。
    圖6表明了具有冠狀齒根的齒輪與標(biāo)準(zhǔn)齒輪在一條PS生產(chǎn)線上對(duì)比的結(jié)果。
此曲線顯示其增長約為30％。