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              熔體增壓計量齒輪泵在擠出生產線上的應用

               
              第一章有關齒輪泵的問題

                  很有可能你已經聽說過或讀到過一些有關在擠出生產線上應用熔體增壓計量齒輪泵的介紹和文章。而有關加裝這種泵的優點,確實也有許多報道。但是,對于一個具體工藝,齒輪泵有哪些價值?實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心的。
                  對于在擠出機上應用齒輪泵,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擠出應用中。當然,引起這種興趣的真正原因是齒輪泵能夠提高產品質量、增加產量、降低耗材,特別是當熔體的密度或產品變化的時候。
                  但是應如何獲得這些益處?這種益處對任何一種應用又有多大?你如何能在生產線上見到這些益處?你能得到什么樣的回報?所有這些都是我們在討論這一應用時大家所關心的問題。在本文中,我們將探討這些問題及其他有關問題,并試圖來解釋這種齒輪泵對一條擠出生產線有什么影響。我們將主要討論生產線的改造⎯即在原擠出線上增加一臺計量泵后的效果如何。當然如在新建生產線中就已經設計進了這樣一臺齒輪泵,它的效益自然也就可以獲得了,但是這個話題就要反過來講了。在這篇文章中,我們將以美國Zenith工廠的PEP-II齒輪泵為案例,說明齒輪泵的應用原理及效果。
                  ZenithPEP-II型齒輪泵是專為聚合物的生產,特別是擠出生產工藝而設計的,其優異的性能可用于多種工藝條件,PEP-II泵具有與目前市場上任何泵型相比的最高泵效。其制造材料為最新研制的工具鋼,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。
              第二章齒輪泵的工作原理
                  齒輪泵的概念是很簡單的,即它的最基本形式就是兩個尺寸相同的齒輪在一個緊密配合的殼體內相互嚙合旋轉,這個殼體的內部類似“8”字型,兩個齒輪裝在里面,齒輪的外徑及兩側與殼體緊密配合。來自于擠出機的物料在吸入口進入兩個齒輪中間,并充滿這一空間,并隨著齒的旋轉沿殼體運動,最后在兩齒嚙合時排出。
                  在術語上,齒輪泵也叫正排量裝置,即像一個缸筒內的活塞,當一個齒進入另一個齒的流體空間時,液體就被機械性的擠排出來。因為液體是不可壓縮的,所以液體和齒就不能在同一時間占據同一空間,這樣,液體就被排除了。由于齒的不斷嚙合,這一現象就連續的發生,因而也就在泵的出口提供了一個連續的排除量。泵每轉一轉,排出的量是一樣的。隨著驅動軸的不間斷的旋轉,泵也就不間斷的排出流體。泵的流量直接與泵的轉速有關。
                  實際上,在泵內有很少量的流體損失,這使泵的運行效率不能達到100%。因為這些流體被用來潤滑軸承及齒輪兩側,而泵體也絕不可能無間隙配合,故不能使流體100%的從出口排出,所以少量的流體損失是必然的。而泵還是可以良好的運行,對大多數擠出物料來說,仍可達到93~98%的效率。
                  對于粘度或密度在工藝中有變化的流體,這種泵不會受到太多影響。如果有一個阻尼器,比如在排出口側放一個濾網或一個限制器,而泵則推動流體通過它們。如果這個阻尼器在工作中變化,也即如果濾網變臟,堵塞了,或限制器的背壓升高了,則泵仍將保持恒定的流量,直至達到裝置中最弱的部件的機械極限(通常裝有一個扭矩限制器)。
                  對于一臺泵的轉速,實際上是有限制的,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動,但當流體是一種高粘度的聚合物熔體時,這種限制就會大幅度降低。推動高粘流體進入吸入口一側的兩齒空間是非常重要的,如果這一空間沒有填充滿,則泵就不能排出準確的流量,所以PV值(壓力*流速)也是另外一個限制因素,而且是一個工藝變量。由于這些限制,齒輪泵制造商將提供一系列產品,即不同的規格及排量(每轉一圈所排出的量)。這些泵將與具體的應用工藝所配合以使系統能力及價格最優化。
                  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”型軸承結合了強制潤滑機理,使聚合物經軸承表面,并返回到泵的進口側,以確保旋轉軸的有效潤滑。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”型軸承與齒輪軸精確配合,確保齒輪軸不偏心,以防齒輪磨損。Parkool密封結構與聚四氟唇型密封共同構成水冷密封。這種密封實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而形成自密封。也可以采用Rheoseal密封,它在軸封內表上加工有反向螺旋槽,可使聚合物被反壓回到進口。為便于安裝,制造商設計了一個環形螺栓安裝面,以使與其它設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。與泵體內加熱方式不同,這些元件的損壞只限于一個板子上,與整個泵無關。齒輪泵由一個獨立的電機驅動,可有效阻斷上游的壓力脈動及流量波動。在齒輪泵出口處的壓力脈動可以控制在1%以內。在擠出生產線上采用一臺齒輪泵,可以提高流量輸出速度,減少物料在擠出機內的剪切及駐留時間,降低擠塑溫度及壓力脈動以提高生產率及產品質量。
              第三章齒輪泵效用實驗分析
                  下面的分析將主要論證齒輪泵在擠出生產工藝上的獨特作用。這些分析是在一臺單螺桿擠出機上進行的。
              1. 壓力均勻特性
               
              進一步的研究也證明了這點。使用一臺CDPE單螺桿擠出機,不連接齒輪泵,其壓力脈動均為1800psi的±4.3%;而使用齒輪泵后,則降低至±1.2%。
               
                  圖2表示了一個“主動計量”概念,在這里,齒輪泵保證了向模頭輸出一個壓力與速度均為穩定的物流。在許多生產工藝中,進口壓力高,而出口壓力低也是很普遍的。給擠出機建立高背壓的目的是要強化混合與熔融,而通過模頭的流量則由泵進行調節以達到最終的產品尺寸。此圖是在與圖1相同的實驗中測繪的。
                  通常Zenith泵對進口壓力在較寬的范圍內基本上不是很敏感(500-1500psi),這取決于聚合物本身與齒輪泵上的壓降。根據這些測試的資料,齒輪泵可以降低在熔融過程中所產生的瞬間壓力脈動。由于這些特點,在模具頂端處的尺寸穩定性即可得到改善,而產品的質量也即得到了改善。
               
              2.增加生產能力
              在有齒輪泵相助的擠出線上,由于泵的進口壓力維持較低(通常500psi)即可,因而在從擠出機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更易有效建立壓的裝置。因而,螺桿擠出機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的背壓。按一般規律,擠出機的背壓每降低1000PSI,其在給定速度下的輸出量可增加大約10%。在LDPE的擠出實驗中,靠使用一臺齒輪泵,擠出機輸出量比在同樣的螺桿速度及模頭壓力下(3400PSI,參見圖3)增加了29%。這是很容易理解的,因為擠出機此時已不在3400PSI的壓力下輸出物料,齒輪泵只需要擠出機提供一個很小的進口壓力(此實驗中為500PSI)。顯而易見,利用一臺齒輪泵,擠出機在同樣的速度下,其生產能力可大大提高。
               
              3.溫度控制
              需要再次強調的是,作為使用ZenithPEP-II齒輪的效果,擠出機背壓的降低將減少聚合物在機內的駐留時間并使塑化過程更為穩定。當擠出機速度和壓力一定時,在齒輪泵擠出系統的泵入口處的溫度要比常規擠出系統在擠出機出口處的溫度降低許多。即使在泵中還有一個溫升,但總的溫度比常規擠出機系統還是要低。
               
              圖4表明了在一個生產工藝中,在低速度下運行一臺大排量泵比在高轉速下運行一臺小排量泵所表現的好處。從此圖可知,在流量為80磅/小時,三臺不同排量的泵,其溫度結果如下:
              排量(cc/rev)    轉速(rpm)    溫升(°C)
              10            ~80            30
              20            ~40            12
              30            ~27             8
                  根據比熱和熱傳導性,對于其它聚合物也有類似的結果。泵的溫升可計算如下:
              T(°C)=2Π×TV×N/16800×Q×SH
              其中TV=粘性扭矩(lb-in)Q=流量(1b/min)    N=泵轉速(rpm)   SH=比熱
               
                  圖5顯示了一個溫升的實例。所用泵為ZenithPEP-II,排量為100cc/rev,本圖表示出了不同轉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計,與常規標準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。這些特點大大降低了被傳遞給物料的能量,保護了其機械性能,并在整個過程中維持了較低溫度。同時泵的壽命得到延長,驅動裝置被減小,為大多數擠出系統提供了一個高效節能穩定裝置。冠狀齒根齒形在效果上可使輸出量增加5~10%。
                  圖6表明了具有冠狀齒根的齒輪與標準齒輪在一條PS生產線上對比的結果。此曲線顯示其增長約為30%。
               

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