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熔体增压计量齿轮泵在挤出生产线上的应用

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第一章有关齿轮泵的问题

        很有可能你已经听说过或读到过一些有关在挤出生产线上应用熔体增压计量齿轮泵的介绍和文章。而有关加装这种泵的优点,确实也有许多报道。但是,对于一个具体工艺,齿轮泵有哪些价值?实际的效益和成本如何?怎样才能知道?这些问题都是人们所关心的。
        对于在挤出机上应用齿轮泵,这种兴趣在过去十几年来一直在不断增长,特别是在薄膜及片材等相似挤出应用中。当然,引起这种兴趣的真正原因是齿轮泵能够提高产品质量、增加产量、降低耗材,特别是当熔体的密度或产品变化的时候。
        但是应如何获得这些益处?这种益处对任何一种应用又有多大?你如何能在生产线上见到这些益处?你能得到什么样的回报?所有这些都是我们在讨论这一应用时大家所关心的问题。在本文中,我们将探讨这些问题及其他有关问题,并试图来解释这种齿轮泵对一条挤出生产线有什么影响。我们将主要讨论生产线的改造⎯即在原挤出线上增加一台计量泵后的效果如何。当然如在新建生产线中就已经设计进了这样一台齿轮泵,它的效益自然也就可以获得了,但是这个话题就要反过来讲了。在这篇文章中,我们将以美国Zenith工厂的PEP-II齿轮泵为案例,说明齿轮泵的应用原理及效果。
        ZenithPEP-II型齿轮泵是专为聚合物的生产,特别是挤出生产工艺而设计的,其优异的性能可用于多种工艺条件,PEP-II泵具有与目前市场上任何泵型相比的最高泵效。其制造材料为最新研制的工具钢,并采用通体淬硬工艺,以期获得更长的寿命以及更佳的承压能力。Zenith工厂处理高硬度材料的工艺与其他泵制造商相比,在尺寸误差方面更为精密。

第二章齿轮泵的工作原理

        齿轮泵的概念是很简单的,即它的最基本形式就是两个尺寸相同的齿轮在一个紧密配合的壳体内相互啮合旋转,这个壳体的内部类似“8”字型,两个齿轮装在里面,齿轮的外径及两侧与壳体紧密配合。来自于挤出机的物料在吸入口进入两个齿轮中间,并充满这一空间,并随着齿的旋转沿壳体运动,最后在两齿啮合时排出。
        在术语上,齿轮泵也叫正排量装置,即像一个缸筒内的活塞,当一个齿进入另一个齿的流体空间时,液体就被机械性的挤排出来。因为液体是不可压缩的,所以液体和齿就不能在同一时间占据同一空间,这样,液体就被排除了。由于齿的不断啮合,这一现象就连续的发生,因而也就在泵的出口提供了一个连续的排除量。泵每转一转,排出的量是一样的。随着驱动轴的不间断的旋转,泵也就不间断的排出流体。泵的流量直接与泵的转速有关。
        实际上,在泵内有很少量的流体损失,这使泵的运行效率不能达到100%。因为这些流体被用来润滑轴承及齿轮两侧,而泵体也绝不可能无间隙配合,故不能使流体100%的从出口排出,所以少量的流体损失是必然的。而泵还是可以良好的运行,对大多数挤出物料来说,仍可达到93~98%的效率。
        对于粘度或密度在工艺中有变化的流体,这种泵不会受到太多影响。如果有一个阻尼器,比如在排出口侧放一个滤网或一个限制器,而泵则推动流体通过它们。如果这个阻尼器在工作中变化,也即如果滤网变脏,堵塞了,或限制器的背压升高了,则泵仍将保持恒定的流量,直至达到装置中最弱的部件的机械极限(通常装有一个扭矩限制器)。
        对于一台泵的转速,实际上是有限制的,这主要取决于工艺流体,如果传送的是油类,泵则能以很高的速度转动,但当流体是一种高粘度的聚合物熔体时,这种限制就会大幅度降低。推动高粘流体进入吸入口一侧的两齿空间是非常重要的,如果这一空间没有填充满,则泵就不能排出准确的流量,所以PV值(压力*流速)也是另外一个限制因素,而且是一个工艺变量。由于这些限制,齿轮泵制造商将提供一系列产品,即不同的规格及排量(每转一圈所排出的量)。这些泵将与具体的应用工艺所配合以使系统能力及价格最优化。
        PEP-II泵的齿轮与轴共为一体,采用通体淬硬工艺,可获得更长的工作寿命。“D”型轴承结合了强制润滑机理,使聚合物经轴承表面,并返回到泵的进口侧,以确保旋转轴的有效润滑。这一特性减少了聚合物滞留并降解的可能性。精密加工的泵体可使“D”型轴承与齿轮轴精确配合,确保齿轮轴不偏心,以防齿轮磨损。Parkool密封结构与聚四氟唇型密封共同构成水冷密封。这种密封实际上并不接触轴的表面,它的密封原理是将聚合物冷却到半熔融状态而形成自密封。也可以采用Rheoseal密封,它在轴封内表上加工有反向螺旋槽,可使聚合物被反压回到进口。为便于安装,制造商设计了一个环形螺栓安装面,以使与其它设备的法兰安装相配合,这使得筒形法兰的制造更容易。
        PEP-II齿轮泵带有与泵的规格相匹配的加热元件,可供用户选配。这可保证快速加温和热量控制。与泵体内加热方式不同,这些元件的损坏只限于一个板子上,与整个泵无关。齿轮泵由一个独立的电机驱动,可有效阻断上游的压力脉动及流量波动。在齿轮泵出口处的压力脉动可以控制在1%以内。在挤出生产线上采用一台齿轮泵,可以提高流量输出速度,减少物料在挤出机内的剪切及驻留时间,降低挤塑温度及压力脉动以提高生产率及产品质量。

第三章齿轮泵效用实验分析

        下面的分析将主要论证齿轮泵在挤出生产工艺上的独特作用。这些分析是在一台单螺杆挤出机上进行的。

1. 压力均匀特性

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进一步的研究也证明了这点。使用一台CDPE单螺杆挤出机,不连接齿轮泵,其压力脉动均为1800psi的±4.3%;而使用齿轮泵后,则降低至±1.2%。

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        图2表示了一个“主动计量”概念,在这里,齿轮泵保证了向模头输出一个压力与速度均为稳定的物流。在许多生产工艺中,进口压力高,而出口压力低也是很普遍的。给挤出机建立高背压的目的是要强化混合与熔融,而通过模头的流量则由泵进行调节以达到最终的产品尺寸。此图是在与图1相同的实验中测绘的。
        通常Zenith泵对进口压力在较宽的范围内基本上不是很敏感(500-1500psi),这取决于聚合物本身与齿轮泵上的压降。根据这些测试的资料,齿轮泵可以降低在熔融过程中所产生的瞬间压力脉动。由于这些特点,在模具顶端处的尺寸稳定性即可得到改善,而产品的质量也即得到了改善。
 
2.增加生产能力

        在有齿轮泵相助的挤出线上,由于泵的进口压力维持较低(通常500psi)即可,因而在从挤出机的螺杆到齿轮泵之间的压力输送过程中,物料的回流可被降低。从液压角度来讲,齿轮泵是一种比挤出机更易有效建立压的装置。因而,螺杆挤出机在给定的模头压力下,其输出可被大大改善。ZenithPEP-II泵可以容易地建立起模头所需要的压力,这样就可以降低挤出机的背压。按一般规律,挤出机的背压每降低1000PSI,其在给定速度下的输出量可增加大约10%。在LDPE的挤出实验中,靠使用一台齿轮泵,挤出机输出量比在同样的螺杆速度及模头压力下(3400PSI,参见图3)增加了29%。这是很容易理解的,因为挤出机此时已不在3400PSI的压力下输出物料,齿轮泵只需要挤出机提供一个很小的进口压力(此实验中为500PSI)。显而易见,利用一台齿轮泵,挤出机在同样的速度下,其生产能力可大大提高。

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3.温度控制

         需要再次强调的是,作为使用ZenithPEP-II齿轮的效果,挤出机背压的降低将减少聚合物在机内的驻留时间并使塑化过程更为稳定。当挤出机速度和压力一定时,在齿轮泵挤出系统的泵入口处的温度要比常规挤出系统在挤出机出口处的温度降低许多。即使在泵中还有一个温升,但总的温度比常规挤出机系统还是要低。

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        图4表明了在一个生产工艺中,在低速度下运行一台大排量泵比在高转速下运行一台小排量泵所表现的好处。从此图可知,在流量为80磅/小时,三台不同排量的泵,其温度结果如下:

        排量(cc/rev)    转速(rpm)    温升(°C)
        10            ~80            30
        20            ~40            12
        30            ~27             8
        根据比热和热传导性,对于其它聚合物也有类似的结果。泵的温升可计算如下:
T(°C)=2Π×TV×N/16800×Q×SH

        其中TV=粘性扭矩(lb-in)Q=流量(1b/min)    N=泵转速(rpm)   SH=比热

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        图5显示了一个温升的实例。所用泵为ZenithPEP-II,排量为100cc/rev,本图表示出了不同转速及不同压力下温升的变化。

4.降低剪切能量

        ZenithPEP-II泵中的齿轮采用了冠状齿根形设计,与常规标准齿型相比降低了剪切能量及功率消耗。此外低长径比齿形的利用,还减少了聚合物从齿轮中部排出所须通过的距离。这些特点大大降低了被传递给物料的能量,保护了其机械性能,并在整个过程中维持了较低温度。同时泵的寿命得到延长,驱动装置被减小,为大多数挤出系统提供了一个高效节能稳定装置。冠状齿根齿形在效果上可使输出量增加5~10%。

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        图6表明了具有冠状齿根的齿轮与标准齿轮在一条PS生产线上对比的结果。此曲线显示其增长约为30%。



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