一種用于高粘度與熱敏性物料加工的熔體齒輪泵的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于聚合物加工的熔體齒輪泵。特別是適合用于高粘度與熱敏性物料加工的熔體齒輪泵。
【背景技術(shù)】
[0002]在高聚物擠出成型加工領(lǐng)域，熔體齒輪泵經(jīng)常被安裝在擠出機(jī)的下游，憑借其獨(dú)特的正位移輸送機(jī)理，承擔(dān)了擠出機(jī)螺桿建壓和均壓的任務(wù)。齒輪泵的工作原理為:在旋轉(zhuǎn)齒輪的齒間空隙中充滿膠料，依靠齒間的嚙合作用擠出熔體實(shí)現(xiàn)定容量擠出。擠出過程中，熔體齒輪泵不僅可以起到為下游裝置建立足夠壓力的作用，而且還可以削弱擠出過程中溫度、熔體物性以及運(yùn)轉(zhuǎn)條件等因素的影響，穩(wěn)定物料輸送速率，以更有效地發(fā)揮擠出機(jī)螺桿的塑化、混煉作用。使用熔體齒輪泵可以用較短長(zhǎng)徑比的螺桿進(jìn)行高速擠出，獲取低溫度、高精度、低能耗、高質(zhì)量的擠出制品。因此，熔體齒輪泵在塑料薄膜、型材、線纜、生材、復(fù)合擠出、大型擠出造粒等生產(chǎn)線上得到日益廣泛的應(yīng)用。目前，用于塑料擠出的熔體齒輪泵，其軸向密封潤(rùn)滑多采用“熔體內(nèi)循環(huán)”滑動(dòng)潤(rùn)滑方式，即當(dāng)聚合物熔體流入齒輪與泵體以及齒輪泵的旋轉(zhuǎn)軸與軸套之間的間隙時(shí)，冷卻系統(tǒng)將其冷卻，在間隙中形成一層固化的聚合物薄膜層，起到潤(rùn)滑作用的同時(shí)，可防止聚合物熔體泄漏。這類滑動(dòng)潤(rùn)滑的方式采用一種循環(huán)式密封結(jié)構(gòu):即高聚物熔體在驅(qū)動(dòng)軸外側(cè)的旋轉(zhuǎn)密封部位流動(dòng)過程中，由于兩互相嚙合的齒輪出口與入口之間存在壓差，通過螺旋溝槽把泵內(nèi)間隙中留存的熔體物料再次返回到齒輪泵的入口處循環(huán)利用(泵中主要四處間隙是:齒輪頂部與泵體之間的間隙、齒輪側(cè)面與支承軸承之間的間隙、齒輪軸與支撐軸承之間的間隙以及兩齒輪嚙合間隙)。但是這種結(jié)構(gòu)的熔體齒輪泵用于高粘度和熱敏性物料的加工存在較多問題。以橡膠加工過程為例，首先橡膠流動(dòng)性差，不容易在齒輪泵體內(nèi)的上述四個(gè)間隙中通暢流動(dòng)，由于在擠出過程中膠料已加入硫磺，極易發(fā)生焦燒，所以經(jīng)過旋轉(zhuǎn)密封部位向外部泄漏的熔體，在絕大多數(shù)場(chǎng)合都不能再循環(huán)利用，因此很難采用這種循環(huán)式密封結(jié)構(gòu)。并且如果讓橡膠長(zhǎng)時(shí)間固化在轉(zhuǎn)子與殼體的間隙中，不但起不到潤(rùn)滑防漏的作用，反而由于間隙內(nèi)剪切速率較大，使得間隙中橡膠硫化，影響制品質(zhì)量，增大齒輪泵驅(qū)動(dòng)軸扭矩，更嚴(yán)重的會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子與殼體抱死現(xiàn)象，從而造成設(shè)備損壞。
[0003]由此可見，在熔體齒輪泵向高粘度物料和熱敏性物料推廣應(yīng)用過程中，需要解決以下兩個(gè)主要的技術(shù)瓶頸:一、如何避免高粘度物料軸端間隙中承受高剪切、高阻力而產(chǎn)生熱分解現(xiàn)象；二、如何減少或控制高粘度物料在軸端間隙中的泄漏量。
[0004]日本專利JP2002-242851A介紹了一個(gè)用于橡膠擠出的齒輪泵，在齒輪泵齒輪的端面加工出與齒輪徑向成一定夾角的、具有一定寬度、比齒面高出一定高度的棱邊，每個(gè)齒上均有一條棱。(如圖1所示)。根據(jù)該專利文獻(xiàn)的報(bào)道，采用在齒輪端面有棱的結(jié)構(gòu)形式，可使排到齒輪泵外部的物料泄漏量由3%降為0.8%。該技術(shù)在較大程度上解決了減少軸端間隙泄漏量的問題，然而該結(jié)構(gòu)也容易形成在狹小空隙處發(fā)生物料熱分解的的高剪切區(qū)、高阻力區(qū)，影響熔體齒輪泵的安全性和產(chǎn)品的質(zhì)量。
[0005]美國(guó)專利5324183介紹了另外一種結(jié)構(gòu)的熔體齒輪泵，其核心技術(shù)也是軸向密封措施。該技術(shù)是在橡膠熔體泵齒輪軸或與齒輪軸配合的軸孔上開螺紋溝槽，輪泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。該種技術(shù)主要利用牙形密封的原理，將上游齒輪工作腔內(nèi)泄漏出來的高粘度熱敏性熔體進(jìn)行返回式輸送。通過齒輪軸的旋轉(zhuǎn)，將熔融物料向齒輪所在方向輸送，從而大大減小了熔融物料從齒輪軸間隙處的泄漏量。這種技術(shù)的不足之處在于:軸段間隙的螺旋溝槽是開放的，其密封效果會(huì)因壓力的升高而下降，因?yàn)榉祷厥捷斔土赡軣o法抵擋由于齒輪工作腔壓力過高而產(chǎn)生的軸向泄漏。且該螺旋溝槽開設(shè)數(shù)量較少，密封性較差，熔體物料輸送效率不高，這種技術(shù)或許可以因其流道的密閉性較差而避免高壓力、高阻力下的熱分解，但是它的單獨(dú)采用無法保證高壓力下的軸向密封效果，不能有效的解決本領(lǐng)域第二個(gè)技術(shù)瓶頸問題。
[0006]以上兩個(gè)專利現(xiàn)有技術(shù)主要是利用阻擋法和返回式輸送兩種技術(shù)來降低在高粘度、熱敏性熔體加工中熔體齒輪泵的密封問題。但是對(duì)于如橡膠等高粘度、熱敏性熔體來講來說，過于嚴(yán)密的密封會(huì)導(dǎo)致局部的高壓力、高阻力，而過于開放的流動(dòng)通道會(huì)導(dǎo)致密封效果下降。無法同時(shí)解決防止熱分解與防止泄漏的兩個(gè)技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明通過對(duì)熔體齒輪泵進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，將多種不同的密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化組合，形成泵內(nèi)的多級(jí)密封，從而可以根據(jù)加工物料的需要來調(diào)解降低熔體泵內(nèi)的壓力，進(jìn)而避免局部高壓力、高阻力和高剪切導(dǎo)致的高粘度、熱敏性物料產(chǎn)生熱分解現(xiàn)象，同時(shí)可以從總體上高效地控制高粘度熱敏性熔體物料的泄漏。
[0008]主要技術(shù)方案:本發(fā)明提供的熔體齒輪泵，包括泵體、由齒輪軸帶動(dòng)的工作齒輪、軸承支撐和密封結(jié)構(gòu)等，其中，泵體是由左、中、右段泵體組合結(jié)構(gòu)，用調(diào)節(jié)螺栓將左、右泵體分別與中泵體連接在一起，在泵體內(nèi)裝有至少一對(duì)由旋轉(zhuǎn)齒輪軸帶動(dòng)的工作齒輪，齒輪軸由裝在左、右泵體內(nèi)的滾動(dòng)軸承支撐，齒輪外側(cè)端面上每個(gè)齒端均有一與徑向成傾斜夾角的凸出檔棱，齒輪外側(cè)兩軸端設(shè)有螺旋溝槽，工作齒輪的兩端與泵體間設(shè)有軸向密封間隙調(diào)節(jié)裝置，即:在工作齒輪兩外端的泵體內(nèi)設(shè)置有擋塊，通過調(diào)整位于左、右泵體上的調(diào)節(jié)螺栓使擋塊端面和齒輪端面之間保持必要的間隙，工作齒輪兩側(cè)下方的擋塊上開設(shè)排膠槽，齒輪軸的滾動(dòng)軸承前設(shè)有耐高壓的軸向密封圈。
[0009]本發(fā)明上述的工作齒輪，可以根據(jù)加工物料的物性要求和設(shè)備規(guī)格設(shè)置多對(duì)，一般橡膠加工一對(duì)工作齒輪即可滿足加工要求。
[0010]本發(fā)明上述的每個(gè)齒端的凸出擋棱與徑向的傾斜夾角Θ最好為15° ~18°，以保證齒輪在旋轉(zhuǎn)過程中，最有效的將要泄漏的熔體反向輸送回齒輪的工作區(qū)內(nèi)，阻止熔體的泄漏。
[0011]本發(fā)明的工作齒輪兩端與泵體之間的軸向密封間隙調(diào)節(jié)裝置，是通過與連接左、中右泵體的調(diào)節(jié)螺栓的旋進(jìn)或旋出尺寸來調(diào)節(jié)泵體上擋塊端面和齒輪端面之間形成必要的間隙，使擋塊與齒輪之間保持相對(duì)固定的間隙，既保證流經(jīng)該間隙的熔體流率可控，又保證工作齒輪的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)防止物料泄漏。間隙可調(diào)的另一個(gè)好處在于將熔體齒輪泵內(nèi)的熔體物料壓力保持在±5MPa的波動(dòng)范圍、維持熔體壓力的均衡、避免局部高壓產(chǎn)生的熔體物料熱分解，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。這種熔體齒輪泵中齒輪與泵體間隙可調(diào)的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)物料的特性設(shè)定適宜的密封環(huán)境，到目前為止在專利文獻(xiàn)中未見報(bào)道。
[0012]本發(fā)明的齒輪外側(cè)兩軸端設(shè)有的螺旋溝槽，可以分別在齒輪兩外側(cè)軸段上或與軸配合的軸孔上開設(shè)有螺旋溝槽，也可以同時(shí)在齒輪兩外側(cè)軸段上和與軸配合的軸孔上開有螺旋溝槽，形成密閉的螺旋形拖曳通道。兩側(cè)軸端的螺旋溝槽的旋轉(zhuǎn)方向可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成同向輸送或異向輸送；同向輸送可以是同向外輸送或同向內(nèi)輸送，異向輸送是一側(cè)溝槽的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)橄蛲廨斔停硪粋?cè)溝槽的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)橄騼?nèi)輸送；向外輸送的作用是排出式卸料，即將泄漏的熔體物料排出泵體的工作腔；向內(nèi)輸送的作用是返回式送料，將泄漏出的熔體物料返回至泵體的工作腔和正常的排出通道。當(dāng)熔體物料泄漏至此時(shí)，該軸段的結(jié)構(gòu)迫使熔體物料進(jìn)入密閉的通道，進(jìn)行明確的卸料或返回，從而有效地減少熔體物料在軸孔內(nèi)間隙的滯留，減少熔體物料熱分解發(fā)生的可能性；同時(shí)由于熔體物料在拖曳通道內(nèi)的有序流動(dòng)，減少了滯留物料產(chǎn)生的局部高阻力和高壓力、降低熔體物料的熱分解，從而保護(hù)了齒輪泵的設(shè)備安全，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。
[0013]螺旋溝槽的橫截面為半圓形、矩形、梯形或其他端面形狀，使軸段與軸孔的配合更為緊密、縫隙更小。
[0014]本發(fā)明的工作齒輪兩側(cè)下方的擋塊上開有對(duì)稱布置的有較大容量的排膠槽，排膠槽的形狀采用圓形，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)不會(huì)引起滯料的尖角結(jié)構(gòu)。排膠槽可以防止齒輪泵產(chǎn)生“困油”現(xiàn)象導(dǎo)致異常的重載和輸出波動(dòng)，同時(shí)為了將熱歷程較長(zhǎng)的、可能已經(jīng)發(fā)生焦燒硫化的橡膠及時(shí)排除泵體，以保證產(chǎn)品質(zhì)量和軸承的安全。
[0015]本發(fā)明在滾動(dòng)軸承靠近齒輪側(cè)面端，配置有耐高壓(30MPa)，耐高溫的密封圈，防止泄漏的膠料進(jìn)入支撐的滾動(dòng)軸承中。此結(jié)構(gòu)是軸承之前的最后一道熔體物料的密封防線，主要防止泄漏的膠料進(jìn)入支撐的滾動(dòng)軸承中。此處密封的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)比防止高阻力、高壓力重要得多，這是因?yàn)榇颂幘嚯x旋轉(zhuǎn)齒輪工作腔