CN101379295B - 齿轮泵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种齿轮泵，该齿轮泵通过使用相互啮合的斜齿轮2、3而适合于输送高压、高粘度流体。出于此目的，该齿轮泵包括导入路径121和131，该导入通路121和131用于将流体从排出侧导向齿轮轴的轴端侧以将流体压力施加到所述齿轮轴21和31的轴端部，该流体压力平衡由斜齿轮2和3产生的轴向推力。

Description

齿轮泵
技术领域
本发明具体地涉及一种用于输送高压、高粘性流体的齿轮泵。
背景技术
通常的做法是在所构造的齿轮泵中使用渐开线正齿轮，以通过相互啮合的齿轮的旋转将流体从吸入侧移送向排出侧。这是因为能够容易地切削渐开线轮齿，并且可以容易地测量渐开线轮齿的加工尺寸，因此，可以提供高精度的齿轮。
另一个方面，渐开线正齿轮引起称作“流体封闭现象”的负作用。在渐开线正齿轮的旋转中有一个周期，在该周期内，两对齿轮相互啮合以封闭在它们之间的流体。封闭区的容积随齿轮的旋转而变化，因此产生不便之处，即，当压缩封闭区时，所封闭流体的压力升高，并产生动力消耗的浪费，而当扩张封闭区时，产生真空或气泡。
当输送流体的粘度或泵的吸入或排出压力升高时，封闭现象的负作用变得更加严重。因此，在泵中使用渐近线正齿轮用于压送诸如熔融树脂的高压、高粘度流体是困难的。
上述封闭区能够通过使用具有其螺旋角可被适当调节的斜齿轮而消除。此外，斜齿轮泵不会导致所输送流体的压力的剧烈变化，而提供相对平稳的齿轮啮合，并且能够抑制噪音和振动。
然而，由于斜齿轮在转动中往往会受轴向推力(轴向力)的作用，因此各个齿轮的侧面在轴向上被相互强烈挤压而产生摩擦，该摩擦有时导致咬死现象。出于此原因，通常使用能够消除彼此轴向推力的双斜齿轮(例如见专利文献1)。
此种双斜齿轮不易于制造。通常在实际制造双斜齿轮时，彼此对称的两个斜齿轮被结合在一起以形成一个双斜齿轮。由于这种制造方法，齿轮和齿轮轴不得不成为分离构件。相应地，用于形成键、键槽及其类似物的机械加工必须将齿轮和齿轮轴相互接合。而且，齿轮和齿轮轴具有被增加的直径尺寸，该所增加的直径尺寸将导致泵的尺寸的增加。
考虑了上述问题，本发明旨在不使用双斜齿轮泵而实现一种适合于输送高压、高粘度流体的齿轮泵。
专利文献1：日本公开待审的专利公开No.HEL 08-014165。
发明内容
一种用于通过相互啮合的斜齿轮的旋转将流体从吸入侧移向排出侧的齿轮泵，包含：容纳螺旋齿轮和齿轮轴的主体，前盖，其在其前侧闭合主体并具有向后定向的表面，以及后盖，其在其后侧闭合主体，并具有向前定向的表面；其中所述向后定向的表面面对所述向前定向的表面；在后盖的内表面中形成底槽形式的导入路径，其与排放开口相通并延伸到靠近齿轮轴的后轴端面，同时，齿轮轴的后轴端面并施加给流入导入路径的流体的压力，作为施加给齿轮轴的轴向推力的压力；在后盖的内表面中形成底槽形式的返回路径，其与吸入口相通并与导入路径连续；在前盖的内表面中形成底槽形式的导入路径，其与排放开口相通并延伸到靠近齿轮轴的前轴端面，同时，齿轮轴的前轴端面并施加给流入导入路径的流体的压力，作为施加给齿轮轴的轴向推力的压力；在前盖的内表面中形成底槽形式的返回路径，其与吸入口相通并与导入路径连续。
当齿轮泵进一步包括用于调节通过导入路径中相关联的一个的流体的流体压力的调节阀时，经由调节阀通过调节流体压力而使施加用于取消轴向推力的必要足够的流体压力成为可能。当本发明用于压送非牛顿流体的泵时，此特征尤其有效。由于这种非牛顿流体的表观粘度随剪切率的变化而变化，因此设计阶段所估算的轴向推力经常与实际产生的轴向推力不匹配。因此预先确定通过导入路径导入的流体的流体压力是困难的。出于此原因，在使用实际流体的操作期间，泵期望具有调节流体压力的能力。
出于上述同样原因，齿轮泵进一步优选地包括用于测量通过导入路径中相关联的一个的流体的流体压力的压力计。
当斜齿轮中的每一个和与其相关联的齿轮轴形成整体产品时，可减小泵的尺寸。如果双斜齿轮和与其相关联的齿轮轴一起整体形成，产生了由生产施加在齿轮规格上的限制，并因此该规格不能设成相应的最佳值。由于本发明使用的不是双斜齿轮，而是斜齿轮，因此使斜齿轮中的每一个和与其相关联的轴易于整体形成并允许其螺旋角度可调节到最佳值成为可能。
齿轮泵可具有如下特征：设置返回路径以便将导入到轴端侧的流体通过导入路径返回到吸入侧；并且支撑齿轮轴的轴承中每一个均形成有与返回路径中相关联的一个或与导入路径中相关联的一个连通以允许流体流入轴承内周以便润滑的狭槽。由于此特征，使流体压力和轴向推力达到平衡并同时润滑每一个轴承成为可能。
齿轮泵可包括外壳，该外壳包括：主体，所述主体在齿轮轴的轴向上延伸通过其的孔，所述孔用于在其内容纳所述斜齿轮、所述齿轮轴和所述轴承；和前盖与后盖，前盖和后盖在主体的前面和后面封闭主体，并且每一个均具有相对齿轮轴中的每一个的相关联的轴端部的内表面，其中，每一个前盖和后盖的内表面形成有导入路径和返回路径中相关联的一个导入路径和返回路径。此特征不会导致泵的结构太复杂。进一步，此特征允许调节阀或压力计安装到前盖和后盖中的每一个上，因此而有助于泵装配过程的简化。
本发明使不使用双斜齿轮而实现一种适合于输送高压、高粘度流体的齿轮泵成为可能。
附图说明
图1是示出了根据本发明的实施例的齿轮泵的剖面图；
图2是示出了齿轮泵的剖面图；以及
图3是示出了齿轮泵的分解透视图。
优选实施方式
以下参照附图说明本发明的实施例。图1至图3示出了根据本发明的实施例的用于如在石油装置、化工装置或类似装置内高压压送熔融树脂、其它高分子聚合物或类似物的齿轮泵。该齿轮泵为所谓的外齿轮泵，该外齿轮泵具有相互啮合并设置在由外壳1所限定的内部空间内的驱动齿轮2和从动齿轮3。齿轮2和3这两个齿轮旋转以将在它们的齿隙内所捕捉到的流体从吸入侧移送向排出侧，由此而完成泵送功能。实际上，齿轮泵设置有分别向上及向下定向的齿轮泵的吸入侧和排出侧，而在其内储存熔融树脂或类似物的容器正好安装在齿轮泵吸入口之上。齿轮泵从容器吸入熔融树脂或类似物，并在所需要的排出压力下将熔融树脂或类似物从排出口112排出。
外壳1包括：主体11、前盖12和后盖13。主体11限定双环孔113(spectacle bore：或眼镜式孔)，该双环孔113在前后方向上延伸通过主体11以在其内容纳齿轮2和3、齿轮轴21和31以及轴承4。具体地，轴承4定位在双环孔113的前端部和后端部处，以支撑用于旋转的齿轮轴21和31，而齿轮2和3定位在两个轴承4的相对端面之间。轴承4中的每一个均具有两个基本上为圆柱形的主体以并置方式接合在一起以匹配双环孔113的内周轮廓的外轮廓。主体11的分别向上和向下定向的吸入口111和排出口112与双环孔113连通。由于如此定位，前盖12和后盖13在主体11的相对面上配合以封闭双环孔113。前盖12被穿孔以形成用于插入驱动齿轮2(被连接到用于旋转齿轮2和3的电动机上)的齿轮轴21的前端部的轴孔123。
驱动齿轮2和从动齿轮3为斜齿轮。然而，没有具体限制齿轮2和3的齿形。齿形可以是渐开线齿形或其它类型的齿形，如不使封闭现象出现的单点连续接触齿形，如shimacloid。齿轮2和3可与它们相应的齿轮轴21和23一起整体形成或不与它们相应的齿轮轴21和23一起整体形成。
根据本发明的实施例，具有上述结构的齿轮泵构造成将流体压力施加到齿轮轴21和31的轴端部而消除轴向推力，该流体压力平衡由驱动齿轮2和从动齿轮3产生的轴向推力。
具体地，外壳1设有导入路径121和131，该导入路径121和131用于将高压流体从排出侧导向齿轮轴21和31的轴端侧以平衡通过导入路径121和131导入的流体的流体压力与轴向推力。当齿轮2和3旋转时，驱动齿轮2产生向后指向的轴向推力。底槽(bottomed groove)形式的导入路径131形成在后盖13的内表面(即，后盖13向前定向的表面，该后盖13向前定向的表面面对主体11向后定向的表面)内，以允许流体流到导入路径131内，使得齿轮轴21的后轴端面被流入导入路径131内的流体的压力所挤压，克服向后指向的轴向推力。同样，从动齿轮3产生向前指向的轴向推力。底槽形式的导入路径121在前盖12的内表面(即，前盖12向后定向的表面，该前盖12向后定向的表面面对主体11向前定向的表面)内形成，以允许流体流到导入路径121内，使得齿轮轴31的前轴端面被流入导入路径121内的流体的压力所挤压，克服向前指向的轴向推力。
导入路径121和131每一个均从位于齿轮2和3中相应的一个的齿顶圆的外部的点朝向临近齿轮轴21和齿轮轴31中相应的一个的轴端面定位的点延伸。每一个齿轮轴21、31的轴端面从轴承4中相应的一个的轴端面略向内定位，该轴承4中相应的一个的轴端面位于相对远离齿轮2和3的侧上。因此，通过每一个导入路径121和131导入的流体允许流进轴承4中相应的一个内，并挤压关联的轴端面。导入路径121和131必须与泵的排出侧连通。在所示的示例中，通过提供分流路径114提供在导入路径121、131和排出侧之间的连通，所述分流路径114延伸通过位于排出口112与主体11向后或向前定向的表面之间的隔壁并终止以向导入路径121、131开口。
轴承4中的每一个在其内周上设有狭槽41，该狭槽41允许少量流体流入轴承4以润滑齿轮轴21、31与轴承4之间的交界面。在面对齿轮2和3的面上，狭槽41中的每一个均在面对齿轮2和3的侧上的每一个轴承4的端面处开口，同时沿轴线延伸到临近每一个轴承4在相对远离齿轮2和3的侧上的端面的点。因此，每一个狭槽41均能够允许捕获在齿轮2和3的齿隙中的流体部分地流入每一个轴承4中。
通过导入路径121和131导入到轴端侧的流体和通过狭槽41导入到轴承4内的流体最终返回到泵的吸入侧。出于此目的，后盖13和前盖12的内表面形成有均为底槽形式相应的返回路径132和122。后盖13和前盖12相应的返回路径132和122每一个包括对应于相应的齿轮轴21和31的大致为V形的两个返回路径。返回路径122和132每一个均从临近齿轮轴21和31的相关联的轴端面定位的点延伸向位于齿轮2和3的齿顶圆的外部的预定点。进一步地，形成返回路径122和132中的每一个的两个路径中的一个与导入路径121和131中相应的一个连续。返回路径122和132必须与泵的吸入侧连通。所示的示例中，通过提供合流路径115，提供在每一个返回路径122和132与吸入侧之间的连通，所述合流路径115中的每一个延伸通过位于吸入口111的内周与主体11向前或向后定向的面之间的隔壁并终止于开口端，所述开口端向返回路径122和132中相关联的一个开口。假设：齿轮泵的理论扭矩为Tth；齿轮泵所要求的扭矩为Ts，齿轮泵的效率为η；齿轮2和3每转齿轮泵的排出率为Vth；齿轮2和3的外径为D；齿轮2和3的齿宽为B；齿轮2和3的模数为M；齿轮2和3的齿数为Z；齿轮2和3节径为A；斜齿轮2和3的螺旋角(helix angle)为β，吸入压力和排出压力之间的差压为P；以及由齿轮2、3产生的轴向推力为F。所需要的扭矩Ts被表示为Tth/η；换句话说，所需要的扭矩为理论扭矩和损失扭矩的总和。对于理论扭矩Tth来说：
Tth＝Vth×P/2π
其中，对于排出率Vth来说：
Vth≈2π×M2×Z×B
其中，轴向推力可由所需要的扭矩Ts来决定：
F＝Ts×A×tanβ
从以上表达式可以看出，轴向推力与差压P成比例。
当仅考虑通过狭槽41流进每一个轴承4以便润滑的流体时，通常的做法是设定施加到齿轮轴21、31相关联的轴端侧的流体压力稍微高于吸入压力。当适当规定返回路径122、132和合流路径115的内径或内部尺寸时，在由齿轮2、3产生的轴向推力与差压成比例的前提条件下，轴向推力的副作用能够通过平衡从排出侧导入的流体的压力与轴向推力而被消除或减少。
然而，由于诸如高分子聚合的非牛顿流体的表观粘度随剪切率的变化而变化，因此在设计阶段所估计的轴向推力经常与实际产生的轴向推力不相一致。出于此原因，实际上齿轮泵被期望构造成在使用真实流体的实际操作期间允许由排出侧导入的流体压力为可调节的。
根据本实施例的齿轮泵设有用于调节通过分流路径114和导入路径121和131的流体的压力的调节阀5，和用于测量流体压力的压力计6。例如，调节阀5是构造成通过进给螺杆展开并收缩柱塞(即阀体)的手动操作阀。在所示的示例中，调节阀5安装在前盖12和后盖13中的每一个上。调节阀5的柱塞形成有锥形部，当柱塞部延伸向其顶部时，该锥形部的直径不断减小。流体压力能够通过使锥形部与每一个分流路径114的开口(阀座)紧密接触而增加或减少，以完全关闭分流路径114的开口或从分流路径114的开口分离锥形部。压力计6也可安装在前盖12和后盖13中的每一个上。对压力计6的型号、系统等没有特殊限制。
根据本发明的实施例，用于通过相互啮合的斜齿轮2和3的旋转将来自于吸入侧的流体移向排出侧的齿轮泵包括导入路径121和131，所述导入路径121和131用于将流体从排出侧导向齿轮轴21和31的轴端侧，以将流体压力施加到齿轮轴21和31的轴端部，该流体压力平衡由斜齿轮2和3产生的轴向推力。在不考虑螺旋角的情况下，此种结构能够消除或减小轴向推力的副作用。由于螺旋角的设计自由度被固定，因此螺旋角能够设定为适当的值以避免封闭现象，并满足各种规定和条件。因此，通过使用斜齿轮2和3实现适合于输送高压、高粘度流体成为可能。
由于齿轮泵进一步包括用于调节并测量通过导入路径121和131的流体的压力的调节阀5和压力计6，因此通过操作调节阀5并同时监测流体压力而将流体压力调节到用于取消轴向推力所需要的充足的值是可能的。由于轴向推力与差压成比例，因此一旦在一定的操作条件下完成对调节阀的调节时，即使当操作条件在其后改变时，也没有必要重新调节调节阀5。即，在泵的操作期间，没有必要执行任何麻烦的调节。
由于齿轮2、3和与其相关联的齿轮轴21、31形成单一构件，因此可减小泵的尺寸。
齿轮泵具有如下特征：返回路径121和131设成用于将通过导入路径121和131导入到轴端侧的流体导向吸入侧；以及支撑齿轮轴21和31的轴承4中的每一个形成有狭槽41，该狭槽41与返回路径121和131中相关联的一个返回路径连通，并与导入路径121和131中相关联的一个导入路径连通，以用于允许流体流进轴承4的内周以便润滑。此特征使流体压力和轴向推力平衡并同时润滑轴承4成为可能。
齿轮泵的外壳1包括：作为其组成，主体11，所述主体11具有在齿轮轴21和31的轴向上延伸通过其的孔，并且所述孔用于在其内容纳斜齿轮2和3、齿轮轴21与31和轴承4；以及前盖12和后盖13，前盖12和后盖13在主体11的前面和后面封闭主体11，并且每一个均具有与齿轮轴21、31的相关联的轴端部的内表面，其中，前盖和后盖中的每一个的内表面形成有导入路径121、131和返回路径122、132。此特征不会产生太复杂的泵结构。进一步，此特征允许将调节阀5或压力计6安装到前盖12和后盖13中的每一个上，因此有助于泵装配过程的简单化。
本发明不限制于上面具体说明的实施例。具体地，本发明的应用不限于压送高压、高粘度流体。本发明适用于任何使用斜齿轮的泵。
齿轮泵部件的具体结构不限于上述实施例，并能够不脱离本发明的思想而做各种修改。

Claims (5)

1.一种用于通过相互啮合的斜齿轮的旋转将流体从吸入侧移向排出侧的齿轮泵，包含： 
容纳螺旋齿轮(2，3)和齿轮轴(21，31)的主体(11)， 
前盖(12)，所述前盖在其前侧闭合主体(11)并具有向后定向的表面，以及 
后盖(13)，所述后盖在其后侧闭合主体(11)，并具有向前定向的表面； 
其中所述向后定向的表面面对所述向前定向的表面； 
在后盖(13)的内表面中形成底槽形式的导入路径(131)，其与排放开口(112)相通并延伸到靠近齿轮轴(21)的后轴端面，同时，齿轮轴(21)的后轴端面并施加给流入导入路径(131)的流体的压力，作为施加给齿轮轴(21)的轴向推力的压力； 
在后盖(13)的内表面中形成底槽形式的返回路径(132)，其与吸入口(111)相通并与导入路径(131)连续； 
在前盖(12)的内表面中形成底槽形式的导入路径(121)，其与排放开口(112)相通并延伸到靠近齿轮轴(31)的前轴端面，同时，齿轮轴(31)的前轴端面并施加给流入导入路径(121)的流体的压力，作为施加给齿轮轴(31)的轴向推力的压力； 
在前盖(12)的内表面中形成底槽形式的返回路径(122)，其与吸入(111)相通并与导入路径(121)连续。 
2.根据权利要求1所述的齿轮泵，进一步包括用于调节通过所述导入路径(121，131)中的一个导入路径的流体的压力的调节阀。 
3.根据权利要求2所述的齿轮泵，进一步包括用于测量通过所述导入路径(121，131)中的一个导入路径的流体的压力的压力计。 
4.根据权利要求1-3任一项所述的齿轮泵，其中所述斜齿轮中的每一个均与其相关联的齿轮轴整体地形成。 
5.根据权利要求1-3任一项所述的齿轮泵，其中： 
设置返回路径用于通过所述导入路径将导入到所述轴端侧的所述流体返回到所述吸入侧；以及 
支撑所述齿轮轴的轴承中的每一个均形成有狭槽，所述狭槽与所述返回路径中相关联的一个或与所述导入路径中相关联的一个连通而允许流体流进所述轴承内周以便润滑。 
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