CN105697367A - 一种用于高粘度与热敏性物料加工的熔体齿轮泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高粘度与热敏性物料加工的<b>熔体齿轮泵</b>，采用组合式泵体，其中将齿轮端部的档棱密封结构、可调节的齿轮挡块间隙密封结构、密封式输送通道结构、大容积排胶槽和耐高压密封圈等多种密封结构优化组合于一体，形成多级复合密封，并可以根据加工物料的需要来调节密封环境，从而不仅保证了在高粘度、热敏性物料加工过程中，不发生物料热分解现象，同时有效地控制熔体物料的泄漏，本熔体齿轮泵在30MPa的工作压力下仍能够有效的控制高粘度物料在轴端间隙中的泄漏，进而明显提高产品质量，使熔体齿轮泵进行高粘度低温聚合物加工时，充分发挥出在均化物料方面的优势，取得稳定、精密、低温、高压、节能降耗的突出效果。

Description

一种用于高粘度与热敏性物料加工的熔体齿轮泵

技术领域

本发明涉及一种用于聚合物加工的熔体齿轮泵。特别是适合用于高粘度与热敏性物料加工的熔体齿轮泵。

背景技术

在高聚物挤出成型加工领域，熔体齿轮泵经常被安装在挤出机的下游，凭借其独特的正位移输送机理，承担了挤出机螺杆建压和均压的任务。齿轮泵的工作原理为：在旋转齿轮的齿间空隙中充满胶料，依靠齿间的啮合作用挤出熔体实现定容量挤出。挤出过程中，熔体齿轮泵不仅可以起到为下游装置建立足够压力的作用，而且还可以削弱挤出过程中温度、熔体物性以及运转条件等因素的影响，稳定物料输送速率，以更有效地发挥挤出机螺杆的塑化、混炼作用。使用熔体齿轮泵可以用较短长径比的螺杆进行高速挤出，获取低温度、高精度、低能耗、高质量的挤出制品。因此，熔体齿轮泵在塑料薄膜、型材、线缆、生材、复合挤出、大型挤出造粒等生产线上得到日益广泛的应用。目前，用于塑料挤出的熔体齿轮泵，其轴向密封润滑多采用“熔体内循环”滑动润滑方式，即当聚合物熔体流入齿轮与泵体以及齿轮泵的旋转轴与轴套之间的间隙时，冷却系统将其冷却，在间隙中形成一层固化的聚合物薄膜层，起到润滑作用的同时，可防止聚合物熔体泄漏。这类滑动润滑的方式采用一种循环式密封结构：即高聚物熔体在驱动轴外侧的旋转密封部位流动过程中，由于两互相啮合的齿轮出口与入口之间存在压差，通过螺旋沟槽把泵内间隙中留存的熔体物料再次返回到齿轮泵的入口处循环利用（泵中主要四处间隙是：齿轮顶部与泵体之间的间隙、齿轮侧面与支承轴承之间的间隙、齿轮轴与支撑轴承之间的间隙以及两齿轮啮合间隙）。但是这种结构的熔体齿轮泵用于高粘度和热敏性物料的加工存在较多问题。以橡胶加工过程为例，首先橡胶流动性差，不容易在齿轮泵体内的上述四个间隙中通畅流动，由于在挤出过程中胶料已加入硫磺，极易发生焦烧，所以经过旋转密封部位向外部泄漏的熔体，在绝大多数场合都不能再循环利用，因此很难采用这种循环式密封结构。并且如果让橡胶长时间固化在转子与壳体的间隙中，不但起不到润滑防漏的作用，反而由于间隙内剪切速率较大，使得间隙中橡胶硫化，影响制品质量，增大齿轮泵驱动轴扭矩，更严重的会出现转子与壳体抱死现象，从而造成设备损坏。

由此可见，在熔体齿轮泵向高粘度物料和热敏性物料推广应用过程中，需要解决以下两个主要的技术瓶颈：一、如何避免高粘度物料轴端间隙中承受高剪切、高阻力而产生热分解现象；二、如何减少或控制高粘度物料在轴端间隙中的泄漏量。

日本专利JP2002-242851A介绍了一个用于橡胶挤出的齿轮泵，在齿轮泵齿轮的端面加工出与齿轮径向成一定夹角的、具有一定宽度、比齿面高出一定高度的棱边，每个齿上均有一条棱。（如图1所示）。根据该专利文献的报道，采用在齿轮端面有棱的结构形式，可使排到齿轮泵外部的物料泄漏量由3%降为0.8％。该技术在较大程度上解决了减少轴端间隙泄漏量的问题，然而该结构也容易形成在狭小空隙处发生物料热分解的的高剪切区、高阻力区，影响熔体齿轮泵的安全性和产品的质量。

美国专利5324183介绍了另外一种结构的熔体齿轮泵，其核心技术也是轴向密封措施。该技术是在橡胶熔体泵齿轮轴或与齿轮轴配合的轴孔上开螺纹沟槽，轮泵的结构设计如图2所示。该种技术主要利用牙形密封的原理，将上游齿轮工作腔内泄漏出来的高粘度热敏性熔体进行返回式输送。通过齿轮轴的旋转，将熔融物料向齿轮所在方向输送，从而大大减小了熔融物料从齿轮轴间隙处的泄漏量。这种技术的不足之处在于：轴段间隙的螺旋沟槽是开放的，其密封效果会因压力的升高而下降，因为返回式输送力可能无法抵挡由于齿轮工作腔压力过高而产生的轴向泄漏。且该螺旋沟槽开设数量较少，密封性较差，熔体物料输送效率不高，这种技术或许可以因其流道的密闭性较差而避免高压力、高阻力下的热分解，但是它的单独采用无法保证高压力下的轴向密封效果，不能有效的解决本领域第二个技术瓶颈问题。

以上两个专利现有技术主要是利用阻挡法和返回式输送两种技术来降低在高粘度、热敏性熔体加工中熔体齿轮泵的密封问题。但是对于如橡胶等高粘度、热敏性熔体来讲来说，过于严密的密封会导致局部的高压力、高阻力，而过于开放的流动通道会导致密封效果下降。无法同时解决防止热分解与防止泄漏的两个技术难题。

发明内容

本发明通过对熔体齿轮泵进行结构改进，将多种不同的密封结构优化组合，形成泵内的多级密封，从而可以根据加工物料的需要来调解降低熔体泵内的压力，进而避免局部高压力、高阻力和高剪切导致的高粘度、热敏性物料产生热分解现象，同时可以从总体上高效地控制高粘度热敏性熔体物料的泄漏。

主要技术方案：本发明提供的熔体齿轮泵，包括泵体、由齿轮轴带动的工作齿轮、轴承支撑和密封结构等，其中，泵体是由左、中、右段泵体组合结构，用调节螺栓将左、右泵体分别与中泵体连接在一起，在泵体内装有至少一对由旋转齿轮轴带动的工作齿轮，齿轮轴由装在左、右泵体内的滚动轴承支撑，齿轮外侧端面上每个齿端均有一与径向成倾斜夹角的凸出档棱，齿轮外侧两轴端设有螺旋沟槽，工作齿轮的两端与泵体间设有轴向密封间隙调节装置，即：在工作齿轮两外端的泵体内设置有挡块，通过调整位于左、右泵体上的调节螺栓使挡块端面和齿轮端面之间保持必要的间隙，工作齿轮两侧下方的挡块上开设排胶槽，齿轮轴的滚动轴承前设有耐高压的轴向密封圈。

本发明上述的工作齿轮，可以根据加工物料的物性要求和设备规格设置多对，一般橡胶加工一对工作齿轮即可满足加工要求。

本发明上述的每个齿端的凸出挡棱与径向的倾斜夹角θ最好为15°~18°，以保证齿轮在旋转过程中，最有效的将要泄漏的熔体反向输送回齿轮的工作区内，阻止熔体的泄漏。

本发明的工作齿轮两端与泵体之间的轴向密封间隙调节装置，是通过与连接左、中右泵体的调节螺栓的旋进或旋出尺寸来调节泵体上挡块端面和齿轮端面之间形成必要的间隙，使挡块与齿轮之间保持相对固定的间隙，既保证流经该间隙的熔体流率可控，又保证工作齿轮的旋转，同时防止物料泄漏。间隙可调的另一个好处在于将熔体齿轮泵内的熔体物料压力保持在±5MPa的波动范围、维持熔体压力的均衡、避免局部高压产生的熔体物料热分解，从而保证产品质量的稳定。这种熔体齿轮泵中齿轮与泵体间隙可调的结构可以根据物料的特性设定适宜的密封环境，到目前为止在专利文献中未见报道。

本发明的齿轮外侧两轴端设有的螺旋沟槽，可以分别在齿轮两外侧轴段上或与轴配合的轴孔上开设有螺旋沟槽，也可以同时在齿轮两外侧轴段上和与轴配合的轴孔上开有螺旋沟槽，形成密闭的螺旋形拖曳通道。两侧轴端的螺旋沟槽的旋转方向可以根据需要设计成同向输送或异向输送；同向输送可以是同向外输送或同向内输送，异向输送是一侧沟槽的旋转方向为向外输送，另一侧沟槽的旋转方向为向内输送；向外输送的作用是排出式卸料，即将泄漏的熔体物料排出泵体的工作腔；向内输送的作用是返回式送料，将泄漏出的熔体物料返回至泵体的工作腔和正常的排出通道。当熔体物料泄漏至此时，该轴段的结构迫使熔体物料进入密闭的通道，进行明确的卸料或返回，从而有效地减少熔体物料在轴孔内间隙的滞留，减少熔体物料热分解发生的可能性；同时由于熔体物料在拖曳通道内的有序流动，减少了滞留物料产生的局部高阻力和高压力、降低熔体物料的热分解，从而保护了齿轮泵的设备安全，提高了产品的质量。

螺旋沟槽的横截面为半圆形、矩形、梯形或其他端面形状，使轴段与轴孔的配合更为紧密、缝隙更小。

本发明的工作齿轮两侧下方的挡块上开有对称布置的有较大容量的排胶槽，排胶槽的形状采用圆形，因为这种结构不会引起滞料的尖角结构。排胶槽可以防止齿轮泵产生“困油”现象导致异常的重载和输出波动，同时为了将热历程较长的、可能已经发生焦烧硫化的橡胶及时排除泵体，以保证产品质量和轴承的安全。

本发明在滚动轴承靠近齿轮侧面端，配置有耐高压（30MPa），耐高温的密封圈，防止泄漏的胶料进入支撑的滚动轴承中。此结构是轴承之前的最后一道熔体物料的密封防线，主要防止泄漏的胶料进入支撑的滚动轴承中。此处密封的要求远远比防止高阻力、高压力重要得多，这是因为此处距离旋转齿轮工作腔较远，因而即使产生局部的高压力、高阻力，以及热降解，但这里降解的物料已不可能回到齿轮工作腔，对于产品质量也不会产生不良影响。

本发明的滚动轴承采用带温控装置的滚动轴承，降低温度，提高粘度，提高密封效果。

本发明的技术效果：本发明通过对熔体齿轮泵进行结构改进，形成多种密封结构优化组合于一体的整体多级复合密封（包括齿轮端部的档棱密封、轴向密封间隙调节装置、螺旋沟槽输送通道、大容积排胶槽和耐高压密封圈等），使每一种密封方法在避免造成局部的高剪切、高阻力和高压力的前提下发挥出最佳密封效果，取得总体密封的突出效果，从而使本发明可在30MPa的工作压力下仍能够有效的控制高粘度物料在轴端间隙中的泄漏，不进入滚动轴承。熔体总体泄漏量可控制在1%~1‰之间；而采用的工作齿轮的两端与泵体间轴向密封间隙调节装置，可以根据加工物料的特性调节适宜的密封环境，不仅保证了在高粘度、热敏性物料加工过程中，不发生局部物料热分解现象，同时有效地控制熔体物料的泄漏，到目前为止在专利文献中未见报道。此外，本发明齿轮外侧两轴端设有的多种形式的螺旋输送沟槽，使熔体物料在相对密闭的拖曳通道内有序流动，有效地减少熔体物料在轴孔内间隙的滞留，从而降低了物料产生的局部高阻力和高压力导致的熔体物料热分解发生的可能性。由此，提高齿轮泵的建压能力，防止焦烧物料进入制品，进而明显提高产品质量，保护熔体齿轮泵的设备安全，使熔体齿轮泵进行高粘度低温聚合物加工时，充分发挥出在均化物料方面的优势，取得稳定、精密、低温、高压、节能降耗的突出效果。

附图说明

图1是日本专利JP2002-242851A的齿轮端面的螺旋挡棱结构

图2是美国专利5324183的齿轮轴螺纹沟槽图

图3是本发明熔体齿轮泵防泄漏密封装置结构示意图

图4是本发明轮齿端部的挡棱结构图

图5是本发明轴向间隙调节装置结构图

图6是本发明齿轮两侧轴段上异向输送的螺旋沟槽结构图

图7是本发明齿轮两端轴段上同向输送的螺旋沟槽结构图

图8是本发明齿轮两侧轴孔上异向输送的螺旋沟槽结构图

图9是本发明齿轮两端轴孔上同向输送的螺旋沟槽结构图

图10是本发明大容量排胶槽结构图

具体实施方式：

如图3所示，本发明的熔体齿轮泵，包括左段泵体8、中段泵体10和右段泵体11三部分组成，在泵体中装有一对或多对由旋转轴带动的工作齿轮，其中至少一个通过电机及减速装置进行驱动的旋转主动轴2；主动轴2上的主动齿轮1通过啮合关系驱动另外一个从动齿轮9及旋转从动轴13。或者主动旋转轴2和从动旋转轴13通过电机及减速装置分别进行驱动。旋转轴由滚动轴承4支撑，齿轮1和9两端外侧的端面上每个齿端位置均有一条与径向成倾斜夹角的档棱16（见图4），齿轮1和9外侧的轴段上设有螺旋沟槽14，工作齿轮1和9的两外端与左、右泵体间（可以同时与两泵体或单侧泵体）设有轴向间隙调节装置，该装置包括，装在中段泵体上旋转齿轮两外端的挡块7和15，在左泵体8和右泵体11外设置有连接中泵体的调节螺栓12，通过调节螺栓12在左、右段泵体外的旋进与旋出尺寸来调节泵体挡块端面和齿轮端面之间的间隙，保证挡块7和15的端面和齿轮1、9端面之间形成必要的相对固定的间隙；挡块7和15及泵体8和11上设有排胶槽3；齿轮轴2和13的滚动轴承4前设有耐高压的轴向密封圈6。

本发明熔体齿轮泵构成的多级复合轴向密封结构的工作原理；

第一级密封如图4所示，为齿端挡棱回送结构，在相互啮合的齿轮1和9的端部设有凸出挡棱16，挡棱与径向的最佳倾斜角θ为15°~18°，齿轮在旋转过程中，挡棱将即将泄漏的熔体反向输送回齿轮1和9的工作区内，从而阻止了熔体的泄漏。互相咬合的齿轮可以是直齿、斜齿、渐开线齿轮或者其他端面形状的齿轮；

第二级密封如图3、图5所示：为工作齿轮与泵体之间的轴向间隙调节密封装置，在齿轮1和9两端的外侧的泵体内设有挡块7和15，用调节螺栓12将左泵体8（或/和右泵体11）与中泵体10连接在一起，通过调节螺栓12来调整轴承端面与齿轮端面的间隙，从而使挡块7和15端面和齿轮1和9端面形成相对固定的间隙，该间隙可根据加工物料的不同要求进行调整，同时流经该间隙的熔体流率可控，既保证工作齿轮1和9的旋转，又保证加工的熔体物料无法泄漏；

第三级密封结构如图6、7、8、9所示：密闭的螺旋沟槽拖曳输送通道结构，旋转齿轮1和9的两侧轴端设有螺旋沟槽14，其中包括两侧轴段或者轴孔具有螺旋沟槽的两种结构形式，并且沟槽的旋转方向可以根据需要设计成同向或异向输送形式，如：同为向外输送或同为向内输送，或者一侧沟槽的旋转方向为向外输送，另一侧沟槽的旋转方向为向内输送。螺旋沟槽的横截面为半圆形、矩形、梯形或其他端面形状；

第四级密封如图3、10所示：大容积排胶槽，为了防止齿轮泵产生“困油”现象导致异常的重载和输出波动，同时为了将热历程较长的、可能已经发生焦烧硫化的橡胶及时排除泵体，在挡块７、15的下方以及两侧泵体8和11上开设大容量排胶槽3（图3），以保证产品质量和轴承的安全；

第五级密封如图3所示，耐高压密封圈，为了防止泄漏的胶料进入支撑的滚动轴承4中，在滚动轴承4靠近齿轮1和9侧面端，配置有能耐高压（30MPa），耐高温的特殊轴向密封件6；

第六级如图3所示，采用带温控装置的滚动轴承5，降低温度，提高粘度，提高密封效果。

Claims (7)

1.一种用于高粘度与热敏性物料加工的熔体齿轮泵，包括泵体、由齿轮轴带动的工作齿轮、轴承支撑部件和密封装置，其特征在于，泵体是由左、中、右段泵体组合结构，用调节螺栓将左、右泵体分别与中泵体连接在一起，在泵体内装有至少一对由旋转齿轮轴带动的工作齿轮，齿轮轴由装在左、右泵体内的滚动轴承支撑，齿轮外侧端面上每个齿端均有一与径向成倾斜夹角的凸出档棱，齿轮外侧两轴端设有螺旋沟槽，工作齿轮的两端与泵体间设有轴向密封间隙调节装置，即：在工作齿轮两外端的泵体内设置有挡块，通过调整位于左、右泵体上的调节螺栓使挡块端面和齿轮端面之间保持必要的间隙，工作齿轮两侧下方的挡块上开设排胶槽，齿轮轴的滚动轴承前设有耐高压的轴向密封圈。

2.根据权利要求1所述的熔体齿轮泵，其特征在于：所述的每个齿端上的档棱与径向成15°~18°倾斜角。

3.根据权利要求1所述的熔体齿轮泵，其特征在于：所述的齿轮外侧两轴端设有的螺旋沟槽，是在两轴段表面或与轴段配合的两轴孔内开有螺旋沟槽。

4.根据权利要求1所述的熔体齿轮泵，其特征在于：所述的齿轮外侧两轴端设有的螺旋沟槽，是在两轴段表面和与轴段配合的两轴孔内开有螺旋沟槽，形成密闭的螺旋形拖曳通道。

5.根据权利要求1所述的熔体齿轮泵，其特征在于：所述的两轴端设有的螺旋沟槽的旋转方向是同向输送或异向输送；同向输送是同向外输送或同向内输送；异向输送是一侧旋转方向为向外输送，另一侧沟槽的旋转方向为向内输送。

6.根据权利要求1所述的熔体齿轮泵，其特征在于，在滚动轴承靠近齿轮侧面端，配置有至少能耐30MPa高压的轴向密封件。

7.根据权利要求1所述的熔体齿轮泵，其特征在于，采用的滚动轴承采用带温控装置的滚动轴承。