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。
Zenith PEP－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。
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。 然 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 Rheo seal 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
圖 1 表 示 了 一 個 擠 出 機 如 何 消 除 進 口 壓 力 脈 動 的 實 例。 此 曲 線 的 測 繪， 是 通 過 以 恒 定 轉 速 運 行 一 臺 排 量 為 50cc/rev 的 Zenith 齒 輪 泵， 并 改 變 一 臺 2-1/2 口 徑 的 單 螺 桿 擠 出 機 的 喂 料 速 度 而 獲 得 的， 原 料 為 PETG。 左 側 曲 線 表 示 進 口 壓 力 脈 動 值 ( 每 格 為 250 psi)，右 側 曲 線 表 示 相 應 出 口 壓 力 脈 動 值 ( 每 格 為 50 psi)。 這 個 圖 形 表 明 了 對 于 進 口 壓 力 脈 動， 齒 輪 泵 的 輸 出 不 受 影 響。 在 這 個 測 試 中， 我 們 還 通 過 手 動 方 式 在 泵 的 進 口 施 加 了 一 個 750 PSI 脈 動， 而 相 應 的 出 口 反 應 僅 為 10 PSI。 這 確 認 了 一 個 工 作 中 的 齒 輪 泵 可 使 模 頭 處 的 壓 力 脈 動 衰 減 的 效 果。 因 而 可 以 得 出 結 論， 齒 輪 泵 能 有 效 隔 離 由 擠 出 機 螺 桿 抖 動、速 度 不 穩、喂 料 不 暢 等 引 起 的 不 規 則 脈 動，使 對 最 終 成 型 裝 置 的 影 響 降 至 最 低。
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 1800 psi 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 (500-1500 psi), 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 ?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 力 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。Zenith PEP－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 1000 PSI， 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 (3400 PSI，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 3400 PSI 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 500 PSI)。
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 Zenith PEP－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 出 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 Zenith PEP-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
Zenith PEP-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％。
(未完待續)