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熔体泵在塑料挤出系统中的特性分析
作者:海科熔体泵  更新时间:2016-12-07

  1 概述

  熔体泵在塑料加工中通常与单螺杆或双螺杆挤出机一起使用,它可以使熔体进一步均化,压力稳定,物料输出无脉动,可提高制品的质量。这种设备不仅用于塑料熔体造粒、混料,也可用于挤出片材、管材、薄膜和型材等。熔体泵的工作原理及主要结构与液压系统中的齿轮泵相近。但由于塑料加工工艺的特殊性,其选材及结构设计都有独特性。在塑料加工中,熔体泵被安装在挤出机与机头之间。这样就可以把挤出方向产生的波动与机头及下游设备隔离开来,不论泵入口处的压力是否发生波动,只要进入泵的熔体能充分地充满齿槽,它就能以稳定的压力和流量向机头输送物料,并保证机头无波动挤出,从而提高系统的稳定性和制品精度。同时,由于熔体泵是一种增压设备,它能把挤出机计量段的稳压、增压功能移到熔体泵上来完成,从而避免了挤出机在高的机头压力下工作时存在的功率消耗大、剪切力大、摩擦剧烈、物料停留时间长,以及容易降解等缺点,使挤出生产率提高,挤出机磨损降低。另外,使用熔体泵还能增加系统的可控制性,降低熔体温度,降低能耗,实现线性输出。在整个挤出系统中由微机控制着各个工艺参数,可将塑料挤出成型技术提高到一个新水平。

  2 熔体泵的工作原理及结构要求

  熔体泵是一种容积泵,它依靠齿轮相互啮合过程中所引起的工作容积变化来输送液体。以外啮合熔体泵为例,其工作容积由泵体、侧盖及齿轮的各齿间槽构成。当一对齿轮相互啮合时,由于齿轮的轮齿与壳体内孔表面间隙很小,齿轮端面与盖板间隙也很小,因而把吸入腔和压出腔隔开,当齿轮旋转时,啮合点左侧啮合着的齿逐渐退出啮合,空间增大,形成局部真空,把液体不断吸进吸入腔;啮合点右侧的齿逐渐进入啮合,把齿间的液体挤压出来。其过程是当主动轮带动从动轮旋转时,在吸入口塑料熔体充满齿间,轮齿的顶圆半径扫过一定的容积,塑料熔体沿泵体内表面被带往排出腔。从两个齿轮流出的塑料熔体在排出腔相互汇合,其中绝大部分被挤入泵的出口,只有小部分返回到吸入腔。随着齿轮不断的吸入和排出,达到输送塑料熔体的目的。

  在塑料挤出系统中所应用的熔体泵通常为三件组合式结构,它是由两个相互啮合的主动齿轮和被动齿轮、中间泵体、两侧泵盖及泵体外部加热冷却装置组成的。熔体泵内的主动齿轮由长轴直接与驱动装置连接,被动齿轮在主动齿轮的带动下共同朝输送方向旋转,将粘度较高、流动性较差的塑料熔体通过流道输送到机头。

  熔体泵作为一种较高压力的容器盛装着各种不同的熔体,有的熔体腐蚀性较强。因此要求泵体用合金钢或不锈钢来制造。但是,不锈钢的泵体成本高,力学强度低。一般对泵体的要求是轻量化、强度高、稳定性好。轮齿结构按直齿结构设计较多。齿轮常和轴制成一体,这样在高扭矩条件下更为可靠。通常两齿轮之间中心距近似等于齿面宽度。当泵内压力差特别高时,可采用非直齿型轮齿结构。齿面宽度小于两齿间的中心距,齿面宽度减小,受压面积小,可以降低轴承和轮齿的负荷。此外,齿面宽度减小,可以缩短两轴之间的距离,减少挠度。对于容积较大的熔体泵,可通过动力分配器使两个齿轮轴同为主动轴,以减小啮合受力,减少变形。

  熔体泵工作时两侧的压力差较高,有时可高达31MPa,易引起机械弯曲变形,因此需要增大齿轮直径。通常齿轮直径与齿面宽度构成下式:

  D=(0.5-2)b

  式中:D--齿轮直径;

  b--齿轮宽度。

  熔体泵输送熔体的过程中,轮齿是一对一对相互啮合的。因此其瞬时流量是脉动的。熔体的脉动程度取决于轮齿的弹性模量和轮齿的多少,齿数越少,齿间越深,脉动越大。为了减少脉动,可增加齿数,通常轮齿都多于16个。这也符合轮齿避免根切的原则。

  熔体泵的容积效率、能量效率、熔体压力、熔体温度及机械磨损都与机械间隙的大小有直接关系,确定机械间隙时,既要考虑建立所需要的压力,防止过多熔体的反向流动,又要考虑熔体受高剪切易引起过热降解等工艺要求,通常采用的机械间隙为0.035-0.15mm,当然这个间隙与熔体粘度、压力、温度,以及齿轮转速、容积效率密切相关。沉浸在熔体之中的两个相互啮合的齿轮在压力作用下,熔料沿着各种间隙向压力低的方向流动,形成一定漏流量。漏流量的多少取决于熔体粘度的高低、工艺操作条件及泵的几何结构。

  在泵体的外部设有加热冷却装置,目的是把泵的温度控制在一定的范围内,使泵保持最优的工艺条件。加热常采用电加热和液体加热两种方式,电加热(如带状和铸铝加热器)升温迅速,比较经济;液体加热温度较均匀,也容易控制。对于容量超过1500cm3的熔体泵,推荐采用液(气)体加热。

  3 熔体泵的控制和应用

  在挤出机-熔体泵挤出系统中,控制系统占有重要地位。挤出机、熔体泵、机头的组合系统中,各个部分相匹配的各工艺参数由微机以极快的速度控制,以充分发挥熔体泵的独特功能,达到系统的动态平衡。熔体泵输出量的稳定性与泵速度有直接关系,泵的速度由数字自控器来控制,数字自控器安装在电机、变速机构所组成的驱动系统中,它准确地控制着泵的速度,准确度可达0.1%以上。此外,泵体温度的变化也影响泵的输出量,由P-V-T的关系可知,当泵的温度发生变化时,熔体粘度和比热容也相应地发生变化。例如在加工LDPE温差为16%时,引起挤出率的变化为1%。

  在挤出系统中安装熔体泵后,螺杆挤出机内就不必再有太高的压力了,逆流量和泄漏量的减少,螺杆转速的提高,既改善了制品的质量,又节省了能源。例如,将电机功率为65kW,挤出量为150kg/h的直径90mm单螺杆挤出机与熔体泵连接后进行实验,其结果表明,挤出量约增加了30%,总动力消耗约减少了25%。此外,对掺有较高比例回收料的材料也能适应。

  在熔体泵输送物料过程中无物料滑动现象,不论螺杆挤出机内的压力如何变化、流量如何波动,熔体泵始终供给机头一定的物料,能减少机头的波动。其压力输出波动仅为±0.1%,从而提高了制品的质量。例如,在PET薄膜生产系统中使用熔体泵后,改善了薄膜厚度精度,厚度变动从±3%降至±0.5%;在生产壁厚为2mm的医用PVC管时,其厚度公差精度可达±0.37%。

  另外,使用附设熔体泵的挤出系统还能解决下列重要的工艺问题:

  (1)共挤出多层薄膜、板材或片材时,能保证各层厚度的精确比例。

  (2)通过降低废品数量,保证异型长条制品的尺寸精度,从而节省原料。

  (3)使用熔体泵"闭塞"挤出机不仅能减少逆流,而且能降低加工温度。

  4 结语

  在挤出薄膜和薄壁异型材时,使用熔体泵效果最佳。因为使用熔体泵可使塑料熔体均化且降低挤出机输送的熔体压力和流量的波动幅度,这对获得高质量制品尤其是厚度均匀的制品起着决定性的作用。特别是生产薄膜或超薄薄膜如PET、PS、PP和PA等高定向薄膜时对熔体压力和流量的不稳定性特别敏感,如果存在过大的脉动幅度或原料被杂质污染或形成凝胶颗粒,则易使熔体混炼和均化质量降低,实际上就不可能在稳定的工艺状态下生产出高质量的定向薄膜,而熔体泵则可解决这一问题。

  尽管熔体泵在塑料挤出系统中得到了广泛应用,但在加工含有填充剂或特殊改性剂的塑料中应用仍受到限制,它对各组分的分散度、与塑料的相容性和磨蚀性都有严格的要求。含有大颗粒、磨蚀性填充剂或增强剂的物料不能用装有熔体泵的挤出机加工,因为内含的增充剂颗粒易形成料栓,而料栓不能通过熔体泵啮合齿轮的齿间间隙,且料栓的堵塞和齿的磨蚀性磨损会使熔体泵很快损坏。另外,细散的矿物填充剂也能引起上述结果,因为这种填充剂与塑料的相容性不好时,在高速剪切区内得不到剪切而逐渐形成能损坏熔体泵的料栓。

  综上所述,在国外,熔体泵在塑料挤出中的应用已经相当广泛。但由于种种原因,国内使用熔体泵的还较少。伴随着塑料工业的迅速发展,特别是共混材料所占比例的增加,以及挤出系统中使用熔体泵技术的不断完善,熔体泵在我国的应用领域将会不断拓宽和发展。


郑州海科熔体泵有限公司是专业生产熔体泵、高温熔体泵、熔体齿轮泵、熔体计量泵、反应釜输送熔体泵以及熔体泵PID和PLC控制系统等产品的企业。是国内专业生产熔体齿轮泵较早的企业之一。