齒輪泵在特殊工況下的應(yīng)用介紹

很多應(yīng)用場(chǎng)合下，泵不只是簡(jiǎn)單地輸送常溫低壓的水類介質(zhì)。

隨著粘度升高，離心泵會(huì)變得低效，用戶需要考慮采用正位移泵（PD泵，或稱容積式泵）。當(dāng)壓力需要升高，一些正位移泵難以為繼。而溫度升高時(shí)，其它的泵也將失效。

那么當(dāng)需要35公斤以上的壓力，或者300攝氏度的高溫，又或者粘度高達(dá)幾十萬(wàn)或幾百萬(wàn)厘泊時(shí)怎么辦？也許有些泵¾¬過(guò)專門設(shè)計(jì)或修改現(xiàn)有設(shè)計(jì)，可以滿足其中一或者兩個(gè)要求，但當(dāng)工況需要泵滿足全部這些苛刻條件時(shí)怎么辦？

這就需要為這些惡劣工況設(shè)計(jì)的高性能外齒輪泵。這種泵通過(guò)專門優(yōu)化的材質(zhì)、間隙及設(shè)計(jì)，可以處理任何一種或所有這些工況。

外齒輪泵有兩根相同尺寸的嚙合齒輪軸。驅(qū)動(dòng)軸連接電機(jī)或減速機(jī)（通過(guò)彈性聯(lián)軸器）并帶動(dòng)另一根軸。在重載型工業(yè)齒輪泵內(nèi)，齒輪通常與軸為整體（一個(gè)部件），軸頸的公差很小。

齒輪軸為整體式是為了承受高壓高粘度下的高扭矩載荷。四個(gè)軸頸處的滑動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)支撐且以泵送介質(zhì)潤(rùn)滑齒輪軸。

有三種常用的齒輪形式：直齒、斜齒和人字齒。這三種形式各有利弊，有不同的應(yīng)用。

直齒是最簡(jiǎn)單的形式，在高壓工況下為最優(yōu)應(yīng)用，因?yàn)闆](méi)有軸向推力，且輸送效率較高。

斜齒在輸送過(guò)程中的脈動(dòng)最小，且在較高速度運(yùn)行時(shí)更加安靜，因?yàn)辇X的嚙合是漸進(jìn)式的。但是，由于軸向推力的作用，軸承材質(zhì)的選用可能會(huì)造成進(jìn)出口壓差有限、處理粘度較低。因?yàn)檩S向力會(huì)將齒輪推向軸承端面而摩擦，所以只有選用硬度較高的軸承材質(zhì)或在其端面作特殊設(shè)計(jì)，才能應(yīng)對(duì)這種軸向推力。

人字齒是背對(duì)背的斜齒形式，能提供比直齒稍低的脈動(dòng)，且軸向力可被平衡。然而，制造成本高，組裝/拆卸困難，因?yàn)楸仨毘蓪?duì)安裝。在高粘度應(yīng)用中，液體容易固化，或是在非常大的泵中，這的確是個(gè)大的弊端。

外齒輪泵的運(yùn)行原¬理很簡(jiǎn)單（見(jiàn)圖2）。液體進(jìn)入泵吸入端，被未嚙合的齒間空穴吸入，然后在齒間空穴內(nèi)被帶動(dòng)，沿齒輪軸外緣到達(dá)出口端。重新嚙合的齒將液體推出空穴進(jìn)入背壓處。

理論上說(shuō)，正位移泵的額定流量和壓力無(wú)關(guān)。但是，容積失效或內(nèi)泄漏是所有型式的正位移泵所固有的。為了達(dá)到高壓差和所需額定流量，齒輪泵必須克服這種內(nèi)泄漏。

內(nèi)泄漏途徑有四種：1）齒輪軸頸與軸承之間，2）齒輪端面與軸承端面之間，3）齒頂與泵殼之間，4）嚙合齒之間。

為使泵的承壓能力最大化，這些配合部件之間的間隙必須愈小愈好以限制內(nèi)漏。但是，只是縮小間隙并非說(shuō)起來(lái)那樣簡(jiǎn)單，也必須考慮其它因素如溫度、粘度和選材。

有內(nèi)泄漏并非全是壞事。在齒輪泵中，有些內(nèi)漏是必須的，用來(lái)潤(rùn)滑內(nèi)部通路，并在滑動(dòng)軸承內(nèi)形成液膜以動(dòng)態(tài)支撐齒輪軸。正確的設(shè)計(jì)應(yīng)該是，內(nèi)泄漏量是流量的1～3%。

材質(zhì)選用是高溫工業(yè)泵選型中非常重要的。齒輪泵¾¬常用來(lái)輸送高腐蝕性、磨蝕性或易變性流體。泵殼、軸和軸承材質(zhì)首先要與泵送液體相匹配。當(dāng)再額外考慮高溫時(shí)，泵的設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜，甚至需要考慮各種不同材料的熱膨脹性。

如前所述，內(nèi)部間隙需越小越好以達(dá)到最高的壓力能力。在高溫情況下，由于部件的熱脹性，泵需要在即有的間隙內(nèi)“膨脹”，這已¾¬超出了大多數(shù)通用型齒輪泵生產(chǎn)廠家的通常的考量范圍。高估材料熱脹性會(huì)導(dǎo)致泵的間隙太松，而不能產(chǎn)生所需壓力；低估熱脹性會(huì)導(dǎo)致泵在達(dá)到過(guò)程溫度時(shí)發(fā)生抱死?；谶@個(gè)原¬因，為高溫或低溫設(shè)計(jì)的泵往往在非設(shè)計(jì)溫度時(shí)不能良好的運(yùn)行。

舉個(gè)例子，如泵體為316不銹鋼，齒輪軸為440B不銹鋼，軸承為石墨。316不銹鋼熱脹率為17x10-6mm/mm/deg C，440B是11x10-6mm/mm/deg C，而碳是3.6x10-6mm/mm/deg C。泵制造商必須有高溫時(shí)計(jì)算泵內(nèi)間隙的能力。

泵的預(yù)熱是必要的，它可以避免高溫沖擊使部件損壞。當(dāng)泵送流體溫度高于150℃時(shí)推薦預(yù)熱。當(dāng)使用機(jī)械密封時(shí)，泵需預(yù)熱到操作溫度差的30℃之內(nèi)，以防止傷害密封面。夾套型泵可通過(guò)蒸汽、熱媒及電加熱方式來(lái)預(yù)熱。

粘度是流體流動(dòng)的阻力，高粘度工況的第一個(gè)問(wèn)題是如何使流體進(jìn)泵。泵必須轉(zhuǎn)得很慢以使流體進(jìn)入未嚙合齒間空穴，這個(gè)空穴形成吸力將流體吸入泵中。間隙越緊，泵的內(nèi)密封性越好，吸力越強(qiáng)。

一旦流體進(jìn)入泵內(nèi)，內(nèi)部的間隙就需要根據(jù)粘度正確界定。間隙過(guò)小會(huì)限制流體在通路中的流動(dòng)，使軸承缺乏潤(rùn)滑而過(guò)熱；間隙過(guò)大，液膜強(qiáng)度下降而不能支撐和潤(rùn)滑齒輪軸，造成軸頸與軸承直接接觸，導(dǎo)致先期失效。

處理高粘度流體另外一個(gè)重要因素是驅(qū)動(dòng)齒輪的高扭矩，齒輪軸必須足夠堅(jiān)實(shí)，以傳遞驅(qū)動(dòng)機(jī)的高扭矩。齒形設(shè)計(jì)非常重要，太大則輸送效率不夠，太小則承受不了高扭矩。

加載在齒輪軸上的扭矩和齒上的剪切力會(huì)隨著粘度和壓差的升高而加大，當(dāng)這些因素再結(jié)合高溫度時(shí)，齒輪軸和齒形的設(shè)計(jì)變得異常重要，因?yàn)榻饘俨考S溫度升高的彈性系數(shù)下降。

涉及高壓、高粘度、高溫的工況使用戶不再選用離心泵而轉(zhuǎn)向正位移泵（PD泵）。而當(dāng)這些工況變得特別嚴(yán)苛?xí)r，很多其它形式的PD泵到了使用極限，剩下的唯一選擇就是外嚙合齒輪泵。

外齒輪泵的生產(chǎn)廠家有很多，但很少能應(yīng)對(duì)這些工況。明智的用戶選擇的應(yīng)該是，有高要求應(yīng)用¾¬驗(yàn)的，有成功處理這些工況可追溯記錄的供應(yīng)商。

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