精密熔体泵的工艺计算及结构设计

1、精密熔体泵的工艺计算及结构设计摘要能源短缺是当今社会面临的首要问题，所以在工业生产的各个部门，开发研制新产品的过程中都把降低消耗和提高产品质量作为首先考虑的问题。高聚物加工行业亦是如此，在过去的十几年中，作为建压、稳压装置，熔体泵技术在精密挤出领域的应用已愈加广泛。应用熔体泵的挤出系统，几乎能加工所有热塑性塑料，并且生产出各种优质产品，如片材、吹塑膜、拉伸膜、管材、桶材和型材等。在许多发达的工业国如美国、日本和德国，熔体泵的开发和应用己经取得了很好的成果。本文在阐述了熔体泵的性能特点和输送机理的同时，针对熔体泵设计中的诸难点进行了进一步的剖析，如润滑和密封结构。并且借鉴液压齿轮泵的设计原理、步

2、骤和方法完成了对熔体泵的设计。在设计过程中，利用AutoCAD进行了计算机辅助设计。关键词：熔体泵，圆柱齿轮，滑动轴承，计算机辅助设计IIAbstractEnergy shortage is the main scourge of modern world. As a result，people are trying their best to develop new equipment which are the most energy-saving and products with the highest precision are their preferences. Under th

3、is condition，As the pressurize device, the melt pump has been applied extensively in field of the precision extrusion.Melt pumps are used in the manufacturing of sheet，cast，blown film，pipes and so on. In most highly developed countries such as America，Japan and Germany，the research and application o

4、f melt pump in polymer processing have been made rapid progress.In this paper，the properties and principles of gear pump are described in this paper and the mathematical models of melt lubrication and viscous seal were constructed.In this paper，the properties and transmission mechanism of gear pump

5、are described in this paper and Melt pump for the design of the various difficulties to carry out further analysis such as lubrication and sealing structure.Referring the design of hydraulic gear pump, the melt pump has been designed. In this design, AutoCAD2004 is used for CAD.Keywords: melt pump，p

6、arametric design，bush bearing，CAD目录第一章 绪论11.1 引言11.2 国内外熔体泵的研究、生产状况21.3 熔体泵应用领域5第二章 熔体泵的工作原理及性能特点72.1 熔体泵简介72.2 熔体泵的结构特点72.3 熔体泵的工作原理82.4 熔体泵的主要功能及特点9第三章 结构及工艺计算143.1 设计题目、参数和要求143.2 工艺计算143.2.1 齿轮的计算143.2.2 齿轮强度的校核计算163.2.3 排量及动力参数计算203.3 结构设计计算213.3.1 结构形式的确定16213.3.2 轴承负荷(即径向力)的计算16223.3.3 确定高低压腔

7、尺寸16（图 3-2）263.3.4 齿轮泵最佳间隙的确定16273.3.5 传动轴的计算283.3.6 从动轴的计算15293.3.7 轴承的设计计算15313.3.8 泵体强度的计算343.3.9 前泵盖尺寸计算353.3.10 后泵盖尺寸计算353.3.11 连接（泵盖与泵体）螺钉（或螺栓）的计算353.3.12 密封结构的设计363.3.13 润滑系统设计383.3.14 熔体泵其他零件的选取41第四章 总结和展望42附录 1.熔体泵装配图43附录 2.零件图44参 考 文 献46致谢47声明48III第一章 绪论1.1 引言中国塑料加工业是解放后发展起来的新兴产业，1958年国产聚氯

8、乙烯树脂生产装置投产后，塑料工业才开始正式发展，在现代工业中，塑料工业师承一个重要行业，随着科学技术的迅速发展，特别是高分子材料技术的发展，使它在人们的生产生活中的地位和作用越来越高。从人类生产和生活所使用的主要材料的发展史来 看，人类已经经历了石器时代、木器时代和金属时代。由此而来可以看出，随着科学技术的不断发展，人们生产和生活所使用的材料也越来越高级和复杂。目前，人类已进入木材，钢铁和高分子材料三足鼎立的时代。而且，以塑料为代表的高分子材料所占的比例越来越大。如在机器制造工业中，塑料被广泛用来制造机器零、部件。在电器工业中，电机，电器和电讯产品等大量采用塑料。据统计，每年大约有25%的塑料

9、用于机电工业各部门。随着国民经济的发展，这种比例还将继续增长。在化工设备方面，如反应釜，管道，容器，阀门等都广泛使用塑料作为防腐材料， 甚至直接用塑料来制造管道，泵，阀门和各种动静密封环等。它解决了金属无法解决的腐蚀，磨损问题。在建筑材料行业，国家更是大力提倡使用塑料管材，塑料门窗。在国防，航天，航空事业上的应用更是举不胜举。总之，塑料在人们生产和生活的重要性是不言而喻的。塑料从加工方法来分，主要可分为挤塑成型、注射成型、二次成型等。其中挤塑成型大约占加工量的四分之一，尤其是90%以上的热塑性材料和60%以上的塑料制品加工成型都要经过挤塑设备处理。挤塑成型加工方法比起其它加工方法具有一系列突出

10、的优点。(1) 由于挤出过程具有连续性，因此用挤出机进行成型加工具有较高的生产率。而且，实现生产过程自动化也比较容易。(2) 相应其它成型加工机械来比，挤出机构造比较简单，操作比较容易，因此投资少，收效快，制品的价格比较低廉。(3) 挤出加工的应用范围很广，既能加工常用的聚乙烯、聚丙烯、软硬聚氯乙烯等民用塑料，也能加工聚砜、聚碳酸酷、尼龙、ABS、聚甲醛等工程塑料。既能生产薄膜、管材、棒材、型材、单丝、电缆、金属与纸张的涂层等任意长度的制品， 又能加工中空容器等单件制品。因此，对挤塑设备的研究有着十分重要的意义。46自从本世纪三十年代第一次将单螺杆挤出机应用于高分子聚合物加工以来，挤出机就随着

11、加工的需要不断发展和完善。出现了各种各样的挤出机。如具有混炼， 反应塑化，排气，反应等特殊功能的单螺杆，双螺杆，多螺杆，无螺杆及各种组合型的挤出机。但是，能否高效，稳定，优质的熔融，塑化，挤出，仍然受到许多客观条件的限制。(1)当螺杆转速有波动，物料在螺杆内塑化不充分，在熔融段的物料软化点不稳定或固体床破碎，电机负荷有波动时，都会引起挤出物料的温度、压力、流量的波动，从而影响制品尺寸的精度和产品的质量。(2)由挤出机，螺杆设计和螺杆均化段流量，功率计算理论公式可知，由于机头压力增大，逆流量和漏流也必然增加，使最终流量下降。而压力的增大，也必然使螺杆转动所消耗的能量加大。(3) 在加入多种物料及

12、填料对聚合物进行改性时，为了保证混合的均匀性，将对螺杆进行改进设计，增加混炼混和元件等。此外，添加剂的加入，使物料的温度、粘度、压力等更难以预测，必然使挤出过程更加不稳定。目前，双螺杆挤出机发展很快，并在一定程度上克服了单螺杆的一些缺点，如混合均匀，正位移输送物料停留时间短等优点，对于同向双螺杆还因其剪切柔和和混合性好而几乎可以用于所有的物料和添加剂的混合。但是，这也会产生新的问题，如共混改性的添加剂大部分都含有挥发性成分，在挤出过程中必须脱排出去，否则就会影响制品的质量。而排气口的设置，必然使一根螺杆上有多组压缩段和计量段，使得整个过程的控制更加复杂。所以，一般挤出机都存在着挤出压力不足，挤

13、出不稳定等问题。人们经过不断研究探索，总结经验，开阔思路，提出了如下几种方案:(1)多阶式挤出。它是将加料，输送，熔融等功能与排气、计量、均化分离开来，由不同的螺杆来控制。(2) 熔体泵方案。把熔体泵安装在挤出机与机头之间可以把挤出方向产生的波动与机头及下游的设备隔离开来，使它们之间不发生相互影响1。1.2 国内外熔体泵的研究、生产状况聚合物熔体泵首先由Zenith公司研制成功，并应用于人造丝挤压生产中，在过去的二十多年里，聚合物熔体泵挤出技术已被广泛关注，并成为工业发达国家橡塑工业的主流。美国华盛顿大学对熔体泵的研究比较早，在七十年代，J.M.Mckelvey 教授与Luwa 公司的 Urs

14、Maire 工程师合作，对熔体泵的输送原理进行了诸多研究，并与螺杆泵进行了比较，他们把熔体泵的输送简化为活塞泵加上一段小直径排出管道， 他们得出熔体泵其实也是一个正位移输送装置。在理想的状态下，和活塞泵一样， 流量随转速而变化，并是转速N的线性函数；排出管中得流动是在泵的出口压力作用下而形成的压力流，与物料的粘度和管道的几何尺寸有关系2。八十年代，Allan R.Budris和J.M.Mckelvey教授分别对熔体泵的气穴、容积效率的计算进行了深入研究。Allan R.Budris认为，当流体没有足够的能量填充到齿槽时， 就会引起气穴现象。并对气穴产生的机理进行了分析，他认为，没有充满物料的空

15、隙随着齿轮的旋转而被室壁封闭，从而形成局部真空，必有部分流体发生气化，气化所形成的气泡达到熔体泵的高压端就会形成气穴3 4。气穴的产生与熔体的粘度、转速的大小和齿间的间隙有关，粘度愈大、转速越快以及间隙加大都会促进气穴的产生。Allan R.Budris提出了一个合理的措施就是提高熔体泵的入口压力，这样可使流体具备足够的能量进行填充，从而避免气穴的产生。J.M.Mckelvey考虑漏流因素，对熔体泵的容积效率进行了深入分析，并且通过PS和ABS两种材料的实验验证和实验数据整理分析，提出了漏流量的计算公式：Q = KPa exp(bT * + 460)N c ， 容积效率e v = 1 - (Q

16、 / aN ) ，式中是与齿轮形状有关的系数。除此之外，还给出a*g了关于摩擦损耗的经验公式： Pf = MP exp-b(T + 460)N 。在1984年的“SPE”年会上，Robert A.Malloy对熔体泵入口压力的控制进行了研究，并指出了泵的入口压力的重要性，他认为泵的入口压力随着熔体的粘度、泵的转速、熔体的混合状况的变化而变化。入口压力一般要小于6.89Mpa，但不能为零。Robert A.Malloy还提出了长时间压力偏差趋势与短时间压力偏差的概念，为熔体泵系统的压力控制理论奠定了基础。1988年，G.Bolder和H.Langhorst Aachen对熔体泵的使用范围、功能、

17、结构设计等诸方面进行了研究，指出熔体泵可用于大生产量和高粘度物料，泵的最大设计压力可达150700 kg / cm2 ，输送量为1022000Kg/hr；熔体泵入口设计成楔形结构有利于熔体充满齿槽，并且为了避免根切，齿轮齿数Z应大于16，采用较多齿数的有利于减少脉动，齿轮直径D=(0.52)B；齿侧间隙及壳体与齿顶的间隙的确定非常重要，因为熔体泵的容积效率以及泵的建压效果与间隙有很大关系。还有一点应该注意的就是，在间隙内形成的熔体薄膜由于受到较高的剪切力的作用而产生很大的热量，致使熔体升温，甚至容易焦灼以致熔体降解。并给出了间隙的范围值为0.0250.15mm。九十年代，A.Kichmanm教

18、授和Hills公司的N.S.Elliso工程师对熔体泵的工作扭矩、轴承的润滑、齿轮的受载情况以及压力特性进行了分析。A.Kichmanm推出了驱动扭矩公式： M a = M r + M h ，式中M r 为摩擦损耗， M h 为工作压力损失，Mh = (VP) / 2p ，认为齿轮的形状、间隙大小和物料粘度是影响扭矩的主要因素。在轴承的润滑机理方面，A.Kichmanm认为长分子链的聚合物具有很高的承载能力， 当轴承工作时，在轴承和轴之间能形成润滑膜。如果过热和过载，往往会破坏润滑膜，致使轴和轴承的直接接触，形成干摩擦。他还认为非牛顿流体的滑动轴承的承载能力非常困难，主要是由于聚合物熔体具有很

19、强的粘弹性效应。N.S.Elliso在Hills 公司的纺丝生产线上对熔体泵的压力特性进行了研究，他采用不同输送能力的熔体泵，对PP进行挤丝加工，并维持挤出压力不变，而调节挤出机的出口压力。他发现在泵的高转速区输出压力变化得比较慢，而标准压力偏差与熔体泵本身的大小和每转输出能力有关。对于大型号熔体泵，随着输出量的增加，标准偏差几乎不变，而对于小型号的熔体泵，标准偏差则随着输出量的增加也随之增加。国际上许多聚合物生产、加工与塑机供应方面的著名厂商都在熔体泵的开发应用方面领先一步，如美国的Dynisco公司(生产MHDP、MGP系列熔体泵)和瑞士Maag 公司(生产extrex SP、ST、SE系

20、列熔体泵)。Dynisco公司生产的MHDP熔体泵能够为苛刻的挤出过程提供高性能，专为高黏度，满填充，高压力的过程而设计；能够精确地提供所测的熔酯以及到达模具的压力，以保证持续的输出，保证生产出高质量的产品。MHDP齿轮泵可以减少挤出机的负载，从而提高输出率，降低熔体温度， 节省能源消耗，延长螺钉和筒体的寿命。Maag公司是专门生产熔体泵和熔体过滤器的厂家，其产品规格齐全，技术力量雄厚，为市场上的领导者，其熔体泵的最大产量能够达到114t/h，在中国的市场份额约为40%。近年来，我国国民经济总体形式发展看好、石化工业发展迅速，橡塑原料充足。随着国内橡塑加工企业的竞争日趋激烈，人们对挤出制品的质

21、量提出了更高的要 求，对挤出工艺过程的节材节能要求、加工设备的高产率低能耗要求都给予了更多的关注，而采用聚合物熔体泵挤出技术恰恰能适应并有效地满足这些要求。目前国内已开始注意应用熔体泵挤出技术，引进的熔体泵挤出设备也明显增多。与此同时， 熔体泵挤出设备的国产化现已起步，相关技术方面的科研开发工作也在进行。北京化工大学塑料机械与塑料工程研究所于1991年自西德引进配有熔体泵的挤出实验 设备以来，在熔体泵应用技术方面积累了丰富经验，对熔体泵的性能、结构特点、工作要求等进行了深入分析。机电工程学院的江波教授课题组从1998年开始在大连橡塑机厂、晨光化工研究院塑料机械研究所等单位的支持下，自行开发研制

22、了中心距/齿宽为28/28、56/56、70/70三种规格的聚合物熔体齿轮泵，并应用在实际工艺中。郑州机械研究所齿轮研究开发中心根据熔体泵应用技术的发展趋势，对熔体泵的工作基理、使用性能、设备结构研制、控制技术等开展了多方面的研究并取得成果， 并已经产业化生产，主要有SP系列和SPL系列熔体泵。除此之外，郑州巴特机械有限公司是一家专业生产高温熔体齿轮泵的高新技术企业，已生产ZB系列高温熔体齿轮泵5。州工业园区华西泵业有限公司专门从事纺丝计量泵的研制，目前生产的熔体齿轮泵最大产量为3t/h，不带联苯保温夹套，电机和泵轴之间的转动轴不是万向轴，受膨胀时，影响泵和电机的固定。南京科亚公司主要从事双螺

23、杆挤出整套装置的研制，生产的高温熔体齿轮泵是为螺杆挤出机配套，主要应用在塑料加工领域。该公司目前也能生产产量在2t/h左右的熔体齿轮泵， 配有保温夹套，是增压计量齿轮泵，安装在挤出机和机头之间。1.3 熔体泵应用领域熔体泵可以提高挤出成型的效益和精度，主要表现在以下几个方面：1. 作为计量设备，可以精确的测定熔体的流量；2. 作为增压设备，有效的提高机头压力；3. 降低熔体的温度；4. 增加挤出机的产量；5. 减少挤出机磨损。聚合物熔体齿轮泵在挤出加工业的应用已涉及造粒、挤板(片、膜)、挤管、吹膜、挤出涂覆、型材挤出、连续吹塑等领域，加工的材料几乎涉及所有的热塑性树脂、热塑性弹性体及其它聚合物

24、。另外，熔体齿轮泵的输出量与齿轮转速呈线性关系，通过控制齿轮泵的转速可精确控制熔体排量，所以熔体齿轮泵还可以作为一种计量设备，成为在线流变仪的核心部分，在线流变仪是一种可以实时测量聚合物熔体流动性能的设备，是石化及橡塑工业中的另一种高技术装备。它在产品质量的在线监控方面发挥着重要作用。目前先进国家已将螺杆挤出机与熔体泵输运系统以及在线流变仪作为橡塑材料加工设备的标准配置。此外，在聚合反应流程中，可用来输送高粘度的熔体；在熔体纺丝过程中，用作增压泵或计量泵。如图1-1所示。图1-1 带有熔体泵的挤板（片、膜）生产线第二章 熔体泵的工作原理及性能特点2.1 熔体泵简介熔体泵在聚合物加工中通常与单螺

25、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，最终可提高制品的质量。这种设备不仅用于聚合物熔体造粒混料，也可用于挤出片材、管材、吹膜和型材等。熔体泵工作原理及主要结构与液压系统中的齿轮泵相近。但是由于聚合物加工工艺的特殊性， 其选材及结构设计都有其独特性。在聚合物加工中，熔体泵被安装在挤出机和机头之间，如图21所示。这样就可以把挤出机方向产生的波动与机头及下游设备隔离开来，不论在泵入口处的压力是否发生波动，只要入口的熔体能充分地充满齿槽， 它就可以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。由于熔体泵是一种增压设备，这样

26、就可以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的不足，如功率消耗大，剪切高，摩擦剧烈，物料停留时间长，容易降解等。这样就使挤出生产率提高，挤出机磨损降低。另外，使用熔体泵还能增加系统的柔性，降低熔体温度，降低能耗，线性输出等特性。在整个挤出系统中，由于有微机控制着各个工艺参数，将聚合物挤出成型技术提高到一个新水平6。图2-1熔体泵挤出机系统2.2 熔体泵的结构特点熔体泵主要由泵体、前后侧板、两个相互啮合的齿轮、轴承和密封件等组成，图2-2 熔体泵外形示意图图2-3 熔体泵结构示意图如图2-2和图2-37所示。由两个齿轮的齿廓，泵体和侧板形成的空间

27、构成了泵的进料区，输送区和排料区。齿轮是熔体泵的核心零件，其结构形式多种多样:按啮合方式可分为内啮合和外啮合方式;按齿廓曲线可分为渐开线齿轮、圆弧齿轮、摆线齿轮等;按齿向可分为自齿轮、斜齿轮和人字齿轮等，但在输送塑料熔体中最常用的是渐开线直齿或斜齿的外啮合齿轮泵。由于熔体泵是在高温、高压的条件下连续上作，且输送的塑料熔体一般又具有高粘度，有的还具一定的腐蚀性。因此，要求熔体泵的材质要耐温、耐磨、耐腐蚀， 要有足够的强度和尺寸稳定性。通常泵主要由合金工具钢制造，齿轮和轴做成一体， 这样在高扭矩条件下工作更为可靠。熔体泵的润滑与密封问题比较复杂。为了避免污染塑料熔体，它不能使用一般的润滑油或润滑脂

28、润滑，而是借助输送的塑料熔体进行自润滑。因此，泵的轴承和密封结构必须适应塑料熔体的特殊性能。中小型泵一般采用电热方式加热保温，大型泵则采用夹套式泵体用流体控温8。2.3 熔体泵的工作原理熔体泵属于正位移泵，工作时依靠主、从动齿轮的相互啮合造成工作容积变化来输送熔体。工作容积由泵体、齿轮的齿槽及具有侧板功能的轴承构成，如图2-4 所示。图2-4 熔体泵爆炸图当齿轮按图2-5所示旋转时，在进料区由于齿轮脱开使容积逐渐增大，形成真空吸入聚合物熔体；随后，充满齿槽的聚合物熔体随着齿轮的旋转进入排料区，在排料区，由于齿轮啮合，容积逐渐减少，从而使聚合物熔体排挤出去。如此循环， 随着齿轮不停的旋转，聚合物

29、熔体从进料区输送到排料区9。图2-5 熔体泵工作示意图2.4 熔体泵的主要功能及特点1. 稳压计量在最近十几年中，熔体泵技术己经成为国内外聚合物加工业引人注目的热点问题。熔体泵能够稳定挤出过程中的压力和流量波动，持续地泵送精确的料流量，从而减小挤出制品的公差，使单组分的物料制出更多的合格产品，当挤出制品的尺寸公差要求比较严格或制品的原料成本较为昂贵时，使用熔体泵显得更有价值。把熔体泵串联在螺杆挤出机的末端后进行挤出具有非常好的稳压作用，而不受泵的入口处由上游设备所造成的各种波动因素的影响，这是由上述熔体泵自身的工作原理决定的。熔体泵工作时，当泵的出口出现诸如滤网、滤板或某一成型模具产生的阻力时

30、，泵中的齿轮就象一个缸桶内的活塞，对排料区的熔体实施挤压作用，以实现泵的增压功能。同时，泵中的齿轮又相当于一个转动着的屏障，可以有效的阻隔进料区的压力波动和流量波动对排料区的影响。此外，物料在间隙中的流动阻力较大， 漏流量很小，压差变化引起的漏流量对泵输送量的影响也很小。由于齿轮泵本身是由一个独立的电机驱动的，再次减小了压力脉动产生的可能。因此，熔体泵可以有效的阻隔上游设备的压力脉动以及流量波动。当泵的入口压力因各种因素的波动而在一个很大的范围内变化时，泵的出口压力波动完全可以被控制在极小的变动范 围。各种文献及实验数据表明10 11，熔体泵稳定出口压力的能力是很强的。一般熔体泵可以提供 l%

31、或更好的产量均一度，这可以转变成极佳的制品厚度均一性。品质更好一些的熔体泵，其入口压力波动经过泵后的减弱比可达50:1，出口压力波动可小于0.1Mpa。在磁带和其它高性能PET胶片的生产中，其产品的厚度控制可由 3%提高到 0.5%;生产壁厚为1.6mm的柔性管，厚度变化仅为 0.37%( 0.006mm)，尺寸均一达到了极高的精度。图2-6 泵的出口压力波动和入口压力波动如图2-6，这是用一台单螺杆挤出机挤出HDPE时，泵的入口压力波动和出口压力波动图。从图中我们可以看到，当挤出机的螺杆转速降低2.8rpm时，泵的入口压力急剧的下降达到1000psi，泵的出口压力仅下降2Opsi左右。而当挤

32、出机的螺杆转速上升2.9rpm时，泵的入口压力又很快的上升100psi多，泵的出口压力却是变化不超过20psi。这说明熔体泵具有非常好的稳压计量功能。2. 增压增产在有熔体泵相助的挤出线上，熔体泵替代螺杆挤出机承担建压和计量的作用。由于泵的入口压力可以维持较低(通常3一5MPa)即可，所以从挤出机的螺杆到熔体泵之间的压力输送过程中，物料的回流可被降低。从液压角度来讲，熔体泵是一种比挤出机更易有效建立压力的装置。因而，螺杆挤出机在给定的模头压力下，其输出可被大大改善。熔体泵可以容易地建立起模头压力，这样就可以降低挤出机的背压。按一般规律，挤出机的背压每降低100Opsi，其在给定速度下的输出量可

33、增加大约10%。在LDPE的挤出实验中，靠使用一台熔体泵，挤出机输出量比在同样的螺杆速度及模头压力下增加了29%。显而易见，利用熔体泵，挤出机在同样的速度下，其生产能力可大大提高11。3. 增加挤出系统的柔性熔体泵把挤出机与下游的成型设备隔离开来，使其成为互不影响(在一定程度上)的独立单元。即使挤出机由于物料“架桥”，回收料的加入及操作者的偶然失误， 造成压力波动。只要在熔体泵入口所要求的压力范围内(保证不发生“饥饿”状态)， 都可以在泵的出口获得稳定的熔体流。因此在机头与挤出机之间不必建立非常复杂的闭环控制系统。压力的调节可以通过泵的转速改变来实现。并且可以在不改变系统几何参数的情况下完成多

34、种物料及制品的加工。4. 近似线性输出特性从图2-7熔体泵的流量与转速关系图可以看到，泵的输送能力与泵的转速之间基本上呈线性关系，可以认为熔体泵具有线性输出的特性。实际上，熔体泵的实际流量应当等于泵的理论流量减去漏流量。由于齿轮泵内部中的各种间隙以及压差的存在，所有的泵都会或多或少的存在着一些泄漏量。漏流量的大小和间隙、压差、温度及转速有关。所以，熔体泵不能说一种完完全全的正位移输送设备。但是，一般情况下熔体泵的间隙是非常小的。齿轮泵正常运转的情况下，漏流量几乎可以忽略不计12。图2-7 熔体泵的流量与转速关系5. 降低熔体温度由于螺杆挤出压力的降低，使得挤出机的计量段内的剪切较小，物料停留时

35、间较短。因此挤出物的温度较传统方式有很大降低。但这里要同时考虑的是熔体泵在泵送过程中造成的温升必须小于该下降值，才能有效地降低熔体的温度13。图2-8 加装齿轮泵和无齿轮泵的挤出机在温度和压力方面的比较从图2-8中可知，加装齿轮泵的挤出机不仅在模头处的熔体温度有所降低，而且在模头前压力达到峰值。这样就降低了挤出机套筒和螺杆的熔体温度和压力，因此延长了挤出机的使用寿命。第三章 结构及工艺计算3.1 设计题目、参数和要求设计题目:精密熔体泵的工艺计算及结构设计设计参数：泵的排量： q = 15ml / r工作介质：高粘度聚合物功率 ： P = 312.5w 最高转速：100r/min设计形式：外啮

36、合齿轮泵，传动比为1，两个齿轮为具有相同参数的渐开线齿轮。设计要求：设计齿轮泵时，应该在保证所需性能和寿命的前提下，尽可能使尺寸小，质量轻，制造容易，成本低。初步设计流程：熔体泵设计参数设计装配图结构参数设计性能参数设计强度计算主动轴齿轮参数齿轮材料，轴承材料齿轮泵体排量、动力参数物料粘度齿轮轴前泵盖轴承参数工况温度，压力泵体3.2 工艺计算3.2.1 齿轮的计算1. 确定刀具角a n 和齿顶高系数 f 0 ：选用标准刀具，a n = 200 ，齿顶高系数 f0 = 1。2. 选择齿数Z：因为排量给定，要使泵的体积很小，则应增大模数并减小齿数。减少齿数可以减少泵的外形尺寸，但是齿数也不能太少。

37、否则不仅使流量脉动严重，严重的会使齿轮啮合的重迭系数e 1,这是不允许的。一般齿轮泵的齿数Z=630.对于流量的均匀性要求较高的低压齿轮泵，一般选取Z1430。齿数少时，会产生根切现象。对于标准齿轮(齿顶高系数 f0 = 1的最少齿数Z min 如表3-1所示：)，不产生根切表 3-1 不同压力角下最少齿数压力角a n14.5015020022.50230250270300不产生根切的最少齿数Zmin323017141311108n对与a = 200 为避免根切Z 17,初选Z20。3. 确定齿轮的模数m由齿宽与齿顶圆直径的比值x = BDe，得 B = xDe，即 B = xm(z + c)

38、对标准齿轮c = 2，将B得表达式代入排量的近似计算公式q = 2pKZm2 B 10-3 14得： q = 2pKZm3x (Z + c) 10-3q32pKZx (Z + c) 10-3所以m =（mm）（3-1）式中K =1.061.115,齿数少时取大值，齿数多时取小值（当Z=6时，可取K=1.115，而当Z=20时，可取K=1.06），这里取k=1.06假设设计的工作压力差p为105bar，根据表3-2表 3-2 不同工作压力差下， x 值大小p(bar)3570105140160x = B De10.80.60.40.35查表3-2得 x =0.6q32pKZx (Z + c) 1

39、0-31532 3.14 1.06 20 0.6 (20 + 2) 10-3m = 2.04mm模数取标准值 m2.0 mm。3.2.2 齿轮强度的校核计算1. 选定齿轮材料、齿轮类型、精度等级、齿数熔体泵作为一个内压较高的容器，盛装着各种不同的熔体，有时要向机头提供压力20-3OMpa的聚合物熔体，强度要求对泵体是至关重要的，所以通常要求泵体重量轻，强度高，稳定性好。而且有的熔体磨蚀性较强，因此要求泵体和齿轮由合金钢或不锈钢来制造，如Cr12MoV，Wl8Cr4V和W9Cr4V2等。本文推荐齿轮采用塑料机械厂家常备的38CrMoAlA，一般就能满足要求。齿轮的热处理有三种可选方式:(1) 表

40、面硬化处理如渗氮等。具有非常好的扭矩传输特性，不易在高载荷时断裂， 然而金属表面与内部硬度差别太大，容易造成硬金属对软金属层的挤压破坏。(2) 淬透型处理。具有良好的防磨损能力，也不会因为表面层的破坏而使整个齿轮很快失效。缺点是齿轮越硬，越易破坏，而且对扭矩和振动敏感。(3) 淬透处理后，进行表面硬化。这样的处理不会使表面和内部的硬度差别太大， 具有抗表面破坏能力强及优良的传输扭矩等性能。在齿轮的热处理方法中，热处理放法为调质氮化处理（氧化层厚0.30.5 mm），硬度为300HBS。齿轮类型：采用标准直齿圆柱齿轮传动；齿轮精度等级：齿轮泵为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度（GB1009

41、5-88）；2. 按齿面接触强度计算：KT (u +1) Z2由设计计算公式试算，即： d 2.323 l E （3-2）1fd u s H 1) 公式内的各计算数值(1) 试选载荷系数K1.3(2) 计算齿轮传递的转距T = 95.5 105 P1n1= 29.8 104 N md(3) 小齿轮相对支承对称布置。查表10-715选取尺宽系数f = 1E1(4) 材料为锻钢。查表10-615得材料的弹性影响系Z= 189.8Mpa 2(5) 热处理放法为调质氮化处理。由图10-21d15按齿面硬度查得齿轮的接触疲 劳强度s lim = 675Mpa(6) 假设两班制，每天工作8小时，每年300

42、天，寿命为10年。设计应力循环次数为N60 n1 j Lh6010012830010 2.88 108 次HN(7) 材料为38CrMoAlA。查得10-1915接触疲劳寿命系数 K0.92。(8) 计算接触疲劳许用应力取失效概率为1，安全系数S1s H = KHN s H limS= 0.92 675 = 621MPa 1（3-3）2) 计算(1) 计算分度圆直径 dtKTu + 1 Z2ftd 2.323 l du E s H 1.3 2.98 1041 + 1 189.8 2= 2.323 11 621 = 44.89mm(2) 计算圆周速度vv =pdt n60 100= 3.14 4

43、4.89 100 = 2.35m / s60 100(3) 计算齿宽BB = fd dt = 1 44.89 = 44.89mm(4) 计算齿宽与齿高之比B/h模 数 md / Z=44.89 / 20= 2.24mm 齿高 h2.25m=2.252.245.04mm 则 B/h =44.89/5.04=8.91(5) 计算载荷系数根据v=2.4m/s, 7级精度，由图10-815得Kv=1.03；直齿轮，假设KAFt/B100N/mm。由表10-315查得 K H=KF=1.2； 由表10215查得使用系数KA1；dd由表10415查得7级精度、小齿轮相对支承非对称布置时，齿向载荷分布系数为

44、：-3代入数据得：KH b= 1.12 + 0.18(1 + 0.6f 2 )f 2 + 0.2310-3 B（3-4）KH b= 1.12 + 0.18(1+ 0.6 1) 1 + 0.2310 44.89 = 1.418由B/h=8.91,KH b = 1.418查图101315 得 K= 1.30 ；F b故载荷系数：K = KAKv KHa KH b = 11.031.201.418 = 1.753(6) 按实际的载荷系数校正所算得分度圆直径，则有：（3-5）K3Ktd = dt= 44.89 31.7531.3= 49.59mm（3-6）(7) 计算模数mm=d / z=49.59/

45、20=2.48mm（3-7）32KT YFaYSa fd zs2F3. 按齿根弯曲强度设计弯曲强度的计算公式为：m 1) 确定公式内的各计算数值（3-8）(1) 由图1020c15查得齿轮的弯曲疲劳强度极限FE =500 Mpa ；(2) 由图101815查得弯曲疲劳寿命系数K FN =0.88 ；(3) 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S1.4，得：s = KFN KFE= 0.88 500 = 314Mpa（3-9）F(4) 计算载荷系数K1.41.4K = KAKv KF b KFa = 11.031.21.30 = 1.607(5) 查取齿形系数和应力校正系数由表10515查得齿

46、形系数Y F=2.80，应力校正系数Y S=1.55(6) 计算齿轮的 KFa KSas F （3-10）KFa KSas F = 2.801.55 = 0.0138 314（3-11）(7) 设计计算21.55 2.98104m 3 0.0138 = 1.32mm 1 202按排量计算的模数m2.01.32 满足弯曲强度，按接触强度算得分度圆直径d49.59mm，计算出齿轮齿数zd / m =49.59 / 2.0 =25。4验算=2TFtd= 2 2.9810450= 1192NKA Ftb5确定齿轮的参数= 11192 = 36.79 15ml / r故符合流量要求。2. 动力参数的计算

47、输入功率：N = 5 pQ 1 10-3 = 5 pqn 1 10-33t h3h（3-27）= 5 10515100 1 10-3 = 328.05W30.80式中：p泵的高低压腔压差（bar）泵的总效率,一般可在0.750.88，这里取0.8-3Q t 泵的理论流量, Qt = qn 10 (l / min) （l / min）因为N328.05W 312.5W = P,故输入功率满足要求。输入扭矩：N = 50 pq 1 10-3phm（3-28）= 50 10515100 1 10-3 = 27.87(N m)3.140.9式中：m泵的机械效率，一般可在0.880.91 之间选取。这里

48、可取m =0.90。3.3 结构设计计算3.3.1 结构形式的确定16在确定结构形式时应考虑以下几个内容：1. 减轻径向力的措施。2. 是采用三片式结构（由前泵盖、泵体和后泵盖组成）还是采用两片式结构（由壳体和前盖组成）。近年来三片式结构得到广泛应用， 因为三片式结构有以下优点：(1) 毛坯制造容易，甚至可用型材切料；(2) 便于机械加工；(3) 便于布置双向端面间隙的液压自动补偿，从而改善补偿性能和提高寿命；(4) 为了便于双出轴布置，根据需要可以串接另一个齿轮泵。因此在这里我们选则三片式结构。3. 齿轮与轴做成一个整体还是做成分离式通过键连结。将齿轮和轴做成整体，其优点是结构紧凑，装配方便

49、；将齿轮和轴做成分离式， 其优点是加工工艺性好，齿轮侧面加工较容易，在平面磨床上很容易加工相同的齿宽，这种结构在大排量泵中常见。由于设计要求的排量较小，设计参数也较小，故选用齿轮与轴做成整体。4. 是采用滚针轴承还是采用滑动轴承滚针轴承的优点是：工作时摩擦系数小，启动摩擦力矩小，机械效率高；承载能力强，既使用低转速也适用于高转速；能在较大的温度范围内工作；抗杂质和污染能力强。其缺点是：工作中噪声大；轴承尺寸较大，结构布置不便；当采用长的滚针轴承时，对制造和装配误差较敏感；在高压齿轮泵中，pv值较大，对滚针精度要求较高以及热处理工艺规程要严格控制。近来趋向于选短而粗的滚针。对于这种目前尚未形成标

50、准件的滚针轴承，需要特殊定货。滑动轴承的优点是：结构简单，安装方便；工作中噪音低，抗冲击性能好；价格便宜；只要材质和加工精度选择恰当，润滑条件良好，就能承受相当高的负载； 其缺点是：抗杂质污染能力差；在高温时油膜强度低易烧坏；启动时摩擦力矩大； 当转速很低时不易形成油膜易烧坏。出于经济目的的考虑，本设计中选用滑动轴承。5. 采用“轴向间隙的自动补偿”还是采用“轴向间隙和径向间隙都自动补偿”。我们在这里采用“轴向间隙和径向间隙都自动补偿”。 6确定补偿装置的具体结构形式。这里采用8字形补偿密封垫片。3.3.2 轴承负荷(即径向力)的计算16减小径向载荷可以提高轴承的寿命，增加泵的可靠性。其方法可以归纳为三种：合理地选择齿宽B和齿顶圆直径D；根据齿轮轴颈所受的径向力近似计算公式及排量的近似计算公式推导得出，当工作压