齿轮泵在特殊工况下的应用-中联机械知识

导读：要35公斤以上的压力，或者300摄氏度的高温，又或者粘度高达几十万或几百万厘泊时怎么办？也许有些泵¾¬过专门设计或修改现有设计，可以满足其中一或者两个要求，但当工况需要泵满足全部这些苛刻条件时怎么办？这就需要为这些恶劣工况设计的高性能外齿轮泵。这种泵通过专门优化的材质、间隙及设计，可以处理任何一种或所有这些工况。外...很多应用场合下，泵不只是简单地输送常温低压的水类介质。随着粘度升高，离心泵会变得低效，用户需要考虑采用正位移泵（PD泵，或称容积式泵）。当压力需要升高，一些正位移泵难以为继。而温度升高时，其它的泵也将失效。那么当需要35公斤以上的压力，或者300摄氏度的高温，又或者粘度高达几十万或几百万厘泊时怎么办？也许有些泵¾¬过专门设计或修改现有设计，可以满足其中一或者两个要求，但当工况需要泵满足全部这些苛刻条件时怎么办？这就需要为这些恶劣工况设计的高性能外齿轮泵。这种泵通过专门优化的材质、间隙及设计，可以处理任何一种或所有这些工况。外齿轮泵有两根相同尺寸的啮合齿轮轴。驱动轴连接电机或减速机（通过弹性联轴器）并带动另一根轴。在重载型工业齿轮泵内，齿轮通常与轴为整体（一个部件），轴颈的公差很小。齿轮轴为整体式是为了承受高压高粘度下的高扭矩载荷。四个轴颈处的滑动轴承动态支撑且以泵送介质润滑齿轮轴（见图1）。有三种常用的齿轮形式：直齿、斜齿和人字齿。这三种形式各有利弊，有不同的应用。直齿是最简单的形式，在高压工况下为最优应用，因为没有轴向推力，且输送效率较高。斜齿在输送过程中的脉动最小，且在较高速度运行时更加安静，因为齿的啮合是渐进式的。但是，由于轴向推力的作用，轴承材质的选用可能会造成进出口压差有限、处理粘度较低。因为轴向力会将齿轮推向轴承端面而摩擦，所以只有选用硬度较高的轴承材质或在其端面作特殊设计，才能应对这种轴向推力。人字齿是背对背的斜齿形式，能提供比直齿稍低的脉动，且轴向力可被平衡。然而，制造成本高，组装/拆卸困难，因为必须成对安装。在高粘度应用中，液体容易固化，或是在非常大的泵中，这的确是个大的弊端。外齿轮泵的运行原¬理很简单（见图2）。液体进入泵吸入端，被未啮合的齿间空穴吸入，然后在齿间空穴内被带动，沿齿轮轴外缘到达出口端。重新啮合的齿将液体推出空穴进入背压处。理论上说，正位移泵的额定流量和压力无关。但是，容积失效或内泄漏是所有型式的正位移泵所固有的。为了达到高压差和所需额定流量，齿轮泵必须克服这种内泄漏。内泄漏途径有四种（见图3）：1）齿轮轴颈与轴承之间，2）齿轮端面与轴承端面之间，3）齿顶与泵壳之间，4）啮合齿之间。为使泵的承压能力最大化，这些配合部件之间的间隙必须愈小愈好以限制内漏。但是，只是缩小间隙并非说起来那样简单，也必须考虑其它因素如温度、粘度和选材。有内泄漏并非全是坏事。在齿轮泵中，有些内漏是必须的，用来润滑内部通路，并在滑动轴承内形成液膜以动态支撑齿轮轴。正确的设计应该是，内泄漏量是流量的1～3%。材质选用是高温工业泵选型中非常重要的。齿轮泵¾¬常用来输送高腐蚀性、磨蚀性或易变性流体。泵壳、轴和轴承材质首先要与泵送液体相匹配。当再额外考虑高温时，泵的设计变得更加复杂，甚至需要考虑各种不同材料的热膨胀性。如前所述，内部间隙需越小越好以达到最高的压力能力。在高温情况下，由于部件的热胀性，泵需要在即有的间隙内“膨胀”，这已¾¬超出了大多数通用型齿轮泵生产厂家的通常的考量范围。高估材料热胀性会导致泵的间隙太松，而不能产生所需压力；低估热胀性会导致泵在达到过程温度时发生抱死。基于这个原¬因，为高温或低温设计的泵往往在非设计温度时不能良好的运行。举个例子，如泵体为316不锈钢，齿轮轴为440B不锈钢，轴承为石墨。316不锈钢热胀率为17x10-6mm/mm/degC，440B是11x10-6mm/mm/degC，而碳是3.6x10-6mm/mm/degC。泵制造商必须有高温时计算泵内间隙的能力。泵的预热是必要的，它可以避免高温冲击使部件损坏。当泵送流体温度高于150℃时推荐预热。当使用机械密封时，泵需预热到操作温度差的30℃之内，以防止伤害密封面。夹套型泵可通过蒸汽、热媒及电加热方式来预热。粘度是流体流动的阻力，高粘度工况的第一个问题是如何使流体进泵。泵必须转得很慢以使流体进入未啮合齿间空穴，这个空穴形成吸力将流体吸入泵中。间隙越紧，泵的内密封性越好，吸力越强。一旦流体进入泵内，内部的间隙就需要根据粘度正确界定。间隙过小会限制流体在通路中的流动，使轴承缺乏润滑而过热；间隙过大，液膜强度下降而不能支撑和润滑齿轮轴，造成轴颈与轴承直接接触，导致先期失效。处理高粘度流体另外一个重要因素是驱动齿轮的高扭矩，齿轮轴必须足够坚实，以传递驱动机的高扭矩。齿形设计非常重要，太大则输送效率不够，太小则承受不了高扭矩。加载在齿轮轴上的扭矩和齿上的剪切力会随着粘度和压差的升高而加大，当这些因素再结合高温度时，齿轮轴和齿形的设计变得异常重要，因为金属部件随温度升高的弹性系数下降。