聚酯熔體齒輪泵的優(yōu)化改造

林文和

（福建聯(lián)冠建設有限公司，福建漳州363000）

0 引言

化纖聚酯生產(chǎn)一般是用乙二醇跟對苯二甲酸進行酯化反應及縮聚反應，生成聚對苯二甲酸乙二醇脂，就是我們常說的PET，平均聚合度約為106，特性黏度比較高，我公司產(chǎn)品作為紡織用的熔體特性黏度達到0.68左右，瓶級切片能達到1.0以上，所以熔體輸送需要比較高的溫度跟壓力，溫度一般在292℃左右，終縮釜后輸送壓力要求能達到10 MPa左右，對輸送設備要求比較高，一般使用熔體齒輪泵。原生產(chǎn)線使用的齒輪泵在檢修中常發(fā)現(xiàn)軸承支撐處軸有磨損現(xiàn)象，懷疑是自潤滑系統(tǒng)有缺陷，導致潤滑膜被破壞產(chǎn)生干磨現(xiàn)象。而且，應市場需求，公司高層決定提高產(chǎn)量，為降低成本，在原有生產(chǎn)線上做局部改造以達提產(chǎn)目的，本聚合生長線主要輸送設備為齒輪泵，也是單線產(chǎn)量提升的瓶頸，決定對齒輪泵進行優(yōu)化改造。為減少投資成本，減輕改造施工工作量，擬保留原有泵體，通過消除自潤滑溝槽的死角，加大并優(yōu)化改造潤滑通道，選用較大的齒輪模數(shù)、增加齒輪寬度、改變齒形等方法來達到增產(chǎn)并消除缺陷的目的。

1 熔體齒輪泵的結構及工作原理

熔體齒輪泵由泵殼、前后端蓋、齒輪軸、滑動軸承和軸封等構成，屬于正位移泵，工作時依靠主、從動齒輪的相互嚙合形成的工作容積變化來輸送熔體。工作容積由泵體、齒輪的齒槽及具有側板功能的軸承構成。當齒輪旋轉時，熔體即進入吸入腔兩齒輪的齒槽中，隨著齒輪轉動，熔體從兩側被帶入排出腔，齒輪再度嚙合，使齒槽中的熔體被擠出排出腔，壓送到出口管道。只要泵軸轉動，齒輪就向出口側壓送熔體，因此泵出口可達到很高的壓力（圖1）。

圖1 熔體齒輪泵的結構及工作原理

高黏度齒輪泵的齒輪常見的有直齒、斜齒、螺旋齒、人字齒，齒廓主要有漸開線和圓弧型式。通常小型齒輪泵多采用漸開線直齒輪，高溫齒輪泵常采用變位齒輪，輸送高黏度、高壓聚合物熔體的熔體泵多采用漸開線齒輪。齒輪與軸制成一體，其剛性及可靠性高于齒輪與軸單獨制造的齒輪泵。國外低壓齒輪泵的齒輪常采用方形結構，即齒輪的齒寬等于齒頂圓直徑。我公司原齒輪泵采用漸開線直齒輪，改造時采用漸開線斜齒輪，與直齒輪相比，斜齒輪嚙合的重合度增加，嚙合時能對物料進行連續(xù)、平穩(wěn)的擠壓，減小壓力的波動，同時由于其旋轉時的自潔作用，可以保持齒根的清潔，避免物料的沉積及降解，但工作時會產(chǎn)生軸向力，影響軸承的使用壽命，也會加劇齒側間隙內(nèi)熔體的剪切，因此螺旋角也不能太大，本次改造螺旋角取用16°。另一方面，斜齒輪輸出時的脈動壓力比直齒輪低，直齒輪的脈沖壓力是輸出壓力的1%～1.5%，而斜齒輪的脈沖壓力是輸出壓力的0.5%～1%。因此，對于壓力脈沖明顯的大規(guī)格熔體齒輪泵來說，用斜齒齒輪泵比較適宜。

2 熔體泵流量提高

2.1 采用較高的齒輪模數(shù)提高流量

熔體齒輪泵的近似流量公式為：

式中，m為模數(shù)；Z為齒數(shù)；B為齒寬；n為轉速。

當熔體齒輪泵的體積一定時，增大模數(shù)對流量的貢獻比增大齒數(shù)要大，因此熔體齒輪泵一般采取較大模數(shù)（1.5～4.5）。熔體齒輪泵輸送聚合物熔體的過程中，齒輪是一對一對相互嚙合的，因此其瞬間流量是脈動的。脈動程度取決于齒輪的彈性模量和輪齒的多少，齒數(shù)越少，齒間越深，脈動越大。為減少脈動，可增加齒數(shù)，通常齒輪都多于16齒，這也符合避免輪齒根切的原則。本次改造適當減少齒數(shù)，增大齒輪模數(shù)，由生產(chǎn)制造廠家通過模擬跟實驗，驗證相同轉速的情況下的流量變化及流量脈動對生產(chǎn)的影響，驗證結果合乎預期，流量增加能滿足提產(chǎn)要求，流量脈動變化很小，對生產(chǎn)不會造成影響，模數(shù)增加齒輪的強度也會提高。改造后也確實達到了預期的提高流量、增加產(chǎn)量的效果，設備運行安全、平穩(wěn)。

2.2 增加齒輪寬度提高流量

按上面的近似流量公式，在其他參數(shù)不變的情況下，流量與齒寬成正比，因此增加齒寬能提高流量，達到提高產(chǎn)量的目的。本次改造，齒輪軸的齒寬對稱各增加15 mm，齒寬總共增加30 mm，對增加流量也有了一定的貢獻。但齒寬增加意味著軸承有效支撐長度相應減少，根據(jù)軸承承載能力公式及載荷進行了核算，能滿足安全使用要求。由于熔體溫度跟黏度基本穩(wěn)定，泵的轉速跟泵的進出口壓力也基本穩(wěn)定，所以自潤滑膜的壓力場也相對穩(wěn)定，故軸承的承載能力可用公式來核算：

式中，ζ為載荷系數(shù)；l為軸承有效長度；d為軸的直徑；ω為軸的轉速；μ為熔體黏度；ψ為相對間隙，ψ=2Δ/d。

將預設定的各參數(shù)代進公式，依數(shù)據(jù)確定出ζ并查出偏心率，就可算出最小油膜厚度值，驗證是否合格。與廠家確定好改造參數(shù)后由廠家通過計算與原設計數(shù)據(jù)進行比較，都能滿足安全、穩(wěn)定使用的要求。對齒輪軸的擾度也進行了重新核算，以防變形咬合卡死，通過核算與比較，都能滿足使用條件。設計核算問題本文不再深入探討。還有，因為齒寬的改變，齒輪泵進出口的口模也需進行修磨，擴大進出口，以防因進口熔體來不及填滿齒輪溝槽而導致氣蝕等。

改造后按改變模數(shù)跟改變模數(shù)及齒寬生產(chǎn)相應的齒輪軸配件（齒數(shù)：18），并依次裝于實際生產(chǎn)線上相同位置相同設備上進行驗證，用相同生產(chǎn)條件進行驗證與測試（溫度：285℃，出口壓力：10 MPa），利用原有生產(chǎn)線上的熔體流量計及壓力傳感器進行測量并記錄，結果如表1所示。

表1 齒輪泵改造測試結果

3 改變齒輪的結構型式

在前期生產(chǎn)運行中，遇到有雷電等惡劣天氣或其他容易導致電源線路電壓不穩(wěn)定的因素，齒輪泵時常會跳停，盤車也無法重新啟動時會給公司造成很大的經(jīng)濟損失，懷疑跟齒輪泵運行過程中的壓力脈動有關系。決定把原來的漸開線直齒輪改為斜齒輪，以改善設備運行中的壓力脈動。斜齒輪自潔能力強，熔體在熔體齒輪泵內(nèi)的停留時間短，不易產(chǎn)生降解。最重要的是，斜齒輸出時的脈動壓力比直齒低，直齒的脈沖壓力是輸出壓力的1%～1.5%，而斜齒的脈沖壓力是輸出壓力的0.5%～1%。因此，對于壓力脈沖明顯的大規(guī)格熔體齒輪泵來說，用斜齒齒輪泵比較適宜。

4 調(diào)整泄漏量

生產(chǎn)過程中，設備嚴格按照升溫保溫曲線進行開機及盤車檢查，未發(fā)現(xiàn)異常就正常投入生產(chǎn)。熔體齒輪泵泵殼跟兩端端蓋都是帶夾套的，用導熱油對腔內(nèi)的熔體進行加熱保溫（圖2）。

通過循環(huán)冷卻水進行溫度調(diào)整，生產(chǎn)初期循環(huán)水量比較小，泄漏物的量會比較多，通過慢慢調(diào)整加大水量，并觀察其顏色與顆粒大小，通過多天收集泄漏物并稱重、觀察與調(diào)整，調(diào)節(jié)好循環(huán)冷卻水流量，最終把泄漏量控制在每天200 g左右，呈黃色顆粒狀（圖3）。

圖2 導熱油管路

圖3 泄漏物

5 結語

通過1998—1999年間的優(yōu)化與改造，翔鷺化纖聚合車間終縮熔體齒輪泵在生產(chǎn)運行中一直保持穩(wěn)定，振動及聲響都在正常范圍內(nèi)。改造至今將近20年，再沒出現(xiàn)齒輪泵異常跳停的情況，大修時檢查齒輪軸跟軸承等表面時也未發(fā)現(xiàn)明顯的磨損，經(jīng)歷了3次大修都使用正常，為公司節(jié)省了不菲的配件費用。這次的改造與優(yōu)化是比較成功的，達到了預期的效果。