聚酯熔體齒輪泵的優化改造

林文和

（福建聯冠建設有限公司，福建漳州363000）

0 引言

化纖聚酯生產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。原生產線使用的齒輪泵在檢修中常發現軸承支撐處軸有磨損現象，懷疑是自潤滑系統有缺陷，導致潤滑膜被破壞產生干磨現象。而且，應市場需求，公司高層決定提高產量，為降低成本，在原有生產線上做局部改造以達提產目的，本聚合生長線主要輸送設備為齒輪泵，也是單線產量提升的瓶頸，決定對齒輪泵進行優化改造。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，加大并優化改造潤滑通道，選用較大的齒輪模數、增加齒輪寬度、改變齒形等方法來達到增產并消除缺陷的目的。

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、平穩的擠壓，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，但工作時會產生軸向力，影響軸承的使用壽命，也會加劇齒側間隙內熔體的剪切，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提高流量

熔體齒輪泵的近似流量公式為：

式中，m為模數；Z為齒數；B為齒寬；n為轉速。

當熔體齒輪泵的體積一定時，增大模數對流量的貢獻比增大齒數要大，因此熔體齒輪泵一般采取較大模數（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，齒數越少，齒間越深，脈動越大。為減少脈動，可增加齒數，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，增大齒輪模數，由生產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的影響，驗證結果合乎預期，流量增加能滿足提產要求，流量脈動變化很小，對生產不會造成影響，模數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、增加產量的效果，設備運行安全、平穩。

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定，泵的轉速跟泵的進出口壓力也基本穩定，所以自潤滑膜的壓力場也相對穩定，故軸承的承載能力可用公式來核算：

式中，ζ為載荷系數；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。

將預設定的各參數代進公式，依數據確定出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后由廠家通過計算與原設計數據進行比較，都能滿足安全、穩定使用的要求。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。

改造后按改變模數跟改變模數及齒寬生產相應的齒輪軸配件（齒數：18），并依次裝于實際生產線上相同位置相同設備上進行驗證，用相同生產條件進行驗證與測試（溫度：285℃，出口壓力：10 MPa），利用原有生產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的停留時間短，不易產生降解。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格熔體齒輪泵來說，用斜齒齒輪泵比較適宜。

4 調整泄漏量

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

通過循環冷卻水進行溫度調整，生產初期循環水量比較小，泄漏物的量會比較多，通過慢慢調整加大水量，并觀察其顏色與顆粒大小，通過多天收集泄漏物并稱重、觀察與調整，調節好循環冷卻水流量，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年間的優化與改造，翔鷺化纖聚合車間終縮熔體齒輪泵在生產運行中一直保持穩定，振動及聲響都在正常范圍內。改造至今將近20年，再沒出現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現明顯的磨損，經歷了3次大修都使用正常，為公司節省了不菲的配件費用。這次的改造與優化是比較成功的，達到了預期的效果。