（机械工程专业论文）cw（r2）2525高粘度泵国产化研究与应用.pdf

摘要 石化企业都选用瑞士玛格( m a a g ) 公司生产的高粘度高粘度齿轮泵。从各引 进装置看，该泵都是高温、高粘度熔融态物料脱气后增压的有效手段。该泵体积 小、能耗低、生产能力大，不是挤压机所能代替的，而是替代挤压机为高温、高 粘度物料增压的理想设备。而进口备件价格昂贵，制造周期长成为诸多引进设备 的公司长周期安全稳定低能耗生产的制约因素。 c w ( r 2 ) 一2 5 2 5 高粘度泵国产化研究与应用简要介绍了高粘度齿轮泵 的原理、结构特点和各部件处理原则和材质选用原则，并介绍了应用于s a n 装置 的c w ( r 2 ) 一2 5 2 5 高粘度泵性能参数、工作原理、结构特点，从国产化过程中 对各参数的确定和部件的处理方法，对高粘度齿轮泵的国产化进行了阐述。 c w ( r 2 ) 一2 5 2 5 高粘度齿轮泵的成功国产化，解决了进口备件国产化和同类 进口设备的替代问题，解决了高粘度熔融树脂输送、增压的难题，填补我国一项 技术空白，为企业节约了大量外汇，促进了民族工业的发展。 关键词：高粘度齿轮泵国产化研究应用 h o m e m d e0 fh i g hv i s c o s i t yg e a rp l l n 】p 四( r 2 ) 一2 5 2 5 f a n y a j u n ( p e t r o c h i n al a n z h o up e t r o c h e m i c a lc o m p a n v e t h y l e n ep r o j e c tc o n s t r u c t i o nh e a d q u a r t e r s ) a b s t r a c t ：t h ep r i n c i p l e ， s t r u c t u r e ， p e r f o r m a n c e s ，m a t e r i a l ，h e a t i n g m e t h o da n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h i sp u m pa r ed e s c r i b e di nt h i sp a p e r a n d c o n f i r mt h ep a ra l t l e t e r sw it ht h eh o m e m a d ep r o c e s s i nt h isp u m pi n t r o d u c e s t h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o no ft h i sp u m pu s e da sh i g hv i s c o s i t yl i q u i d c o n v e y e r i n p e t r o c h e m i c a lp l a n t s ， a n db a s e do ni td oo t h e rs e r i e s i m p r o v e m e n t w ef u l l yh o p ei tc a nb eu s e di nf u r t h e ra p p l i c a t i o na n d d e v e l o d m e n t p e t r o c h e m i c a le n t e r p r i s e ss e l e c tt h eh i g hv i s c o s i t yp u m p sp r o d u c e db y m a a gc o m p a n yf r o ms w i t z e r l a n d r e f e rt oe v e r yi n d u s t r i a lp l a n t ，t h ep u m p i se f f e c t i v e l yu s e dt op r e s s u r i z et h ed e g a s s e dm e l tm a t e r i a lw i t hh i g h t e m p e r a t u r ea n dh i g hv i s c o s i t y t h ep u m ph a ss u c ha sc h a r a c t e r i s t i c s ： s m a l lv 0 1 u m e ，1 0 wp o w e rc o n s u m p t i o na n dh i g hp r o d u c t i v i t y i tc a n tb e s u b s t i t u t e db ye x t r u d e r ，b u ti tc a ns u b s t i t u t ef o re x t r u d e ra s 口e r f e c t e q u i p m e n tf o rp r e s s u r i z i n gh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hv i s c o s i t ym a t e r i a l h o w e v e r ， t h ei m p o r ts p a r ep a r t sa r et o oe x p e n s i v e ，m a n u f a c t u r ep e r i o di s t o o1 0 n g a b o v et w op o i n t sb e c o m et h er e s t r i c t e df a c t o r sa st h ep l a n tw i t h s t a b l es a f eo p e r a t i o nf o r1 0 n gt i m ea n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n t h em e a n i n go fh o m e m a d eh i g hv i s c o s i t yp u m pc w ( r 2 ) 一2 5 2 5 t h es u c c e s s f u l h o m e m a d ef o rh i g hv i s c o s i t yp u m pc w ( r 2 ) 一2 5 2 5 i ts o l v e st h es u b s t i t u t e d p r o b l e m so fi m p o r ts p a r ep a r t sa n dc o g e n e r i ci m p o r te q u i p m e n t s ， i ts 0 1 v e s t h ed i f f i c u l t i e si nc o n v e y a n c ea n dp r e s s u r i z a t i o nf o rh i g hv i s c o s i t ym e l t r e s i n i tf i l l su pat e c h n i c a lg a pi no u rc o u n t r y ，s a v e sl o t so ff o r e i g n e x c h a n g e f o r e n t e r p r i s e s ，p r o m o t e t h ed e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a l i n d u s t r y k e y w o r d ：h i g hv i s c o s i t yg e a rp u m p ：h o m e m a d e ：a p p l i c a t i o n ：d e v e l o p m e n t 兰州理工大学 学位论文原创性声名 本人郑重声名：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人完全 意识到本声名的法律后果由本人承担。 作者签名：樊亚军日期：2 0 0 6 年5 月2 8 日 学位论文版权使用权授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件或电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在一年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：樊亚军 导师签名：黄建龙 日期：2 0 0 6 年5 月2 8 日 日期：2 0 0 6 年5 月2 8 日 第l 章高粘度齿轮泵概述 在化工生产装置中，泵所输送的物料差别很大。就物料粘度而言，可从工业 用水直至粘度高达几十万归a s 的聚合物熔体。输送粘度大的聚合物熔体物料 使用高粘度泵。高粘度齿轮泵与其它高粘度泵相比，其流量均匀、脉动小、改变 转速调节流量稳定、结构简单、成本低，因此应用广泛。我国现有化工生产装置 中所使用的高粘度齿轮泵多为国外进口，它们在生产装置中都起着重要作用，所 以十分有必要掌握这方面的技术。目前兰州石化高冲聚苯乙烯装置、s a n 装置、 a b s 装置，上海石化高冲、s a n 装置，仪征化纤公司等石化企业都选用瑞士玛格 ( m a a g ) 公司生产的高粘度齿轮泵。从各引进装置看，该泵都是高温、高粘度熔 融态物料脱气后增压的有效手段。该泵体积小、能耗低、生产能力大，不是挤压 机所能代替的，而是替代挤压机为高温、高粘度物料增压的理想设备。该泵齿轮 轴和轴套都是钢对钢，硬对硬，不加润滑油，主要是靠高温高粘度物料自润滑。 因此玛格泵连续运转周期四至五年，齿轮轴和轴套因磨损失效，而进口备件价格 昂贵，制造周期长成为诸多引进设备的公司长周期安全稳定低能耗生产的制约因 素。 1 1 高粘度齿轮泵工作原理 在图l 中，当泵的齿轮按图示 方向旋转时，右侧吸入腔相互啮合 的轮齿逐渐脱开，密封工作容积逐 渐增大，形成部分真空。因此，物 料储罐中的物料在在一定压力的 作用下，经入口进入吸入腔，将齿 间充满，并随着齿轮旋转，把物料 带到左侧压力腔内。在压出区一 侧，由于轮齿在这里逐渐进入啮 合，密封容积不断减小，物料便被 a a 挤出去，从压出腔送到压力管路中去。 但目前，对于高粘度齿轮泵的工作原理又有了新的探讨和研究，认为： 在图l 中，由于齿轮副啮合点k 处的齿面接触线的分隔作用和齿顶圆与壳体 内表面间的物料两者共同作用的结果，将泵分成四个区域：吸入区x ，压出区y 和两个过渡区g 和g 。其中吸入区x 与物料储槽相连，压出区y 与负载相通。 四个区域的形成是高粘度齿轮泵能正常工作的基本结构条件。高粘度齿轮泵密封 齿间搬运物料的作用是高粘度齿轮泵吸、压物料的基本工作机制。因啮合点变动 引起的吸、压油区的容积脉动在泵的工作原理中所起的作用是极其微小的，可以 忽略。 1 2 高粘度齿轮泵结构特点 高粘度外啮合高粘度齿轮泵由于所输送聚合物熔体高温、高粘度的特点，在 结构设计上，具有如下特点( 如图l 所示) ： ( 1 ) 夹套式泵体，保温良好：阔嘴入口，减小了径向力。高粘度外啮合高粘 度齿轮泵的泵体为三件组合式结构，由于聚合物熔体处于高温熔融状态，泵必须 能良好的保温，以免聚合物溶体降温凝固，因此泵体三个组成部分均采用夹套式， 通人液体或气体热介质，使泵整体达到均匀加热、保温的状态。泵的人口处存在 负压，且聚合物熔体的粘度高，使作用于齿轮轴颈及轴承上的径向力很大，妨碍 了泵性能的发挥并影响泵的使用寿命。因此采用阔嘴人口，扩大低压区，以减小 径向力，延长使用寿命，并提高 泵的自吸能力。 ( 2 ) 不对称双卸荷槽，消除 困液危害；螺旋自吸式高压润 滑，确保轴承润滑良好。高粘度 外啮合高粘度齿轮泵的齿轮与 转轴为整体式齿轮轴，结构紧 凑，装配方便。轴承为滑动轴承。 由于进出口压差较大，高粘度齿 轮泵又易出现困液现象，在轴承吸入和排出两侧开了向低压侧偏移的不对称双卸 荷槽。吸人侧为锥形卸荷槽，排出侧为矩形卸荷槽，双卸荷槽边缘分别通过产生 困液终了时的齿轮啮合点和困液开始时的齿轮啮合点，在排出侧与吸人侧不沟通 的前提下，使困液容积在压缩到最小值之前，始终与排出侧相通，从而达到消除 困液危害的目的。轴承润滑采用螺旋自吸式高压润滑，排出侧虼高压聚合物熔体 通过轴承内的孔道，从轴承底部进人轴承，经过螺旋槽达到润滑整个轴承的目的， 然后从轴承与泵端盖之间的反回孔槽，被吸人到泵的吸人腔内。其特点是可以获 得充足的润滑液流量，对轴承起到良好的润滑作用，能改善泵的自吸性能，避免 吸空现象，但增加了泵的泄漏量，使容积效率略有损失。 ( 3 ) 双端面机械密封，避免轴向泄漏。高粘度外啮合高粘度齿轮泵的轴封装 置采用双端面机械密封，使较易泄漏的轴向密封改变为较难泄漏的静密封和端面 密封，防止空气进人泵和聚合物熔体泄漏，达到了密封可靠、使用寿命长、摩擦 功率损失小、轴或轴套不受磨损、对旋转轴的振动和轴对泵体孔的偏斜不敏感的 要求。 1 - 3 高粘度齿轮泵性能特点 高温、高粘度的聚合物熔体从低压入口处沿两侧输送至高压出口时，由于泵 的转速、几何尺寸、泄漏和熔体粘度高等因素的存在，泵所输送的容积将受到影 响，因此对于泵来说，首要考虑的便是容积效率问题。另外，由于泵所输送的聚 合物熔体处于熔融的高温状态下，化工原料的热敏感性又较强，加之粘度高的因 素，泵将产生一定的能量损失。 1 4 齿轮材料及结构 国外低压高粘度齿轮泵的齿轮通常采用方形结构，即齿轮的齿宽等于它的齿 顶圆直径。而高压场合使用的高粘度高粘度齿轮泵的轮齿宽度小于齿顶圆直径， 以减小齿轮的径向受压面积，从而降低齿轮、轴承的载荷。齿轮材料一般采用合 金结构钢，如2 0 c r 、1 8 c r m n t i 、2 0 c t i 。对需要渗碳淬火的齿轮，则用淬透性 好的合金结构钢，如2 0 c r m o 、2 0 n i c r m o 、2 0 n i c r m o n b 、3 8 c r m o a l 等。 1 5 泵壳体材料 一般来说，高粘度齿轮泵的泵壳体越重，在温度、压力及外力作用下的强度 也越高，所以用于较高压力场合的高粘度齿轮泵通常重量较重。泵壳体的材料过 去大多用孕育铸铁( 如h t 2 5 4 7 、h t 3 0 一4 5 、h t 3 0 一5 4 ) ，现已有采用铸造铝合金( 如 z l l l l ) 硬模融铸或挤压铝合金型材加工制造。当输送腐蚀性介质时，可采用不锈 钢，但成本较高，因此在多数情况下推荐采用含镍、铬量高的合金钢作为泵壳材 料，它在强度、可靠性及成本方面的综合性能较好。为了解决高粘度齿轮泵的困 油现象，通常在泵端盖上开设对称卸荷槽( 对低压高粘度齿轮泵) 或向低压侧偏移 的不对称卸荷槽( 对中高压高粘度齿轮泵) ，吸液侧采用锥形卸荷槽，排液侧为矩 形卸荷槽，卸荷槽的深度也比液压工业中所用高粘度齿轮泵的要深。 1 6 泵体加热方式 由于高粘度齿轮泵输送介质的粘度较高，为减小流动阻力，提高泵的吸液能 力，必须对介质加热、泵体保温，当环境温度或介质温度变动较大时尤应注意这 一点，通常采用电热元件加热。若温度波动不大、输送的高粘度液体容易发生降 解时，则采用流体加热，排量大于1 5 0 0 m l r 的高粘度齿轮泵建议采用此加热方 式。流体加热又分内置式和外置式两种，所谓内置式是指在高粘度齿轮泵的泵体 或端盖的内部设计一个热夹套，外置式则是通过螺栓将夹热套与泵体连接在一 起。至于往夹套内通入蒸汽、导热油还是冷却水，则根据介质的具体情况而定。 内置式适用于对输送液体的温度均匀性要求较高或要求对高温液体进行均匀冷 却的场合。当电加热方式缺乏安全性或对温度控制要求不高时可采用外置式夹套 结构。 1 7 轴承材料、结构与润滑 高粘度齿轮泵通常采用滑动轴承，在轴承内壁的非承载面上设计有螺旋式流 道，螺旋旋向与齿轮轴的转向相同。轴承外端与泵的进液口相通，轴承内端的螺 旋槽与齿轮刚刚脱开啮合的轮齿根部( 真空部位) 相通。当轴旋转时，借助螺旋作 用及轴承两端的压力差，低温液体被吸入轴承，然后流入刚脱开啮合的齿间，构 成一个润滑充分、散热快的螺旋自吸式低压润滑系统。该润滑方式的优点是：迸 一d 入轴承的润滑液是低温的，易形成承载能力强的动压油膜。大量润滑液不断循环， 带走轴承热量，良好地润滑和冷却轴承。由于有充足的液体填充刚脱离啮合的轮 齿根部，大大改善了高粘度齿轮泵的自吸性能，避免了吸空现象，既提高了容积 效率，也有利于减轻气蚀和降低噪声。 轴承材料常用工具钢并作表面硬化处理，以提高其抗胶合能力。若输送介 质含磨砺性颗粒，则采用很硬的轴承材料( 如陶瓷) ，其耐磨性、抗胶合性优于软 性轴承材料。g u 一1 聚四氟乙烯钢铁背复合材料( 国外称d u 材料) 被认为是较理想 的滑动轴承材料，它由冷轧薄钢板( 基体) 、烧结球形多孔青铜粉或铜网( 中间层) 、 聚四氟乙烯( 表面层) 等三层材料复合而成，兼有金属和聚四氟乙烯的优点。在 d u 材料的基础上，上海材料研究所研制出性能更优的s f 型三层复合自润滑材料， 它以青铜丝网代替青铜粉层，表层的塑料配方经过精心筛选。这种轴承材料耐疲 劳，承载能力高，摩擦系数小，使用寿命长，充分发挥了金属刚性强、塑料自润 滑性好的长处，是提高高粘度齿轮泵技术性能的新型轴承材料。 第二章玛格c 1 r ( r 2 ) 一2 5 2 5 高粘度泵国产化研究 兰州石化公司合成橡胶厂s a n 装置进口的瑞士士玛格( m a a g ) 公司生产的高 粘度齿轮泵，连续运转四至五年，齿轮轴和轴套因磨损失效，而进口备件价格昂 贵，制造周期长，成为制约装置长周期稳定运行的严重制约因素。在中石化总公 司重大设备国产化办公室的大力支持下，成立熔体输送高粘度齿轮泵研制小组， 与国内相关厂家合作，立项进行了国产化研制工作。经过不断的研究探索，提出 使用条件及技术参数，进行改进非标准渐开线齿轮材质、热处理技术、精密加工、 工作表面耐磨强化、摩擦付材料等方面的研究，并成功试制一台用于s a n 装置 的熔体输送泵，经过性能测试和现场满负荷运行考核，满足生产要求。 2 1 玛格c l r ( r 2 ) 一2 5 2 5 高粘度泵存在问题 1 输送流体温度达到2 3 0 ，粘度达到l o 万泊，齿轮容易发生点蚀，汽化 腐蚀而失效。 2 熔融物料渗透到滑动轴承与轴之间，容易凝固，造成齿轮轴、轴套摩擦剪 力增大，磨损加剧而失效。 3 物料容易进入机械密封，造成密封失效，装置停车，损失极大。 4 摩擦盘无级变速，对润滑系统要求较高，一旦润滑油出现问题，摩擦盘磨 损加剧，失去无级变速作用。 5 进口备件加工周期长，价格昂贵，严重制约装置稳定生产和长周期运行， 而且运行成本随着运行时间的延长而加大。 2 2 玛格c l r ( r 2 ) 一2 5 2 5 高粘度泵国产化技术方案 1 采用三维测绘技术，充分掌握玛格c w ( r 2 ) 一2 5 2 5 高粘度泵的原始尺寸资 料，按照无限靠近的原则实现部件的国产化。 2 充分掌握玛格c w ( r 2 ) 一2 5 2 5 高粘度泵材料特性，选用国内能够满足的部 件加工及处理工艺，延长使用寿命 3 充分研究玛格c w ( r 2 ) 一2 5 2 5 高粘度泵工作原理和结构特点，为结构设计 和制造提供最有力的技术储备。 4 在充分论证的基础上，以实现玛格c w ( r 2 ) 一2 5 2 5 高粘度泵装置生产功能 为原则，简化系统配置，尽量减少系统传动部件和易损件，采用简单易行、降低 系统运行成本的方法，提高成套设备的可靠性。 5 充分掌握玛格c w ( r 2 ) 一2 5 2 5 高粘度泵各项性能指标，做为国产化制造的 技术依据和设备国产化成功与否和系统性能考核依据。 2 3 玛格c i r ( r 2 ) 一2 5 2 5 高粘度泵主要性能指标 ( 1 ) 流量：2 5 m 3 h ( 2 ) 出口压力：2 5 仲a ( 3 ) 转速范围：5 5 1 8 转分 ( 4 ) 泵壳及夹套内热媒温度：2 8 0 3 0 0 ( 5 ) 泵内介质温度：2 2 0 ( 6 ) 泵内介质粘度：1 0 万泊 ( 7 ) 电机功率：5 5 k w ( 8 ) 噪音：8 0 分贝 ( 9 ) 泵效率： 8 0 ( 1 0 ) 使用寿命不低于三年 2 4 玛格c l r ( r 2 ) 一2 5 2 5 高粘度泵的工作原理 c w ( r 2 ) 一2 5 2 5 高粘度泵按其工作原理仍属于容积式泵：一对外啮合齿轮装 在密封的腔体内，在啮合点沿齿宽方向的接触线，将吸入腔和排出腔分开，在其 旋转时，轮齿脱开啮合的一侧，形成局部真空，熔融树脂在重力和真空吸力共同 作用下，充满齿轮齿槽；在轮齿进入啮合的一侧，齿槽内的熔融树脂被轮齿挤压 进入出料口。 2 5 玛格c i r ( r 2 ) 一2 5 2 5 高粘度泵结构特点 1 尺寸精度高。例如泵体宽度4 0 0 ：怒。，齿轮轴颈1 2 0 ：。舞，其精度达到国标 最高精度等级i t o l 级或超过这个级别，经过对备件的测绘，实物尺寸确实在这 个公差范围内。由于该泵输送的是高粘度物料，在2 2 0 的高温下工作，保证齿 轮外圆和泵壳体，齿轮端面和泵端盖有准确的足够的间隙是很重要的，既要保证 泵有较高的容积效率，又要保证泵在高温下使用时不被卡死，因此不仅要求泵的 尺寸精度高，而且形位公差精度要求也很高。 2 合理的泵出口开度比，提高进料效率。对于高粘度熔融树脂用高粘度齿轮 泵输送时，仅靠泵的真空吸力是不够，必须采取其他措施，s a n 装置就是将泵安 装在脱辉器下端，脱挥器下端程锥形，锥角3 0 。，因此高粘度物料靠重力和泵 的真空吸力共同作用，使熔融树脂充满齿槽。同时泵体的进料口为漏斗形，大端 直径等于2 倍的齿轮外径，园锥角4 8 。为了进一步改进进料，泵体内孔仅在 靠近出料口处保留1 4 的内孔，与齿轮外圆配合，封闭高压区和低压区，这样就 增大了低压区，不仅减小齿轮轴的径向力，而且使高粘度熔融树脂便于充满齿间。 3 泵体和泵盖均采用夹套式结构，保证物流状态。由于聚合物熔体处于高 温熔融状态，泵必须有良好的保温，以免聚合物熔体降温凝固发生事故。熔体输 送高粘度齿轮泵输送介质粘度高，为减少流动阻力，必须对介质加热保温，当环 境温度或介质温度变化较大时，尤其是注意这一点。 4 输入轴端安装有双端面机械密封，润滑油通过硅油泵循环过滤，以便降温 和清除杂质。双端面机械密封避免了轴向泄漏，密封可靠，使用寿命长，功率损 失小，轴不受摩损，对旋转轴的振动和轴对泵体孔的偏斜不敏感。 5 轮轴颈自润滑结构。该泵的两个齿轮轴颈与滑动轴承的润滑采用自润滑结 构，润滑介质就是物料本身，在滑动轴承内孔开有导油槽，物料在这里成为润滑 剂，从滑动轴承高压侧端面油槽进入内孔中的螺旋油槽，达到润滑整个轴承的目 的。其特点是可以获得充分的润滑液流量，对轴承起到良好的润滑作用。 6 对称卸荷槽，所谓不对称卸荷槽是指吸液侧采用锥形卸荷槽，排液侧为矩 形卸荷槽。 高粘度齿轮泵要能连续出料，就要求齿轮的重迭系数大于l ，也就是说，在 一对牙齿即将脱开之前，后面的一对牙齿就要开始啮合，在这一波段的时间内， 同时啮合的就有两对牙齿，这时留在齿问的物料就被困在这两个牙齿和两个端盖 之问形成的封闭空间，当这对齿轮继续旋转时，这个封闭的空间的容积继续缩小， 物料受到挤压，压力急剧上升，使齿轮受到很大的径向力，使两端盖受到很大的 轴向力，产生很大噪音，输入功率直线上升，因此必须消除困液现象。对于高粘 度泵，困液现象更易出现，造成的恶果更为严重，必须设法消除。该泵采用斜齿 轮b = 5 。，提高了流量的均匀性，改善困油现象的同时，在滑动轴承的内端面仍 然开了不对称卸荷槽，以消除困油现象，降低噪音和径向力。 7 动保护机构 该泵设有完善的安全保护装置，在主动齿轮轴上安装铜制的2 个剪力销，当 泵的内部出现意外情况，如有颗粒杂质进入、齿轮牙齿损坏、温控失灵等情况扭 矩将增大，剪力销被扭断，有效地保护齿轮和泵体。在泵的出口虽然装有远程压 力应变仪，但仍然在出口管道上设隔爆器，当出口压力超过许用压时，将自动排 料。 通过以上七点分析可以看出：c w ( r 2 ) 一2 5 2 5 高粘度泵具备了高粘度泵的普 遍的制造原则，在关键部件的材料选择、加工精度要求、关键部件的技术处理、 系统配置方面有了极大的改进，但是还存在一些问题，我们在国产化方面要取其 精华，同时要对存在的问题拿出合理的解决方案，使的国产化的高粘度泵更加成 熟和完善。 2 6 高粘度泵主要部件制造参数的设计、计算 2 6 1 齿轮参数的计算 1 基本参数的确定( 以下参数来自与玛格泵齿轮实测数据) 中心距：4 = 1 8 0 ：揣 螺旋角b = 5 。 精度：6 5 7 一d c 法向变位系数x n = o 1 8 8 法向模数：m n = 1 2 5跨齿数：k = 2 法向压力角：。= 2 0 。 公法线：w = 5 9 4 4 吼。“ 法向齿高系数：h 0 = l _ 2端面模数：w t = 1 2 5 c o s 5 。= 1 2 5 4 8 径向间隙系数：c r + = 0 1齿数：z = 1 4 端面压力角：。= a r c t g ( t 9 2 0 。t 荫。) = 2 0 。4 1 3 ”= 2 0 0 7 0 3 。 2 齿轮参数计算 端面变位系数x 。= x nc o s5 。= o 1 8 7 端面变位系数的和x t = o 3 7 4 端面啮合角：i n v 。= i n v 7 一( 2x t e z 。+ z 2 ) t ga 。= o 0 2 4 8 2 7 8 4 1 查表 d7 。= 2 3 5 5 5 。 变位后齿轮中心：= 1 2 m 。( z i + z 2 ) c o s ，c o sa 。= 1 7 9 9 9 9 注：计算中心距1 7 9 9 9 9 与原泵体中心距相符 中心距变动系数y 。= ( z 。+ z 2 2 ) ( c o s 。c o s 。) - 0 3 4 5 0 齿顶高变动系数y 。= x t z y 。= 0 0 2 9 齿顶高：h a = l f l t _ ( h 。+ x n ) 一y 。( c o s b ) = 1 6 9 8 6 顶园直径：d a = d 。+ 2 h f 2 0 9 6 4 这个计算结果，齿轮顶园直径巾2 0 9 6 4 与实测结果中2 0 9 6 2 相符合。 基园直径： d b - d 。c o s 。= i ，zc o s 2 0 0 7 0 3 。= 1 6 5 0 0 顶园压力角：。= a r cc o sd b d a = 3 8 0 8 l 。 顶园齿厚：s 。= d 。 + 4 x t g 2 1 4 + i n v q i n vd 。 = 3 7 8 9 6 s a = 3 7 8 9 6 1 2 5 = 0 3 0 3 ( 对氮化齿轮是允许的) 公法线长度的计算： z 。= 踟h 加2 1 4 1 5 3 3 町= c o s k 一o 5 ) + z 。加v 瓯】k 一一跨齿数数取k = 2 w 2 + = c o s 2 0 。 ( k o 5 ) + 1 4 1 5 3 3 i n v 。 = 4 6 2 6 4 旷= 2 x ns i n 。= 2 o 1 8 8s i n 。= 0 1 2 8 6 跨啮公法线：w 2 = ( w k + + 旷) m n = 5 9 4 4 与实际测量相符合。 3 齿轮参数的特点 ( 1 ) 采用斜齿轮螺旋角5 。运转平稳，改进困液现象，齿轮强度提高； ( 2 ) 齿高系数1 2 ，增大了流量。 2 6 2 流量计算 高粘度齿轮泵工作时，在压力腔轮齿逐渐啮合，齿间容积逐渐减少，物料被 挤出，但是轮齿在不同的啮合点，工作容积的变化率不同，因此流量和压力是脉 动的。高粘度齿轮泵的理论流量一般用近似计算公式。假定每转压出的液体量等 于两个齿轮齿谷容积的总和，又假定齿谷的容积等于轮齿的体积。 设：q 高粘度齿轮泵每转的排量，单位c m 3 - _ 取n = 3 3 3 ，因为齿谷的容积比，轮齿的体积稍大，值取成 3 3 3 h 齿高系数，h = l - 2 h ”工作齿高系数，h = 2h = 2 4 d 节园直径d = 1 8 c m b 一一齿轮宽度b = 1 8 c m m _ 一齿轮模数m = 1 2 5 h 一工作齿高h = 2 1 2 1 2 5 1 0 = 3 c m q = nd h b ：3 2 升转 2 6 3 转速范围和功率 s a n 树脂在2 2 0 条件下，粘度为l o 万泊，生产工艺要求转速范围为5 5 1 8 转分其流量： q - q ( 5 5 1 8 ) = l m 3 3 4 心时 有效功率：n e = p q 6 1 2 = 2 3 5 k w 高粘度齿轮泵轴功率：n = n e n 。n 若容积效率n ，取为8 0 ，若机械效率n 取为7 0 高粘度齿轮泵轴功率n = 2 3 5 ( 8 0 7 0 ) = 4 1 9 6 k w 以上数据是根据玛格高粘度泵关键部件的实测，反算得出，做为加工制造 国产高粘度泵的基础数据，同时为加工成型后的部件提供测试依据。只有这项工 作扎实有效的进行，才能为高粘度泵的国产化奠定坚实基础。 但是，由于国内材料的热稳定性能较差，在国产化制造中必须注意各部件 配合尺寸、热膨胀的一致性。 第3 章册( r 2 ) 一2 5 2 5 高粘度泵国产化 关键部件技术处理 3 1 泵体的成型及处理概述 由于泵体内腔和夹层形状复杂，要求内表面光滑，无死角，水压试验压力高， 加工形变小，尺寸稳定，经过多次比较研究，泵体和左、右端盖决定选用4 c r l 8 n i 9 不锈钢，来满足光洁度、尺寸稳定性、耐高温等方面的要求。为了减少泵体气孔、 夹渣等缺陷，减少夹套砂粒结死角，减少夹套导热油阻力，使泵内温度均匀，通 过筛选多种铸造工艺和配方，最终确定采用蜡膜精密铸造，并进行了退火处理， 加工出满足质量要求的零件。 3 1 1 蜡模铸造基本介绍 ( 1 ) 蜡模铸造为了制出蜡模主要经过以下步骤： 压型制造 压型是用来制造蜡模的专用工具。为了保证蜡模质量，压型必须有很高的精 度和低的粗糙度，而且型腔尺寸必须包括蜡料和铸造合金的双重收缩率。 压型一般用钢、铜或铝经切削加工制成，这种压型的使用寿命长，制出的蜡 模精度高，单压型成本高时间长，主要用于大批生产。对于小批生产，则可以用 易熔合金、塑料或石膏直接向母模上浇注而成。 压型型体之间应设定位装置和锁紧装置。为了使蜡模便于从压型内取出，多 数压型设有顶杆或项板起模装置。蜡模上的凸台、沟槽等妨碍起模的部分要用活 块制出，而内腔则用金属芯来形成。 蜡模压制 制造蜡模的材料有石蜡、蜂蜡、硬脂酸、松香等，常采用5 0 石蜡和5 0 的 硬脂酸混合料。 压制时，将蜡料加热至糊状后，在o 2 o 3 m p a 压力下将蜡料压入压型内， 待蜡料冷却凝固便可从压型内取出，然后修去分型面上的毛刺，即得单个蜡模。 蜡模组装 熔模铸件一般均较小，为了提高生产率、降低铸件成本，通常将若干个蜡模 焊在一个预先制好得直浇口棒上，构成蜡模组。 ( 2 ) 结壳 它是在蜡模组上涂挂耐火材料，以制成一定强度的耐火型壳的过程。由于型 壳质量对铸件的精度和表面粗糙度有着决定性的影响，因此结壳是熔模铸造的关 键环节。结壳要经过几次浸挂涂料、撤砂、硬化、干燥等工序。 浸涂料 将蜡模组置于涂料中浸渍，使涂料均匀地覆盖在模组表面。涂料是由耐火材 料、粘结剂组成地糊状混合物，这种涂料可使型腔获得光洁的面层。 撒砂 它是使浸渍涂料的蜡模组均匀地粘附一层较粗的石英砂，其目的是迅速增厚 型壳。 硬化 为使耐火材料层结成坚固的型壳，撤砂之后应进行化学硬化和干燥。 3 1 - 2 脱蜡和造型 1 脱蜡 为了取出蜡模以形成铸型空腔，必须进行脱蜡。最简单的方法是将附有型 壳的蜡模组浸泡在8 5 9 5 的热水中，使蜡料熔化，并经朝上的浇口上浮而脱 除，脱出的蜡料还可以回收处理仍可重复使用。 2 造型 造型又叫填砂。它是为了加固型壳，防止浇注时变形或破裂，而将脱蜡后 的型壳置于铁箱之中，周围用粗砂填充的过程。 实际证明，若在加固层涂料中加入一定比例的粘土制成高强度型壳，则可 以不经过造型填砂便可以直接浇注。 3 1 - 3 焙烧和浇注 1 焙烧为了进一步去除型壳中的水分、残余蜡料和其他杂质，在浇注之 前，必须将型壳送入加热炉内，加热到8 0 0 1 0 0 0 进行焙烧。通过焙烧，壳使 型壳的强度增高，型腔更为干净。 2 浇注为了提高合金的充型能力，防止浇注不足、冷隔等缺陷，要在焙烧 出炉后趁热( 6 0 0 7 0 0 ) 进行浇注。 3 1 4 落砂和清理 冷却之后，将型壳破坏，取出铸件，然后去掉浇口，清理毛刺。 3 2 齿轮的加工及处理 主动齿轮轴和被动齿轮轴的精密加工，齿形由渐开线弯线长齿形改为修正渐 开线长齿形( 关于齿轮加工成型基本过程在本文中不做赘述) 。虽然泵腔体形状 尺寸未变，但泵体外形加大，内夹套尺寸加大，使泵的保温效果更好。主动齿轮 轴和被动齿轮轴均选用经过时效处理的3 8 c r m o a l a ，齿部和轴颈h v 9 0 0 。在轴的 两端打带保护锥的顶尖孔，并粗精加工分开，粗加工后进行探伤检查，齿轮齿形 和轴颈精磨后氮化处理，延长使用周期。 3 2 1 齿轮氮化处理的概述 氮化是向钢的表面层渗入氮原子的过程。其目的是提高表面硬度和耐磨性， 并提高疲劳强度和抗腐蚀性。 1 氮化原理和工艺 目前工业上应用最广泛的，比较成熟的是气体氮化法。它是利用氨气在加热 时分解出的活性氮原子，被钢吸收后在其表面形成氮化层，同时向芯部扩散。氨 的分解反应如下： 2 w ，斗3 日：+ 2 【】 氮化通常利用专门设备或井式渗氮炉来进行。氮化前须将调质后的零件除油 净化。入炉后先用氨气置换炉内空气。 氨的分解在2 0 0 以上开始，同时因为铁素体对氮有一定溶解能力，所以气 体氮化一般不会超过钢的a 。温度( 大约在5 0 0 7 0 0 ) 下进行。 氮化结束后，随炉温降温到2 0 0 以下，停止供氨。 2 氮化处理的特点 ( 1 ) 钢在氮化后无须进行淬火便具有很高的表面硬度。 ( 2 ) 氮化后，显著提高钢的疲劳强度。这是因为氮化层内具有较大的残余压应 力，它能部分的抵消在疲劳载荷下产生的拉应力，延缓疲劳破坏过程。 ( 3 ) 氮化后具有很高的抗腐蚀能力。这是由于氮化层表面是由连续分布的致密 的氮化物所组成的缘故。 ( 4 ) 氮化处理温度低，故工件变形小，与渗碳及感应表面淬火相比，变形要小 的多。 3 2 2 氮化钢与氮化处理的技术条件 氮化用钢通常是含有a l 、c r 、m o 、v 、t i 等合金元素，这些元素极易与氮元 素形成颗粒细密、分布均匀、硬度很高而且非常稳定的各种氮化物。 3 8 c r m o a l a 是一种典型的氮化钢，氮化层厚度根据工件不同有所区别，对于 套环、小齿轮、模具、垫圈，厚度一般在o ，2 5 o 4 0 n l l t l ，对于镗杆、螺杆、主 轴、较大模数的齿轮，一般在o 4 5 o 6 0 m 。 由于氮化层很薄，且较脆，因此要求有较高的芯部组织。为此，要先进行调 质热处理，获得回火索氏体，提高芯部机械性能和氮化层质量。3 8 c r m o a l a 经调 质后其机械性能可达到：吼1 0 0 0n l n 2 ，j 1 5 4 7 2 j ，舰c2 5 3 5 。 为了减少零件氮化处理中的变形，在切削加工后，进行消应力的高温回火处 理。但切削加工余量尽量减小，防止氮化层厚度减小过多而影响齿轮表面硬度。 3 3 滑动轴承国产化 经过对玛格c w ( r 2 ) 一2 5 2 5 高粘度泵滑动轴承材料做金报分析，理化性能分 析，并用硬度指数仪做硬度指数，比对国内符合玛格高粘度泵滑动轴承材料相同 材料，滑动轴承采用_ l l | f 矗1 0 。c r 。v ：工具钢，处理之后，硬度h r c 6 3 。在加工过程中， 滑动轴承的内孔、外圆和端面都采用用精密磨床加工，并通过着色检查和磁粉探 伤检查，以确保质量。 第4 章高粘度齿轮泵密封的改造 4 1 机械密封存在问题 1 玛格c w ( r 2 ) 一2 5 2 5 高粘度泵采用约翰克兰公司的双端面机械密封，按照 a p l 6 8 2 标准，配置p l a n 5 2 冲洗方案，采用原料液做为冲洗液，并设置了安全蓄 能装置，采用氮气做为保护气，压力略高于泵输送高温( 大约2 3 0 左右) 、高 枯度( 粘度达到1 0 万泊) 物料压力，这种配置，防止高粘度物料沿密封间隙泄 漏进入机械密封。一旦高温高粘度介质进入密封，由于温度会低于脱挥器中物料 温度而产生凝固( 这是由输送物料特性决定的) ，造成摩擦剪力急剧增大，泵负 荷加大。同时低温硬化的物料进入密封面，造成密封面损坏而失效，从而使装置 停车，是长周期稳定性运行的极大隐患。 2 为了缓解上述矛盾，唯一解决的办法是提高密封冲洗液的压力流量，减小 物料泄漏进入密封的量，这样原料液内漏增大。原料液对聚合物有稀释作用，而 且为冷物料。这样降低了聚合物的粘度指标，影响聚合温度，使脱挥负荷增大， 聚合深度降低，影响产品的性能。 3 由于高温高粘度聚合物中单体含量的增加，下游装置挤压机脱气负荷加 大，没有完全脱出的单体，造成粒料产品出现空心料、单体含量不能满足要求， 增加成品储存系统的安全风险急剧上升。 4 由于单体含量的增加，挤压机的脱气能力在螺杆组态完成后固定，没有脱 除的单体在挤压机剪切热和2 5 0 左右的高温下急剧膨胀，模头压力波动加大， 模头出现排气喷料现象，直接影响到成品的外观质量，同时易于造成料条粘连， 造成切粒机切刀损坏和废品料增大。 5 机械密封装配技术含量高，装配精度要求高，相关组件费用较高，维修周 期长，相对运行成本和维修费用高。 6 高粘度泵的旋转速度只有5 1 8 r p m ，在这种低速状况下，对机械密封的 运行本身存在不利因素，密封膜不易形成。外加的单体冲洗液因摩擦热容易汽化， 造成动环磨损加速。 4 2 机械密封的改造方案 1 取消了原玛格泵采用的双端面机械密封。 2 在靠近物料端增加反推螺旋密封结构。 3 。在靠近驱动端使用软填料密封。 4 保留原机械密封采用的a p l 6 8 2 标准的p l a n 5 2 冲洗方案，进一步减少物料 的外泄漏。 4 3 软填料密封的概述 软填料密封是一种压紧式填料密封，俗称盘根。它是利用柔软材料做成压缩 填料来填塞运动间隙的眯缝装置。虽然这是最古老的一种密封装置，但是由于结 构简单，至今仍然是应用较为普遍的密封装置。特别是近年来开发了一些新结构 和新材料，软填料密封又有了新的发展。 软填料密封通常用作旋转或往复运动的元件与轴封箱之间环行空间密封，如 离心泵、转子泵、搅拌器、及反应釜的舟封，还有阀门阀杆的密封，管线膨胀 节、浮头换热器及其他设备的密封。它能适应各种旋转运动、往复运动和螺旋运 动的元件密封。 密封的流体主要有水、水蒸汽、酸、碱、溶刘、气体、原油、油品及其他化 工产品。 软填料密封适用范围广泛：介质压力由真空1 3 k p a 到3 5 m i ) a ，工作温度一5 0 6 0 0 。密封面线速度达2 0 m s 。 4 3 1 软填料密封的基本结构及工作原理 软填料依靠压盖轴向压紧，产生径向变形，填塞间隙而密封。软填料变形时， 依靠合适的径向力紧切转轴和填料箱内表面，保证可靠的密封。 在软填料密封中，内部流体可能通过下列途径泄漏： 1 流体穿过软填料本身的缝隙而出现渗漏现象。 2 流体通过软填料与转轴( 或往复杆) 之间的缝隙而泄漏。 3 流体通过软填料与箱壁之间的缝隙而泄漏。 填料本身的缝隙可以通过压实软填料、采用软金属箔包、塑料垫混装和不同 编织填料等方法来消除，防止泄漏。箱壁内表面与填料之间的泄漏，因为无相对 运动或填料被压实而达到密封效果。只有软填料与轴杆之间，因为有相对运动， 难免存在微小间隙而造成泄漏。 为了使沿轴方向径向力分布均匀，采用中间封液环将软填料密封分成两段； 为了使软填料具有足够的润滑和冷却，往封液环中间注入润滑液体。为了防止软 填料被挤出，采用具有一定间隙的衬套。 4 3 2 软填料密封工作中的压缩过程 1 新装的软填料，填料内充满浸渍的油脂和石墨，质地柔软，保证有一定的 弹性来达到密封效果。 2 在工作过程中，轴封因受摩擦热而膨胀，轴( 或轴套) 因磨损而变细。 3 填料既要压金，又要保持弹性接触，需要补紧。压盖压紧时将浸渍剂挤出， 填料又有了损耗。最后填料被压扁发硬，会使轴或轴套磨损加剧。 因此为了达到良好的密封效果，必须保持软填料具有柔软的弹性。 如图所示，压盖以占，压紧软料使填料发生变形，依靠侧压力( 径向压力) t 紧密地与轴( 或杆) 和箱壁贴紧达到密封，他们之间存在以下关系： 占y = 加z ( 4 1 ) 式中k 一侧压系数，它是径向压力t 与轴向压力之比值。 对于软填料，侧压系数k l ，因为径向压力不可能大于轴向压力。 现在分析一厚度为吐，内外半径分别，及吼的微元体的受力情况。它距离 压盖有z 的距离。于是通过轴向平衡力，可以写出以下方程： 哆 2 一y 2 ) 一石瓴寸蛾妇2 一，2 ) 一峨一皿= o ( 4 一” 式中峨= 2 万月正以4 填料微元体对外壁的摩擦力； 峨= 2 万，- d ，d ，填料微元体对轴( 或杆) 表面的摩擦力。 以艿，= 硒z 代入上式，