齒輪泵在特殊工況下的應用

很多應用場合下，泵不只是簡單地輸送常溫低壓的水類介質。
    隨著粘度升高，離心泵會變得低效，用戶需要考慮采用正位移泵（PD泵，或稱容積式泵）。當壓力需要升高，一些正位移泵難以為繼。而溫度升高時，其它的泵也將失效。
那么當需要35公斤以上的壓力，或者300攝氏度的高溫，又或者粘度高達幾十萬或幾百萬厘泊時怎么辦？也許有些泵¾¬過專門設計或修改現有設計，可以滿足其中一或者兩個要求，但當工況需要泵滿足全部這些苛刻條件時怎么辦？
    這就需要為這些惡劣工況設計的高性能外齒輪泵。這種泵通過專門優化的材質、間隙及設計，可以處理任何一種或所有這些工況。
    外齒輪泵有兩根相同尺寸的嚙合齒輪軸。驅動軸連接電機或減速機（通過彈性聯軸器）并帶動另一根軸。在重載型工業齒輪泵內，齒輪通常與軸為整體（一個部件），軸頸的公差很小。
    齒輪軸為整體式是為了承受高壓高粘度下的高扭矩載荷。四個軸頸處的滑動軸承動態支撐且以泵送介質潤滑齒輪軸（見圖1）。
    有三種常用的齒輪形式：直齒、斜齒和人字齒。這三種形式各有利弊，有不同的應用。
直齒是zui簡單的形式，在高壓工況下為*應用，因為沒有軸向推力，且輸送效率較高。
斜齒在輸送過程中的脈動zui小，且在較高速度運行時更加安靜，因為齒的嚙合是漸進式的。但是，由于軸向推力的作用，軸承材質的選用可能會造成進出口壓差有限、處理粘度較低。因為軸向力會將齒輪推向軸承端面而摩擦，所以只有選用硬度較高的軸承材質或在其端面作特殊設計，才能應對這種軸向推力。
    人字齒是背對背的斜齒形式，能提供比直齒稍低的脈動，且軸向力可被平衡。然而，制造成本高，組裝/拆卸困難，因為必須成對安裝。在高粘度應用中，液體容易固化，或是在非常大的泵中，這的確是個大的弊端。
    外齒輪泵的運行原¬理很簡單（見圖2）。液體進入泵吸入端，被未嚙合的齒間空穴吸入，然后在齒間空穴內被帶動，沿齒輪軸外緣到達出口端。重新嚙合的齒將液體推出空穴進入背壓處。
    理論上說，正位移泵的額定流量和壓力無關。但是，容積失效或內泄漏是所有型式的正位移泵所固有的。為了達到高壓差和所需額定流量，齒輪泵必須克服這種內泄漏。
內泄漏途徑有四種（見圖3）：1）齒輪軸頸與軸承之間，2）齒輪端面與軸承端面之間，3）齒頂與泵殼之間，4）嚙合齒之間。
    為使泵的承壓能力zui大化，這些配合部件之間的間隙必須愈小愈好以限制內漏。但是，只是縮小間隙并非說起來那樣簡單，也必須考慮其它因素如溫度、粘度和選材。
有內泄漏并非全是壞事。在齒輪泵中，有些內漏是必須的，用來潤滑內部通路，并在滑動軸承內形成液膜以動態支撐齒輪軸。正確的設計應該是，內泄漏量是流量的1～3%。
    材質選用是高溫工業泵選型中非常重要的。齒輪泵¾¬常用來輸送高腐蝕性、磨蝕性或易變性流體。泵殼、軸和軸承材質首先要與泵送液體相匹配。當再額外考慮高溫時，泵的設計變得更加復雜，甚至需要考慮各種不同材料的熱膨脹性。
    如前所述，內部間隙需越小越好以達到zui高的壓力能力。在高溫情況下，由于部件的熱脹性，泵需要在即有的間隙內“膨脹”，這已¾¬超出了大多數通用型齒輪泵生產廠家的通常的考量范圍。高估材料熱脹性會導致泵的間隙太松，而不能產生所需壓力；低估熱脹性會導致泵在達到過程溫度時發生抱死?；谶@個原¬因，為高溫或低溫設計的泵往往在非設計溫度時不能良好的運行。
    舉個例子，如泵體為316不銹鋼，齒輪軸為440B不銹鋼，軸承為石墨。316不銹鋼熱脹率為17x10-6mm/mm/deg C，440B是11x10-6mm/mm/deg C，而碳是3.6x10-6mm/mm/deg C。泵制造商必須有高溫時計算泵內間隙的能力。
    泵的預熱是必要的，它可以避免高溫沖擊使部件損壞。當泵送流體溫度高于150℃時推薦預熱。當使用機械密封時，泵需預熱到操作溫度差的30℃之內，以防止傷害密封面。夾套型泵可通過蒸汽、熱媒及電加熱方式來預熱。
    粘度是流體流動的阻力，高粘度工況的*個問題是如何使流體進泵。泵必須轉得很慢以使流體進入未嚙合齒間空穴，這個空穴形成吸力將流體吸入泵中。間隙越緊，泵的內密封性越好，吸力越強。
    一旦流體進入泵內，內部的間隙就需要根據粘度正確界定。間隙過小會限制流體在通路中的流動，使軸承缺乏潤滑而過熱；間隙過大，液膜強度下降而不能支撐和潤滑齒輪軸，造成軸頸與軸承直接接觸，導致先期失效。
    處理高粘度流體另外一個重要因素是驅動齒輪的高扭矩，齒輪軸必須足夠堅實，以傳遞驅動機的高扭矩。齒形設計非常重要，太大則輸送效率不夠，太小則承*高扭矩。
    加載在齒輪軸上的扭矩和齒上的剪切力會隨著粘度和壓差的升高而加大，當這些因素再結合高溫度時，齒輪軸和齒形的設計變得異常重要，因為金屬部件隨溫度升高的彈性系數下降。
    涉及高壓、高粘度、高溫的工況使用戶不再選用離心泵而轉向正位移泵（PD泵）。而當這些工況變得特別嚴苛時，很多其它形式的PD泵到了使用極限，剩下的*選擇就是外嚙合齒輪泵。
    外齒輪泵的生產廠家有很多，但很少能應對這些工況。明智的用戶選擇的應該是，有高要求應用¾¬驗的，有成功處理這些工況可追溯記錄的供應商。