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外啮合齿轮泵

什么是外啮合齿轮泵?


外啮合齿轮泵是回转式容积泵的一种,它的出现可以追溯到十六世纪晚期。这种泵通常由水轮驱动,因为它们可以利用简单的齿轮旋转来输送流体。外啮合齿轮泵已经发展成为最简单、最常见的回转式容积泵。通常,外啮合齿轮泵具有两个齿轮,位于两个单独的轴上,其中一个轴连接到电机。驱动器类型、尺寸和结构材料因行业和应用的不同而有很大差异。外啮合齿轮泵的流量范围从 20 ml/min 到超过 50 L/min,压力最高可达 500 bar。

磁力耦合齿轮泵的齿轮

外啮合齿轮泵是如何工作的


齿轮泵的循环可分为三个明显不同的动作:

  1. 齿轮解啮合会扩大泵入口处的容积。扩大的容积产生真空,允许外部压力将流体推入泵中。
  2. 随着齿轮的旋转,流体被存留在齿轮齿和壳体的腔壁之间。如此将流体从泵的入口侧输送到出口侧。紧密的间隙和旋转速度可最大程度地减少流体向后发生内部泄漏的可能性。
  3. 输送到出口侧的附加流体,随着齿轮互锁而降低的容积从出口排出。

齿轮泵循环

齿轮类型


外啮合齿轮泵设计使用以下三种齿轮类型的一种:

  • 正齿轮:正齿轮的几何形状最为简单。正齿轮可以通过包括注射成型在内的多种制造方法来制造。正齿轮的几何形状使其也很适合磨削或线切割,使硬化材料成为一种选择。但是,正齿轮的整个长度会同时啮合,从而产生较大的运转声,更容易发生气蚀现象,并缩短使用寿命。
  • 斜齿轮:斜齿轮是正齿轮沿齿轮轴向螺旋的一种齿轮。这样可以减少噪音和振动,因为齿是在整个旋转过程中逐渐啮合和分开,所以能够延长使用寿命。但是,螺旋形会产生轴向力,该轴向力会导致齿轮和壳体之间的磨损。因此必须在设计和材料选择上足够仔细以解决该问题。与正齿轮相比,斜齿轮较难生产。但仍可以模制,尽管准确度会降低。
  • 人字齿轮:人字齿轮具有斜齿轮的优点,却不会产生轴向力。螺旋绕齿轮的中心平面对称,可生成 V 形的“人字形”形状。尽管它在功能上优于其他齿轮类型,但生产难度更大,因此是最昂贵的选择。


正齿轮  斜齿轮 人字齿轮

优势/劣势


外啮合齿轮泵的主要特征和优点是什么?

齿轮泵结构紧凑、简单,活动部件数量少。小型外啮合齿轮泵通常以 4000 rpm 的速度运行,可在紧凑的外壳中实现高流量。它们是完全可逆的,因此有助于复杂的液压程序。与离心泵不同,齿轮泵是自吸式的,可以干升到很高的高度。

由于输出与速度成正比,并且流量是平稳、无脉冲的,因此外啮合齿轮泵通常用于计量、混合以及简单的控制反馈操作。它们既可以处理高黏度流体,也可以处理低黏度的流体,但是咨询泵工程师对于确保泵以最佳状态运行非常重要。齿轮泵属于最安静的容积泵,是用于对声音敏感的应用的理想选择。

齿轮泵的一个重要子类别是磁力耦合齿轮泵。这种泵无需动态密封,因此使用寿命长,没有外部泄漏的风险。


外啮合齿轮泵的局限性是什么?

齿轮及其轴颈轴承需由泵送的流体润滑,因此不应长时间干运转。由于泵送的流体也是润滑液,因此抽送带有磨料的流体会很快磨损齿轮齿面和内部轴承。

齿轮和壳体之间的紧公差、紧密的齿轮啮合以及有限的齿容积,使抽送带有较大悬浮固体的流体变得困难。如果预计会有固体悬浮物,可以在进口侧安装一个过滤器。但是,在入口处形成太高的真空会导致气蚀的发生。

齿轮泵的运行速度不应过多地超出建议的速度范围。齿轮泵中的流体动力轴颈轴承针对特定速度范围进行了优化。令人意外的是,泵运行太慢也可能会导致磨损加速。

对于高温应用,重要的是要确保工作温度范围符合泵的规格。外壳和齿轮的热膨胀可能会改变泵内的间隙,进而影响性能并可能加速磨损。

如果有足够的动力,齿轮泵将在下游堵塞的情况下继续反背压抽送。这可能导致增压过度并造成系统爆裂。齿轮泵的内部泄露会限制其最大压力。此外,可以将泄压阀(旁路)集成到泵中,以便在指定压力下使出口到入口产生短路。

外啮合齿轮泵的高速度、紧密的间隙以及齿轮啮合使它们不适用于对剪切力敏感的液体,例如漆料和肥皂。


结构材料/配置选项


如以下列表所示,齿轮泵可由多种材料制成。通过对液体和结构材料进行精确的匹配,可以实现出众的使用寿命和成本最优化。虽然通常使用铸铁制造外啮合齿轮泵,但使用更新的材料可使其能够处理诸如硫酸、次氯酸钠、氯化铁、氢氧化钠以及数百种其他腐蚀性液体。

  • 外部件(头部、壳体、托架) - 铁、球墨铸铁、钢、不锈钢、高合金、复合材料、PPS、ETFE
  • 轴 - 钢、不锈钢、高合金、氧化铝陶瓷、PEEK
  • 齿轮 - 钢、不锈钢、碳化物、PTFE、PPS、PEEK
  • 轴衬/轴承 - 碳、青铜、碳化硅、滚针轴承、PEEK
  • 轴封 - 填料、唇封、组件机械密封、磁耦合

 

为什么并非所有齿轮泵都一样


使用寿命

泵的使用寿命取决于设计细节、制造精度以及工程师和工程师之间的合作情况:

  • 轴承的尺寸和布置对于降低磨损率至关重要。
  • 润滑路径正确与否难以捉摸,但其对于保持轴承润滑和冷却,以及保持足够的液体来形成适当的流体动力层很重要。
  • 保持较小且一致的轴颈轴承间隙可减少接触,但需要较高的可重复加工精度。
  • 无论是由制模还是糟糕的制造工艺引起,如果齿轮形状不良,就会加速磨损。
  • 如果使用不当,即使是拥有最佳设计和最高质量的泵,其性能表现也会很差。与制泵工程师保持联系对于延长泵的使用寿命至关重要。
  • 选择正确的材料

一致性

对于 OEM 应用,泵对泵的可重复性是非常关键但却经常被忽略的特性。许多因素会影响齿轮泵的可重复性,包括齿轮公差、壳体公差、轴承公差、装配对准以及电机的一致性。如果控制不当,在升高的压力下,泵与泵之间的偏差可能会超过 20%。确保泵制造商拥有强大的质量控制系统、进行 100% 的泵测试以及拥有良好的声誉至关重要。

密封

电机轴和壳体之间的密封件对泵的使用寿命影响最大。需要根据系统设计人员为泵所设计使用的实际流体仔细选择和测试密封件。用于抽水的密封件与用于抽送强酸的密封件在性能上大不相同。此外,密封件失效不仅会损坏泵,还会导致周围设备的损坏。最好的解决方案是在压力和速度允许的情况下使用磁力耦合。