外啮合齿轮泵

11月 23, 2020

什么是外啮合齿轮泵?

外齿轮泵是一种旋转式正排量泵,可以追溯到十六世纪末。他们往往由水轮驱动,因为他们可以利用简单的齿轮旋转来传输流体。外齿轮泵已经发展成为最简单和最常见的旋转正排量泵类型。通常情况下,外齿轮泵有两个齿轮在不同的轴上,其中一个轴连接到电机。驱动类型、尺寸和结构材料因行业和应用不同而有很大差异。外啮合齿轮泵的流量从20ml/min到50L/min以上,压力可达500bar。

DPP Gears from a Magnetically Coupled Gear Pump 2

磁力耦合齒輪泵的DPP齒輪2

外啮合齿轮泵的工作原理

齿轮泵的循环可分为三个不同的动作。

  • 齿轮的未啮合扩大了泵入口处的体积。膨胀的体积形成真空,使外部压力将流体推入泵内。
  • 当齿轮旋转时,流体被截留在齿轮齿和壳体的空腔壁之间。这就将流体从泵的入口侧转移到出口侧。紧密的间隙和旋转速度最大限度地减少了流体内部向后泄漏。
  • 输送到出口侧的额外流体,以及随着齿轮互锁而产生的体积减小,使流体从出口排出。
DPP Diagram of external gear pump

外啮合齿轮泵DPP示意图

齿轮类型

外啮合齿轮泵的设计利用三种齿轮类型之一。

  • 正齿轮 正齿轮是最简单的几何形状。它们可以通过多种制造方法制造,包括注塑成型。正齿轮的几何形状也适合于磨削或线切割,使硬化材料成为一种选择。然而,正齿轮的整个长度同时啮合,导致更响亮的操作,更敏感的气蚀,并减少寿命。
  • 斜齿轮:斜齿轮是正齿轮的一种,但沿着齿轮的轴向呈螺旋状。这减少了噪音和振动,因为齿在整个旋转过程中逐渐啮合和脱离,从而延长了寿命。然而,螺旋形状会产生一个轴向力,从而导致齿轮和外壳之间的磨损。这必须通过精心设计和材料选择来解决。斜齿轮的生产难度比正齿轮略高;尽管精度降低,但仍可进行模压。
  • 人字齿轮。人字齿轮具有斜齿轮的优点,但没有轴向力。人字齿轮的中心平面上的螺旋线是镜像的,产生了一个V形的 “人字形 “图案。虽然在功能上优于其他类型的齿轮,但它的生产难度更大,因此是最昂贵的选择。
Spur Helical Herringbone Gear Pumps

直齿轮人字形齿轮泵

优势/劣势

外啮合齿轮泵的主要特点和优点是什么?

齿轮泵结构紧凑、简单,运动部件数量有限。小型外啮合齿轮泵通常以4000转/分的速度运行,可以在紧凑的包络中实现高流量。它们是完全可逆的,便于复杂的液压程序。与离心泵不同的是,齿轮泵是自吸式的,可以干举相当高的高度。

由于输出与速度直接成正比,并且是平滑的无脉冲流量,因此外啮合齿轮泵通常用于计量、混合和简单的控制反馈操作。它们可以处理高粘度和低粘度的流体,但与泵工程师进行咨询是很重要的,以确保泵在其最佳状态下运行。齿轮泵是最安静的正排量泵之一,是关注声音的应用场景的理想选择。

齿轮泵的一个重要子类是磁力耦合齿轮泵。这些泵没有动态密封,因此寿命长,没有外部泄漏的风险。

外啮合齿轮泵有什么局限性?

齿轮及其轴颈轴承是由泵送的液体润滑的,不应长期干运行。泵送带有磨料的液体会很快磨损齿轮侧面和内部轴承,因为泵送的液体也是润滑油。

齿轮和壳体之间的紧密公差、紧密的齿轮啮合以及有限的齿量使得泵送含有大量悬浮固体颗粒的流体变得困难。如果预计会有悬浮固体颗粒,可以在入口侧安装一个过滤器。但是,在入口处产生过高的真空会导致气蚀。

齿轮泵的运行速度不应超出其推荐的速度范围。齿轮泵中的流体动力轴颈轴承是针对特定速度范围进行优化的。泵的运行速度过慢,可能会出人意料地导致加速磨损。

对于高温应用,必须确保工作温度范围与泵的规格相适应。壳体和齿轮的热膨胀可能会改变泵内的间隙,改变性能并可能加速磨损。

在功率足够的情况下,如果遇到下游堵塞,齿轮泵将继续顶着背压泵送。这可能会导致压力过大并导致系统破裂。齿轮泵的内部泄漏限制了其最大压力。此外,压力释放阀(旁路)可以集成到泵中,在规定的压力下将出口与进口短路。

外啮合齿轮泵的高转速、紧间隙和齿轮啮合使其不适合剪切敏感的液体,如油漆和肥皂。

结构材料/配置选项

如以下列表所示,齿轮泵可以用多种材料制造。通过将结构材料与液体精确匹配,可以实现卓越的寿命和优化的成本。虽然外部齿轮泵通常使用铸铁,但新材料允许这些泵处理硫酸、次氯酸钠、氯化铁、氢氧化钠等液体和数百种其他腐蚀性液体。

  • 外部(泵头、外壳、支架)–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、硬质合金、PTFE、PPS、PEEK。
  • 衬套/轴承–碳、青铜、碳化硅、滚针轴承、PEEK。
  • 轴封–填料、唇形密封、组件机械密封、磁力联轴器。

为什么所有的齿轮泵都不一样?

生活

  • 泵的寿命是设计细节、制造精度和工程师之间合作的综合体现。
  • 轴承的尺寸和布置是低磨损率的关键。
  • 适当的润滑路径是微妙但重要的,以保持轴承润滑、冷却,并有足够的液体来形成适当的流体动力层。
  • 保持小而一致的轴颈轴承间隙可以减少接触,但要求高、可重复的加工精度。
  • 无论是成型不良还是不良的加工实践,齿轮外形质量差都会加速磨损。
  • 如果使用不当,即使是最好的设计和最高质量的泵也会表现不佳。与泵工程师的接触和接触是延长寿命的关键。
  • 适当的材料选择

一致性

对于OEM应用来说,泵与泵之间的重复性是泵的一个关键但经常被忽视的特性。影响齿轮泵重复性的因素有很多,包括齿轮公差、壳体公差、轴承公差、装配校准和电机一致性。如果控制不到位,在压力升高时,泵与泵之间的变化可能超过20%。确保泵制造商拥有强大的质量控制系统、100%的泵测试和良好的声誉是至关重要的。

密封件

电机轴和壳体之间的密封是泵中最影响寿命的部件。需要使用系统设计者的实际流体对密封件进行仔细的选择和测试。泵送水的密封和泵送腐蚀性酸的密封的性能会有很大不同。此外,密封失效会导致周围设备的损坏,而不仅仅是泵。最好的解决方案是在压力和速度允许的情况下使用磁力联轴器。

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