熔体泵圆柱齿轮的参数化设计

    1前言
   
    熔体泵应用于塑料挤出，最早是在20世纪初，到20世纪70年代左右日趋成熟。20世纪80年代至90年代中期，熔体泵挤出技术在工业发达国家取得了高速发展，它在塑料挤出加工业的应用已涉及造粒、挤板(片、膜)、挤管、吹膜、挤出涂覆、型材挤出、连续吹塑等领域，加工的材料几乎涉及所有的热塑性树脂、热塑性弹性体及其它聚合物。熔体泵的基本结构是一种外啮合式齿轮泵，即两个模数、齿数、齿宽均相同的啮合状齿轮，在一个与它们的外径和端面精密配合的泵体内旋转。用于输送塑料熔体的熔体泵，其主要功能是将来自塑化混炼设备的高温塑料熔体增压、稳压，保持熔体流量精确稳定地送人挤出模具。它可在高温达350°C，压力达35 MPa或更高条件下连续工作。其主要特点是结构简单紧凑，工作可靠。广泛采用熔休泵挤出技术已成为塑料挤出加工业的主流。
   
    熔体泵主要由泵体、前后侧板、两个相互啮合的齿轮、轴承和密封件等组成，如图1 ,2所示。相互啮合的一对齿轮是熔体泵的核心部件，其结构形式多种多样:按啮合方式可分为内啮合和外啮合方式;按齿廓曲线可分为渐开线齿轮、圆弧齿轮和摆线齿轮等;按齿向可分为直齿轮、斜齿轮和人字齿轮等。但在输送塑料熔体中最常用的是圆柱齿轮外啮合式熔体泵，其中圆柱齿轮包括直齿圆柱齿轮(直齿轮)和斜齿圆柱齿轮(斜齿轮)。若采用斜齿轮的熔体泵，不仅能增加齿轮啮合的重合度，而且啮合时能对物料进行连续、平稳的挤压，减少压力的波动。此外，斜齿轮还具有更好的自洁作用，可以避免物料的沉积分解。但是斜齿轮也存在相应的问题:在工作时会产生轴向力，加剧轴承与齿轮接触面的磨损。文章推荐采用既易于加工，又可承受较高载荷的渐开线型斜齿轮。
   

    在设计确定熔体泵圆柱齿轮的结构参数时，首先要使圆柱齿轮达到熔体泵的排量指标，并使圆柱齿轮的外形尽量小。同时，还要使齿轮满足机械原理和强度条件方面的要求，如齿轮变位后要满足加工时不根切、齿顶不过薄、保证一定的重合度、不产生过渡曲线干涉以及齿轮具有足够的弯曲强度、接触强度等。这样，在圆柱齿轮设计过程中，为平衡满足以上各方面的要求，必须通过反复的计算来调整修改各方面的参数，工作量大且复杂。针对这一状况，作者运用Visual Basic编程语言完成了熔体泵圆柱齿轮的参数化设计系统。这一系统对熔体泵圆柱齿轮参数化设计具有实际指导意义，有助于缩短设计周期，提高工作效率，使熔体泵圆柱齿轮的设计过程趋于简捷。
   
    2熔体泵圆柱齿轮的参数确定
   
    下面以Visual Basic作为编程语言，进行熔体泵圆柱齿轮的参数优化，并对圆柱齿轮的结构参数进行求解。
   
    2. 1根据熔体泵的排量要求对圆柱齿轮参数进行优化
   
    泵每转所排出熔体的体积叫做泵的理论排量，或称泵的排量，单位为cm3/r。对于一定尺寸规格的泵来说，从理论上讲，泵每转所排出熔体的休积量是一样的，所以一般以排量多少来表征泵的规格。在工程实际应用中，通常使用较为简捷的公式来计算泵的排量，其公式如下:
   

    由排量公式可知，排量9与齿数Z成正比。当模数一定时，齿数多，排量大。但齿数多，泵的体积增大，如果保持泵的体积不变，Z增大时，排量减小。因此齿数不能太多，一般取8-20为宜。

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