第一章介質系統基礎知識
2250專案的介質系統主要包括如下幾個部分：高壓除鱗水系統、液壓系統、氣動系統、稀油潤滑系統、乾油潤滑系統、氮氣新增裝置和廢油、新油**儲存裝置。介質系統分布於整條熱軋線的從加熱爐到地下捲取機的各個區域裝置中，對於整條熱軋生產線的正常、可靠、安全執行起著至關重要的作用。
在介質系統的幾個部分中，液壓系統是最具代表性的系統，其他系統的主要工作原理都可以由液壓系統來推演、轉化出來。因此，這裡主要以液壓系統作為代表對介質系統的一些基礎知識作一下簡單的介紹。
1.1 液壓系統簡介
如圖1-1和1-2所示，為乙個簡化了的工作台往復運動的液壓系統。從圖中可以看出，液壓系統包括1、油箱2、過濾器3、液壓幫浦4、溢流閥5、手動換向閥6、節流閥7、換向閥8、液壓缸等元件以及連線這些元件的管路。
液壓幫浦3由電動機驅動，從油箱1中吸油，其輸出的壓力油在圖1-1所示的狀態下流經手動換向閥5——節流閥6——換向閥7進入液壓缸8的左腔。液壓缸8的活塞在壓力油的推動下經活塞桿帶動工作台右行。這時液壓缸右腔的油液經換向閥7流回油箱。
當工作台右行至其左檔塊10碰到換向閥操作杆11時，換向閥閥芯12就被向左拉，成為圖1-2所示狀態。此時壓力油經過換向閥7後進入液壓缸的右腔，工作台反向左行，液壓缸8左腔的油液經過換向閥7流回油箱。此後，當工作台左行至其右檔塊9碰到換向閥的操作杆11時，換向閥閥芯12又會被拉回到右位，液壓系統恢復到圖1-1的狀態，工作台又向右移動。
如此迴圈動作，實現了往復運動。
液壓系統中節流閥6的通流面積是可調的，通過調節通流面積可以調節通過節流閥的流量，從而使流入液壓缸的油液流量改變，這樣就實現了工作台往復速度的調節。由於節流閥通流面積可以無級調節，因此也可以實現工作台速度的無級調節。
當用節流閥6調節進入液壓缸的流量時，從液壓幫浦輸出的壓力油除了通過節流閥6輸向液壓缸以外，其多餘的流量通過溢流閥4流回油箱。因為只有當溢流閥進口處的壓力公升高到能夠克服溢流閥4中的彈簧預調壓力時，此閥才被開啟而讓油液流回油箱。當溢流閥被開啟並維持一定的溢流量時，其進口處的油液壓力保持在溢流閥的預調壓力值上。
所以，溢流閥在溢流時起到了控制油液壓力的作用。
當工作台需要停止時，撥動手動換向閥5的手柄13，使閥處於左位，狀態如圖1-3所示。此時液壓幫浦輸出的油液直接經過手動換向閥5流回油箱。
圖1-1~1-3是用半結構圖形式來表示的液壓系統工作原理圖，它雖然直觀、易於理解，但是繪製比較麻煩。為了簡化作圖，一般液壓系統都採用職能符號式的液壓原理圖。在這種原理圖中，各種液壓元件都用符號表示，這些符號只表示元件的職能，連線系統的通路，不表示其具體結構，因此這種原理圖比較簡潔。
我國制定的液壓系統圖形符號標準為gb786-76。圖1-4即為職能符號表示的圖1-3所示的液壓系統。
從上面的例子可以看出，液壓系統可以分成以下四個主要組成部分：
1. 能源裝置。它是把機械能轉換成液壓油壓力能的裝置，它的主要形式是液壓幫浦。
2. 執行裝置。它是把液壓油的壓力能裝化為機械能的裝置。主要有液壓缸和液壓馬達。(用壓力來驅動的馬達).
3. 控制調節裝置。它們是控制液壓系統中油液壓力、流量和方向的裝置，主要有各種壓力閥、流量閥和方向閥。
4. 輔助裝置。它們是除了上述三項以外的其它裝置，比如油箱、蓄能器、密封圈、過濾器、管路、管接頭、加熱器、冷卻器、空氣濾清器、液位計等等。
下面分別介紹各種液壓元件。
1.2 能源裝置：液壓幫浦
液壓幫浦的主要作用是把電動機或其他動力裝置輸入的機械能轉換為油液的壓力能。它是液壓系統的心臟。液壓幫浦的基本工作原理是使液壓油充滿在密閉的工作容積內，在工作中依靠密閉容積的變化來輸送液壓油。
當容積由小變大時吸油，由大變小時排油。
液壓幫浦的種類很多，按照結構形式常見的有齒輪幫浦、葉片幫浦和柱塞幫浦。柱塞幫浦又可以分為軸向柱塞幫浦和徑向柱塞幫浦。按照輸出流量是否可調可以分為定量幫浦和變數幫浦，其中齒輪幫浦一般為定量幫浦，葉片幫浦和柱塞幫浦可以為變數幫浦，也可以為定量幫浦。
按照它們允許使用的壓力範圍，可以分為低壓幫浦、中壓幫浦和高壓幫浦。按照輸出油液方向是否可以改變，又可分為單向幫浦和雙向幫浦。
常用的液壓幫浦的職能符號如圖1-5所示：
（a）單向定量幫浦 （b）雙向定量幫浦
（c）單向變數幫浦 （d）雙向變數幫浦
圖1-5 液壓幫浦職能符號
1.2.1 齒輪式液壓幫浦
在各種液壓幫浦中，齒輪幫浦由於結構簡單、易於製造和維護而廣泛應用於壓力不高的液壓系統中。比較有代表性的是外嚙合漸開線直齒圓柱齒輪幫浦。其原理圖如圖1-6所示。
圖1-6 外嚙合漸開線直齒圓柱齒輪幫浦原理圖
如圖所示，裝在殼體內的一對齒輪的齒頂圓柱及側面均與殼體內壁接觸，因此各個齒間槽間均形成密閉的工作空間。齒輪幫浦的內腔被互相嚙合的齒輪分為左、右兩個互不相通的內腔，分別與進油口和排油口相通。當齒輪按照圖示方向旋轉時，左側吸油腔齒輪逐漸分離，工作空間的容積逐漸變大，形成部分真空，因此油箱中的油液在大氣壓的作用下，經吸油管進入吸油孔m。
吸入的油液在密封的工作空間隨齒輪旋轉帶到右側的排油腔e。因為右側的齒輪逐漸嚙合，工作空間容積逐漸減小，所以齒間的油也被擠出，從排油孔n排出進入系統。當齒輪不斷旋轉時，左右兩腔不斷完成吸油、排油過程，將壓力油送到液壓系統中。
齒輪幫浦的立體圖如圖1-7所示，該齒輪幫浦為cb-b25型齒輪幫浦。
圖1-7 cb-b25型齒輪幫浦立體圖
1.2.2 葉片式液壓幫浦
葉片幫浦按每轉吸排油的次數，可分為單作用式葉片幫浦和雙作用式葉片幫浦兩種。雙作用葉片幫浦為定量幫浦，單作用葉片幫浦大多做成變數幫浦。葉片幫浦輸出流量均勻，脈動小，雜訊小，但結構複雜。
1.2.2.1 yb1型雙作用定量葉片幫浦
yb1型雙作用定量葉片幫浦工作原理如圖1-8所示。轉子4與定子5的中心重合，葉片3裝在轉子槽中，並可在槽內移動。當轉子迴轉時，由於離心力的作用（有時還在葉片槽底部通進壓力油），使葉片緊貼靠在定子內壁，這樣就形成了若干個密封容積。
定子的內表面近似橢圓形，由兩段長半徑r的圓弧段cd、gh，兩段短半徑r的圓弧段ab、ef，以及四段過度曲線bc、de、fg、ha所組成。葉片在ab、ef區域時，密封容積最小。當轉子按照圖示方向旋轉，葉片在bc、fg區域中，密封容積逐漸增大，從兩個吸油口b（與吸油口m相通）中吸油，稱為吸油腔。
葉片在cd、gh區域內時，密封容積最大。葉片在de、ha區域內密封容積逐漸減小，稱為壓油腔，油液從壓油視窗c（與壓油口n相通）中排出。在吸油腔與壓油腔之間有一段封油區，即ab、cd、ef、gh區域，把兩腔隔開。
這種葉片幫浦的轉子每轉一圈，每個密封容積完成兩次吸油和壓油，故稱為雙作用葉片幫浦。該型號葉片幫浦立體圖如圖1-9所示。
圖1-8 yb1型雙作用定量葉片幫浦
圖1-9 yb1型雙作用定量葉片幫浦立體圖
1.2.2.2 單作用變數葉片幫浦
單作用葉片幫浦的工作原理如圖1-10所示。定子具有圓柱形內表面，與轉子間有偏心距e。當轉子按照圖示方向迴轉時，下半部葉片逐漸伸出，密封容積逐漸變大，從與吸油口m相通的吸油視窗a吸油，稱為吸油腔。
上班部葉片被定子內壁逐漸壓進槽內，密封容積逐漸變小，稱為壓油腔，油液通過壓油視窗b從壓油口n中壓出。這種葉片幫浦的轉子每旋轉一次，每個密封容積完成一次吸油和壓油，所以稱為單作用液壓幫浦。
若將轉子和定子的偏心距e做成可調節的，則變成變數葉片幫浦。其立體圖如圖1-11所示。
圖1-10 單作用葉片幫浦原理圖
圖1-11 單作用葉片幫浦立體圖
1.2.3 柱塞式液壓幫浦
柱塞幫浦是靠柱塞在缸體內部往復運動造成密封容積變化來實現吸油與壓油的液壓幫浦。由於柱塞與缸體內孔均為圓柱面，因此加工方便，配合精度高，密封效能好，結構緊湊，可以在高壓下工作。同時這種液壓幫浦只要改變柱塞的工作行程就能夠改變流量，故很容易實現流量調節及液流方向的改變。
柱塞幫浦按柱塞得排列和運動方向的不同，可以分為軸向柱塞幫浦和徑向柱塞幫浦兩大類。軸向柱塞幫浦是指柱塞軸線相互平行於缸體軸線的液壓幫浦，它又分為斜盤式和斜軸式兩種。
1.2.3.1 斜盤式軸向柱塞幫浦
斜盤式軸向柱塞幫浦原理圖如圖1-12所示。柱塞2裝在缸體3中，沿軸向圓周均勻分布。缸體中心具有花鍵軸孔，由內傳動軸帶動旋轉。
油液經過裝在缸體右側的配油盤4（圖1-12中假想配油盤4向右移開，以表達缸體右端麵形狀）上的吸油視窗a進入缸內，使柱塞一端緊抵在乙個與缸體及傳動軸軸線成γ傾角的斜盤1上，配油盤和斜盤都固定不動。當缸體迴轉時，在低壓油和斜盤作用下，柱塞就在缸中作往復直線運動。當缸體按圖示方向轉動時，在前半部分，柱塞從缸中伸出，這是低壓油經配油盤視窗a吸入缸體孔內；在後半部分，柱塞被斜盤壓進缸內，油液便經過壓油視窗b壓出。
缸體每旋轉一次，每乙個柱塞完成一次吸油和壓油，缸體連續旋轉，就可以不斷輸出壓力油。該幫浦的斜盤帶有手動調節裝置，通過該裝置調節斜盤的傾角γ，就可以改變其流量。γ角越大，流量越大。
因此該幫浦是一種變數幫浦。該幫浦的立體圖如圖1-13所示。
圖1-12 斜盤式軸向柱塞幫浦原理圖
圖1-13 斜盤式軸向柱塞幫浦立體圖
1.2.3.2 斜軸式軸向柱塞幫浦
斜軸式軸向柱塞幫浦的基本工作原理與斜盤式軸向柱塞幫浦相同，但它是使缸體相對於傳動軸傾斜一定角度γ，如圖1-14所示。當傳動軸2帶動起右端的圓盤旋轉時，通過連桿機構2帶動缸體4繞其傾斜的軸線旋轉，使柱塞3在缸體內作往復運動，通過配油盤5上的配油視窗完成吸油和排油的過程。改變缸體的傾角γ就可改變其流量。
如果γ做成可調的，即成為一種變數幫浦。
圖1-14 斜軸式軸向柱塞幫浦原理圖
圖1-15 斜軸式軸向柱塞幫浦立體圖
1.2.4 徑向柱塞幫浦
徑向柱塞幫浦是指柱塞軸線垂直或者大致垂直於幫浦體軸線的液壓幫浦。其原理圖如圖1-16所示。柱塞2在彈簧3的作用下壓在偏心軸1的外表面上，偏心軸1旋轉時，柱塞便在缸體4內作往復運動。
若偏心軸按順時針方向旋轉，當其與柱塞接觸點的半徑逐漸減小（如1-16（a）），則柱塞向左運動，柱塞與缸體間的密封容積b逐漸增大而產生區域性真空，油液在大氣壓力下開啟低壓單向閥芯6，從吸油口a進入缸體內，這時高壓單向閥芯5在上面的彈簧作用下處於關閉位置。偏心軸繼續旋轉，當其與柱塞接觸面間的半徑逐漸變大時（如圖1-16（b）），柱塞向右運動，密封工作容積b逐漸減小，油液被壓，這時低壓單向閥芯6關閉，油液不能從油口a倒流回油箱，便頂開上面的單向閥芯5。從油口c壓出。
偏心軸旋轉一周，每個柱塞完成一次吸油和壓油的過程。偏心軸連續旋轉，幫浦就不斷地輸出壓力油。圖1-17為徑向柱塞幫浦的立體圖。
圖1-16 徑向柱塞幫浦原理圖
圖1-17 徑向柱塞幫浦立體圖
1.3 執行裝置：液壓馬達、液壓缸
液壓系統的執行裝置有兩種：一是液壓馬達，一般將液壓系統的壓力能轉換為機械裝置旋轉的機械能；二是液壓缸，一般將液壓系統的壓力能轉換為機械裝置直線運動的機械能。
1.3.1 液壓馬達
一般來說，液壓幫浦和液壓馬達從原理上講是可逆的，有的液壓幫浦和液壓馬達在結構上完全一樣，它們可以互逆使用，即當它由電動機帶動旋轉時為液壓幫浦，當它同入壓力油時便為液壓馬達。有些液壓幫浦和液壓馬達雖然不能互逆使用，但是其結構也基本類同。在此僅舉乙個液壓馬達以了解其工作原理。
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