化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)學(xué)時(shí)

化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)學(xué)時(shí)第1頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一緒言1.掌握桿件、平板、回轉(zhuǎn)體的基礎(chǔ)力學(xué)理論；2.掌握金屬材料的基礎(chǔ)知識；3.了解化工設(shè)備的基礎(chǔ)知識，具備設(shè)計(jì)、使用和管理化工設(shè)備的能力；4.掌握壓力容器的一般設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)掌握設(shè)計(jì)的基本原理與思路；5.了解化工機(jī)械傳動的基礎(chǔ)知識。一、本課程的任務(wù)第2頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一二、本課程的要求1.掌握化工設(shè)備構(gòu)件的力學(xué)分析；2.掌握壓力容器的類型與總體結(jié)構(gòu)；3.掌握典型化工設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體設(shè)計(jì)方法；4.掌握化工設(shè)備常用材料的分類、性能和選用；5.熟悉涉及壓力容器、制造、檢驗(yàn)、材料使用和監(jiān)察管理的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)6.了解化工機(jī)械傳動的基本知識。

第3頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一三、本課程的主要內(nèi)容1.力學(xué)基礎(chǔ)；2.化工材料及材料的力學(xué)性能；3.化工壓力容器及典型化工設(shè)備設(shè)計(jì)；4.化工機(jī)械傳動基礎(chǔ)。第4頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一四、課程安排（32學(xué)時(shí)）1.力學(xué)基礎(chǔ)；（14學(xué)時(shí)）2.化工材料及材料的力學(xué)性能；（4學(xué)時(shí)）3.化工壓力容器及典型化工設(shè)備設(shè)計(jì)；（12學(xué)時(shí)）4.化工機(jī)械傳動基礎(chǔ)。（2學(xué)時(shí)）第5頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一五、考核要求及形式平時(shí)占30分考試占70分第6頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一六、主要參考資料湯善甫等，化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)，華東理工大學(xué)出版社董大勤主編，化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)，化學(xué)工業(yè)出版社范欽珊主編，工程力學(xué)教程，高等教育出版社機(jī)械工程手冊，傳動設(shè)計(jì)卷，化學(xué)工業(yè)出版社HG20583-1998鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定第7頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一第一部分力學(xué)基礎(chǔ)第8頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一第一章構(gòu)件的受力分析第9頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一一.

力的概念力的單位，采用國際單位時(shí)為：或牛頓（N）以及千牛（KN）§1-1力的概念及其性質(zhì)1．定義：力是物體間的相互機(jī)械作用，這種作用可以使物體的運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化。2.力的效應(yīng)：

①運(yùn)動效應(yīng)(外效應(yīng))②變形效應(yīng)(內(nèi)效應(yīng))。3.力的三要素：大小，方向，作用點(diǎn)AF第10頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一

4.力的表示：A圖形表示

B符號表示AF5.相關(guān)的概念

力系：是指作用在物體上的一群力。

平衡力系：物體在力系作用下處于平衡狀態(tài)，我們稱這個(gè)力系為平衡力系。矢量大小6.力的分類

集中力、分布力、集中力偶第11頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一

力可以在剛體上沿其作用線移至任意一點(diǎn)而不改變它對剛體的作用效應(yīng)1.力的可傳性二.力的基本性質(zhì)第12頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一作用力與反作用力總是等值、反向、共線、作用在相互作用的兩個(gè)物體上。[例]

吊燈2.力的成對性

力是兩個(gè)物體間的相互機(jī)械作用，就兩個(gè)物體而言，作用力與反作用力必然永遠(yuǎn)同時(shí)產(chǎn)生,同時(shí)消失。第13頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一3.力的可合性力的可合性就是作用在物體上的兩個(gè)力可合成為一個(gè)合力，即兩個(gè)力對物體的作用可以用一個(gè)力來等效代替，這就是力的合成。

力的合成遵循的準(zhǔn)則是平行四邊形法則，即合力的大小和方向由以原兩力矢為鄰邊所構(gòu)成的平行四邊形的對角線來表示。第14頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一4.力的可分性力的可分性就是作用在物體上的一個(gè)合力可分解為兩個(gè)力，即一個(gè)力對物體的作用可以產(chǎn)生兩個(gè)效果，這就是力的分解。

力的分解遵循的準(zhǔn)則是平行四邊形法則，即分力的大小和方向由以原力矢為對角線所構(gòu)成的平行四邊形的鄰邊來表示。第15頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一5.力的可消性一個(gè)力對物體所產(chǎn)生的外效應(yīng)，可以被一個(gè)或幾個(gè)作用于該同一物體上的外力所產(chǎn)生的外效應(yīng)所抵消，這就是力的可消性。

在作用于剛體的任意力系上，加上或減去任一平衡力系，并不改變原力系對剛體的作用效應(yīng)。第16頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一（1）二力平衡定理作用于剛體上的兩個(gè)力，使剛體平衡的必要與充分條件是： 這兩個(gè)力大小相等

|F1|=|F2|

方向相反

F1

=–F2

作用線共線， 作用于同一個(gè)物體上。第17頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一說明：①對剛體來說，上面的條件是充要的

③二力體：只在兩個(gè)力作用下平衡的剛體叫二力體。②對變形體來說，上面的條件只是必要條件(或多體中)二力桿第18頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一只有兩個(gè)力作用下處于平衡的物體二力構(gòu)件不是二力構(gòu)件第19頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一剛體受三力作用而平衡，若其中兩力作用線匯交于一點(diǎn)，則另一力的作用線必匯交于同一點(diǎn)，且三力的作用線共面。（必共面，在特殊情況下，力在無窮遠(yuǎn)處匯交——平行力系。）（2）三力平衡匯交定理[證]∵為平衡力系，∴

也為平衡力系。又∵二力平衡必等值、反向、共線，∴三力必匯交，且共面。第20頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一約束反力：約束對被約束物體的作用力叫約束反力。一、約束與約束反力自由體：位移不受限制的物體叫自由體，如汽球。非自由體：位移受限制的物體叫非自由體，如在槽內(nèi)綠球。約束：對非自由體的某些位移預(yù)先施加的限制條件稱為約束。

（這里，約束是名詞，而不是動詞的約束。）§1-2剛體的受力分析第21頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一①大小常常是未知的；②方向總是與約束限制的物體的位移方向相反；③作用點(diǎn)在物體與約束相接觸的那一點(diǎn)。約束反力特點(diǎn)：GN1N2第22頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一

按照牛頓第三定律，約束力是一對作用力與反作用力，它們一定大小相等、方向相反、分別作用在構(gòu)成運(yùn)動副的兩個(gè)剛體上。下面我們討論幾種常見的理想約束：繩索類只能受拉，所以它們的約束反力是作用在接觸點(diǎn)，方向沿繩索背離物體。1.柔軟體約束PPT約束是的各種繩索、鏈條、皮帶等柔軟體。第23頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一皮帶約束力沿輪緣的切線方向背離皮帶輪，即為拉力。分析皮帶對皮帶輪的作用力第24頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一約束反力作用在接觸點(diǎn)處，方向沿公法線，指向受力物體2.光滑接觸面約束(光滑指摩擦不計(jì))PNNPNANB第25頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一光滑支承接觸對非自由體的約束力，作用在接觸處；方向沿接觸處的公法線并指向受力物體，故稱為法向約束力，用

表示。第26頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一AAXAYAA3.鉸鏈約束①圓柱鉸鏈第27頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一第28頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一②固定鉸支座第29頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一.活動鉸支座（輥軸支座）第30頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一1.受力分析

解決力學(xué)問題時(shí)，首先要明確需要進(jìn)行研究的物體，即確定研究對象；然后根據(jù)已知條件，約束類型并結(jié)合基本概念和公理分析它的受力情況，這個(gè)過程稱為物體的受力分析。作用在物體上的力有：一類是:使物體具有運(yùn)動趨勢的力稱為物體所受的主動力,如重力,風(fēng)力,氣體壓力等。二類是：被動力，限制物體運(yùn)動的力為約束反力。

二、剛體的受力分析第31頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一[例1]OWNDNEDBAXAYAN’DTB

2.受力圖畫物體受力圖主要步驟為：①明確研究對象；②取分離體；③畫上主動力；④畫出約束反力。第32頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一[例2]

尖點(diǎn)問題第33頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一A

B

C

CD[例3]XA

YA

NCN’CNDP

FB

C

A

DXA

YA

NDP

FB

C

A

DP

F第34頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一FBC`AC[例4]`FABCNA

NC

N’C

XB

YB

`FACBXB

NA

YB

第35頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一3.畫受力圖應(yīng)注意的問題除重力、電磁力外，物體之間只有通過接觸才有相互機(jī)械作用力，要分清研究對象（受力體）都與周圍哪些物體（施力體）相接觸，接觸處必有力，力的方向由約束類型而定。(2)不要多畫力要注意力是物體之間的相互機(jī)械作用。因此對于受力體所受的每一個(gè)力，都應(yīng)能明確地指出它是哪一個(gè)施力體施加的。(1)不要漏畫力第36頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一約束反力的方向必須嚴(yán)格地按照約束的類型來畫，不能單憑直觀或根據(jù)主動力的方向來簡單推想。在分析兩物體之間的作用力與反作用力時(shí)，要注意，作用力的方向一旦確定，反作用力的方向一定要與之相反，不要把箭頭方向畫錯(cuò)。(3)不要畫錯(cuò)力的方向(4)受力圖上不能再帶約束。即受力圖一定要畫在分離體上。第37頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一一個(gè)力，屬于外力還是內(nèi)力，因研究對象的不同，有可能不同。當(dāng)物體系統(tǒng)拆開來分析時(shí)，原系統(tǒng)的部分內(nèi)力，就成為新研究對象的外力。對于某一處的約束反力的方向一旦設(shè)定，在整體、局部或單個(gè)物體的受力圖上要與之保持一致。

(5)受力圖上只畫外力，不畫內(nèi)力。

(6)同一系統(tǒng)各研究對象的受力圖必須整體與局部一致，相互協(xié)調(diào)，不能相互矛盾。(7)正確判斷二力構(gòu)件。第38頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一``ABCF`AC`BC[例6]畫出下列各構(gòu)件的受力圖(外力作用于鉸鏈時(shí)應(yīng)如何考慮)``ABCFNCBNBNBNANANCACFN’CAN’CB第39頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一``ABCF`AC`BC``ABCFNBNANANCANBFN’CA[例7]畫出下列各構(gòu)件的受力圖(外力作用于BC時(shí)應(yīng)如何考慮)第40頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一``ABCF`AC`BC``ABCFNCBNBNBNANAFN’CB[例8]畫出下列各構(gòu)件的受力圖(外力作用于AC時(shí)應(yīng)如何考慮)第41頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一[例9]畫出下列各構(gòu)件的受力圖OCAXCXOXAYCYAYOOCFBADEOCFBADECFDEX’CY’CNEBAEXBYBX’AY’AN’EXOYOXBYB第42頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一水平均質(zhì)梁重為，電動機(jī)重為，不計(jì)桿的自重，畫出桿和梁的受力圖。圖(a)解：取桿，其為二力構(gòu)件，簡稱二力桿，其受力圖如圖(b)[例10]畫出下列各構(gòu)件的受力圖第43頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一取梁，其受力圖如圖(c)若這樣畫，梁的受力圖又如何改動?桿的受力圖能否畫為圖（d）所示？第44頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一例11不計(jì)自重的梯子放在光滑水平地面上，畫出梯子、梯子左右兩部分與整個(gè)系統(tǒng)受力圖。圖(a)解：繩子受力圖如圖（b）所示第45頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一梯子左邊部分受力圖如圖（c）所示梯子右邊部分受力圖如圖（d）所示第46頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一整體受力圖如圖（e）所示提問：左右兩部分梯子在A處，繩子對左右兩部分梯子均有力作用，為什么在整體受力圖沒有畫出？第47頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一

平面匯交力系：各力的作用線都在同一平面內(nèi)且匯交于一點(diǎn)的力系。研究方法：幾何法，解析法。例：起重機(jī)的掛鉤。力系分為：平面力系、空間力系①平面匯交力系②平面力偶系③平面平行力系④平面一般力系平面力系平面特殊力系平面任意力系§1-3平面匯交力系的簡化與平衡第48頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一一、平面匯交力系的簡化1.力在坐標(biāo)軸上的投影力投影

X=Fx=Fcosa

：

Y=Fy=Fsina=Fcosb投影力第49頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一2.合力在坐標(biāo)軸上的投影由圖可看出，各分力在x軸和在y軸投影的和分別為：合力投影定理：合力在任一軸上的投影，等于各分力在同一軸上投影的代數(shù)和。即：第50頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一合力的大小：

方向：

作用點(diǎn)：∴為該力系的匯交點(diǎn)第51頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一二、平面匯交力系的平衡條件從前述可知：平面匯交力系平衡的必要與充分條件是該力系的合力為零。 為平衡的充要條件，也叫平衡方程第52頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一[例1]

鉚接薄板在孔心A、B和C處受三力作用，如圖所示F1=100N，沿鉛直方向；F3=50N，沿水平方向，并通過點(diǎn)A；F2=50N，力的作用線也通過A，尺寸如圖。求此力系的合力。BF3CA60㎜80㎜F2F1解：如圖建立坐標(biāo)系，則xy所以第53頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一③列平衡方程代入下式解得：ACPB①選鉸鏈C為研究對象②取分離體畫受力圖④解平衡方程[例2]

已知：P=10kN,BC=AC=2m，AC與BC相互垂直。求：在P的作用下AC、BC所受力的大小。PFBCFACxy由上一式得：第54頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一由下一式解得：ACPB另一種列方程的方法PFBCFACxy（坐標(biāo)軸的方向變化可以使計(jì)算變得簡單）由上一式解得：第55頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一

1、一般地，對于只受三個(gè)力作用的物體，且角度特殊時(shí)用幾何法（解力三角形）比較簡便。解題技巧及說明：3、投影軸常選擇與未知力垂直，最好使每個(gè)方程中只有一個(gè)未知數(shù)。2、一般對于受多個(gè)力作用的物體，無論角度不特殊

或特殊，都用解析法。第56頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一5、解析法解題時(shí)，力的方向可以任意設(shè)，如果求出負(fù)值，說明力方向與假設(shè)相反。對于二力構(gòu)件，一般先設(shè)為拉力，如果求出負(fù)值，說明物體受壓力。4、對力的方向判定不準(zhǔn)的，一般用解析法。第57頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一一、力矩的概念①是代數(shù)量。當(dāng)F=0或d=0時(shí)，=0。③是影響轉(zhuǎn)動的獨(dú)立因素。⑤

=2⊿AOB=Fd,2倍⊿形面積。力對物體可以產(chǎn)生移動效應(yīng)--取決于力的大小、方向

轉(zhuǎn)動效應(yīng)--取決于力矩的大小、方向1.力對點(diǎn)之矩（力矩）-+說明：②F↑,d↑轉(zhuǎn)動效應(yīng)明顯。④國際單位Nm，工程單位kgfm?！?-4力矩、力偶、力的平移定理第58頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一即如果以表示由點(diǎn)O到點(diǎn)B的矢量，由矢量積定義，的大小就是三角形OAB的面積的兩倍。由此可見，此矢量積的模就等于力F對點(diǎn)O的矩的大小，其指向與力矩的轉(zhuǎn)向符合右手法則。第59頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一

平面匯交力系的合力對平面內(nèi)任一點(diǎn)的矩，等于所有各分力對同一點(diǎn)的矩的代數(shù)和 即：2.合力矩[證]OArF1F2FiFnR為平面匯交力系的合力，即：為矩心O到匯交點(diǎn)A的矢徑，對上式兩端作矢積，有以由于每個(gè)力都有與點(diǎn)O共面，上式各矢積平行，因此上式矢量和可按代數(shù)和計(jì)算。而各矢量積的大小就是力對點(diǎn)O之矩，于是證得。第60頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一[例1]

已知：如圖F、Q、l,求：和 解：①用力對點(diǎn)之矩定義

②應(yīng)用合力矩定理

第61頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一二、力偶1.力偶的概念力偶：兩力大小相等，作用線不重合的反向平行力叫力偶。2.力偶的性質(zhì)性質(zhì)1：等效變換性

力偶對其所在平面內(nèi)任一點(diǎn)的矩恒等于力偶矩，而與矩心的位置無關(guān)，因此力偶對剛體的效應(yīng)用力偶矩度量。②只要保持力偶矩大小和轉(zhuǎn)向不變，可以任意改變力偶中力的大小和相應(yīng)力偶臂的長短，而不改變它對剛體的作用效應(yīng)。①力偶可以在其作用面內(nèi)任意移動，而不影響它對剛體的作用效應(yīng)。第62頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一說明：①

m是代數(shù)量，有+、-；②F、

d都不獨(dú)立，只有力偶矩

是獨(dú)立量；③m的值m=±2⊿ABC

；④單位：Nm由于O點(diǎn)是任取的+-d第63頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一性質(zhì)2：基本物理量

力偶既沒有合力，本身又不平衡，是一個(gè)基本力學(xué)量。性質(zhì)3：可合成性(等效取代)

作用在同一平面內(nèi)的兩個(gè)力偶，只要它的力偶矩的大小相等，轉(zhuǎn)向相同，則該兩個(gè)力偶彼此等效。設(shè)物體的某一平面上作用一力偶(F,F')現(xiàn)沿力偶臂AB方向加一對平衡力(Q,Q'),Q',F'合成R'，再將Q,F合成R，得到新力偶(R,R'),將R,R‘移到A’,B‘點(diǎn)，則(R,R’)，取代了原力偶(F，F(xiàn)')

并與原力偶等效。第64頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一力的平移定理：可以把作用在剛體上點(diǎn)A的力平行移到任一點(diǎn)B，但必須同時(shí)附加一個(gè)力偶。這個(gè)力偶的矩等于原來的力對新作用點(diǎn)B的矩。力BdAFBdAF’mBdAFF’F”F=F’=F”力系三、力的平移定理——力與力偶的聯(lián)系力和力偶都是基本物理量，在力與力偶兩者之間不能互相等效代替，也不能相互抵消各自的效應(yīng)。第65頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一①力線平移定理揭示了力與力偶的關(guān)系：力力+力偶（例斷絲錐）②力平移的條件是附加一個(gè)力偶m，且m與d有關(guān)，m=F?d

③力線平移定理是力系簡化的理論基礎(chǔ)。說明：第66頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一平面一般力系：各力的作用線在同一平面內(nèi)，既不匯交為一點(diǎn)又不相互平行的力系叫～。[例]中心內(nèi)容：力系簡化+平衡方程§1-5平面一般力系的簡化與平衡第67頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一平面一般力系實(shí)例第68頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一一、平面一般力系的簡化一般力系（任意力系）向一點(diǎn)簡化匯交力系+力偶系

（未知力系）

（已知力系）匯交力系力，R'(主矢)，(作用在簡化中心)力偶系力偶，MO

(主矩)，(作用在該平面上)

O為任選點(diǎn)OF1F’3F’2F3F2F’1xym1m2m3OxyR’Mo第69頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一

大?。?/p>

主矢

方向：

簡化中心(與簡化中心位置無關(guān))[因主矢等于各力的矢量和]（移動效應(yīng)）第70頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一

大?。褐骶豈O

方向：方向規(guī)定+—

簡化中心：(與簡化中心有關(guān))

（因主矩等于各力對簡化中心取矩的代數(shù)和）（轉(zhuǎn)動效應(yīng)）第71頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一簡化結(jié)果：主矢

，主矩MO

，下面分別討論。

②

=0,MO≠0

即簡化結(jié)果為一合力偶,MO=M此時(shí)剛體等效于只有一個(gè)力偶的作用，因?yàn)榱ε伎梢栽趧傮w平面內(nèi)任意移動，故這時(shí)，主矩與簡化中心O無關(guān)。①

=0，MO

=0，則力系平衡,下節(jié)專門討論。

③

≠0,MO

=0,即簡化為一個(gè)作用于簡化中心的合力。這時(shí)，簡化結(jié)果就是合力（這個(gè)力系的合力）,。（此時(shí)與簡化中心有關(guān)，換個(gè)簡化中心，主矩不為零）

第72頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一④≠0,MO

≠0,為最一般的情況。此種情況還可以繼續(xù)簡

化為一個(gè)合力。合力的大小等于原力系的主矢合力的作用線位置OO’R’MOOO’R’OO’RddRR”第73頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一結(jié)論：

平面任意力系的簡化結(jié)果

：①合力偶MO

；②合力;③平衡