化工设备机械基础教学课件

1、化工设备机械基础电话：Email：Page1第1页，共64页。绪论一、研究对象（为什么）化工机器及设备：反应器、换热器、塔器各种泵、压缩机、离心机带搅拌的反应釜静设备动设备及机器带运动的静设备Page2第2页，共64页。二、本课程的内容（1）工程力学基础：研究物体机械运动的规律及构件的受力、变形与破坏规律，进行强度、刚度计算（2）压力容器设计基础：研究化工容器及设备的类型、特点、设计计算方法（3）机械传动：几种典型常用传动装置的工作原理、失效形式、承载能力计算。机械通用零部件的设计方法。Page3第3页，共64页。三、目的要求具备对常见的典型的低中压化工设备和简单机械传动装置进行初步设计能力；

2、掌握必备的机械知识。四、注意事项本课程是一门技术基础课Page4第4页，共64页。第一篇、工程力学基础力学：研究物体机械运动一般规律的科学历史(前287-212)杠杆平衡等规律墨翟(前468-382)“墨经”：力，重心Page5第5页，共64页。意伽利略(1564-1642)天文学家，力学家，哲学家加速度的概念加速度试验惯性原理明宋应星 1637 “天工开物” Page6第6页，共64页。英牛顿(1642-1727 ) 物理学家,数学家,天文学家牛顿运动定律万有引力定律1687年出版的巨著“Mathematical Principles of Natural Philosophy” 微积分学振

3、动理论,运动稳定性理论,多刚体系统动力学Page7第7页，共64页。第一篇、工程力学基础一、构件：工程结构和机器的组成部分。按几何形状分为杆、板（壳）、体。二、对构件的力学要求强度（strength)：抵抗破坏的能力刚度(stiffness)：抵抗变形的能力稳定性(stability)：保持原有平衡形状的能力Page8第8页，共64页。 三、本篇内容静力学:研究物体受力的简化及平衡条件（刚体）材料力学:研究变形杆件的强度、刚度和稳定性（变形体）根据实际问题抽象建立力学模型应用数学方法描述客观规律应用数学工具得到解决问题的方法研究方法Page9第9页，共64页。第一章、物体的受力分析和静力平衡方

4、程1 静力学的基本概念2 约束和约束反力3 分离体和受力图4 平面汇交力系的简化与平衡5 平面力偶系的间化与平衡6 力的平移7 平面力系的简化 合力矩定理8 平面力系的平衡方程问题：受力分析：几个力 平衡条件：什么力 大小 方向 作用点Page10第10页，共64页。一、力的基本概念力是物体间的相互机械作用，这种作用使物体的运动状态和形状发生改变。运动状态改变外效应（静力学）形状改变力的内效应（材料力学）力是一个矢量力的三要素：大小、方向、作用点1 静力学的基本概念FPage11第11页，共64页。力的分类按作用方式分为：体积力和表面力Fq(x)q集中力分布力均布力均布载荷Page12第12页

5、，共64页。二、刚体的概念理想化理想化分子的集合看成连续体看成刚体看成质点理想化Page13第13页，共64页。刚体：在外力作用下，不发生变形的物体质点:集中质量的数学模型。它没有大小，但具有质量。Page14第14页，共64页。载人飞船的对接研究轨道问题时质点 研究对接问题时刚体Page15第15页，共64页。三、静力学的公理力系作用在物体上的一群力，称为力系。平衡力系如果刚体在某个力系的作用下保持静止或匀速直线运动，则称这个力系为平衡力系。等效力系如果作用在刚体上的一个力系能用另一个力系来代替，而不改变对刚体的作用效果，则这两个力系为等效力系（其中任一个力系是另一个力系的等效力系）。合力如

6、果一个力和一个力系等效，则称这个力是该力系的合力。Page16第16页，共64页。合力：与某力系等效的力FR ：该力系的合力(resultant force)Fi（i=1,2,n)：合力的分力(component force)平衡力系(equilibrium force system): 对刚体不产生任何作用效果的力系。作用在刚体上的力系满足什么条件时，物体保持平衡？Page17第17页，共64页。公理一（二力平衡公理）作用于刚体上的两个力平衡的充要条件是：两个力大小相等，方向相反，并作用在同一直线上。注意：这个公理只适用于刚体。FFFFFF二力构件Page18第18页，共64页。公理二（加减

7、平衡力系公理）在作用于刚体上的任何一个力系上，添加或除去一个平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用效应。ABF1 ABF1 F1 F1BA F1Page19第19页，共64页。推论（力的可传性）作用在刚体的任何力，可以沿其作用线移至刚体内任意一点，而不改变它对刚体的作用效果。注意：公理二和力的可传性也都只适用于刚体而不适用于变形体。FFPage20第20页，共64页。公理三（作用与反作用定律）两物体间相互作用的力，总是大小相等，方向相反，分别作用在这两个物体上。Page21第21页，共64页。1-2 约束和约束反力自由体(free body):在空间可以自由运动，而获得任意位移的物体。非自由体(

8、nonfree body):位移受到某些限制的物体。约束(constraint):限制非自由体运动的装置和设施约束反力(constraint force):约束对物体的反作用力主动力(active force):主动引起物体运动状态改变和改变趋势的力（载荷）Page22第22页，共64页。几种常见的约束类型1.柔索约束（柔绳、链条、胶带构成的约束）G约束反力的方向与该约束限制的物体的位移方向相反阻止沿柔索中心线伸长Page23第23页，共64页。T1T2约束反力作用在接触点；约束反力方向沿绳索中心背离非自由体。柔索约束GT1T2Page24第24页，共64页。2 .理想光滑面约束GGFN公切线

9、公法线GFNPage25第25页，共64页。GGFNFF光滑面约束：约束反力通过接触点沿公法线指向非自由体。Page26第26页，共64页。3.圆柱铰链约束A圆柱铰链圆柱铰链约束：约束反力通过销钉中心，沿接触点公法线方向。通常用两个正交分量Fx和Fy来表示。AFxFyPage27第27页，共64页。铰支座：用圆柱铰链将一个构件与底座连接。分为固定铰支座和可动铰支座固定铰链支座AAFyFxPage28第28页，共64页。可动铰支座可动铰支座：约束反力通过销钉的中心垂直于支承面。AAFyPage29第29页，共64页。轴承约束径向轴承止推轴承FyFxFxFyFzPage30第30页，共64页。3

10、分离体和受力图研究对象把所研究的物体与周围的物体分离开（隔离体或分离体）。受力图在分离体上加全部所受之力。受力图的画法： 1.根据题意选取研究对象，用尽可能简明的轮廓把它单独画出。 2.画出分离体所受的主动力。 3.在原来存在约束的地方按照约束类型逐一画出约束反力。Page31第31页，共64页。ABCDO1O2例题：Page32第32页，共64页。(b)DABC例：画出AB杆的受力图(a)ABCD解除约束原理：人为地解除约束后，必须在接触点上用一个适当的约束力来代替约束的作用Page33第33页，共64页。(a)(b)(d)(c)二力构件/二力杆Page34第34页，共64页。 反之，当投影

11、Fx 、Fy 已知时，则可求出力 F 的大小和方向：14 力的投影.合力投影定理一、力在坐标轴上的投影：结论：力在某轴上的投影，等于力的模乘以力与该轴正向间夹角的余弦。ybaabFOxBFxFyPage35第35页，共64页。 由力矢F 的始端A 和末端B向投影平面oxy引垂线，由垂足A到B所构成的矢量A B ，就是力在平面Oxy上的投影记为Fxy。即：注意：力在轴上投影是代数值。力在平面上的投影是矢量。二、力在平面上的投影：xyOABABFFxyPage36第36页，共64页。AF2F1(a)F3xF1F2FRF3ABCD(b) 合力在任一轴上的投影等于它的各分力在同一轴上的投影的代数和。证

12、明： 以三个力组成的共点力系为例。设有三个共点力F1、F2、F3 如图。三、合力投影定理：Page37第37页，共64页。根据合力投影定理得 合力的大小()()()222222+=+=zyxFFFFRxFRFRyFRz=+=FRxFRyFRzxnxxxFFFFL21=+=ynyyyFFFFL21=+=znzzzFFFFL21合力R 的方向余弦FRyFRzFRxFFFzyx=gbacos , cos , cosFRFRFRFRFRFRPage38第38页，共64页。OAdBF一、力矩的定义力F 的大小乘以该力作用线到某点O 间距离d，并加上适当正负号，称为力F 对O 点的矩。简称力矩。15 力矩

13、 力偶二、力矩的表达式: 三、力矩的正负号规定：按右手规则，当有逆时针转动的趋向时，力F 对O 点的矩取正值。四、力矩的单位：与力偶矩单位相同，为 N.m。Page39第39页，共64页。 五、力矩的性质：1、力沿作用线移动时，对某点的矩不变2、力作用过矩心时，此力对矩心之矩等于零3、互成平衡的力对同一点的矩之和等于零4、力偶中两力对面内任意点的矩等于该力偶的力偶矩Page40第40页，共64页。六、力矩的解析表达式yxOxyAB 力对某点的矩等于该力沿坐标轴的分力对同一点之矩的代数和Page41第41页，共64页。F1F2d七、 力偶和力偶矩1、力偶大小相等的二反向平行力。 、作用效果：引起

14、物体的转动。、力和力偶是静力学的二基本要素。 力偶特性二： 力偶只能用力偶来代替（即只能和另一力偶等效），因而也只能与力偶平衡。力偶特性一：力偶中的二个力，既不平衡，也不可能合成为一个力。Page42第42页，共64页。工程实例Page43第43页，共64页。2、力偶臂力偶中两个力的作用线 之间的距离。3、力偶矩力偶中任何一个力的大 小与力偶臂d 的乘积，加上 适当的正负号。F1F2d力偶矩正负规定： 若力偶有使物体逆时针旋转的趋势，力偶矩取正号；反之，取负号。量纲：力长度，牛顿米（Nm）.FdM=Page44第44页，共64页。八、力偶的等效条件 同平面上力偶的等效条件FdFd因此，以后可用

15、力偶的转向箭头来代替力偶。= 作用在刚体内同一平面上的两个力偶相互等效的充要条件是二者的力偶矩代数值相等。Page45第45页，共64页。1、概念： 用来表示力偶矩的大小、转向、作用面的有向线段。2、力偶的三要素： (1)、力偶矩的大小。 (2)、力偶的转向。 (3)、力偶作用面的方位。3、符号：m九、力偶矩矢FFmPage46第46页，共64页。4、力偶矩矢与力矢的区别力偶矩矢是自由矢量，而力矢是滑动矢量。指向人为规定，力矢指向由本身所决定。5、力偶等效定理又可陈述为:力偶矩矢相等的两个力偶是等效力偶。Page47第47页，共64页。十、力对点的矩与力偶矩的区别：相同处：力矩的量纲与力偶矩的

16、相同。不同处：力对点的矩可随矩心的位置改变而改 变，但一个力偶的矩是常量。联 系：力偶中的两个力对任一点的矩之和是 常量，等于力偶矩。Page48第48页，共64页。32FAOdFAOdMAO= 把力F 作用线向某点O 平移时，须附加一个力偶，此附加力偶的矩等于原力F 对点O 的矩。 证明：一、力线平移定理：16 力的平移()FmFdM0=Page49第49页，共64页。 二、几个性质：1、当力线平移时，力的大小、方向都不改变，但附加力偶的矩的大小与正负一般要随指定O点的位置的不同而不同。2、力线平移的过程是可逆的，即作用在同一平面内的一个力和一个力偶，总可以归纳为一个和原力大小相等的平行力。

17、3、力线平移定理是把刚体上平面任意力系分解为一个平面共点力系和一个平面力偶系的依据。Page50第50页，共64页。Page51第51页，共64页。17 平面力系的简化合力矩定理 A3OA2A1F1F3F2l1Ol2l3LOO= 应用力线平移定理，可将刚体上平面任意力系中各个力的作用线全部平行移到作用面内某一给定点O 。从而这力系被分解为平面共点力系和平面力偶系。这种变换的方法称为力系向给定点O 的简化 点O 称为简化中心。一、力系向给定点O 的简化Page52第52页，共64页。 共点力系F1、 F2、 F3的合成结果为一作用点在点O 的力FR。这个力矢FR 称为原平面任意力系的主矢。 附加

18、力偶系的合成结果是作用在同平面内的力偶，这力偶的矩用MO 代表，称为原平面任意力系对简化中心 O 的主矩。321321FFFFFFFR+=+=()()()3210FmFmFmM1+M2+M3Mooo+=Page53第53页，共64页。结论： 平面任意力系向面内任一点的简化结果，是一个作用在简化中心的主矢；和一个对简化中心的主矩。推广：平面任意力系对简化中心O 的简化结果主矩：主矢：()()()()=+=FmFmFmFmMonoooL210FFFFFRn=+=L21Page54第54页，共64页。二、几点说明：1、平面任意力系的主矢的大小和方向与简化中心的位置无关。2、平面任意力系的主矩与简化中

19、心O 的位置有关。因此，在说到力系的主矩时，一定要指明简化中心。Page55第55页，共64页。Page56第56页，共64页。方向余弦：2、主矩Lo可由下式计算：三、主矢、主矩的求法：1、主矢可接力多边形规则作图求得，或用解析 法计算。()()2222+=+=yxFFFRxFRFRx()()Fxx=,cosFRFR()()Fyy=,cosFRFR()()()()=+=FmFmFmFmM onoooL210Page57第57页，共64页。ORMo AFRFR”FR=1、FR=0，而MO0，原力系合成为力偶。这时力系主矩MO 不随简化中心位置而变。2、MO=0，而FR0，原力系合成为一个力。作用

20、于点O 的力FR就是原力系的合力。3、 FR0， MO0， 原力系简化成一个力偶和一个作用于点O 的力。这时力系也可合成为一个力。说明如下：简化结果的讨论MOOFRORMo AFR”=()FmFRMAO=00FRPage58第58页，共64页。综上所述，可见：4、 FR=0，而MO=0，原力系平衡。、平面任意力系若不平衡，则当主矢主矩均不为零时，则该力系可以合成为一个力。 、平面任意力系若不平衡，则当主矢为零而主矩不为零时，则该力系可以合成为一个力偶。Page59第59页，共64页。 平面任意力系的合力对作用面内任一点的矩，等于这个力系中的各个力对同一点的矩的代数和。合力矩定理yxOxyAB(

21、)()=FmFRmoo()()()yoxooFmFmFm+=()xxoyFFm-=()yyoxFFm=Page60第60页，共64页。F1F2F3F4OABC xy2m3m3060例题 1-4 在长方形平板的O、A、B、C 点上分别作用着有四个力：F1=1kN，F2=2kN，F3=F4=3kN（如图），试求以上四个力构成的力系对点O 的简化结果，以及该力系的最后的合成结果。解：取坐标系Oxy。1、求向O点简化结果：求主矢FR：598.030cos60cos432=+-=ooFFFFFRxxPage61第61页，共64页。 xFROABCy22768.01332130sin60sin421=+-

22、=+-=ooFFFFFyRy7940 22.FRyFRxFRx=+=()614.0 cos=FRFRxx、FR()x652 , =FR()789.0 cos=FRFRyy、FR()y5437 , =FRPage62第62页，共64页。 求主矩：（2）、求合成结果：合成为一个合力FR， FR 的大小、方向与FR 相同。其作用线与O点的垂直距离为：FROABC xyLoFRdF1F2F3F4OABC xy2m3m3060()=FomMo5.030sin3260cos2432=+-=FFFm51.0=FRModPage63第63页，共64页。1、不是井里没有水，而是你挖的不够深。不是成功来得慢，而是

23、你努力的不够多。2、孤单一人的时间使自己变得优秀，给来的人一个惊喜，也给自己一个好的交代。3、命运给你一个比别人低的起点是想告诉你，让你用你的一生去奋斗出一个绝地反击的故事，所以有什么理由不努力!4、心中没有过分的贪求，自然苦就少。口里不说多余的话，自然祸就少。腹内的食物能减少，自然病就少。思绪中没有过分欲，自然忧就少。大悲是无泪的，同样大悟无言。缘来尽量要惜，缘尽就放。人生本来就空，对人家笑笑，对自己笑笑，笑着看天下，看日出日落，花谢花开，岂不自在，哪里来的尘埃!25、你不能拼爹的时候，你就只能去拼命！26、如果人生的旅程上没有障碍，人还有什么可做的呢。27、我们无法选择自己的出身，可是我们

24、的未来是自己去改变的。励志名言：比别人多一点执着，你就会创造奇迹28、伟人之所以伟大，是因为他与别人共处逆境时，别人失去了信心，他却下决心实现自己的目标。29、人生就像一道漫长的阶梯，任何人也无法逆向而行，只能在急促而繁忙的进程中，偶尔转过头来，回望自己留下的蹒跚脚印。30、时间，带不走真正的朋友；岁月，留不住虚幻的拥有。时光转换，体会到缘分善变；平淡无语，感受了人情冷暖。有心的人，不管你在与不在，都会惦念；无心的情，无论你好与不好，只是漠然。走过一段路，总能有一次领悟；经历一些事，才能看清一些人。31、我们无法选择自己的出身，可是我们的未来是自己去改变的。32、命好不如习惯好。养成好习惯，一

25、辈子受用不尽。33、比别人多一点执着，你就会创造奇迹。50、想像力比知识更重要。不是无知，而是对无知的无知，才是知的死亡。51、对于最有能力的领航人风浪总是格外的汹涌。52、思想如钻子，必须集中在一点钻下去才有力量。53、年少时，梦想在心中激扬迸进，势不可挡，只是我们还没学会去战斗。经过一番努力，我们终于学会了战斗，却已没有了拼搏的勇气。因此，我们转向自身，攻击自己，成为自己最大的敌人。54、最伟大的思想和行动往往需要最微不足道的开始。55、不积小流无以成江海，不积跬步无以至千里。56、远大抱负始于高中，辉煌人生起于今日。57、理想的路总是为有信心的人预备着。58、抱最大的希望，为最大的努力，

26、做最坏的打算。59、世上除了生死，都是小事。从今天开始，每天微笑吧。60、一勤天下无难事，一懒天下皆难事。61、在清醒中孤独，总好过于在喧嚣人群中寂寞。62、心里的感觉总会是这样，你越期待的会越行越远，你越在乎的对你的伤害越大。63、彩虹风雨后，成功细节中。64、有些事你是绕不过去的，你现在逃避，你以后就会话十倍的精力去面对。65、只要有信心，就能在信念中行走。66、每天告诉自己一次，我真的很不错。67、心中有理想 再累也快乐68、发光并非太阳的专利，你也可以发光。69、任何山都可以移动，只要把沙土一卡车一卡车运走即可。70、当你的希望一个个落空，你也要坚定，要沉着！71、生命太过短暂，今天放

27、弃了明天不一定能得到。72、只要路是对的，就不怕路远。73、如果一个人爱你、特别在乎你，有一个表现是他还是有点怕你。74、先知三日，富贵十年。付诸行动，你就会得到力量。75、爱的力量大到可以使人忘记一切，却又小到连一粒嫉妒的沙石也不能容纳。1、这世上，没有谁活得比谁容易，只是有人在呼天抢地，有人在默默努力。2、当热诚变成习惯，恐惧和忧虑即无处容身。缺乏热诚的人也没有明确的目标。热诚使想象的轮子转动。一个人缺乏热诚就象汽车没有汽油。善于安排玩乐和工作，两者保持热诚，就是最快乐的人。热诚使平凡的话题变得生动。3、起点低怕什么，大不了加倍努力。人生就像一场马拉松比赛，拼的不是起点，而是坚持的耐力和成

28、长的速度。只要努力不止，进步也会不止。4、如果你不相信努力和时光，那么时光第一个就会辜负你。不要去否定你的过去，也不要用你的过去牵扯你的未来。不是因为有希望才去努力，而是努力了，才能看到希望。5、人生每天都要笑，生活的下一秒发生什么，我们谁也不知道。所以，放下心里的纠结，放下脑中的烦恼，放下生活的不愉快，活在当下。人生喜怒哀乐，百般形态，不如在心里全部淡然处之，轻轻一笑，让心更自在，生命更恒久。积极者相信只有推动自己才能推动世界，只要推动自己就能推动世界。6、人性本善，纯如清溪流水凝露莹烁。欲望与情绪如风沙袭扰，把原本如天空旷蔚蓝的心蒙蔽。但我知道，每个人的心灵深处，不管乌云密布还是阴淤苍茫，但依然有一道彩虹，亮丽于心中某处。7、每个人的心里，都藏着一个了不起的自己，只要你不颓废，不消极，一直悄悄酝酿着乐观，培养着豁达，坚持着善良，只要在路上，就没有到达不了的远方！8、不要活在别人眼中，更不要活在别人嘴中。世界不会因为你的抱怨不满而为你改变，你能做到的只有改变你自己！9、欲戴王冠，必承其重。哪有什么好命天赐，不都是一路披荆斩棘才换来的。10、放手如拔牙。牙被拔掉的那一刻，你会觉得解脱。但舌头总会不由