齿轮系与减速器机械基础电子教案

第一篇：齿轮系与减速器机械基础电子教案

机械基础电子教案 7．6齿轮系与减速器

【课程名称】 齿轮系与减速器 【教材版本】

栾学钢主编。机械基础（多学时）。北京：高等教育出版社，2010 栾学钢主编。机械基础（少学时）。北京：高等教育出版社，2010

【教学目标与要求】

一、知识目标

1．了解齿轮系的组成与类型和传动特点。

2．会计算定轴轮系的比。能读懂齿轮减速器的结构和标记。

二、能力目标

掌握定轴轮系的传动比计算。

三、素质目标

1． 了解定轴轮系的作用、组成、类型和传动特点。2． 会计算定轴轮系齿轮传动的传动比。

四、教学要求

掌握定轴轮系的传动比计算。【教学重点】

定轴轮系的传动比计算。【难点分析】

会从定轴轮系中，找到定轴轮系的传动路线，求出轮系的传动比。【教学方法】

演示与讲授相结合，边讲边练。

【学生分析】

由于学生第一次接触到轮系的传动比，实际上轮系的传动比是由多级单传动比组成的。以前已经学了单级传动比的计算，轮系的传动比等于各级传动比的乘积。讲课时从实例出发，总结出普遍的规律。这样才能使学生理解又记得住。【教学资源】

1． 机械基础网络课程。北京：高等教育出版社，2010。

2． 吴联兴主编。机械基础练习册。北京：高等教育出版社，2010。3． 教具、实物、课件或挂图。【教学安排】

4学时（180分钟）【教学过程】 一． 新课导入

回忆单级圆柱齿轮传动比的计算方法，举一对圆柱齿轮传动比为例引入新课。二． 讲授新课

1．齿轮系的组成与类型

实际应用中，一般都不用一对齿轮传动，而是由多对齿轮传动组合而成，这就是齿轮系。齿轮系分为定轴轮系和行星轮系两种。

定轴轮系

所有的齿轮轴线在传动中都是固定不动的。

行星轮系

所有的齿轮轴线在传动中至少有一个是不断变化的。2．齿轮系传动的主要特点

（1）

齿轮系的传动能获得大的传动比。

（2）

可实现变速和变向传动，如汽车速度的变化和变向.3.定轴轮系传动比的计算

以图7－65齿轮系为例，由个体实例推导出定轴轮系传动比的计算通用公式，注意要使学生能读懂简图的含义。并用汽车的箱四级变速为例分别计算出四种不同的转速。讲课时注意分析四种不同传动路线，就能得出四种不同的传动比。4．齿轮减速器的结构和标记

齿轮减速器的结构种类很多，国家已有统一的标准，并已成系列化。如图7－72为例，是典型的齿轮减速器的结构。学习时重点会读懂齿轮减速器标记含义，如教材中的标牌：

Z/Y-400-12.5-1 JB/8853-2001

三．小结

1．定轴轮系的含义，应用较广。行星轮系的结构较为复杂，但应用也很多，如自动挡的汽车变速器。

2．定轴轮系传动比的计算为多级齿轮传动比的乘积。

3．会读懂齿轮减速器标记含义。

四．布置作业

【课后分析】

第二篇：齿轮传动机械基础电子教案

机械基础电子教案 7．3 齿轮传动（1）

【课程名称】

齿轮传动（1）【教材版本】

栾学钢主编。机械基础（多学时）。北京：高等教育出版社，2010 栾学钢主编。机械基础（少学时）。北京：高等教育出版社，2010 【教学目标与要求】

一．知识目标

1． 熟悉齿轮传动的主要优缺点和传动类型。

2． 熟悉齿轮传动的各部分名称及主要参数和基本尺寸计算。二．能力目标

1． 能比较链传动/齿轮传动和皮带传动的主要优缺点及应用场合。2．能够应用计算公式计算直齿圆柱齿轮的基本尺寸。三．素质目标

1． 熟悉常用齿轮传动的优点及基本类型。

2． 熟悉渐开线标准直齿圆柱齿轮的主要参数和尺寸计算。四．教学要求

1． 能分析比较出三种传动的各自特点及应用场合。

2． 熟悉渐开线直齿圆柱齿轮的主要参数，并能应用公式进行几何尺寸计算。【教学重点】

1． 齿轮传动的特点及分类。

2． 渐开线齿轮的主要参数及尺寸计算。【难点分析】

1． 为什么只有齿轮传动才能得到准确的传动比。这部分内容比较难以理解。

2． 为什么非要用渐开线来作齿轮齿廓曲线才能得到准确的传动比？由于书中没有叙述，要求学生从演示课件或教具中演示中得到宏观的答案。【教学方法】

教具与实物演示或课件演示，讲授与学生动手课堂练习相结合。【学生分析】

学生对于瞬时传动比不变的理解有困难，演示教具从宏观上看不出瞬时的变化，需要画图加以说明，但超过教材的要求，只好要求承认教师的结论。

学生对各种类型的齿轮的演示比较兴趣，会提出为什么非要用渐开线来作齿廓不可的问题？ 【教学资源】

1． 机械基础网络课程。北京：高等教育出版社，2010。

2． 吴联兴主编。机械基础练习册。北京：高等教育出版社，2010。3． 实物、教具和课件。【教学安排】

3学时（135分钟）【教学过程】 一．导入新课

复习带、链传动的内容，总结出带、链传动缺点。能否用带传动来代替链传动应用在自行车上传动？除此之外，齿轮传动的哪些优点比带、链传动更突出。

二．讲授新课

1． 齿轮传动

先演示圆柱齿轮传动，与链传动相比，齿轮传动没有链条，而是靠齿面直接啮合来传递运动。齿形按渐开线曲线制作，它具有许多特点，突出的是传动比恒定，无论任何瞬时传动，传动比都达到完全准确。此外，还具有寿命长，传递功率大的优点，当然制造比较复杂，成本较高。

由于齿轮传动具有其他传动所不可比拟的优点，因此在工业上得到了广泛的应用，按两轴位置之间相互关系可分为如图7-24的三种类型，即：

（1）两轴相互平行的圆柱齿轮传动；（2）两轴相交的圆锥齿数传动；（3）两轴交错的蜗杆蜗轮传动。

3．渐开线齿轮的各部份名称及主要参数

各部份名称按齿轮实物或大的挂图进行讲解，见表7－2，重点突出齿厚等于齿槽宽的分度圆定义，由于它是看不见的圆，而又是一个非常重要的圆，应说明清楚。

主要参数是表示并决定齿轮几何尺寸的值，首先要区分两者的概念。模数是主要参数中的最重要表示量，要从分度圆的长度计算推出，即

周长 czpd dzp

由于值是无理数，为了便于计算和测量，用模数mp代入上式，即得

dzm

规定m为一系列标准值，即使分度圆的值成为一个比较整齐的数值。4． 齿轮的结构及材料

安齿轮外径的大小分为齿轮轴、实体齿轮、腹板式齿轮和轮辐式齿轮，见教材中立体图。

5． 齿轮的材料常用中碳钢和中碳合金钢锻造而成，当直径大于500毫米而不方便锻造时，采用铸钢或灰铸铁

6． 传动比与基本尺寸计算公式

如书中公式和表7-4所列。

三．小结

1．链传动的优点是可得到准确的平均传动比，而且可以恶劣的条件下工作。其缺点是冲击和噪声。

2．齿轮传动由于采用渐开线齿廓，可得到准确的恒定传动比。传动的类型按轴线的位置可分为三种。最常用的是直齿圆柱齿轮传动。

3．齿轮传动的参数为五个，模数最重要且已标准化。几何尺寸计算由主要参数来决定。

四．布置作业

【课后分析】

第三篇：单级齿轮减速器机械优化设计范文

青岛理工大学琴岛学院

机械优化设计

课题名称：单级齿轮减速器的优化设计 学院：机电工程系

专业班级：机械设计及其自动化143 学号 学生： 指导老师：

青岛理工大学教务处 2016年11月27日

《单级齿轮减速器的优化设计》说明书

摘要

机械优化设计是一种非常重要的现代设计方法，能从众多的设计方案中找出最佳方案，从而大大提高设计的效率和质量。每一种优化方法都是针对某一种问题而产生的，都有各自的特点和各自的应用领城。常用的机械优化设计方法包括无约束优化设计方法、约束优化设计方法、基因遗传算方法等并提出评判的主要性能指标。

机械优化设计的目的是以最低的成本获得最好的效益,是设计工作者一直追求的目标,从数学的观点看,工程中的优化问题,就是求解极大值或极小值问题,亦即极值问题。本文从优化设计的基本理论、优化设计与产品开发、优化设计特点及优化设计应用等方面阐述优化设计的基本方法理论。

关键词： 机械优化设计；优化方法；优化应用。

II

目录

摘要.........................................................II 1设计任务.....................................................1 2 齿轮的传统设计..............................................2 3优化设计的数学模型...........................................7

3.1确定设计变量和目标函数................................................7 3.2确定约束条件..........................................................7 Matlab计算机程序............................................9 5结果分析....................................................11 参考文献.....................................................12

《单级齿轮减速器的优化设计》说明书

1设计任务

设计如图2-40所示的单级直齿圆柱齿轮减速器，其齿数比u3.2，工作寿命要求10年两班制，原动机采用电动机，工作载荷均匀平稳，小齿轮材料为40Cr,调质后表面淬火，齿面硬度HB=235~275，[H]1531MPa,[F]1297.5MPa,大齿轮材料为45钢，调质，齿面硬度为HB=217~255，[H]2513MPa，[F]2251.4MPa，载荷系数k=1.3，P=28KN，n=1440rad/min要求在满足工作要求的前提下使两齿轮的重量最轻。

《单级齿轮减速器的优化设计》说明书 齿轮的传统设计

一、按齿面接触疲劳强度设计(1)由式子试算小齿轮分度圆直径，即

d131）

2KH1T1d*u1ZHZEZ2*()[H] u[H]确定公式中的各参数值

1.试选KH11.3

2.计算小齿轮传递的转矩。

T19.55106P/n9.5510628/1440Nmm18.569104Nmm

3.查表并查图选取齿宽系数d1，区域系数ZH2.5，材料的弹性影响系数ZE189.8MPa，4.计算接触疲劳强度用重合度系数Z*a1arccos[z1cos/(z12ha)]arccos[24cos20/(2421)]29.841*a1arccos[z2cos/(z22ha)]arccos[77cos20/(7721)]23.666

[z1(tana1tan`)z1(tana2tan`)]/2

[24(tan29.841tan20)77(tan23.666tan20)]/21.711Z441.7110.873 335.计算接触疲劳强度许用应力[H]

查图得小齿轮和大齿轮测接触疲劳极限分别为[Hlm1]590MPa、[Hlm2]540MPa

计算应力循环次数：

N160n1jLh6014401(2830010）4.1472109

N 2N1/u4.147210/(77/24)1.29310查图取接触疲劳寿命系数KHN10.90、KHN20.95。

《单级齿轮减速器的优化设计》说明书

取失效概率为1%、安全系数S=1，由式子得[H]1KHN1Hlim10.90590MPa531MPaS1KHN2Hlim20.95540MPa513MPa

S1[H]2取[H]1和[H]2中的较小者作为该齿轮副的接触疲劳许用应力，即

[H]1[H]2513MPa

2）试算小齿轮分度圆直径

d132KH1T1d*u1ZHZEZ2*()u[]74.466mm421.39.94810（77/24）12.5189.80.87323()mm

1（77/24）513

（2）调整小齿轮分度圆直径 1）计算实际载荷系数前的数据准备。

1、圆周速度v。

vd1tn160100074.4661440601000m/s5.6m/s

2、齿宽b.bdd1t174.466mm74.466mm2)计算实际载荷系数Ku。

1、查表取使用系数KA1。

2、根据v5.6m/s、7级精度，查图得动载荷系数Kv1.2。

3、齿轮的圆周力。

F t12T1/d1t29.948104/74.466N4.987103NKF t1b13.32910/74.466N/m66.9N/mm100N/mm查表得齿间载荷分配系数KH1.2

《单级齿轮减速器的优化设计》说明书

4、查表用插值法查得7级精度、小齿轮相对支承非对称布置时，得齿向载荷分布系数KH1.421。由此，得到实际载荷系数

KHKAKvKHK H11.21.21.4212.0513)由式子得，可得按实际载荷系数算得的分度圆直径d1d13KH2.05174.46686.675mm KHt1.3 及相应的齿轮模数

md1/z186.675/24mm3.611mm

二、按齿根弯曲疲劳强度设计（1）由式子试算模数，即

m132KF1T1YYFaYSA*()[F]dz121)确定公式中的各参数值

1、试选KF11.3。

2、由式子计算弯曲疲劳强度用重合度系数。

Y0.250.750.250.750.688 1.7113、计算YFaYsa。[F]查图得YFa12.65、YFa22.23。应力修正系数Ysa11.58、Ysa21.76。小齿轮和大齿轮的齿根弯曲疲劳极限分别为Flim1490MPa、Flim2400MPa。弯曲疲劳寿命系数 KFN10.85、KFN20.88。取弯曲疲劳安全系数S=1.4。由式子得

[F]1KFN1Flim10.85490MPa297.5MPa S1.4KFN2Flim20.88400MPa251.4MPa S1.4[F]2 4

《单级齿轮减速器的优化设计》说明书

YFa1Ysa12.651.580.0141 [F]1297.5YFa2Ysa22.231.760.0156 [F]2251.4因为大齿轮的YFaYsa大于小齿轮，所以取 [F]YFaYsaYFa2Ysa20.0156 [F][F]22）试算模数

m132KF1T1YYFaYSA21.39.9481040.6883*()0.015622[F]dz1124

2.080mm

（2）调整齿轮模数

1）计算实际载荷系数前的数据准备。

1、圆周速度v。

dmtz12.08024mm49.92mm

vd1tn160100049..921440601000m/s3.76m/s

2、齿宽b。

bdd1149.92mm49.92mm3、宽高比b/h

**h(2hac)m1(210.25)2.080mm4.68mmd

b/h49.92/4.6810.672)计算实际载荷系数KF

1、根据v.3.76m/s，7级精度，查图得动载荷系数Kv1.08

2、由F t12T1/d1t29.948104/49.92N7.44103N，查表得齿间KAF t1/b17.44103/49.92N/mm149N/m100N/mm载荷分配系数KF1.0。

《单级齿轮减速器的优化设计》说明书

3、查表用插值法查得KH1.417，结合b/h10.67查图得KF1.34。则载荷系数为

KFKAKvKFK F11.171.421.42.333)由式子，可得按实际载荷系数算得的齿轮模数

mm13KF2.332.0802.527mm KFt1.3对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲疲劳强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲疲劳强度算得的模数2.527mm并就近圆整为标准值m3mm，按接触疲劳强度算得的分度圆直径d186.675mm，算出小齿轮齿数z1d1/m86.675/328.89。取z129，则大齿轮齿数z2uz13.22992.4，取z292，z1与z2互为质数。

这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。

《单级齿轮减速器的优化设计》说明书

3优化设计的数学模型

3.1确定设计变量和目标函数

取设计变量和目标函数x[x1,x2,x3]T[m,z1,d]T，其中m为齿轮模数，z1为小齿轮齿数，d为齿宽系数。

设小齿轮分度圆直径为d1，大齿轮分度圆直径为d2，齿轮宽度为b，要求圆柱齿轮的重量最轻，也就要求体积最小，因此可建立目标函数：

f(x)（d1d22)b

4由齿数比ud2b，齿宽系数d，目标函数转化为：

d1d1f(x)（1u2（）mz1)3d48.8279x1x2x3

3.2确定约束条件

（1）边界约束条件

模数限制：2x110； 齿数限制：20x240； 齿宽系数限制：0.8x31.4；

（2）性能约束

（接触疲劳强度的限制：g1x)H-[H]ZHZE2KT1u1*[H]0 3udd1式中：H为齿面接触疲劳强度；K为载荷系数，K=1.3；ZH为节点区域系数，ZH=2.5；ZE为弹性影响系数，ZE=189.8，代入以上参数得g(x)377717.238xxx333125500

2KT1YFYS[F]0 32mz1d弯曲疲劳强度的限制：F-[F]

《单级齿轮减速器的优化设计》说明书

式中，为齿根弯曲疲劳强度； 为齿形系数； 为齿根应力校正系数。YF112.518612.51862.063，YF22.063

uz13.01794z13.0179422.70422.704Y1.97，F1

z134.6uz134.6YF11.97代入以上参数得：

g（（2x)48279412.518622.70422.063)(1.97)/(x13x2x3)2900

x23.01794x234.612.518622.70422.063)(1.97)/(x13x2x3)21003.2x23.017943.2x234.6g（（3x)48279

4《单级齿轮减速器的优化设计》说明书 Matlab计算机程序

《单级齿轮减速器的优化设计》说明书

《单级齿轮减速器的优化设计》说明书

5结果分析

(1)对比分析发现：在齿轮可靠性得到保证的前提下，优化后的目标值比原设计目标值减少24%；

(2)优化结果表明：优化方案比给定方案节省材料，降低成本，效益明显，对减速设计具有良好的参考价值。

《单级齿轮减速器的优化设计》说明书

参考文献

【1】《机械设计基础》（主编 李国斌）机械工业出版社

【2】《机械制图与公差》（主编：王志泉、项仁昌；主审：金潇明）清华大学出版社

【3】《机械设计、机械设计基础课程设计》（华中理工大学 王昆;主编：重庆大学 何小柏；同济大学 汪信远）高等教育出版社

第四篇：化工设备机械基础电子教案

XX教案

20XX

—

20XX学年

第1学期

课程名称

化工设备机械基础

授课对象

化工（含化工专升本）

授课教师

职

称

副教授

教材版本

赵军《化工设备机械基础》

参

考

书

XX学院教务处印制

《化工设备机械基础》教案（首页）

20XX－20XX学年

第1学期

主讲教师

院(系)部

化学化工学院

教研室

化工教研室

职

称

副教授

学

历

本科

课程名称

化工机械基础

课程类别

专业必修课

课程序号

课程代码

授课专业

化学工程与工艺

总

学

时

讲授

实验

上机

其它

学

分

课程性质和目的《化工设备机械基础》是化工工艺类专业一门综合性的机械类技术基础课，包括工程力学基础（静力学、材料力学）、化工设备设计基础和机械传动三大部分。其任务是使学生掌握相关的基本理论、基本知识以及设计的基本方法，为从事化工设备机械的设计、使用、管理和维护打下基础。具体为：

1、掌握对化工设备中的受力构件进行强度、刚度和稳定性计算的基本理论和方法。

2、能为常用化工设备合理地选择材料。

3、掌握化工设备通用零部件的选用方法。

4、了解压力容器监察管理法规。

课程教学基本要求

1、本课程的教学应贯彻应用性原则和重视素质培养原则。要求理论分析与设计方法相结合，理论教学主要是讲清概念，学会应用，对数学推导一般不作演绎。要重视分析实例、课堂讨论、习题等教学环节，同时将课程内容与生产实习、课程设计、毕业设计相结合，培养学生理论联系实际的能力。

2、工程力学是课程教学的核心内容，是学好其他部分内容的基础，应着重抓好。其余教学内容则可根据各专业的特点和安排学时（或学分）的多少选择讲授。对化工工艺专业则要抓好化工设备设计基础，而机械传动部分可不作为重点。讲课要结合化工行业的实际，并允许对教学内容做必要调整和组合。

3、考核方式以闭卷为主，平时成绩在期评成绩中应占有一定的比重。

教

材与参考书

1、赵军等编，《化工设备机械基础》（第二版），化学工业出版社，2007年；

2、董大勤主编，《化工设备机械基础》，化学工业出版社，2002年。

3、张新占主编，《工程力学》（上）、（下），西北工业大学出版社，2001年。

4、潘永亮主编，《化工设备机械设计基础》，科学出版社，1999年；

《化工设备机械基础》教案

序

号

第1次课

周次

学

时

授课时间

20XX年X月X日

章节名称

1.物体的受力分析和静力平衡方程

1.1静力学基本概念

1.2约束和约束反力

1.3分离体和受力图

教学目的与要求

1、使学生掌握力、刚体、平衡等静力学基本概念。

2、使学生掌握约束和约束反力概念。

3、使学生学会画受力图。

重点与难点

重点：1力、刚体、平衡等静力学基本概念。

2约束和约束反力概念。

3学会画受力图。

难点：学会画受力图。

授课方法

与手段

多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。

基本教学内容：

概述

工程力学是一门研究物体机械运动及构件强度、刚度和稳定性的科学。

工程力学的两个基础部分：静力学和材料力学。

为保证构件正常工作，构件应当满足以下要求：(1)

强度要求

(2)

刚度要求

(3)

稳定性要求

1.1静力学基本概念

一、力的概念及作用形式

力：物体间相互的机械作用，单位：N，kN，力是矢量，F或F表示，既有大小又有方向

力的三要素：大小，方向，作用点

按力的作用方式分类可分为：表面力和体积力（eg.重力，磁力）

按作用面积大小可分为：集中力和分布力（kN/m）

二、刚体的概念

刚体：在任何情况下都不发生变形的物体。它是抽象化概念，是一种变形很小情况下的理想模型。

静力学中主要研究物体所受力系的简化及平衡条件，不研究变形，故可视为刚体。

三、平衡的概念

平衡状态：物体相对于地球静止或作匀速直线运动时的状态。是物体机械运动的特殊情形。并将作用于该物体上的力系称为平衡力系。

平衡力系：物体处于平衡状态时的力系。

二力平衡原理（公理）：作用于刚体上的两个力平衡的必要和充分条件是：这两个力大小相等，方向相反，并作用在同一直线上（等值、反向、共线）

二力构件：只受两力作用且处于平衡的构件，特点是：两力必沿作用点的连线。

加减平衡力系原理（公理）：在作用于刚体上的任何一个力系上，加上或减去任一平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用效应。

力的可传性原理：作用于刚体上的力，可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应。故作用于刚体上力的三要素是大小、方向、作用线。

四、作用和反作用定律

作用和反作用定律：两物体间相互作用的力总是大小相等，作用线相同而指向相反，分别作用在这两个物体上。（重力与支持力）

作用于与反作用力不能与两力平衡中的一对平衡力混淆。

1.2约束和约束反力

自由体：能在空间作任意位移的物体，eg.飞机、火箭、卫星等。

非自由体：位移受到某些限制的物体，eg.悬挂着的灯。

主动力：能使物体运动或有运动趋势的力，eg.重力、电磁力、风力等，工程上也称为载荷。

约束：阻碍非自由体运动的限制条件，eg.绳索就是灯的约束，铁轨是火车的约束。

约束反力：约束对物体的作用力，eg.T就是绳索对灯的约束反力。

典型（平面）约束类型：

（1）柔索约束：绳子、链条、皮带、钢丝等柔性物体。绳索对物体的约束反力，作用点在接触点，方向沿绳索的中心线，而背离物体。

（2）理想光滑面约束：物体接触面上的摩擦力相比其他力很小，可忽略不计，这样的接触面为光滑面，不能限制切向方向运动，只能限制法向，其约束反力：沿接触面在接触点处的公法线且指向物体。

（3）圆柱铰链约束：如图,只限制两构件的相对移动，不限制相对转动，其约束反力为Fx、Fy，即通过销钉中心，沿接触点法线方向的约束反力。用圆柱铰将构件与底座连接起来，构成铰支座。可分为：

固定铰支座，如图1-8a，可动铰支座，如图1-9a。

固定端约束：物体的一部分固嵌与另一物体所构成的约束，eg.电线杆等，图1-20(a)。固定约束反力有三个，FxA、FyA、MA。

1.3分离体和受力图

分离体：把研究对象从周围物体的约束中分离出来，成为自由体，此对象即为分离体。

受力图：单独画出物体轮廓，将作用在它上面的主动力与约束反力画在上面得到的图。

画受力图的步骤：

（1）确定研究对象，并将其从周围物体的约束中分离出来，即取分离体（先取二力杆）

（2）画已知力，如外力（载荷），重力等。

（3）画约束反力。根据约束类型，画出约束反力。

例：1-1，1-2

作业布置：

课后自我总结分析：

《化工设备机械基础》教案

序

号

第2次课

周次

学

时

授课时间

20XX年X月X日

章节名称

1.物体的受力分析和静力平衡方程

1.4力的投影、合力投影定理

1.5力矩、力偶

1.6力的平移

1.7平面力系的简化、合力矩定理

教学目的与要求

1、使学生掌握合力投影定理。

2、使学生掌握力矩、力偶和力的平移。

3、使学生掌握力的平移、平面力系的简化和合力矩定理。

重点与难点

重点：1合力投影定理。

2力矩、力偶和力的平移。

3力的平移、平面力系的简化和合力矩定理。

难点：力的平移、平面力系的简化和合力矩定理。

授课方法

与手段

多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。

基本教学内容：

1.4力的投影

合力投影定理

一、力的投影概念

从力矢量F的两端AB分别向x轴作垂足a,b，线段 ab称为力F在x轴上的投影。

二、力在直角坐标轴上投影

力F在x（y）轴上的投影：从力F的起点A，终点B向ox（oy）轴作垂线得垂足a、b，线段ab称力F在x（y）轴上的投影。

若已知F的大小及其与x轴所夹的锐角α，则有：

力在坐标轴上的投影的特性：a.标量

b.符号，ab与x轴同向为正

c.平行力且等值时在坐标轴上投影相同

d.力平行移动后投影值不变

三、合力投影定律

合力：若一个力对刚体的作用效果与一个力系等效，则此力称为该力系的合力，该力系中的各个力称为此合力的分力。

合力投影定律：合力在任意轴上的投影，等于各分力在同一轴上投影的代数和。

1.5力矩

力偶

一、力矩

力矩：力的大小和力臂的乘积。

力偶：大小相等、作用相平行的两个反向力组成的力系。

力偶矩：力的大小和力偶臂的乘积。

力偶的性质：力偶无合力、力偶与位置无关、力偶矩大小转向不变时、力偶系可由力偶代替。

二、力偶与力偶矩

力偶作用面：力偶中两力所在的平面。

力偶臂：两力作用线间的垂直距离，以d表示。

力偶的特点：对刚体只产生转动效应而没有移动效应，力偶不能与一个力等效或平衡，只能被力偶平衡。

力偶矩：以乘积F.d作为度量力偶对物体的转动效应的物理量，记作m（F，F）或m=+-Fd，力偶矩为代数量，力偶矩转向为逆时针时为正，单位N·m（kN·m）与力矩同。

力偶中两力对其作用面内任一点的矩的代数和恒等于力偶矩。

力偶的特性：a.大小转向不变，力偶可在平面内任意移动或改变F、d的大小。C.力偶可移到与作用平面平行的平面内而不改变其作用效果。

力偶的三要素：力偶矩的大小、转向、作用平面。

1.6力的平移

力的平移定理：作用在刚体上的力可平行移动到刚体内任一点，但必须同时附加一个力偶，其力偶矩等于原力F对平移点的矩。

1.7平面力系的简化

合力矩定理

一、平面力系的简化

平面力系：各力的作用线都分布在同一平面内，既不汇交于同一点，又不完全平行。

平面力系向其作用面内任一点简化，得到主矢F′R和主矩Mo。

二、平面力系简化结果讨论：

若F′R≠0，Mo=0，则原力系简化为一个合力F′R，并通过简化中心的原力系的合力。

若F′R

=0，Mo≠0，则原力系简化为一个力偶，力偶矩等于原力系对简化中心的主矩，与简化中心位置无关。

若F′R≠0，Mo≠0，则此力系可进一步简化为一个合力，使d=Mo/

F′R，转移力偶。

若F′R

=0，Mo=0，则原力系为平衡力系

三、合力矩定理

合力矩定理：当平面力系可以合成为一个合力时，则其合力对于作用点内任一点的矩，等于力系中各分力对同一点的矩的代数和。

例：1-3，1-4

作业布置：

课后自我总结分析：

《化工设备机械基础》教案

序

号

第3次课

周次

学

时

授课时间

20XX年X月X日

章节名称

1.物体的受力分析和静力平衡方程

1.8平面力系的平衡方程

1.9空间力系

教学目的与要求

1、使学生掌握平面力系的平衡方程。

2、复习上节学到的力学基本概念，求解平衡系统的约束反力。

重点与难点

重点：平面力系的平衡方程。

难点：利用平面力系的平衡方程求解约束反力。

授课方法

与手段

多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。

基本教学内容：

1.8平面力系的平衡方程

物体在平面力系作用下处于平衡的充分必要条件：

若主矢量FR′=0，主矩MO=0，则为平衡力系

例1-5

例1-6

例1-7

例1-8

例1-9

求解物体平衡问题的解题方法和步骤：

①

确定研究对象，取分离体，画受力图。注意刚体之间作用力与反作用力之间的关系。

②

选取合适的坐标轴，列静力平衡方程。为例便于计算，坐标轴的方位应尽量与较多的力平行或垂直；矩心尽量选在未知力作用线的交点上。

③

解平衡方程，求解未知力。

1.9空间力系

若作用在物体的力系中各力的作用线不在同一平面内，则称该力系为空间力系。

一、力在直角坐标轴上的投影

一次投影法

二次投影法

合力投影定理同样适用于空间力系。

二、力对轴的矩——合力矩定理同样适用于空间力系。

三、空间力系的平衡方程

公式（1-22）

作业布置：

课后自我总结分析：

《化工设备机械基础》教案

序

号

第4次课

周次

学

时

授课时间

2011年9月19日

章节名称

2.拉伸、压缩与剪切

2.1轴向拉伸与压缩的概念和实例

2.2轴向拉伸或压缩时横截面上的内力

2.3轴向拉伸或压缩时横截面上的应力

2.4轴向拉伸与压缩时的变形

2.5材料在拉伸和压缩时的力学性能

2.6拉伸和压缩的强度计算

教学目的与要求

1、使学生掌握直杆轴向拉伸及压缩的内力和应力的求解。

2、使学生掌握直杆轴向拉伸和压缩时的变形的求解。

重点与难点

重点：直杆轴向拉伸及压缩应力的求解。

难点：直杆轴向拉伸及压缩应力的求解。

授课方法

与手段

多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。

基本教学内容：

概述

一、材料力学的基本假设

⑴

连续性假设

⑵

均匀性假设

⑶

各向同性假设

⑷

小变形假设

二、杆件的基本受力与变形形式

①轴向拉伸与压缩

②剪切

③扭转

④弯曲

2.1轴向拉伸与压缩的概念和实例

一、内力的概念

在材料力学中，凡作用在杆件上的载荷和约束反力均称为外力。杆件受外力而变形时，杆件内部各部分之间的相互作用力称为内力。

二、截面法

轴力

取构件的一部分为研究对象，利用静力学平衡方程求内力的方法，称为截面法。截面法求内力可按以下三个步骤进行：

1)截

沿欲求内力的截面，用假想平面把杆件分成两部分。

2)代

取其中一部分为研究对象，画出其受力图。在截面上用内力代替移去部分对留下部分的作用。

3)求

列出研究对象的静力平衡方程，确定未知的内力。

2.2轴向拉伸或压缩时横截面上的内力

轴向拉伸、轴向压缩

拉力，符号为正；压力，符号为负。

2.3轴向拉伸或压缩时横截面上的应力

一、应力的概念

应力：单位面积上的内力。

二、轴向拉伸和压缩时横截面上的正应力

横截面上的正应力s可以直接表示为

2.4轴向拉伸与压缩时的变形

一、纵向变形

单位长度的伸长量来表征杆件变形的程度，称为线应变或相对变形。

二、胡克定律

胡克定律：当应力不超过比例极限时，则正应力与纵向线应变成正比。

三、横向变形

在轴向力作用下，杆件沿轴向的伸长（缩短）的同时，横向尺寸也将缩小（增大）。

四、泊松比

实验表明，对于同一种材料，当应力不超过比例极限时，横向线应变与纵向线应变之比的绝对值为常数。比值ν称为泊松比。

2.5材料在拉伸和压缩时的力学性能

一、材料在拉伸时的力学性能

1、低碳钢在拉伸时的力学性能

（1）材料的刚度指标：第Ⅰ阶段

弹性阶段

（2）材料的强度指标：第Ⅱ阶段

屈服阶段、第Ⅲ阶段

强化阶段、第Ⅳ阶段

局部变形阶段

（3）材料的塑性指标

（4）冷作硬化现象

2、其它材料在拉伸时的力学性能

二、材料在压缩时的力学性能

2.6拉伸和压缩的强度计算

一、极限应力、许用应力和安全因数

二、拉伸和压缩时的强度条件计算

例题2-3、2-4、2-5

作业布置：

课后自我总结分析：

《化工设备机械基础》教案

序

号

第5次课

周次

学

时

授课时间

2011年9月22日

章节名称

2.拉伸、压缩与剪切

2.7应力集中的概念

2.8剪切与挤压的实用计算

教学目的与要求

1、使学生了解应力集中的概念。

2、使学生掌握剪切与挤压的实用计算。

重点与难点

重点：1应力集中的概念。2剪切与挤压的实用计算。

难点：剪切与挤压的实用计算。

授课方法

与手段

多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。

基本教学内容：

2.7应力集中的概念

应力集中：等截面直杆应力均匀分布，但当截面有突变时，如有切口、圆孔、螺纹等，应力不再均匀分布，如图开有圆孔的薄板，应力急剧变化，这种因构件截面尺寸突然变化而引起的局部应力急剧增大的现象称为应力集中。

2.8剪切与挤压的实用计算

一、剪切的实用计算

剪力：用截面法沿剪切面截开，可能与截面相切的内力Q，称为剪力，可用平衡方程求解。

剪应力：对剪切构件用单位面积上平行于截面的内利来衡量内力的集度，单位MPa。

用公式求得的为名义剪应力（实际剪应力在截面上分布不均匀）或平均剪应力。

剪切强度计算

二、挤压的实用计算

剪切构件除受到剪切外还受到挤压作用，作用在作用面上的压力称挤压力，用p表示，即压力的作用面称挤压面。

材料的许用挤压应力。

挤压面为平面时，挤压面积Ap等于挤压面；当挤压面为圆柱时，挤压面积Ap为圆柱投影面积。

例2-6

例2-7

作业布置：

课后自我总结分析：

《化工设备机械基础》教案

序

号

第6次课

周次

学

时

授课时间

2011年9月26日

章节名称

3.扭转

3.1扭转的概念和实例

3.2扭转时外力和内力的计算

3.3纯剪切

3.4圆轴扭转时的应力

教学目的与要求

1、使学生掌握扭转的概念和实例。

2、使学生掌握扭转时外力和内力的计算。

重点与难点

重点：1掌握扭转的概念和实例。2掌握扭转时外力和内力的计算。

难点：扭转时外力和内力的计算

授课方法

与手段

多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。

基本教学内容：

3.1扭转的概念和实例

扭转是杆件的又一种基本变形形式。

扭转的受力特点：外力为一组外力偶，且力偶的作用面垂直于杆件的轴线。扭转的变形特点：杆件的任意两个横截面绕轴线相对转过一个角度，此角称相对扭转角φAB，表示截面B对截面A的相对扭转角。

3.2扭转时外力和内力的计算

一、外力偶矩的计算

作用于轴上的外力偶矩，通常不是直接给出其数值，而是给出轴的转速n(r/min)和轴所传递的功率P(kW)，这时需要按照理论力学中推导的功率、转速、力矩三者的关系式来计算外力偶矩的数值，即

（1）

二、扭转和扭矩图

用截面法计算轴内力-扭矩T，步骤：截，取，平衡方程求T，画扭矩图。

T的符号规定：右手螺旋法则。例：3-1

3.3纯剪切

一、薄壁圆筒扭转时的剪应力

二、剪应力互等定理

τ‘=τ

相互垂直的两个截面上剪应力成对出现，且数值相等；两者都垂直于两平面的交线且方向相背或相知。

剪应力符号判断

三、剪应变、剪切胡克定律

τ=Gγ，G为剪切弹性模量，MPa，γ，剪应变，无量纲。

3.4圆轴扭转时的应力

一、变形几何关系

圆轴扭转的平面假设：原为平面的横截面变形后仍保持为平面，只是各横截面相对地转过了一个角度。这就是圆轴扭转的平面假设。

二、应力应变关系

横截面上任意一点A的剪应力τ与扭矩T及距离OA(=ρ)成正比。

三、静力学关系

极惯性矩：可推导出圆轴扭转横截面上任一点的剪应力τp计算公式：

抗扭截面模量：当ρ=D/2时,，Wt=

Ip/(D/2)

Wt为抗扭截面模量。

（1）空心圆截面极惯性矩

式中α=d/D为横截面内外径之比。

扭转截面系数

（2）实心圆截面

将d=0及α=d/D=0代入上两式，即可得实心圆截面对形心的极惯性矩和扭转截面系数分别为：

作业布置：

课后自我总结分析：

《化工设备机械基础》教案

序

号

第7次课

周次

学

时

授课时间

2011年9月29日

章节名称

3.扭转

3.5圆轴扭转时的强度条件

3.6圆轴扭转时的变形和刚度条件

教学目的与要求

1、使学生掌握圆轴扭转时的强度条件、变形和刚度条件。

重点与难点

重点：1掌握圆轴扭转时的强度条件、变形和刚度条件。

难点：圆轴扭转时的强度条件、变形和刚度条件。

授课方法

与手段

多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。

基本教学内容：

3.5圆轴扭转时的强度条件

前面已经得到,圆轴扭转时横截面上的最大剪应力在截面的周边上.圆轴扭转时的强度条件为：

塑性材料：[τ]=（0.5~0.6）[σ]

脆性材料：[τ]=（0.8~1.0）[σ]

强度条件公式工程上可用来进行强度校核、截面设计、确定许用载荷。

例：3-2，3-3

3.6圆轴扭转时的变形和刚度条件

一、圆轴扭转时的变形

圆轴扭转变形的标志是两个横截面间的相对扭转角。

相对扭转角

T扭矩

l-截面间距

GIp抗扭刚度

二、圆轴扭转时的刚度条件

[θ]：单位长度许用扭转角（度/米、弧度/米）

例：3-4

作业布置：

课后自我总结分析：

《化工设备机械基础》教案

序

号

第8次课

周次

学

时

授课时间

2011年10月10日

章节名称

4.弯曲

4.1弯曲的概念和实例

4.2剪力和弯矩

4.3剪力图和弯矩图

教学目的与要求

1、使学生掌握弯曲的概念和实例。

2、使学生掌握剪力和弯矩的求解。

3、使学生掌握作剪力图和弯矩图。

重点与难点

重点：1弯曲的概念和实例。2剪力和弯矩的求解3剪力图和弯矩图。

难点：剪力和弯矩的求解。

授课方法

与手段

多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。

基本教学内容：

4.1弯曲的概念和实例

弯曲是工程实际中最常见的一种基本变形形式。

平面弯曲。P49图4-5，所有外力均垂直于梁的轴线并作用于纵向对称面，变性后梁的轴线在纵向对称面内弯曲成一条平面曲线，这种弯曲变形成为平面弯曲，梁可用轴线代替，梁的横截面形状如图4-4等。

4.2剪力和弯矩

用截面法求静定梁的内力---剪力和弯矩

步骤：

（1）用静力学方程求支座反力；

（2）用截面法求内力；

例4-1简支梁受集中力作用

4.3剪力图和弯矩图

Q=Q（x）---剪力方程，剪力沿梁变化的曲线为剪力图

M=M（x）--弯矩方程，弯矩沿梁变化的曲线为弯矩图

剪力图和弯矩图的规律：5个

例4-2

例4-3

例4-4

例4-5

例4-6

作业布置：

课后自我总结分析：

《化工设备机械基础》教案

序

号

第9次课

周次

学

时

授课时间

2011年10月13日

章节名称

4.弯曲

4.4纯弯曲时梁横截面上的正应力

4.5惯性矩的计算

教学目的与要求

1、使学生掌握纯弯曲时梁横截面上的正应力概念。

2、使学生掌握惯性矩的计算。

重点与难点

重点：1纯弯曲时梁横截面上的正应力。2惯性矩的计算。

难点：惯性矩的计算。

授课方法

与手段

多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。

基本教学内容：

4.4纯弯曲时梁横截面上的正应力

梁上一般有内力Q与M，即存在σ与τ，但一般τ为次要因素，主要为σ，故考虑纯弯曲。

当梁的横截面上仅有弯矩而无剪力，从而仅有正应力而无切应力的情况，称为纯弯曲。

一、平面假设和变形几何关系

梁弯曲时，横截面上任一点处的正应力与该截面上的弯矩成正比，与惯性矩成反比，并沿截面高度呈线性分布。y值相同的点，正应力相等；中性轴上各点的正应力为零。在中性轴的上、下两侧，一侧受拉，一侧受压。距中性轴越远，正应力越大。

二、物理关系和应力分布

胡克定律

三、静力学关系

当y=ymax时，弯曲正应力最大，其值为

式中，称为截面对于中性轴的弯曲截面系数，是一个与截面形状和尺寸有关的几何量。

4.5惯性矩的计算

一、简单截面图形的惯性矩

1、矩形截面

2、圆形及圆环形截面

二、组合截面图形的惯性矩、平行移轴公式

作业布置：

课后自我总结分析：

《化工设备机械基础》教案

序

号

第10次课

周次

学

时

授课时间

2011年10月20日

章节名称

4.弯曲

4.6弯曲正应力的强度条件

教学目的与要求

1、使学生掌握弯曲正应力的强度条件。

重点与难点

重点：1弯曲正应力的强度条件。

难点：弯曲正应力的强度条件。

授课方法

与手段

多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。

基本教学内容：

4.6弯曲正应力的强度条件

例题4-8工字钢的抗弯截面系数查国家标准GB/T706-1988

例题4-9由于横截面对中性轴不对称，分别计算B截面和D截面的拉应力

由于许用压应力与许用拉应力不同，分别计算B截面和D截面的压应力

作业布置：

课后自我总结分析：

《化工设备机械基础》教案

序

号

第11次课

周次

学

时

授课时间

2011年10月20日

章节名称

4.弯曲

4.7梁弯曲时切应力

4.8弯曲变形

4.9提高粱弯曲强度和刚度措施

教学目的与要求

1、使学生掌握纯弯曲时梁横截面上的切应力概念。

2、使学生掌握梁的弯曲变形。

3、使学生掌握提高粱弯曲强度和刚度措施。

重点与难点

重点：提高粱弯曲强度和刚度措施。

难点：梁的刚度校核。

授课方法

与手段

多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。

基本教学内容：

4.7*梁弯曲时的切应力

几种常见截面梁上弯曲切应力的大致分布规律及最大切应力。

4.8

弯曲变形

工程中的梁除了要满足强度条件之外，对弯曲变形也有一定的限制。

根据工程实际中的需要，为了限制或利用构件的变形，必须研究梁的变形规律。

一、挠曲线、挠度和转角

二、挠曲线的近似微分方程

——梁的挠曲线近似微分方程。求梁变形的方法通常称为积分法。

三、用叠加法求梁的变形

四、梁的刚度校核：wmax£[w]

；qmax£[q]

4.9

提高粱弯曲强度和刚度的措施

一、合理安排梁的受力情况

1.采取适当地分散载荷。2.采用合理布置梁的支座

二、选择合理的截面形状

由弯曲正应力强度条件看，梁横截面的抗弯截面系数Wz越大，粱的强度就越高。工字形或槽形截面最经济合理，圆形截面最差。从弯曲刚度角度看，在同等截面面积条件下，工字形和槽形截面比矩形和圆形截面有更大的惯性矩，因而可提高梁的弯曲刚度。

作业布置

课后自我总结分析：

《化工设备机械基础》教案

序

号

第12次课

周次

学

时

授课时间

2011年10月24日

章节名称

应力状态分析、强度理论、组合变形

5.1

应力状态的概念

5.2

平面应力状态分析

5.3

三向应力状态简介、广义虎克定律

教学目的与要求

1、使学生掌握应力状态概念和广义虎克定律。

重点与难点

重点：使学生掌握应力状态概念和广义虎克定律。

难点：应力状态概念。

授课方法

与手段

多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。

基本教学内容：

5.1

应力状态的概念一、一点的应力状态

通过受力构件上一点的所有各个不同截面上应力的集合，称为该点的应力状态。

二、主平面和主应力

主平面：单元体上切应力为零的平面，主应力：主平面上的正应力。

单向应力状态：一点的三个主应力中若只有一个主应力数值不为零［图5-3（a）］；

二向应力状态：一点的三个主应力中若有两个不为零［图5-3（b）］；

三向应力状态：一点的三个主应力中若三个都不为零［图5-3（c）］。

5.2

平面应力状态分析

σx、σy分别表示作用在x、y轴垂直平面上的正应力。切应力的第一个下标表示其作用面，第二个下标表示其方向（如τxy表示作用在与x轴垂直的平面上且与y轴方向平行的切应力）。根据切应力互等定理，τxy

=

τyx。应力的符号规定同前。

一、任意斜截面上的应力

二、主平面和主应力

极值正应力所在的平面就是切应力τα等于零的平面，即主平面。

由于主平面上的正应力是主应力，所以主应力就是最大或最小的正应力。

三、极值切应力，这说明极值切应力所在平面与主平面成45º角。注意：此处所指的极值切应力是指平面应力状态下于零应力垂直的各斜截面中的切应力的机制，并不指三向应力状态下单元体最大切应力。

例：5-2

例：5-3

5.3

三向应力状态简介

广义虎克定律一、三向应力状态的最大应力

设三向应力状态的三个主应力为σ1、σ2、σ3。可以证明，过该点所有截面上的最大正应力为σ1，最小正应力为σ3，即

二、广义胡克定律

作业布置：

课后自我总结分析：

《化工设备机械基础》教案

序

号

第13次课

周次

学

时

授课时间

2011年10月27日

章节名称

应力状态分析、强度理论、组合变形

5.4

强度理论简介

5.5组合变形的强度计算

教学目的与要求

1、使学生掌握四个强度理论。

2、使学生掌握杆件组合变形时的强度计算。

重点与难点

重点：1使学生掌握四个强度理论。

难点：杆件组合变形时的强度计算。

授课方法

与手段

多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。

基本教学内容：

5.4

强度理论简介

一、脆性断裂理论

1．最大拉应力理论（第一强度理论）

2.最大伸长线应变理论（第二强度理论）

二、塑性屈服理论

1.最大切应力理论（第三强度理论）

2.畸变能密度理论（第四强度理论）

三、强度理论的统一形式

σr

≤[σ]

σr称为相当应力。它由三个主应力按一定形式组合而成。

例：5-4

5.5

组合变形的强度计算

一、组合变形的概念与实例

工程实际中，一些杆件往同时产生两种或两种以上的基本变形，这类变形形式称为组合变形。

二、拉伸（或压缩）与弯曲的组合例：5-5

三、弯曲与扭转的组合例：5-7

作业布置：

课后自我总结分析：

《化工设备机械基础》教案

序

号

第14次课

周次

学

时

授课时间

2011年11月6日

章节名称

疲劳

6.1交变应力的概念

6.2疲劳的概念

6.3

持久极限

6.4

提高构件疲劳强度的措施

教学目的与要求

1、使学生交变应力、疲劳、持久极限等概念及工程现象

2、使学生掌握提高构件疲劳强度的措施

重点与难点

重点：1交变应力、疲劳、持久极限等概念。2提高构件疲劳强度的措施

难点：交变应力、疲劳、持久极限等概念

授课方法

与手段

多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。

基本教学内容：

6.1交变应力的概念

交变应力：在工程中，有些构件的应力大小或方向随时间作周期性变化，这种应力称为交变应力。

6.2疲劳的概念

疲劳：构件在交变应力下的破坏现象，工程上习惯称为“疲劳”破坏。

6.3

持久极限

一、材料的持久极限

持久极限：在交变应力作用下，材料经过无数次循环而不发生破坏的最大应力称为持久极限，也称为疲劳极限。

二、影响构件持久极限的因素

（1）构件外形的影响

（2）构件尺寸的影响

（3）构件表面质量的影响

三、对称循环下构件的持久极限

6.4

提高构件疲劳强度的措施

1、减缓应力集中

2、降低表面粗糙度

3、增加表面强度

作业布置：

课后自我总结分析：

《化工设备机械基础》教案

序

号

第15次课

周次

学

时

授课时间

2011年11月3日

章节名称

化工设备设计基础概述

7.1

容器的结构与分类

7.2

容器机械设计的基本要求

7.3

容器的标准化设计

7.4

化工容器常用金属材料的基本性能

教学目的与要求

1、使学生掌握容器的结构与分类

2、使学生掌握过程设备常用金属材料的基本性能

重点与难点

重点：1容器的结构与分类。2过程设备常用金属材料的基本性能。

难点：金属材料的基本性能。

授课方法

与手段

多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。

基本教学内容：

7.1

容器的结构与分类

一、容器的结构

在化工厂和石油化工厂，有各种各样的设备。这些设备按照它们在生产过程中的原理，可以分为反应设备、换热设备、分离设备和储运设备。

二、容器的分类

容器通常可按容器的形状、容器厚度、承压性质、工作温度、支承形式、结构材料及容器的技术管理等进行分类。

7.2容器机械设计的基本要求

容器的总体尺寸（例如反应釜釜体容积的大小，釜体长度与直径的比例，传热方式及传热面积的大小；又如蒸馏塔的直径与高度，接口管的数目，方位及尺寸等），一般是根据工艺生产要求，通过化工工艺计算和生产经验决定的。这些尺寸通常称为设备的工艺尺寸。

当设备的工艺尺寸初步确定之后，可进行结构、强度设计，设计时应满足：

①强度②刚度③稳定性④

耐久性⑤密封性⑥节省材料和便于制造⑦方便操作和便于运输

7.3容器的标准化设计

一、标准化意义

为便于设计，有利于成批生产，提高质量，便于互换，降低成本，提高劳动生产率，我国各有关部门对容器的零部件(例如封头、法兰、支座、人孔、手孔、视镜、液面计等)进行了标准化、系列化工作，许多化工设备(例如贮槽、换热器、搪玻璃与陶瓷反应器)也有了相应的标准。

二、容器零部件标准化的基本参数

1.公称直径

2.公称压力

7.4

化工容器常用金属材料的基本性能

一、力学性能

构件在使用过程中受力超过某一限度时，就会发生塑性变形，甚至断裂失效。是指材料在外力作用下表现出变形、破坏等方面的特性（如弹性、塑性、强度、硬度、韧性等特性指标）。

1、强度

2、塑性

3、韧性

4、硬度

5、材料在高温下的力学性能

二、物理性能

相对密度、熔点、热膨胀系数、导热系数和导电性等。使用时可查有关手册。

三、化学性能

材料在所处介质中的化学稳定性，即材料是否会与介质发生化学和电化学反应而引起腐蚀。金属的化学性能主要是耐腐蚀性和抗氧化性。

四、工艺性能

铸造性、可锻性、焊接性、切削加工性、热处理性能和冷弯性能等。

五、其他性能

1.组织稳定性

2.抗松弛性

3.应变时效敏感性

作业布置：

课后自我总结分析：

《化工设备机械基础》教案

序

号

第16次课

周次

学

时

授课时间

2011年11月7日

章节名称

内压薄壁容器设计基础

8.1

回转壳体的几何特征

8.2回转壳体薄膜应力分析

教学目的与要求

1、使学生掌握内压薄壁容器的设计

2、使学生掌握薄壁容器的几何特征

重点与难点

重点：1使学生掌握内压薄壁容器的设计2使学生掌握回转壳体薄膜应力分析。

难点：回转壳体薄膜应力分析

授课方法

与手段

多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。

基本教学内容：

8.1

回转壳体的几何特性

一、基本概念

1.回转壳体——壳体中间面由直线或平面曲线绕同平面内的固定轴线旋转一周而形成的壳体。

2.轴对称——壳体的几何形状、约束条件和所受外力都对称于回转轴的问题。化工容器就其整体而言，通常属于轴对称问题。

（1）中间面——与壳体内外表面等距离的曲面。

内外表面间的法向距离即为壳体厚度。对于薄壁壳体，可以用中间面来表示它的几何特性。

（2）母线——由平面曲线AB绕回转轴OA旋转一周而成，形成中间面的平面曲线AB称为“母线”。

（3）经线——如果通过回转轴作一纵截面与壳体曲面相交所得的交线（AB′、AB“）称为“经线”。显然，经线与母线的形状是完全相同的。

（4）法线——通过经线上的一点M垂直于中间面的直线，称为中间面在该点的“法线”（n），法线的延长线必与回转轴相交。

（5）纬线——以过N点的法线为母线作圆锥面与壳体中间面正交，得到的交线

（6）第一曲率半径——中间面上一点M处经线的曲率半径称为该点的第一曲率半径，用R1表示。

（7）第二曲率半径——通过经线上一点M的法线作垂直于经线的平面，其与中间面相交形成曲线ME，此曲线在M点处的曲率半径称为该点的第二曲率半径，用R2表示。

二、基本假设

假定壳体是完全弹性的，材料具有连续性、均匀性和各向同性。对薄壁壳体，常采用以下两点假设而使问题简化。

1.直法线假设——壳体在变形前垂直于中间面的直线段，在变形后仍保持直线，并垂直于变形后的中间面，且直线段长度不变。由此，沿厚度各点的法向位移均相同，变形前后壳体厚度不变。

2.互不挤压假设——壳体各层纤维变形后均互不挤压。由此假设，壳壁的法向应力与壳壁其他应力分量相比是可以忽略的小量。

8.2

回转壳体薄膜应力分析

一、薄膜应力理论的应力计算公式

1．经向应力计算公式

2．环向应力计算公式

二、轴对称回转壳体薄膜理论的应用范围

作业布置：

课后自我总结分析：

《化工设备机械基础》教案

序

号

第17次课

周次

学

时

授课时间

2011年11月10日

章节名称

内压薄壁容器设计基础

8.3

典型回转壳体的应力分析

8.4内压圆筒边缘应力的概念

教学目的与要求

1、使学生掌握内压薄壁容器的应力分析

重点与难点

重点：使学生掌握内压薄壁容器的应力分析

难点：内压薄壁容器的应力分析和边缘应力

授课方法

与手段

多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。

基本教学内容：

8.3

典型回转壳体的应力分析

一、受内压的圆筒形壳体

对于圆柱壳体，根据薄膜应力理论，其经向应力与环向应力分别为

（8-3）

（8-4）

二、受内压的球形壳体

球壳的母线是半径为D/2的半圆周，球壳上任一点的第一曲率半径R1与第二曲率半径R2均相同，且等于球壳的平均半径，即R1

=

R2

=

D/2。由薄膜应力理论可知，其经向应力与环向应力分别为

（8-5）

（8-6）

三、受内压的椭球壳体

经向应力与环向应力分别为

（8-9）

（8-10）

四、受内压的锥形壳体

锥形壳体的经向应力与环向应力为

（8-11）

（8-12）

五、承受液体静压作用的圆筒壳体

1．沿底部边缘支承的圆筒

2．沿顶部边缘支承的圆筒

8.4内压圆筒边缘应力的概念

一、边缘应力的概念

以筒体与封头联接为例，若平板盖具有足够的刚度，受内压作用时变形很小。而壳壁较薄，变形量较大，两者连接在一起，在联接处(即边缘部分)筒体的变形受到平板盖的约束，因此产生了附加的局部应力(即边缘应力)。边缘应力数值很大，有时能导致容器失效，设计时应予重视。

二、边缘应力的特点

（1）局部性

不同性质的连接边缘产生不同的边缘应力，但它们都有一个明显的衰减波特性。

（2）自限性

发生边缘弯曲的原因是由于薄膜变形不连续。自然，这是指弹性变形。当边缘两侧的弹性变形相互受到约束，必然产生边缘力和边缘弯矩，从而产生边缘应力。但是当边缘处的局部材料发生屈服进入塑性变形阶段时，上述这种弹性约束开始缓解，因而原来不同的薄膜变形便趋于协调，于是边缘应力就自动限制。这就是边缘应力的自限性。

三、对边缘应力的处理

（1）由于边缘应力具有局部性，在设计中可以在结构上只作局部处理。

（2）只要是塑性材料，即使边缘局部某些点的应力达到或者说超过材料的屈服极限，邻近尚未屈服的弹性区也能够抑制塑性变形的发展，使塑性区不再扩展，故大多数塑性较好的材料制成的容器

（3）由于边缘应力具有自限性，属二次应力，它的危害性就没有薄膜应力大。

作业布置：

课后自我总结分析：

《化工设备机械基础》教案

序

号

第18次课

周次

学

时

授课时间

2011年11月14日

章节名称

内压薄壁圆筒和球壳设计

9.1

概述

9.2

内压薄壁圆筒和球壳强度计算

教学目的与要求

1、使学生掌握内压薄壁容器的设计

2、使学生掌握薄壁容器的几何特征

重点与难点

重点：1内压薄壁圆筒和球壳设计。

难点：1内压薄壁圆筒和球壳设计。

授课方法

与手段

多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。

基本教学内容：

9.1

概述

在压力容器的设计中，一般都是根据工艺要求先确定其内直径。强度计算的任务就是根据给定的内直径、设计压力、设计温度以及介质腐蚀等条件，设计出合适的厚度，以保证设备能在规定的使用寿命内安全可靠的运行。

9.2

内压薄壁圆筒和球壳强度计算

一、薄壁圆筒强度计算公式

1、理论计算强度（计算厚度）

2、设计厚度与名义厚度

3、有效厚度

4、压力容器的最小厚度

二、薄壁球壳强度计算公式

三、设计参数的确定

1、设计压力

2、计算压力

3、设计温度

4、许用应力

5、焊接接头系数

作业布置：

课后自我总结分析：

《化工设备机械基础》教案

序

号

第19次课

周次

学

时

授课时间

2011年11月17日

章节名称

内压薄壁圆筒和球壳设计

9.3

容器的压力试验

教学目的与要求

1、使学生掌握容器的压力试验。

重点与难点

重点：1容器的压力试验。难点：无。

授课方法

与手段

多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。

基本教学内容：

9.3

容器的压力试验

容器在制成以后或检修后投入生产之前，要进行压力试验，其目的在于检验容器的宏观强度和有无渗漏现象，以确保设备的安全与正常运行。

对于需要进行焊后热处理的容器，应在全部焊接工作完成并经热处理之后，才能进行压力试验和气密试验；对于分段交货的压力容器，可分段热处理，在安装工地组装焊接，并对焊接的环焊缝进行局部热处理之后，再进行压力试验。

一、试验压力

液压试验压力，按下式确定

式中

PT——试验压力，MPa，立式容器卧置作液压试验时，试验压力应为立置时的试验压力加液体静压力；

p——设计压力，MPa；

[σ]—试验温度下材料的许用应力，MPa；

[σ]t—设计温度下材料的许用应力，MPa；

气压试验压力，按下式确定

二、压力试验的要求与试验方法

1.液压试验

将容器充满液体（在容器最高点设排气口），待容器壁温与液体温度相同时缓慢升压到规定试验压力后，保压时间一般不小于30min，然后将压力降到规定试验压力的80%，并保持足够长时间以对所有焊缝和连接部位进行检查，如有漏泄，修补后重新试验。液压试验时，注意事项。

2.气压试验

对不适合作液压试验的容器，可采用气压试验。所用气体应为干燥、洁净的空气，氮气或其他惰性气体。试验气体温度一般应不低于15℃。试验程序如下。

3.气密试验

容器须经液压试验合格后，方可进行气密试验。其方法是：首先缓慢升压至试验压力保持10min，然后降至设计压力，同时进行检查，气体温度应不低于5℃。

器作定期检验时，若容器内有残留易燃气体存在会导致爆炸时，则不得使用空气作为试验介质。

三、压力试验前的应力校核

在压力试验前，应对试验压力下产生的圆筒应力进行校核，即容器壁内所产生的最大应力不超过所用材料在试验温度上屈服极限的90%（液压试验）或80%（气压试验）。

试验类型

试验压力

强度条件

说明

备注

液压试验

立式容器卧置进行水压试验时，试验压力应取立置试验压力加液柱静压力。

压力试验时，由于容器承受的压力pT

高于设计压力p，故必要时需进行强度效核。

气压试验

作业布置：

课后自我总结分析：

《化工设备机械基础》教案

序

号

第20次课

周次

学

时

授课时间

2011年11月21日

章节名称

10内压容器封头的设计

10.1

凸形封头

10.2锥形封头

教学目的与要求

1、使学生掌握内压容器封头的设计

重点与难点

重点：1使学生掌握内压容器封头的设计

难点：内压容器封头的设计

授课方法

与手段

多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。

基本教学内容：

内压容器封头的设计

容器封头又称端盖，是容器的重要组成部分，按其形状分为三类：凸形封头、锥形封头和平板形封头。其中凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头（或称带折边的球形封头）、球冠形封头（或称无折边球形封头）四种。采用什么样的封头要根据工艺条件的要求、制造的难易和材料的消耗等情况来决定。

10.1

凸形封头

一、半球形封头

二、椭圆形封头

三、碟形封头

四、球冠形封头

10.2

锥形封头

1、锥形封头的结构要求及计算

2、锥形封头的标准

作业布置：

课后自我总结分析：

《化工设备机械基础》教案

序

号

第21次课

周次

学

时

授课时间

2011年11月24日

章节名称

内压容器封头的设计

10.3

平板封头10.4

封头的结构特性及选择

教学目的与要求

目的：1使学生掌握内压容器封头的设计

重点与难点

重点：1使学生掌握内压容器封头的设计

难点：内压容器封头的设计

授课方法

与手段

多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。

基本教学内容：

10.3

平板封头

1、圆形平盖厚度的计算

2、非圆形平盖厚度的计算

10.4

封头的结构特性及选择

从受力情况来看，半球形封头最好，椭圆形、碟形其次，球冠形、锥形更次之，而平板最差。从制造角度来看，平板最容易，球冠形、锥形其次，碟形、椭圆形更次，而半球形最难；就使用而论，锥形有其特色，用于压力不高的设备上，椭圆形封头用作大多数中低压容器的封头，平板封头用作常压或直径不大的高压容器的封头，球冠形封头用作压力不高的场合或容器中两独立受压室的中间封头，半球形封头一般用于大型储罐或高压容器的封头。

作业布置：

课后自我总结分析：

《化工设备机械基础》教案

序

号

第22次课

周次

学

时

授课时间

2011年11月28日

章节名称

外压容器设计基础

11.1

概述

11.2临界压力

11.3外压容器设计方法及要求

教学目的与要求

1、使学生掌握外压容器设计

重点与难点

重点：1使学生掌握外压容器设计

难点：外压容器设计

授课方法

与手段

多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。

基本教学内容：

11.1

概述

一、外压容器的失稳

二、圆筒失稳形式的分类

1.周向失稳——圆筒由于均匀径向外压引起的失稳叫做周（侧）向失稳，周向失稳时壳体断面由原来的圆形被压瘪而呈现波形，其波数n可以为2，3，4，……，如图11-1所示。

2.轴向失稳——如果一个薄壁圆筒承受轴向外压，当载荷达到某一数值时丧失稳定性，但在失去稳定时，仍然具圆形环截面，只是破坏了母线的直线性，母线产生了波形，即圆筒发生了褶皱。

3.局部失稳

失稳现象除上述的周向失稳和轴向失稳两种失稳之外，还有局部失稳，如容器在支座或其他支承处以及在安装运输中由于过大的局部外压引起的局部失稳。

11.2

临界压力

一、临界压力

导致筒体失稳的压力称为该筒体的临界压力，以pcr表示。筒体在临界压力作用下，筒壁内存在的压应力称为临界压应力，以σcr表示。

二、长、短圆筒和刚性圆筒

按照破坏情况，受外压的圆筒壳体可分为长圆筒、短圆筒和刚性圆筒三种，作为区分所谓长、短圆筒与刚性圆筒的长度均指与直径Do，有效厚度δe等有关的相对长度，而非绝对长度。

三、临界压力的理论计算公式

1．长圆筒

长圆筒的临界压力可由圆环的临界压力公式推得，即

2．短圆筒

3．刚性圆筒

四、影响临界压力的因素

1．筒体几何尺寸的影响

2．筒体材料性能的影响

3．筒体椭圆度和材料不均匀的影响

五、临界长度

当圆筒的计算长度L＞Lcr时，属长圆筒；若L’cr＜L＜Lcr时，属短圆筒；若L＜L’cr时，属刚性圆筒。

11.3

外压容器设计方法及要求

一、设计准则

许用外压[p]：实践表明，许多长圆筒或管子一般压力达到临界压力值的l／2～1／3时就可能会被压瘪。此外，考虑到容器有可能承担大于计算压力的工况，因此，不允许在外压力等于或接近于临界压力进行操作，必须有一定的安全裕度，使许用压力比临界压力小，即

式中

[p]-许用外压，MPa；

m-稳定安全系数，m>1。

二、外压圆筒厚度设计的图算法

1、算图的依据

2、外压圆筒和管子厚度的图算法

三、外压圆筒厚度表

作业布置：

课后自我总结分析：

《化工设备机械基础》教案

序

号

第23次课

周次

学

时

授课时间

2011年12月1日

章节名称

外压容器设计基础

11.4

外压球壳与凸形封头的设计

11.5加强圈的作用与结构

教学目的与要求

1、使学生掌握外压容器设计

重点与难点

重点：1使学生掌握外压容器设计

难点：外压容器设计

授课方法

与手段

多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。

基本教学内容：

11.4

外压球壳与凸形封头的设计

一、外压球壳的设计

二、外压凸形封头的设计

1、受外压椭圆形封头

2、碟形封头

11.5

加强圈的作用与结构

工程实际中，较薄钢板用来制造较高压力的外压容器时，通常在筒体上装上一定数量的加强圈，利用加强圈对筒壁的支撑作用，可以提高圆筒的临界压力，从而提高其工作外压。

扁钢、角钢、工字钢等都可用以制作加强圈，作业布置：

课后自我总结分析：

《化工设备机械基础》教案

序

号

第24次课

周次

学

时

授课时间

2011年12月5日

章节名称

容器零部件

12.1

法兰连接

教学目的与要求

1、使学生掌握容器零部件

重点与难点

重点：1使学生掌握容器零部件

难点：容器零部件的选用

授课方法

与手段

多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。

基本教学内容：

12.1

法兰连接

一、概述

可拆连接必须满足下列基本要求：（1）有足够的刚度，且连接件之间具有必须的密封压紧力，以保证在操作过程中介质不会泄漏；（2）有足够的强度，即不因可拆连接的存在而削弱了整个结构的强度，且本身能承受所有的外力；（3）能耐腐蚀，在一定的温度范围内能正常的工作，能迅速并多次地拆开和装配；（4）成本低廉，适合于大批量地制造。

法兰连接结构是一个组合件，它由一对法兰，数个螺栓、螺母和一个垫片所组成。

从使用角度看，法兰可分为两大类，即压力容器法兰和管法兰。压力容器法兰是指筒体与封头、筒体与筒体或封头与管板之间连接的法兰；管法兰指管道与管道之间连接的法兰。

二、法兰连接结构与密封原理

法兰通过紧固螺栓压紧垫片实现密封。一般来说，流体在垫片处的泄漏以两种形式出现，即所谓“渗透泄漏”和“界面泄漏”。渗透泄漏是流体通过垫片材料本体毛细管的泄漏，故除了介质压力、温度、粘度、分子结构等流体状态性质外，主要与垫片的结构和材质有关；而界面泄漏是流体沿着垫片与法兰接触而之间的泄漏，泄漏量大小主要与界面间隙尺寸有关。由于加工时的机械变形与振动，加工后的法兰压紧面总会存在凹凸不平的间隙，如果压紧力不够，界面泄漏即是法兰连接的主要泄漏来源。

法兰的整个工作过程可简单地分为预紧工况与操作工况来分析。

三、法兰的结构与分类

1．法兰按接触面形成分为以下两类。

（1）窄面法兰（2）宽面法兰

2．法兰按其整体性程度，分为三种形式。

（1）松式法兰（2）整体法兰（3）任意式法兰

3．法兰的形状

绝大多数法兰的形状为圆盘形或带颈的圆盘形，也有少量方形、椭圆形法兰盘。方形法兰有利于把管子排列紧凑。椭圆形法兰通常用于阀门和小直径的高压管上。

四、影响法兰密封的因素

1．螺栓预紧力

2．压紧面（密封面）

（1）平面型压紧面（2）凹凸型压紧面（3）榫槽型压紧面（4）锥形压紧面（5）梯形槽压紧面。压紧面的选用原则，首先必须保证密封可靠，并力求加工容易、装配方便、成本低。

3．垫片

（1）非金属垫片（2）金属垫片（3）金属-非金属组合垫片

4．法兰刚度

5．操作条件

五、法兰标准及选用

（一）压力容器法兰标准

压力容器法兰分平焊法兰和对焊法兰两类。

1．平焊法兰

平焊法兰又分为甲型平焊法兰（图12-12）和乙型平焊法兰（图12-13）。甲型与乙型平焊法兰相比，区别在于乙型平焊法兰本身带有一个圆筒形的短节，短节的厚度一般不小于16mm，这个厚度较筒体的厚度大，因而增加了法兰的刚度。另一方面，甲型的焊缝开V型坡口；乙型的开U型坡口，设备与短节采用对接焊，从这点来看乙型比甲型也具有较高的强度和刚度，因此，乙型可用于较大的公称直径和公称压力的范围。

2．对焊法兰

长颈对焊法兰是由具有较大厚度的锥颈与法兰盘构成一体的（图12-14），进一步增大了法兰盘的刚度，同时法兰与设备采用对接焊连接，因此用于更高的压力PN0.6MPa，1.0MPa，1.6MPa，2.5MPa，4.0MPa，6.4Mpa，直径DN300～2000mm，温度一20～450℃。

3．压力容器法兰标准的选用

（二）管法兰标准

作业布置：

课后自我总结分析：

《化工设备机械基础》教案

序

号

第25次课

周次

学

时

授课时间

2011年12月8日

章节名称

12容器零部件

12.2容器支座

教学目的与要求

1、使学生掌握容器零部件

重点与难点

重点：1使学生掌握容器零部件

难点：容器零部件的选用

授课方法

与手段

多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。

基本教学内容：

12.2

容器支座

容器和设备的支座，是用来支承其重量，并使其固定在一定的位置上。在某些场合下支座还要承受操作时的振动，承受风载荷和地震载荷。

容器与设备支座的结构型式很多，根据容器与设备自身的型式，支座可以分成两大类，即卧式容器支座和立式容器支座。

一、卧式容器支座

卧式容器的支座有三种形式：鞍座、圈座和支腿。

常见的卧式容器和大型卧式贮罐、换热器等多采用鞍座，它是应用得最为广泛的一种卧式容器支座。但对于大直径薄壁容器和真空设备，为增加筒体支座处的局部刚度常采用圈座。小型设备采用结构简单的支腿。

1．双鞍式支座及支座标准

采用双支座时，支座位置的选取一方面要考虑到利用封头的加强效应，另一方面又要考虑到不使壳体中因荷重引起的弯曲应力过大，所以选取原则如下。

（1）双鞍座卧式容器的受力状态可简化为受均布载荷的外伸梁。

（2）当鞍座邻近封头时，则封头对支座处筒体有加强刚性的作用。

鞍座的结构如图12-18，它由横向直立筋板、轴向直立筋板和底板焊接而成，在与设备筒体相连处，有带加强垫板的和不带加强垫板的两种结构，图12-18为带垫板的结构。必须设置加强垫板的条件见JB/T4712—1992。加强垫板的材料应与设备壳体材料相同。鞍座的材料（加强垫板除外）为Q235-A·F。

鞍座的底板尺寸应保证基础的水泥面不被压坏。根据底板上的螺栓孔形状不同，又分为F型（固定支座）和S型（活动支座），除螺栓孔处，F型与S型各部分的尺寸相同。在一台容器上，F型和S型总是配对使用。活动支座的螺栓孔采用长圆形，地脚螺栓采用两个螺母，第一个螺母拧紧后倒退一圈，然后用第二个螺母锁紧，以便能使鞍座在基础面上自由滑动。

鞍座标准分为轻型（A）和重型（B）两大类，重型又分为BⅠ～BⅤ五种型号，见表12-6。

鞍座标记方法：

2．圈式支座

圈式支座适用的范围是：因自身重量而可能在支座处造成壳体较大变形的薄壁容器，某些外压或真空容器，多于两个支座的长容器。圈座的结构如图12-16（b）所示。

3．支腿

这种支座由于在与容器相连接处会造成严重的局部应力，因此一般只用于小型容器，支腿的结构如图12-16（c）所示。

二、立式容器支座

立式容器的支座有四种：耳式支座、支承式支座、腿式支座和裙式支座。中、小型直立容器常采用前三种支座，高大的塔设备则广泛采用裙式支座。

1．耳式支座

耳式支座又称悬挂式支座，它由筋板和支脚板组成，广泛用于反应釜及立式换热器等直立设备上，优点是简单、轻便，但对器壁会产生较大的局部应力。因此，当设备圈套或器壁较薄时，应在支座与器壁间加一垫板，垫板的材料最好与筒体材料相同，如不锈钢设备用碳钢作支座时，为防止器壁与支座在焊接过程中合金元素的流失，应在支座与器壁间加一个锈钢垫板。图12-19是带有垫板的耳式支座。

耳式支座推荐用的标准为JB/T

4725—1992，它将耳式支座分为A型（短臂）和B型（长臂）两类，每类又有带垫板和不带垫板的两种，不带垫板的分别以AN和BN表示，见表12-8，表中支座取决于支座允许载荷[Q]和容器公称直径DN。

耳式支座的标记方法：

2．支承式支座

对于高度不大的中小型设备，可采用支承式支座。支承式支座已经标准化，它分为A、B两类，A类由钢板拼焊而成，B类由钢管制做，两类都带垫板。它的型式特征见表12-10。图12-21表示1～4号A型支承式支座，图12-22表示B型支承式支座。

关于支承式支座的其他内容可查阅标准：支承式标准JB/T

4724—1992。

3．腿式支座

腿式支座与支承式支座的最大区别在于：腿式支座是支承在容器的圆柱体部分，而支承式支座是支承在容器的底封头上。

腿式支座也已经标准化，它的型式特征见表12-11，支座形式见图12-23。

有关支座的具体形式、尺寸、选用可查阅标准：腿式支座JB/T

4713—1992。

4．裙式支座

裙式支座是高大的塔设备最广泛采用的一种支座形式。它与前三种支座不同，目前尚无标准。它的各部分尺寸均需通过计算或实践经验确定。有关裙式支座的结构及其设计计算可参见JB/T

4710—1992《钢制塔式容器》。

作业布置：

课后自我总结分析：

《化工设备机械基础》教案

序

号

第26次课

周次

学

时

授课时间

2011年12月12日

章节名称

容器零部件

12.3

容器的开孔补强

教学目的与要求

1、使学生掌握容器零部件

重点与难点

重点：1使学生掌握容器零部件

难点：容器零部件的选用

授课方法

与手段

多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。

基本教学内容：

12.3

容器的开孔补强

一、开孔补强的设计原则与补强结构

1．补强设计原则

（1）等面积补强法的设计原则

这种补强方法，规定局部补强的金属截面积必须等于或大于开孔所减去的壳体截面积，其含义在于补强壳壁的平均强度，用与开孔等截面的外加金属来补偿削弱的壳壁强度。

（2）塑性失效补强设计原则

一种极限设计的方法，同时又考虑到结构的安定性。其基本点是：开孔容器的接管处达到全域塑性时的极限应力应等于无孔壳体的屈服应力；同时，按弹性计算的最大应力应不超过2σs。

2．补强结构是指用于补强的金属采用什么样的结构形式与被补强的壳体或接管连成一体，以减小该处的应力集中。

（1）补强圈补强结构

（2）厚壁管补强结构

（3）整锻件补强结构

二、适用的开孔范围

当采用局部补强时，GB

150—1998规定，筒体及封头上开孔的最大直径不得超过以下数值：

（1）筒体内径Di≤1500mm时，开孔最大直径d≤Di/2，且d≤520mm（d为开孔直径，圆形孔取接管内直径加两倍厚度附加量，椭圆形或长圆形孔取所考虑平面上的尺寸（弦长，包括厚度附加量）；

（2）筒体内径Di>1500mm时，开孔最大直径d≤Di/3，且d≤1000mm；

（3）凸形封头或球壳的开孔最大直径d≤Di/2；

（4）锥壳（或锥形封头）的开孔最大直径d≤Dk/3，Dk为开孔中心处的锥壳内直径。

三、不另行补强的最大开孔直径

容器开孔并非都要补强，因为常常有各种强度富裕量存在。例如实际厚度超过强度需要；焊接接头系数小于1且开孔位置又不在焊缝上；接管的厚度大于计算值，有较大的多余厚度；接管根部有填角焊缝。所有这些都起到了降低薄膜应力从而也降低了应力集中处的最大应力的作用，也可以认为是使局部得到了加强，这时可不另行补强。

关于不另行补强的最大开孔直径，GB

150—1998是这样规定的，壳体开孔满足下述全部要求时，可不另行补强：

（1）设计压力小于或等于2.5MPa；

（2）两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的两倍；

（3）接管公称外径小于或等于89mm；

（4）接管最小厚度满足表12-12要求。

四、等面积补强的设计方法

所谓等面积补强，就是使补强的金属量等于或大于开孔所削弱的金属量。补强金属在通过开孔中心线的纵截面上的正投影面积，必须等于或大于壳体由于开孔而在这个纵截面上所削弱的正投影面积。具体计算参见GB

150—1998。

五、补强圈标准

补强圈已有标准：JB/T

4736—2002和HG

21506—1992，可参考选用。

作业布置：

课后自我总结分析：

《化工设备机械基础》教案

序

号

第27次课

周次

学

时

授课时间

2011年12月15日

章节名称

容器零部件

12.4

容器附件

教学目的与要求

1、使学生掌握容器零部件

重点与难点

重点：1使学生掌握容器零部件

难点：容器零部件的选用

授课方法

与手段

多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。

基本教学内容：

12.4

容器附件

容器上开孔，是为了安装操作与检修用的各种附件，如接管、视镜、人孔和手孔等。

一、接管

化工设备上的接管一般分为两类，一类是容器上的工艺接管，它与供物料进出的工艺管道相连接，这类接管一般较粗，多是带法兰的短接管，如图12-27所示，其接管伸出长度l应考虑所设置的保温层厚度及便于安装螺栓，可按表12-13选用，接管上焊缝与焊缝之间的距离应不小于50mm，对于铸造设备的接管可与壳体一起铸出，见图12-28。对于轴线不垂直于壳壁的接管，其伸出长度应使法兰外缘与保温层之间的垂直距离不小于25mm，如图12-29所示。

对于一些较细的接管，如伸出长度较长则要考虑加固。例如低压容器上DN≤40mm的接管，与容器壳体的连接可采用接头加固，其结构型式如图12-30所示。

对于DN≤25mm，伸出长度l≥150mm以及DN=32～50mm，伸出长度l≥200mm的任意方向接管（包括图12-29所示结构），均应设置筋板予以支撑，位置按图12-31要求，其筋板断面尺寸可根据筋板长度按表12-14选取。

另一类是仪表类接管，为了控制操作过程，在容器上需装置一些接管，以便和测量温度、压力及液面等的仪表相连接。此类接管直径较小，除用带法兰的短接管外，也可简单地用内螺纹或外螺纹管焊在设备上，如图12-32所示。

二、凸缘

当接管长度必须很短时，可用凸缘（又叫突出接口）来代替，如图12-33所示。凸缘本身具有加强开孔的作用，不需再另外补强。缺点是当螺栓折断在螺栓孔中时，取出较困难。

由于凸缘与管道法兰配用，因此它的联接尺寸应根据所选用的管法兰来确定。

三、手孔与人孔

安设手孔和人孔是为了检查设备的内部空间以及安装和拆卸设备的内部构件。

人孔和手孔属于常用部件，已经标准化，目前所用的标准为HG/T21514～21535—2005《碳素钢、低合金钢制人孔和手孔》，该标准的适用范围为公称压力0.25～6.3MPa，工作温度－40～500℃。设计时可以依据设计条件直接选用。

手孔的直径一般为150～250mm，标准中手孔的公称直径有DN150和DN250两种。手孔的结构一般是在容器上接一短管，并在其上盖一盲板。标准规定的手孔一共有8种形式，它们是：常压手孔、板式平焊法半手孔、带颈平焊法兰手孔、带颈对焊法兰手孔、回转盖带颈对焊法兰手孔、常压快开手孔、旋柄快开手孔、回转盖快开手孔。图12-34（a）所示为常压手孔，（b）为旋柄快开手孔。

当设备的直径超过900mm时，应开设人孔。人孔的形状有圆形和椭圆形两种。椭圆形人孔的短轴应与受压容器的筒身轴线平行。圆形人孔的直径一般为400mm，容器压力不高或有特殊需要时，直径可以大一些，圆形标准人孔的公称直径有DN400、DN450、N500和DN600四种。椭圆形人孔的尺寸为450mm×350mm。

标准中规定的人孔一共有13种形式，它们是：常压人孔、回转盖板式平焊法兰人孔、回转盖带颈平焊法兰人孔、回转盖带颈对焊法兰人孔、垂直吊盖板式平焊法兰人孔、垂直吊盖带颈平焊法兰人孔、垂直吊盖带颈对焊法兰人孔、水平吊盖板式平焊法兰人孔、水平吊盖带颈平焊法兰人孔、水平吊盖带颈对焊法兰人孔、常压旋柄快开人孔、椭圆形回转盖快开人孔、回转拱盖快开人孔。图12-35所示为水平吊盖带颈平焊法兰人孔。

四、视镜

视镜除用来观察设备内部情况外，也可用做料面视镜。用凸缘构成的视镜称不带颈视镜（图12-36），它结构简单，不易粘料，有比较宽阔的视察范围。标准中视孔的公称直径有50～150mm五种，公称压力达2.5MPa，设计时可选用。

当视镜需要斜装或设备直径较小时，需采用带颈视镜（图12-37），视镜玻璃是硅硼玻璃，容易因冲击、振动或温度剧变破裂，此时可选用双层玻璃安全视镜或带罩视镜。

视镜因介质结晶、水蒸气冷凝影响观察时，可采用冲洗装置，如图12-38所示。

另外，当设备需要时还可采用带类视镜（HG/T

21575—1994）和组合式视镜（HG

21505—1992）。总之，视镜的形式较多，应根据具体情况选用。

五、液面计

液面计的种类很多，公称压力不超过0.07MPa的设备，可以直接在设备上开长条孔，利用矩形凸缘或法兰把玻璃固定在设备上。对于承压设备，一般都是将液面计通过法兰[图12-39（a）]、活接头[图12-39（b）]或螺纹接头[图12-39（c）]与设备联接在一起。在现有标准中，分玻璃板式液面计、玻璃管式液面计（HG

21588～21592—1995）、磁性液位计（HG/T

21584—1995）和用于低温设备的防霜液面计（HG/T

21550—1993）。图12-40为普通型磁性液位计。

六、设备吊耳

设备吊耳主要是起吊设备用的，目前已有标准（HG/T

21574—1994），此标准共列入三类（六种型式）吊耳，有顶部板式吊耳（图12-41），侧壁板式吊耳（图12-42）和轴式吊耳（图12-43），吊耳的公称吊重是指一个吊耳所能起吊的最大重量。

作业布置：

课后自我总结分析：

《化工设备机械基础》教案

序

号

第28次课

周次

学

时

授课时间

2011年12月19日

章节名称

13带传动

14齿轮传动

15蜗杆传动

教学目的与要求

1、使学生了解带传动的类型、结构和特点

2、使学生了解齿轮传动的特点和分类

3、使学生了解蜗杆传动的组成、特点和类型

重点与难点

授课方法

与手段

多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。

基本教学内容：

13带传动

13.1

带传动的类型、结构和特点

14齿轮传动

14.1

齿轮传动的特点和分类；

15蜗杆传动

15.1

蜗杆传动的组成、特点和类型

作业布置：

课后自我总结分析：

《化工设备机械基础》教案

序

号

第29次课

周次

学

时

授课时间

2011年12月22日

章节名称

轮系和减速器

轴、键与联轴器

18轴承

教学目的与要求

1、使学生了解轮系和减速器

2、使学生了解轴、键与联轴器

3、使学生了解轴承

重点与难点

授课方法

与手段

多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。

基本教学内容：

16轮系和减速器

16.1、轮系

16.2、减速器

17轴、键与联轴器

17.1

概述

17.5

平键连接

17.6

联轴器

18轴承

18.1

概述

18.2

非液体摩擦滑动轴承

18.3

滚动轴承

作业布置：

课后自我总结分析：

第五篇：滚动轴承机械基础电子教案

机械基础电子教案 8.3 滚动轴承

【课程名称】 滚动轴承 【教材版本】

栾学钢主编。机械基础（多学时）。北京：高等教育出版社，2010 栾学钢主编。机械基础（少学时）。北京：高等教育出版社，2010

【教学目标与要求】 一．知识目标

1.了解滚动轴承的分类及结构。

2.掌握滚动轴承的代号含义，能够熟记常用轴承的代号。3.能够正确的拆装与维护轴承。二．能力目标

1． 能够掌握滚动轴承的优点及应用场合。

2． 能够看懂滚动轴承代号的含义，并正确选用轴承。三．素质目标

1． 了解常用滚动轴承的特性。

2． 能够读懂滚动轴承代号的含义。

四．教学要求

1． 了解滚动轴承的功用、分类、特点。2． 熟悉滚动轴承代号的含义。【教学重点】

1． 滚动轴承的特点与应用场合。2． 掌握滚动轴承代号的含义。【难点分析】

1． 滑动轴承与滚动轴承的使用场合。2． 滚动轴承的代号含义。【教学方法】

讲授法，教具演示，讲课中穿插讨论与提问。【教学资源】

1． 机械基础网络课程。北京：高等教育出版社，2010。

2． 吴联兴主编。机械基础练习册。北京：高等教育出版社，2010。3． 教具与实物。【教学安排】

4学时（180分钟）【教学过程】

一．作业讲评（5分钟）

根据轴类零件学生作业完成中存在问题进行讲评，注意强调独立完成，切勿抄袭。重点表扬独立思考完成作业的少部分同学。二．导入新课（5分钟）

滑动轴承的摩擦系数较大，开始运转时滑动摩擦阻力较大，而滚动摩擦的摩擦系数比滑动摩擦的摩擦系数小，起动容易，所以在大量的场合中滚动轴承的应用比滑动轴承更加广泛。

三、新课教学

1．滚动轴承的结构 用实物和挂图、动画表示滚动轴承的结构，使学生对滚动轴承的结构有感性的认识。这里主要掌握基本结构，即由内外座圈，滚动体和保持架组成。滚动体的结构决定了轴承的特性，因此应当作为重点来讲解，区分出轴承的承载和转速特点。2．滚动轴承的分类

可按承载方向、滚动体形状以及是否可调心来分：

按承载方向－主要承载径向载荷的向心轴承；主要承载轴向载荷的推力轴承。按滚动体形状－分球和两类，柱又可分成圆柱和圆锥。按可调心－分调心轴承和非调心轴承。3．滚动轴承的代号

代号的含义是学习的重点内容，必须要求记住类别、直径系列和内径的表示方法，其余内容懂得去查相关手册即可以了。类别中必须记住常用的深沟球轴承

6、圆锥滚子轴承3和推力轴承5三种代号；直径系列要记住2、3、4即轻、中、重型；宽度系列要记住0、1、2即窄、正常、宽型系列；内径要求记住尾数乘以5为实际内径，但还必须记住00—03的特殊尺寸。该段内容是本节学习重点，要反复结合练习册来练习，达到牢记。

4． 滚动轴承的安装与维护

内圈与轴选用较紧的过渡配合；外圈与座孔选用较松的过渡配合。

安装时借用紫铜棒敲入，不能用手锤直接敲打滚动轴承；或用加热方法套入内圈； 安装推力时注意分清标准内孔的座轴承圈分为大小二个内圈，大圈的内孔尺寸比小圈的内孔大0.2mm，应贴紧安装在静止的支座上；小圈安装在转动的轴上，贴紧转动轴的端面上，与轴一起转动。从外观上看，大圈的内孔比较粗糙，安装时千万不能出错，否则轴承很快就会损坏，而且也不起支承的作用。

为保证滚动轴承的使用寿命，必需给予足够的润滑剂。如果轴承选用脂润滑，则油脂的用量不要超过轴承空腔的2/3。油脂过多将形成运动阻力。

安装轴承尽量使用专用工具，可保证轴承的安装质量和使用寿命。用手锤敲打时，防止损坏轴承，注意安装到位，防止出现歪斜。

拆卸滚动轴承时常用拆卸器拆卸滚动轴承的内圈较为快速、方便。5． 滚动轴承的失效形式

常见滚动轴承的失效形式有疲劳点蚀和塑性变形，前者是正常失效，后者是超载引起的失效。此外，在密封不好的条件下也会出现磨粒和粘着磨损。三．小结

滚动轴承的使用范围较广，其特点是标准化，系列化，而且方便维修。常用的类型，直径系列和内径代号应当熟记，对今后的学习和工作非常有益。

注意安装和拆卸滚动轴承应当掌握的要点。四．作业 【课后分析】