化工机械基础(1-1)

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1、化工机械基础 （过程装备基础）路智敏内蒙古工业大学化工学院 过程装备与控制工程系*1参考教材：“过程装备基础”，朱孝钦主编， 化学工业出版社，2011年 “化工设备机械基础”，董大勤主 编，化学工业出版社，2002年Date2主要内容v过程装备力学基础v工程材料v压力容器v过程设备概论Date3过过 程程原材料产品物理、化学或生物的加工过程装备过程装备过程设备(化工设备):热交换器、塔器、反应器、槽罐等，其 主要作用部件一般是静止的，习惯上称静止设备。流体机械(化工机器):主要包括离心机、压缩机、泵、过滤机、破 碎机、旋转窑、旋转干燥器、运输机等，其主要作用部件是经常 运动的，习惯上称转动设备

2、。 过程装备设计过程装备设计根据设备的工艺、强度、经济性等要求制订出的可用于制造的技术文件。完成物理、化学或生物加工所用到的设备。绪论Date4第一篇 工程装备力学基础理论力学：研究物体机械运动一般规律 材料力学：研究构件承载能力 构件承受荷载能力衡量：1强度：构件抵抗破坏的能力2刚度：构件抵抗变形的能力3稳定性：构件保持原有平衡形态能 力Date5第一章 静力学1.1 基本概念和公理 1.1.1 力的概念v1. 力：力是物体之间的相互机械作用。v2. 力的外效应（运动效应）：由理论力学研究（ 刚体）v3. 力的内效应（变形效应）：由材料力学研究（ 变形体）v4. 力的三要素：大小，方向，作用

3、点。v5. 力的表示：力是矢量Date6v6. 集中力和分布力。v7. 力的单位：按照国际单位制，集中力的 单位用“牛顿”(N)，“千牛顿”(kN)；分布力 的单位是“牛顿米2”(Nm2)，又称帕斯 卡(Pa)和百万帕斯卡(MPa)。MPa相当于 Nmm2。v8. 平衡的概念：v9. 力系的概念：v10. 平衡力系的概念：Date71.1.2 静力学公理 1、二力平衡公理:作用在刚体的两个力处于 平衡状态的充分和必要条件是：这两个力 大小相等、方向相反，并且作用在同一条 直线上(简称为等值、反向、共线)。 Date82、加减平衡力系公理（推论：力的可传性）在作用于刚体上的力系中，加上或减去一个

4、平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用效应。作用于刚体的力，可以沿其作用线移到刚体内的任意一点，而不改变该力对刚体的作用效应。= FAF2F1FABF1ABDate9A3、 力的平行四边形公理作用在物体上同一点的两个力，可以合成为 作用于该点的一个合力，它的大小和方向由这 两个力为边所构成的平行四边形对角线来表示 。F1F2R矢量表达式：R= F1+F2即：合力为原两力的矢量和。Date10推论 (三力汇交定理)当刚体在三个力作用下平衡时，设其中两力的 作用线相交于某点，则第三力的作用线必定也通过 这个点。F1F3R1F2A=证明：A3F1F2F3A3AA2A1Date11公理四 (作用力与反作

5、用力公理)两个物体间的作用力和反作用力总 是大小相等、方向相反，沿同一直线分 别作用在这两个物体上。公理四揭示了两物体间相互作用力 的定量关系，是分析若干个物体所组成 的物体系统平衡条件的基础。 Date121.2 物体的受力分析1.2.1 约束和约束力 主动力：促使物体运动或改变运动状 态； 约束和约束力：阻止物体运动或改变 运动状态；Date131、柔索：由柔绳、链条、胶带构成的约束 ：1.2.2 典型约束Date14A特点：只能限制物体被拉直方向的运动。方向：沿柔性体背离物体。Date15TF柔性约束受力图Date162、 光滑接触面定义：两物体的接触面是光滑的，接触面间的摩擦力很小，可

6、以忽略不计。Date17方向：通过接触点，沿公法线方向指向被约束物体。特点：只能阻止物体过接触点沿公 法线方向而趋向支承面的运动。光滑接触 面约束实 例Date18WN光滑面约束受力图Date19光滑铰链产生的约束力ABNAB3、 光滑铰链Date20NyNx(1)固定铰支座：N点击图标播放Date21特点：限制了构件A、B的相对移动，而只能绕圆柱销C的轴线自由转动。方向：由于构件在转动，所以约束的反力N也跟着转动，为了分析方便，通常用两个相互垂直的分力Nx、Ny来表示。Date22(2)活动铰支座：N点击图标播放Date23定义：在支座与基础接触面间装有几定义：在支座与基础接触面间装有几个辊

7、轴，使可以沿基础相对移个辊轴，使可以沿基础相对移动的约束称为活动动的约束称为活动铰支座。铰支座。 特点：只能限制支座沿垂直于支承面特点：只能限制支座沿垂直于支承面方向的移动方向的移动。方向：约束反力垂直于支承面，通过铰链中心。Date242.3.4 固定端定义：构件的一端嵌入基础或建筑物定义：构件的一端嵌入基础或建筑物内部使之连成一体，完全固定内部使之连成一体，完全固定的约束称为固定端的约束称为固定端。特点：不允许构件作纵向或横向的移特点：不允许构件作纵向或横向的移动也不允许转动动也不允许转动。方向：一般存在三个约束反力:Nx 、 Ny和M。Date25QNxNyMDate261.3 受力分析

8、与受力图 分离体：设想将研究对象受到的约束全部 解除，将其从系统中分离出来成为所谓的分 离体。受力图：画有分离体及其所受的全部主动 力和约束力的简图称为受力图。Date27画受力图步骤:(1)取分离体；(2)先画分离体上的主动力，再画约束力，注意约束的性质；(3)在画系统受力图时，要利用相邻物体间的作用力与反作用力。Date28例1-1 如下图所示，受主动力F和作用，所有杆的 自重不计，试画出各杆的受力图。解: 各杆的受力图如下:Date29ECABFDBCNBNC解： (1)杆BC 所受的力：(2)杆AB 所受的力：表示法一：表示法二：BDAFNAxNAyNB BAFDNAHNB例1-2 如

9、图所示,等腰三角形构架ABC 的顶点A、B、C 都 用铰链连接，底边AC 固定，而AB 边的中点D 作用有平行于 固定边AC 的力F，如图所示。不计各杆自重，试画出AB 和 BC 的受力图。Date30例1-3 刚架自身重力不计，AC上作用载 荷，画出AC、BC及刚架整体的受力 图 Date311.4 平面汇交力系的合成与平衡条件1.4.1 力在坐标轴上的投影Date321.4.2 合力投影定理Date331.4.3 平面汇交力系的平衡条件求解平面汇交力系问题的一般步骤：a.根据题意,明确已知量和待求量；b.根据所要求解的问题选取恰当的研究对象；c.正确画出研究对象的受力图；（全部主动力和约束

10、反力）d.选取恰当的坐标轴方向，以获取最高的求解效率。e.列平衡方程，求出未知力。Date341.5 平面一般力系的简化和平衡条件1.5.1 力矩和平面力偶理论 1、力矩Date351)力偶的实例：钳工用丝锥攻丝钳工用丝锥攻丝司机转动方向盘司机转动方向盘刹车装置刹车装置2、力偶Date36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：力偶中的两个力，既不平衡，也不可能合 成为一个力。2)作用：使物体产生转动。3)3)力偶的特性：力偶的特性：Date37两力之间的垂直距离d 称为力偶臂, 力偶所在的平面称为力偶的作用面。 方向规定：方向规定：逆时针

11、为 “+” ； 顺时针为“-”。 4) 4) 力偶矩力偶矩 力偶矩的大小：力偶矩的大小：Date38矩 力力偶对点之矩力偶对物体的作用效应，决定于： 力偶矩的大小； 力偶在其作用面内的转向。Date395)5)力偶矩的特性力偶矩的特性 力偶对其作用面内任一点的矩是个常量 ，即力偶矩与矩心无关。 只要保持力偶矩不变，可以同时改变力 偶中力的大小和力偶臂的长短，而不改变 力偶对物体的作用。即为等效力偶。 Date406)6)力偶与力矩的区别力偶与力矩的区别相同点：都使物体产生转动。不同点：力矩与矩心有关；力偶与矩心无关。即力偶对物体的 转动效应完全取 决于力偶矩的大 小Date41(1)平面力偶矩

12、的合成:7) 平面力偶矩的合成和平衡(2)平面力偶矩的平衡条件: :平面力偶系：作用于一平面的多个力偶 称为平面力偶系。Date421.5.2 平面一般力系的简化与平衡(1) 力的平移原理力的平移原理：力平移后产生了一个附加力偶，附加力偶的大小等于力与该力到目标点距离的乘积。Date433 2FAOdFAOdl AO=力的平移原理Date44(2)平面一般力系向已知点简化平面一般力系=平面汇交力系+平面力偶系图1-25 平面一般力系的简化Date45(3)平面一般力系的平衡条件平面一般力系=平面汇交力系+平面力偶系Date46解： (1) 取滑轮作为研究对象。 (2) 画出受力图。例1-4 某

13、化工厂简易起重装置由杆AB 、 AC和滑轮等组成， 如图所示。A、B、C三处均为铰链连接，物体重50kN，用绳子 挂在支架的滑轮上，绳子的另一端接在铰车D上。设滑轮是光滑 的，且不计滑轮、绳子和杆的重量。试分析物体铅直匀速提升时 杆AB和AC的受力情况。Date47(3)列出平衡方程：(4)联立求解，得NAC 为负值，说明该力实际指向与图上假定指向相反。即杆AC 实际上受压力。 NAC-186.60 kN ， NAB136.60 kN， ， Date48例1-5 如下图所示运料小车连同物料共重W=6kN，重心在 A处，B点用钢丝绳牵拉沿爬导轨匀速运动，轮与导轨间的摩 擦可忽略不计。已知：a=0.25m，b=0.3m，c=0.2m，=10， 爬梯倾角=60。试求轮E与F上的压力以及钢丝绳的拉力。 图1-26 运料小车解：(1)取小车为研究对象。(2)受力分析如图。Date49(3)列平衡方程：Fx=0，Tsin+Wcos-NE-NF=0Fy=0，Tcos-Wsin=0 MB=0，cNF+bWcos-(a+b)NE=0 (4)联立求解：T=5.28kN，NE=2.24kN，NF=1.67kNDate50小 结目的：求物体所受的外力。即确定力的方法： 画受力图解平衡方程作用点、方向 大小Date51平衡方程： 平面一般力系 平面汇交力系 平面力偶系 Date52