化工设备机械(化机)1课件有新

第三章拉伸、压缩与剪切第一节受拉压直杆的强度计算第二节剪切与挤压的实用计算第三节应力集中、应力松弛以及热应力在化工中存在的现象第一节受拉压直杆的强度计算1、安全系数与许用应力对受拉压的杆件，塑性材料以屈服为破坏条件，脆性材料以断裂为破坏条件，故，材料所能承受的极限应力：0btts)(2.00（对塑性材料）（对脆性材料）考虑到材料缺陷、载荷估计误差、计算公式误差、制造工艺水平以及构件的重要程度等因素，设计时必须有一定的强度储备。因此应将材料的极限应力除以一个大于1的系数，所得的结果称为许用应力，用表示，即n0其中n称为安全系数一般化机设计中n的范围为0.5~0.20.2~5.1bsnnn（对塑性材料）（对脆性材料）2、拉伸和压缩时的强度条件为保证轴向拉伸（压缩）杆件的正常工作，必须使杆件的最大工作应力不超过材料的许用应力，因此杆件受拉压时的强度条件为：AS或3）、应用举例例1、习题3-2一个总重为700N的电动机，采用M6吊环螺钉，螺纹根部的直径为6．4mm，如图所示。其材料的许用应力为[σ]=40MPa。问起吊电动机时，吊环螺钉是否安全（设圆环部分有足够的强度）。解：螺纹根部横截面上的轴力为N=G=700N，则正应力为MPaAS76.21104.6470062由强度条件MPa76.21可见吊环螺钉是安全。例2、习题3-3图示起重用链条是由圆钢制成，工作时受到的最大拉力为P=15kN．已知圆钢材料为Q235-A许用应力[σ]=40MPa。若只考虑链环两边所受的拉力，试确定圆钢的直径。标准链环圆钢的直径有7、8、9、11、13、16、18、20、23mm等。解：根据式SA因为承受拉力P的圆钢有两根，所以NpS75002150002代入上式而,/40,422mmNdA40750042dmmd5.15750故可选用d=16mm的圆钢制作。作业：图所示结构中，l、2两杆均为圆截面钢杆，许用应力［σ］=115MPa。C点悬挂重物P=30kN，试求两杆的直径d1、d2。第二节剪切与挤压的实用计算剪切面挤压:剪切的实用计算o剪切的强度条件：AQ8.0~6.0为许用剪应力，其中挤压的实用计算o挤压的强度条件：pppAP5.2~5.1Pp，为材料的许用挤压应力其中键的计算：•例1图示齿轮用平键与轴联接，已知轴直径d=70㎜，键的尺寸为δ×h×l=20㎜×12㎜×100㎜，传递的扭转力偶矩m=2kN·m，键的许用剪应力[τ]=60MPa，[σp]100MPa，试校核键的强度。解：先校核键的剪切强度。将平键沿n-n截面分成两部分，并把n-n以下部分和轴作为一个整体来考虑如图。对轴心取矩，由平衡方程ΣM=0，得,2mdQkNdmQ14.572剪切面面积为A=2200010020mmlMPaAQ6.281020001014.5763可见，平键满足剪切强度条件。其次较核键的挤压强度。考虑键在n-n截面以上部分的平衡，如图则挤压力P=Q=57.14kN，挤压面积Ap=2hlpppMPaAp3.951010061014.5763可见，平键满足挤压强度条件。第三节应力集中、应力松弛以及热应力在化工中存在的现象o应力集中的概念等截面直杆受轴向拉伸或压缩时，横截面上的应力是均匀分布的。在工程实际中，有些构件往往有切口、切槽、螺纹、圆孔等，以致在这些部位上截面尺寸发生突然变化。实验结果和理论分析表明，在零件尺寸突然改变的横截面上．应力并不是均匀分布的。以下图中间开有圆孔的受拉板为例，在距离小孔较远的I-I截面上，正应力是均匀分布的，记为σ。但在小孔中心所在的Ⅱ-Ⅱ截面上，正应力分布则不均匀，在孔边附近的局部区域内，应力将急剧增加。但在离开圆孔稍远处，应力就迅速降低而趋于均匀。这种因构件截面尺寸突然变化而引起局部应力急剧增大的现象，称为应力集中。实验结果表明：截面尺寸改变得越急剧，角越尖，孔越小，应力集中的程度就越严重。因此，构件应尽可能地避免带尖角的孔和槽，在阶梯轴的轴肩处要用圆弧过渡。o应力松弛在总变形量保持不变，初始的弹性变形随时间的推移逐渐转化为塑性变形并引起构件内应力减小的现象就是应力松驰有一些发生蠕变的构件，其外观尺寸并无明显改变。例如高温管道上的法兰联接螺栓，如果这个在高温条件下工作的螺柱发生了蠕变，二螺母之间的螺柱长度不会增长，但是螺柱已存在的弹性变形会逐渐地转化为塑性变形，同时螺柱的内力下降，并导致法兰密封面与垫片之间压紧力减小而发生泄漏。o热应力在化工中存在的现象及对策0.热应力的产生及特点(上图)1．热应力不是由于热变引起。热变形本身并不产生热应力。只有热变形受到限制并转化成弹性变形，或者是由于限制相邻构件的热变形而引起自身产生了弹性变形，才会产生热应力。所以热应力归根到底是由弹性变形引的，所不同的只是这里的弹性变形不是由施加的外力产生的，而是由受限制的那部分热变形转化而来的.2．热应力既然是由于热变形受限制引起的，所以减小或防止热应力的方法，一个是不要使构件产生热变形，即不要出现温度的变化，这显然是不太可能的。另一个办法就是尽量减少对热变形的限制，譬如管壳式换热器管子受热要伸长，在壳体上加膨胀节、变固定管板为浮头式、填料函式或索性用U形换热管，都可以减少或消除热应力；高温管道的法兰联接，工作时法兰厚度因热膨胀而增厚，为了减小螺柱对它的热变形限制，可以把螺柱没有螺纹的部分车细至等于螺纹根部直径，或者是同时采用加厚的螺母垫圈，增加螺柱二螺母间的长度，这样都可以减少螺柱中的热应力；又如卧式容器的两个支座，其中必须有一个是可以在地面上滑动的，以便使容器可以自由伸缩。这些例子都说明对于热变形只能放行，不能阻挡。3．热应力既然是由于热变形受到限制引起的，所以限制越厉害，热应力也会越大，但是，如果限制过大，致使构件内的热应力达到材料的屈服极限时，热应力值反而会停止增长，所以说这种由于相互限制引起的应力具有所谓的“自限性”意思就是应力不会无限制地增长。如果杆件内的应力是由外载引起的，那么随着外载的增加，应力将不停地增大，直至杆件断裂。第四章扭转、弯曲第一节扭转和圆轴受扭时所受外力•1、扭转及扭转杆件的受力特点；o1）、扭转的概念o2）、扭转杆件的受力特点：作用在杆件上的外力主要是一组外力偶，这些力偶的作用面都垂直于杆件的轴线o3）、其变形特点是：杆件的任意两个横截面绕轴线相对转过一个角度，这个角称作相对扭转角•2、轴的三项功能o1）、传递旋转运动o2）、传递扭转力偶矩o3）、传递功率第二节扭转时外力和内力的计算min;/,],[9550rnkWPmNmnPmkk的单位的单位的单位其中a.当轴传递的功率一定时，轴的转速越高，轴所受到的扭转力矩越小。例如在判别减速机上伸出的两根轴时，可据此断定细的一根是高速轴，粗的一根是低速轴；推论：•1、外力偶矩的计算（在恒定转述下轴的扭矩与所传递功率的关系）b.当轴的转数一定时，轴所传递的功率将随轴所受到的扭转力矩的增加而增大。据此，在选择减速机型或在确定电动机的额定功率时，应考虑整个操作周期中的最大阻力矩。c.增加机器的转速，往往会使整个传动装置所传递的功率加大，并使电机过载，所以不应随意提高机器转速。•2、横截面上的内力矩—扭矩o1）、内力矩的构成从图5-6可见，圆轴受扭时，在其横截面上将产生非均匀的但有规律性分布的扭转剪应力τρ，横截面内每一个微小面积dA上都作用有微小剪力dQ，其值为τρ·dA。每一个dQ对于轴心均有力矩ρ·τ·dA，这些力矩存在于整个横截面，并且转向一致，于是这些力矩之和就构成了受扭圆轴横截面上的内力矩，这个由剪应力构成的内力矩称作扭矩，用MT表示，于是MT的构成可用下式表达ATdAMo2)、扭矩的计算计算扭矩的方法用截面法：通常规定：从某一截面观察其左侧或右侧相邻截面时，如果发生顺时针方向的转动，则该截面与其左、右相邻截面间的扭转变形为正，反之为负。扭矩计算法则如下：受扭圆轴任一横截面上的扭矩等于该截面一侧所有外力偶矩和与轴线垂直的外力对轴线所取力矩的代数和。•3、剪应力的计算公式o1）、极惯性矩IP与抗扭截面模量WP：RIWPPo2）、剪应力的计算公式PTIMPTPTWMIRMmaxo3）、最大剪应力：•4、圆轴扭转时的强度条件与刚度条件o1）、圆轴扭转时的强度条件PTWMmax对塑性材料：[τ]=(0.5-0.6)[σ]对脆性材料：[τ]=(0.8-1.0)[σ]o2）、圆轴扭转时的刚度条件或PTIGMl180PTIGM•4、例1：由无缝钢管制成的汽车传动轴AB，外径D=90㎜，壁厚t=2﹒5㎜，传递的最大扭矩M=1930N·m，材料的许用剪应力[τ]=70MPa，试较核AB轴的扭转强度。解1）计算AB轴的抗扭截面模量944.090)5.2290(Dda3434329400)944.01(1690116mmaDWP2）强度较核，由强度条件，得MPaWMPT6.65102940019309max所以，AB轴满足强度条件例2，如把上例中的传动轴改为实心轴D1，要求它与原来的空心轴强度相同，试确定实心轴的直径，并比较实心轴和空心轴的质量。解因为要求与前例的空心轴强度相同，故实心轴的最大剪应力为65.6MPa,即MPaDWMPT6.6516193013maxmD0531.0106.65161930361实心轴的截面积是242121102.2240531.04mDA空心轴的截面积是246222221087.6410)8590(4)(mdDA在两轴长度相同、材料相同的情况下，两轴的质量比等于横截面面积比：31.02.2287.612AA•推论：o可见在载荷相同的条件下，强度相同的空心轴的质量不到实心轴质量的1／3，即耗费的材料要少得多。o可以用圆轴扭转时横截面上的应力分布说明采用空心截面节省材料的原因。国轴扭转时横截面上的剪应力沿半径方向接线性分布，图（1）圆心附近的应力很小，材料没有充分发挥作用；如将圆心附近材料移到离圆心较远位置，使其为空心轴，让材料充分发挥作用（图2），这样大大提高轴的承载能力。图1图2第三节弯曲本节学习要点：一、学习的思路与应掌握的概念1、首先研究梁所受外力与销钉相比有何特点，进而提出三种载荷与三种约束（即三种典型支座），并在此基础上划分了梁的类别。这是第一节学习应掌握的要点。2、内力分析的基础是要掌握弯曲变形的特点。弯曲变形的特点可以用两个量来描述：一个是观察梁的某一横截面与其相邻截面之间是否发生了绕各自中性轴的相对转动，这个相对转动的量用表示，某一截面与其无限靠近的相邻截面之间所发生的相对转动角度越大，梁在该截面处所发生的弯曲变形也越大。dxd另一个描述梁变形特点的量是从观察梁轴线在变形前后是否发生了曲率变化得到的。如果梁在变形前其轴线是直线（即轴线上各点的曲率均为零），变形后轴线变弯了，说明轴线上各点的曲率发生了改变，由原来的零变成了，变形后轴线上各点的不一定相同，哪一点的大，说明梁在那一点处的弯曲变形最大。3、既然梁在发生弯曲变形时，梁的各个截面与其相邻截面之间发生了绕各自中性轴的相对转动，因而必然导致二相邻截面间的纵向“纤维”有不同程度的伸长和缩短（只是二截面中性轴间的距离没有改变），这种伸长与缩短正是由弯曲引起的纵向线应变。正是由于产生了这种纵向线应变，因而在梁的横截面上自然就出现了沿截面呈线性分布的正应力，这些正应力在中性轴以下如果是拉伸应力，111那么在中性轴以上必然是压缩应力。正是这些正应力对中性轴取矩之和形成了阻止截面进