化工设备机械基础

化工设备机械基础*山东理工大学化工学院第一页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院绪论一、目的和意义建立化学工程师与机械工程师之间的桥梁具备基本工程力学知识，了解化工设备常用材料特性，掌握化工设备的设计计算，及典型机械传动培养复合型人才第二页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院二、主要内容及学时安排第一篇工程力学16学时第二篇化工设备设计基础20学时第三篇机械传动12学时第三页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院第一篇工程力学静力学：研究物体机械运动一般规律材料力学：研究构件承载能力（强度刚度稳定性）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第四页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院工程力学基本内容物体的受力分析——静力学（研究外力）材料力学（研究内力）拉伸压缩与剪切扭转弯曲压力状态分析疲劳本篇内容特点：1、概念多2、形象思维3、是后续篇章的基础第五页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院化工装备事故分析与预防——刘相臣第一章概论

化工设备与机器安全运行在生产中重要地位

化工设备与机器事故的现状分析

材料选择在化工设备与机器安全的重要作用第六页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院第三章化工设备与机器事故统计分析

塔槽釜爆炸事故加热炉爆炸废热锅炉事故

管道破裂与爆炸事故离心机事故

汽轮机叶片、围带损坏事故统计分析

第四章典型重大事故案分析

氢分塔爆炸

液氯钢瓶爆炸

氨冷器爆炸事故

聚氯乙烯聚合釜超压爆炸

化工装备事故分析与预防——刘相臣第七页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院化工事故江苏射阳临海镇氟源化工有限公司氯化反应器在试生产过程中发生爆炸，继而发生连续爆炸，造成硝化、氯化两个车间厂房全部倒塌，在场的公司董事长、总经理、分管副总经理以及生产技术人员22人死亡，29人受伤。

第八页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院吉林石化爆炸就是一次“人祸”。事故直接原因是由于当班操作工停车时，疏忽大意，未将应关闭的阀门及时关闭，误操作导致进料系统温度超高，长时间后引起爆裂，随之空气被抽入负压操作的T101塔，引起T101塔、T102塔发生爆炸，随后致使与T101、T102塔相连的两台硝基苯储罐及附属设备相继爆炸，随着爆炸现场火势增强，引发装置区内的两台硝酸储罐爆炸，并导致与该车间相邻的55#灌区内的一台硝基苯储罐、两台苯储罐发生燃烧第九页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院外力与内力的关系外力是内力的诱因内力是外力的表现化工机械主要研究内力力的机械作用对物体产生两种效应：使物体运动状态发生改变，即外效应；使物体发生变形，即内效应。学会外力分析是学习化工机械的关键和基础第十页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院第一章物体的受力分析和静力平衡方程基本内容：研究力系的简化和平衡静力学基本概念：力刚体平衡约束和约束反力分离体和受力图分力与合力力矩力偶力系的简化平面力系空间力系第十一页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院§1.1静力学基本概念力:物体间的机械作用；力的三要素：大小方向作用点力是矢量；黑体字母表示Fq(x)NPaAB

第十二页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院FF2力的基本性质可传性只适用于刚体成对性:作用力与反作用力可合性可分性可消性FAABF1BF1第十三页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院刚体：在力的作用下，不发生变形的物体静力学中讨论的对象均可视为刚体平衡：物体处于相对静止或做匀速直线运动二力平衡原理：大小相等方向相反作用在同一条直线上

加减平衡力系原理——力的可传性第十四页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院二力构件：只受两个力作用而处于平衡的构件

加减平衡力系原理：在刚体上加上或减去一个平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用效果辨析题：若一根杆只受二力作用，则称它为二力杆第十五页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院§1.2约束和约束反力主动力和约束反力互为作用力与反作用力第十六页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院柔索约束特点：只能阻止物体沿柔索伸长方向运动第十七页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院柔索约束第十八页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院理想光滑平面约束约束反力通过接触点并沿改点的公法线方向指向所研究物体公切线约束反力第十九页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院圆柱铰链约束圆柱铰链约束可动铰支座固定铰支座FRFyFx产生通过销钉中心，沿接触点公法线方向的约束反力第二十页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院§1.3分离体和受力图受力图的画法和注意事项1、确定研究对象，解除约束，取分离体2、先画出作用在分离体上的主动力，再根据约束的性质在解除约束处画出约束反力3、画系统中各物体的受力图时，要利用相邻物体间作用力与反作用力之间的关系。第二十一页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院§1.3分离体和受力图分离体：将研究对象从与其联系的物体中分离出来（杆板块）受力图：表示分离图及其受力的图形F300FyAFxAA300BFR例题1：画出梁的受力图第二十二页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院例题2托架受力分析GABCGFNCAFyCFxCFA’ABFAFBFxCCAFyCBFB管水平杆支杆托架第二十三页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院受力图的画法和注意事项确定研究对象，解除约束，取分离体先画出作用在分离体上的主动力，再根据约束的性质在解除约束处画出约束反力画系统中各物体的受力图时，要利用相邻物体间作用力与反作用力之间的关系。第二十四页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院§1.4力的投影合力投影定理力系的简化和平衡方法：几何法

解析法力的合成与分解力的投影概念：力的两端向坐标轴做垂线得垂足，连接两个垂足的线段称为力在坐标轴上的投影规定与x轴正向夹角为αxyBAα第二十五页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院合力投影定理合力在某一轴上的投影等于各分力在同一轴上投影的代数和设有一力系F1、F2、…、Fn其在直角坐标轴上的投影分别为Fx1、Fx2、…、Fxn，Fy1、Fy2、…、Fyn，该力系的合力为FR,其在直角坐标系的投影为FRx,FRy第二十六页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院例题受力分析一简易起重机装置，重量G=2kN。试求当重物被匀速提升时，杆AB、AC所受的力。第二十七页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院§1.5力矩力偶当作用力不通过刚体的质心或刚体上的固定支点时，力可以使刚体转动。用力矩表示。力偶可以可作是两个力矩的耦合。力矩：力对O点矩是力使物体绕O转动效应的度量力偶：作用在同一物体上等值、反向、不共线的一对平行力第二十八页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院力矩O为质心或固定点，称为力矩中心，简称矩心d为作用力到矩心的距离力矩单位第二十九页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院力偶的性质（1）力偶无合力。力偶不能用一个力来等效，也不能用一个力来平衡。可以将力和力偶看成组成力系的两个基本物理量。（2）力偶对其作用平面内任一点的力矩，恒等于其力偶矩。第三十页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院力偶的性质3）力偶的等效性力偶的等效性——作用在同一平面的两个力偶，若它们的力偶矩大小相等、转向相同，则这两个力偶是等效的。力偶的等效条件：1）力偶可以在其作用面内任意移转而不改变它对物体的作用。即力偶对物体的作用与它在作用面内的位置无关。2）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，而不会改变力偶对物体的作用。第三十一页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院M力偶不能用单独的一个力来平衡，为什么上图的轮子又能平衡呢？第三十二页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院§1.6力的平移把作用在刚体上的一个力，从原位置平移到该刚体的另一个位置。平移定理：作用在刚体上的力F可以平移到刚体上任一点，但同时必须附加一个力偶，其力偶矩等于等于原力F对新作用点的力矩？？？？一个力可以和一个力与力偶等效第三十三页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院疑问力矩与力偶矩的异同？都是力与作用距离的乘积单位相同都能产生转动效果

第三十四页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院§1.7平面力系的简化平面力系：所有力的作用线在同一个平面内平面力系向其作用面内任一点简化的结果是使原力系简化为一个通过简化中心的主矢量和F’R一个简化中心的主矩MO

第三十五页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院

α——主矢量与x轴的夹角Mo——平面一般力系的主矩主矩=各附加力偶矩的代数和。Mo=Mo(F1)+Mo(F2)+---+Mo(Fn)

第三十六页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院简化的结果F'R=0,Mo≠0F'R≠0,Mo=0F'R≠0,Mo≠0F'R=0,Mo=0(平衡力系)F’RMO第三十七页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院固定端约束ABFABFMAFyAFxA固定端的约束反力有三个：限制移动的反力FxA、FyA与限制绕嵌入点转动的反力偶MA第三十八页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院合力矩定理合力矩定理：平面（汇交）力系的合力对平面内任一点之矩，等于各分力对同点之矩的代数和。证明：在物体上A点作用有平面力系F1、F2合力F可由力系的合成求得。设与x轴的夹角分别为a1和a2，则它们的力矩分别为合力F的力矩为由合力定理可知=+yOAxF1F2第三十九页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院例题1-4解：该梁在A点处受力为零，B处为q，呈线性分布，所以当取A为坐标原点，AB与x轴正向重合，则

合力合力矩作用线位置dxABqFxC第四十页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院§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要条件是：作用于该物体上力系的主矢量和该力系对任一点的主矩都等于零第四十一页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院例题1-8aaaFFFXAFYAFYBFXB第四十二页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院FXAFYAC第四十三页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院求解物体平衡物体的方法和步骤①确定研究对象，取分离体，画受力图②选取合适的坐标轴，列静力学平衡方程。坐标轴应尽量与较多的力平行或垂直；矩心尽量选择在未知力作用线的交点上。③解平衡方程，求出未知量。第四十四页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院例题塔式起重机的结构简图如图所示。设机架重力G=500kN，重心在C点，与右轨相距a=1.5m。最大起吊重量P=250kN，与右轨B最远距离l=10m。平衡物重力为G1

，与左轨A相距x=6m，二轨相距b=3m。试求起重机在满载与空载时都不至翻倒的平衡重物G1

的范围。解：空载时以A为力矩中心，满载时以B为力矩中心第四十五页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院§1.9空间力系空间力系：各力作用线不在同一平面内的力系一、力在直角坐标轴上的投影一次投影法：力与三个坐标轴的夹角已知二次投影法：已知力与xy面夹角和投影到xy平面上力与x轴的夹角。第四十六页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院§1.9空间力系空间力系：各力作用线不在同一平面内的力系一、力在直角坐标轴上的投影一次投影法第四十七页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院二次投影法有些时候，需要求某力在坐标轴上的投影，但没有直接给出这个力与坐标轴的夹角，而必须改用二次投影法。

oFθFxFzFxy

y第四十八页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院二次投影法:若已知力F与z轴的夹角为，力F和z轴所确定的平面与x轴的夹角为，可先将力F在oxy平面上投影，然后再向x、y轴进行投影。

oyzF

FxFyFzFxy

则力在三个坐标轴上的投影分别为

：x若已知力在三个坐标轴上的投影Fx、Fy、Fz，也可求出力的大小和方向，即:第四十九页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院力对轴的矩刚体绕定轴转动门上作用一力F，使其绕固定轴z转动。Fxy对z轴之矩就是力F对z轴之矩,用Mz（F）表示。则：第五十页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院2.力对轴之矩

OFxyd规定：从z轴正端来看，若力矩逆时针，规定为正，反之为负。

AxyFxFyab

=Fx•b+Fy•a第五十一页，共六十页，编辑于2023年，星期日*山东理工大学化工学院2.力对轴之矩合力矩定理：如一空间力系由F1、F2、…、Fn组成，其合力为FR，则合力FR对某轴之矩等于各分力对同一轴之矩的代数和。

第五十二页，共六十页，编辑