矿物加工机械设计基础课件八 弹簧、钢丝绳与结构件

1第八章 弹簧、钢丝绳与结构件

弹簧是最常见的弹性件;

钢丝绳是最基本的起重件;

结构件是机器的基础构件，具有支承、约束、容纳其它零部件的功用，或兼有封闭、盛储、集料以及其它功用。2

弹簧在外力作用下能产生很大的弹性变形，实现机械功或动能与变形能之间的转换。弹簧的主要用途如下：

（1）缓冲及吸振；

（2）控制运动；

（3）测量力或扭矩的大小；（4）储存及输出能量。第一节弹簧的功用、类型和特点3表8-1 弹簧的主要类型和特点4续表8-1弹簧的主要类型和特点5图8-1橡胶弹簧与复合弹簧的常见类型（a）实心圆柱形，压缩；（b）空心圆柱形，压缩；（c）与内、外钢套配合，剪切；（d）外双锥形，剪切；（e）内双锥形，扭转；（f）与螺旋弹簧复合，压缩；6橡胶弹簧的主要特点：

1）形状不受限制（由模具确定），各个方向的刚度可以根据需要自由设计。改变弹簧的结构形状即可改变其刚度。

2）橡胶的弹性模量比金属小，故可得到较大的弹性变形，容易实现理想的非线性特性。

3）具有较高的阻尼，对于受突然冲击和高频振动的吸收以及隔声具有良好的效果。

4）同一弹簧能同时承受多向载荷，这对振动机械弹簧在轴向及横向均有载荷分量时非常有利。

5）其破坏过程是渐进的，不会像金属弹簧那样发生突然断裂而造成事故。

6）耐高、低温性和耐油性比金属弹簧差。7一、金属螺旋弹簧的材料

弹簧常受变载荷或冲击载荷作用，为了保证弹簧能可靠地工作，弹簧材料必须具有较高的弹性极限和疲劳极限，同时应具有足够的韧性和塑性，以及良好的热处理性能。常用的弹簧材料有碳素弹簧钢、合金弹簧钢和有色金属合金等。第二节金属圆柱螺旋弹簧8表8-2 弹簧常用材料及性能9

弹簧材料的许用切应力[τ]与弹簧的材料、类型、载荷性质及弹簧钢丝的尺寸等有关。通常按载荷性质及重要程度将弹簧分为三类：

Ⅰ类—受变载荷作用次数在106次以上或重要的弹簧，如内燃机气门弹簧等；

Ⅱ类—受变载荷作用次数在103、105次及受冲击载荷的弹簧，如调整器弹簧、车辆弹簧等；

Ⅲ类—受变载荷作用次数在103次以下的弹簧及受静载荷的弹簧，如一般安全阀弹簧等。10图8-2 圆柱螺旋弹簧三、圆柱螺旋弹簧的结构与特性

1、圆柱螺旋弹簧的结构和尺寸

螺旋弹簧的制造工艺包括卷制、挂钩制作（拉簧）或端面圈加工（压簧）、热处理、工艺试验等过程，特别重要的弹簧还要进行强化处理。二、金属螺旋弹簧的制造11表8-3圆柱螺旋弹簧结构尺寸计算公式122、圆柱螺旋弹簧的特性曲线

弹簧在弹性范围内，其变形量与载荷成正比，载荷与变形之间的关系曲线，称为弹簧的特性曲线。特性曲线是设计和生产中进行检验和试验的依据。圆柱螺旋压缩及拉伸弹簧的特性曲线是相同的，现以圆柱螺旋压缩弹簧为例进行分析。自由高度为H0，初始载荷Fmin，最大工作载荷Fmax，工作行程h=λmax

－λmin，极限载荷Flim。图8-3圆柱螺旋压缩弹簧及其特性曲线13

压缩弹簧的最小工作载荷通常取为Fmin=（0.1～0.5）Fmax，但对有预应力的拉伸弹簧Fmin>F0，F0为具有预应力的拉伸弹簧开始变形时所需的初拉力。弹簧的最大工作载荷Fmax由工作条件决定，但应小于极限载荷，通常取Fmax≤0.8Flim。图8-3表明，等距圆柱螺旋弹簧所受轴向力与弹簧的变形量呈直线关系，这种特性称为线性特性，即： （8-1）式中：k称为弹簧刚度，其意义是弹簧产生单位变形量所需施加的载荷。14四、圆柱螺旋弹簧的设计计算

1、弹簧的强度计算图8-4

圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析

弹簧丝的横截面上作用着剪力F和扭矩。

扭矩T在截面上引起的最大切应力为：

考虑到剖面上有剪力F作用，还要考虑弹簧丝曲率对应力的影响，实际最大切应力应为：15强度校核公式：式中，K为曲度系数（补偿系数）；C为旋绕比（弹簧指数）

C=D2/d16

旋绕比C表示弹簧刚度的大小。当D2相同时，C值小，必然钢丝直径d大，则弹簧较硬（刚性大），卷绕成型困难；反之，C值大，弹簧刚性小。C值过大，弹簧易出现颤动。故C值不能过大，也不宜过小。故旋绕比C应在4～14之间，常用的范围为5～8。

弹簧丝直径d（单位为mm）的设计公式为:

弹簧丝直径d按手册取标准值

。172、弹簧的刚度计算圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧在轴向载荷F作用下引起的轴向变形量λ（单位为mm），由材料力学知：式中：n为弹簧的工作圈数；G为弹簧材料的弹性模量，见表8-2。由上式可求出弹簧工作圈数。

弹簧产生单位变形所需的载荷称为弹簧刚度，用k表示，由式（8-6）得：

从上式可知，C值愈小，n愈小，则弹簧的刚度愈大，弹簧愈硬。183、弹簧的稳定性计算

为了保证压缩弹簧能正常工作，其稳定工作条件为：b为高径比；[b]为许用高径比。图8-5压缩弹簧的稳定性

两端固定的弹簧，[b]＝5.3；一端固定另一端自由转动，[b]＝3.7。当b>[b]

时，应重选弹簧参数，或由于条件限制不能改变参数时，则应加装导杆或导套（图8-5b）。19

例8－1

设计一圆柱压缩弹簧，已知安装初始载荷Fmin＝200N，最大工作载荷Fmax＝560N，工作行程h＝12mm，弹簧受变载荷次数小于105，采用两端固定支座。解：（1）选择弹簧丝材料选用Ⅱ类碳素弹簧钢丝，由表8-2查得许用切应力[τ]＝0.4σb，G＝80000MPa。

（2）选择旋绕比C

取C＝5，则曲度系数为：

（3）计算弹簧丝直径d

试取弹簧丝直径d=4mm，则由手册得σb=1500MPa，故[τ]＝0.4σb=600MPa，τlim=0.5σb=750MPa，则由式（8-5）得：取d=4mm。与试选d相符，否则应重新计算。20（4）计算弹簧工作圈数n

由式（8-8）得弹簧刚度取n=10.5圈。弹簧的实际刚度应为：则：由式（8-7）得工作圈数：21（5）计算弹簧的几何尺寸中径：D2=Cd=（5×4）mm=20mm

外径：D=D2

＋d=（20＋4）mm=24mm

内径：D1=D2－d=（20－4）mm=16mm

总圈数：n1=n+n2=10.5+2=12.5节距：

自由高度：螺旋升角：弹簧丝展开长度：极限载荷：22极限变形量：弹簧的工作高度

：（6）验算弹簧稳定性高径比

因采用两端固定支承，b=3.56<5.3，故该弹簧不会失稳。（7）绘制弹簧工作图（略）。

五、组合圆柱螺旋压缩弹簧的设计——自学23一、橡胶弹簧的结构要求

1、便于安装和联接图8-7橡胶弹簧的安装第三节 橡胶弹簧242、有利于变形3、易于散热（a）自由状态；（b）受压变形；（c）l1较小，硬；（d）l2较大，软图8-8橡胶弹簧受载时的变形25二、橡胶弹簧的材料

1、橡胶弹簧的材料及其性能表8-4 橡胶弹簧材料及其性能262、对橡胶弹簧材料的一般要求

1）生成热少，即内阻尼小；

2）弹性好，伸长率大，永久变形小；

3）强度高，受交变应力时要求疲劳强度高；

4）硬度范围大，耐磨损；

5）适应环境的能力强。如耐候性好，刚度受温度变化的影响小。耐油、耐药剂、耐臭氧、耐老化。27三、橡胶材料的剪切特性和拉压特性

1、橡胶材料的剪切特性橡胶试样在剪力作用下其自由表面相对变形不超过100%时，剪切载荷与变形关系符合虎克定律（见图8-9）。图8-9相对变形量f/h与剪力P

因此，在承受剪切载荷时，橡胶材料载荷与变形的关系通常采用下式表示：

（N）（8-22）式中：AL—承载面积，mm；

G—剪切弹性模量，MPa。282、橡胶材料的拉压特性图8-10相对变形量f/h与压力P

橡胶材料在拉伸或压缩载荷下（如图8-10所示），载荷与变形的关系是非线性的。对受拉压的弹簧而言，只有在相对变形不超过15%的情况下才近似符合虎克定律。在工程中从橡胶弹簧的疲劳程度考虑，通常将其相对变形控制在<15%。所以在一般情况下，橡胶弹簧在拉伸与压缩时的变形与载荷关系，也可以近似地用下式表示：式中：E—弹性模量。293、橡胶材料的剪切弹性模量G及（拉压）弹性模量E

橡胶材料的剪切弹性模量G，主要取决于橡胶材料的硬度（图8-11），不因橡胶种类或成分的不同而有明显的变化。对于成分不同而硬度相同的橡胶，其G值之差不超过10%。在实用范围内，G和E的关系可用下面公式计算：

G＝0.117e0.03HS (MPa)式中：HS—橡胶的肖氏硬度。

E=3G图8-11橡胶的剪切弹性模量G与硬度HS的关系曲线30四、橡胶弹簧的表观弹性模量和动弹性特性

1、橡胶弹簧的表观弹性模量Ea

如前所述，橡胶试样的载荷（特别是拉压载荷）与变形是非线性的，而橡胶弹簧的结构形状一般比橡胶试样复杂。橡胶弹簧的弹性模量E须考虑主要影响因素予以修正，经过修正的弹性模量称为表观弹性模量，以Ea表示。对于拉伸橡胶弹簧Ea≈E＝3G

对于压缩橡胶弹簧，其表观弹性模量不仅取决于橡胶材料本身，而且与弹簧的形状、结构尺寸等有很大关系。31

通常压缩橡胶弹簧的表观弹性模量用下式表示：

Ea＝iG （8-24）式中 i—表示几何形状影响系数：圆柱形橡胶弹簧：i=3.6（1＋1.65S2）圆环形橡胶弹簧：i=3.6（1＋1.65S2）矩形橡胶弹簧：i=3.6（1＋2.22S2）

S=橡胶弹簧承载面积AL/自由面积AF。322、橡胶弹簧的动弹性特性

前面讲的橡胶弹簧的机械特性1～3，都是以弹簧受静载荷为基础的，而在许多实际情况中，橡胶弹簧工作时是承受动载荷，力的大小和方向是变化或高频率变化的。由于橡胶的内摩擦阻尼较大，使其变形滞后于载荷、动剪切弹性模量大于静剪切弹性模量。这种特性称为动弹性特性。橡胶弹簧的动弹性特性以动载荷系数φ表示，φ是动剪切弹性模量Gd与静剪切弹性模量G的比值：33表8-5 橡胶弹簧的动负荷系数与硬度的关系

动载荷系数主要与橡胶弹簧的硬度有关，见表8-5。还与温度和受振动载荷时的振幅、频率等因素有关，精确的做法是模拟弹簧的工作条件，通过试验确定。硬度/HS动负荷系数φ硬度/HS动负荷系数φ401.1551.28451.15601.4501.234

橡胶弹簧工作时产生的热量，除与应力、应变的变化频率有关外，还与应力、应变的数值有关。为保证足够的寿命，对于一般形状和材质的橡胶弹簧，规定了许用应力和许用应变。橡胶属于粘弹性材料，而不是纯弹性体，其力学特性比较复杂，要精确计算其弹性特性相当困难，因此，橡胶弹簧的设计主要依靠经验。五、橡胶弹簧的许用应力、许用应变和稳定性35表8-6 橡胶弹簧的许用应力及许用应变表8-7 橡胶压缩弹簧的稳定性变形型式许用应力[σ]或[τ]/MPa许用应变[ε]/%静载荷变载荷静载荷变载荷压缩31.0155剪切1.50.4258扭转20.7——结构型式轴长比备注柱形橡胶弹簧h—高度，mmd—直径，mmd1,d2—内、外径,mmb—矩形长边，mm环形橡胶弹簧矩形橡胶弹簧36六、橡胶弹簧的变形量与刚度——自学七、橡胶弹簧的使用注意事项

（1）橡胶制品的工艺过程都比较复杂，即使同厂、同批、同样配方和生产工艺的橡胶弹簧，其机械性能也存在10%~20%的误差。因此使用前应逐个检查，选择性能（如刚度）相近的弹簧装在一台设备上。

（2）更换损坏的橡胶弹簧时，一定要搞清楚材料、硬度和刚度等技术指标，其次才是形状尺寸，不能随意代替。

（3）橡胶一般怕油（耐油胶除外），因此应避免接触油脂以及酸、碱、药剂等腐蚀性介质。

（4）搬运中避免碰伤、划环，以防改变性能和降低寿命。储存中避免日晒，以防老化。37

卷扬机（铰车）和起重机在矿山、建筑、机械制造及安装等工程中广泛应用，钢丝绳是牵引、起重、提升等设备和捆扎物品等最常用的一种挠性件。常用钢丝绳的钢丝用50、60、65号钢制造，抗拉强度1400～2000MPa，丝径0.4～4mm，绳芯材料有麻、棉、石棉和软钢等。钢丝绳具有下列特点：

（1）强度高，弹性好，耐冲击和自重轻；

（2）挠性好，运行平稳，可用于高速工作；

（3）工作可靠，不会突然断裂，在断裂之前，外部钢丝先断裂和松散。第四节 钢丝绳38一、钢丝绳的结构及种类

1、根据捻绕次数分类

（1）单绕绳：[图8-12(a)]为普通单绕绳，它由几层钢丝依次围一钢芯绕制而成，特点是挠性差，强度高，不宜用于起重绳，一般用于不运动的拉索或缆索。也可做成外形封闭的单绕钢丝绳，见图8-12（b）。

（2）双绕绳：先由钢丝捻成股，再由股围绕绳芯捻成绳。绳芯材料为麻或石棉，钢丝绳挠性好，一般用在起重机中。

（3）三绕绳：将双绕绳作为股，再由几股捻成绳。挠性特别好。由于钢丝太细，易折断，不宜用于起重机中。图8-12 单绕绳392、根据捻向分类

（1）同向捻钢丝绳：如图8-13（b）所示，钢丝绳捻成股与股捻成绳的方向相同。其特点是钢丝绳之间的接触较好，表面比较平滑，挠性好，磨损小，使用寿命长。但有自行扭转和松散的趋向，易打结，不宜用于起重机中，适用于保持张紧力的场合。

（2）交互捻钢丝绳：如图8-13（a）所示，钢丝绳捻成股与股捻成绳的方向相反。其特点是没有自行扭转和松散的趋向，不易打结，常用于起重机中，但挠性小和寿命短。

（3）混合捻钢丝绳：如图8-13（c）所示，由两种相反绕向的股捻成的钢丝绳。有半数股左旋，有半数股右旋，其特点是介于同向捻和交互捻之间，一般用于大升起高度的起重机中。图8-13钢丝绳的捻向403、根据股的形状分类

（1）圆股绳：制造方便，应用广泛。

（2）异形股绳：有三角形股、椭圆股和扁股（图8-14）。特点是绳与滑轮槽或卷筒槽的接触面积大，耐磨性好，不易断丝，寿命长，比圆股绳长3倍。图8-14异形股钢丝绳41图8-15点、线、面接触的钢丝绳424、根据股的构造分类

（1）点接触绳 如图8-15（a）所示，绳股中各层钢丝直径相同，而且内外层钢丝的节距不等，相互交叉，接触在交叉点上，在工作中内钢丝易折断，寿命低，但成本低。

（2）线接触绳 如图8-15（b）所示，绳股中各层钢丝的节距相等，外层钢丝位于内层钢丝的沟缝中，内外层钢丝互相接触在一条螺旋线上形成了线接触，但需要采用不同直径的钢丝，其优点是寿命长、挠性好、强度高等。

（3）面接触绳 如图8-15（c）所示，它的优点与线接触绳相同，而且更显著，但成本高。435、根据股的数目分类

有6股绳、8股绳和18股绳（图8-16），外层股的数目越多，钢丝绳与滑轮槽或卷筒槽接触的越好，提高钢丝绳的寿命，减少滑轮或卷筒的磨损。图8-16多股钢丝绳446、绳芯

绳芯的作用是增加挠性、弹性和润滑。一般在绳中心布置一股绳芯，也可在每股中设置绳芯，绳芯有以下几种：

（1）有机芯：浸油麻绳，不适用于高温环境；

（2）石棉芯：用石棉绳制作，可耐高温；

（3）金属芯：用软钢的钢丝或绳股作为绳芯，可耐高温和承受横向压力。二、钢丝绳的型号标记——自学45钢丝绳标记举例

1）全称标记示例

例8-218

NAT

6(9+9+1)+NF

1770

ZZ

190

117

GB／T8918产品标准编号单位长度重量最小破断拉力捻向钢丝公称抗拉强度钢丝绳结构型式钢丝的表面状态钢丝绳的公称直径46例8-318ZAA6（9+9+1）+SF1770ZSGB／T89182）简化标记示例18NAT6×19S＋NF1770ZZ19018ZBB6×19W＋NF1770ZZ18NAT6×19Fi＋IWR177018ZAA6×19S＋NF47三、钢丝绳的受力分析

1、拉应力

（MPa）（8-26）式中：S—钢丝绳的拉伸载荷，N；

δ—钢丝的直径，mm；

i—钢丝绳中钢丝的根数；

d—钢丝绳的直径，mm；

ω—充满系数，。482、弯曲应力式中：E1—钢丝绳的弹性模量，E1≈80000MPa；

D—卷筒或滑轮的直径，mm。493、挤压应力

钢丝绳与滑轮槽或卷筒槽接触，拉应力引起钢丝之间、钢丝与滑轮槽或卷筒槽之间的挤压应力，如图8-17所示。图8-17钢丝绳对绳槽的挤压应力计算简图钢丝绳对绳槽的正应力为:单位弧长的压力为:

设钢丝绳与绳槽的接触圆心角为180°。根据比压正弦分布的原理，求得最大单位压力：50四、钢丝绳的选择计算

1、确定型式

（1）起重机和卷扬机的卷筒直径和滑轮直径较小，一般选用非金属芯的双绕钢丝绳，因为它芯部柔软，挠性好，制造又不太复杂。（2）对于自由悬挂重物的起重机或卷扬机，不宜选用同向捻钢绳，否则重物起吊后会发生扭转。（3）在有导轨的电梯或类似的起重系统中，可选用同向捻钢绳，因为重物在导轨约束下不会扭转。而这种钢绳比较平滑，挠性好，磨损小，寿命长。（4）起重机和卷扬机常选用交互捻钢绳。因为这种绳虽然挠性差，寿命短，但没有扭转和易松散的缺点。（5）选型时考虑绳的两端是否固定，工作环境温度，是否承受横压力，对挠性和耐磨性的要求。（6）一般无特殊要求时，可选用丝径相同的点接触普通钢丝绳；对重要场合或要求寿命长时，可选用丝径不同线接触钢丝绳。51表8-9钢丝绳的使用场合和结构形式注：e为滑轮或卷筒直径与钢丝绳直径之比。使用场合常用型号提升用单层卷绕吊钩及抓斗起重机e<206×(31)6×(37)6W(36)6T(25)8T(25)≥206×(19)6W(19)8×(19)8W(19)6×Δ21/23提升高度大的起重机多股不扭转18×7；18×19多层卷绕6W（19）金属芯牵引用无导绕系统（不绕过滑轮）1×19，6×19，6×37有导绕系统（绕过滑轮）与起升绳或辐绳同522、确定绳径

（1）选择系数法钢丝绳直径由最大工作拉力确定。式中 S—钢丝绳的最大工作静拉力，N；

d—钢丝绳的最小直径，mm；

c—选择系数，mm／。选择系数c的值与机构的工作级别有关，表8-11中的值是在ω为0.46，折减系数k为0.82时的选择系数c值。53

当钢丝绳的ω、k和σb与表条件不符合时，可由下式换算选择系数c的值。式中 n—安全系数，按表8—10；

k—钢丝绳捻制折减系数；

ω—钢丝绳充满系数；

σb—钢丝的公称抗拉强度。54表8-10选择系数c和安全系数n值注：

1、对于搬运危险物品的起重用钢丝绳，一般应按比设计工作级别高一级的工作级别选择表中的c或n值，对起升机构工作级别为M7、M8的某些冶金起重机，在保证一定寿命的前提下允许按低的工作级别选择，但最低安全系数不得小于6。

2、对缆索起重机的起升绳和牵引绳可做类似处理，起升绳的最低安全系数不得低于5，牵引绳的最低安全系数不得小于4。

3、臂架伸缩用的钢丝绳，安全系数不得小于4。55（2）安全系数法按钢丝绳所在机构的工作级别有关的安全系数选择钢丝绳直径。所选钢丝绳的破断拉力应满足下式。

F0≥Sn （8-34）式中 n——钢丝绳最小安全系数，按表8-10；

S——钢丝绳最大工作静拉力，N；

F0——所选用钢丝绳破断拉力，N。在GB1102—74中给出钢丝被拉断拉力的总和ΣS丝，而不是整根钢丝绳的破断拉力F0。对于纤维芯的钢丝绳

F0＝α1ΣS丝（8-35）对于7×7金属芯的钢丝绳

F0＝α1ΣS丝（8-35）式中 α1、α2—钢丝绳破断拉力换算系数，见表8-12。56表8-11钢丝绳破断拉力换算系数注：系数α1引自GB1102-74，系数α2按该标准中数据算出。57五、钢丝绳的使用

1、延长钢丝绳寿命的方法

（1）提高安全系数，降低钢丝绳的应力。

（2）增大滑轮和卷筒的直径。

（3）选择合理的滑轮槽和卷筒槽的尺寸，理想的绳槽半径为R＝0.53d。

（4）减少钢丝绳的弯曲次数，并避免反向弯曲，如图8-18所示。

（5）定期保养和润滑。图8-18钢丝绳弯曲方向示意图582、钢丝绳的润滑与防锈一般用毛刷将一种不含酸、碱及其它有害杂质的特殊润滑油（石墨和凡士林的混合物）涂抹在钢绳表面。为使润滑油浸入钢绳内部，应事先将润滑油加热到80°以上，以增加其流动性和渗透性。若不是新钢丝绳，在涂油前还应该用钢丝刷刷去绳上污物，再用煤油或轻柴油清洗。3、严格执行钢丝绳报废标准新钢丝绳和正常工作的钢丝绳极少突然断裂。钢丝绳的破坏主要是外层钢丝的磨损和疲劳，逐渐断裂。当钢丝的断裂达到一定的数量时，就应当报废。有下列情况之一者应当报废：

钢丝绳被烧坏或断了一股；钢丝绳表面钢丝被腐蚀、腐蚀达到钢丝直径的40%以上；受过死角拧扭，部分受压变形；钢丝绳在一个捻距中的断丝根数达到表8-13所列数值。59表8-12钢丝绳报废标准注：同向捻钢丝绳其断丝根数减半。60

对于外层钢丝直径不等的钢丝绳，每根粗钢丝按1.7根计算，若外层钢丝磨损，但未达到40%，可根据磨损程度，适当降低报废的断丝标准，见表8-13。表8-13钢丝绳报废断丝标准的折减钢绳直径磨损/%报废断丝折减/%钢绳直径磨损/%报废断丝折减/%1015208575702530406050报废614、钢丝绳端部的固定方法（1）编结法 （2）楔形套筒固定法（3）锥形套筒灌铅法（4）绳卡固定法 图8-19钢丝绳接头的方法62

结构一词的本意是各个组成部分的搭配和排列，是结合与构造的简称。结构件是由多个元件按某种规则搭配和排列的结合体或组合体。机械工程中的结构件通常是用各种型钢、钢板或钢管，采用焊接、铆接或螺纹联接等方法制造而成，如图8-20所示。图8-20 带支架的沉淀槽第五节 结构件63一、机体

机体是支承、容纳、约束机器的零部件，并保证其相对位置的基础构件。对于一般的机器，如离心机、水泵等，机体是整机的一部分。而对于某些机器，如机车、选煤厂用的跳汰机和浮选机等，机体在体积和重量上占据机器的绝大部分。至于旋流器、沉淀槽和化工厂用的容器、储罐、塔器等，它们没有运动件和原动机，称为静设备，机体则是机械设备的全部。根据机器设备的工作情况和载荷情况，机体的结构形式差别很大，通常可分为机身、机座、机架和机壳，如表8-17所示。64表8-16 机体结构类型注：对某一具体机体，有时很难把它归于哪种结构，因为它可能界于两种甚至多种结构之间。在进行力学计算时，要分别按杆系、板壳和实体分别进行，道理同上，这种区分也是困难的。究竟按哪种计算，取决于计算工作量和要求精度。65

机器工作时，机体一般是固定不动的，用地脚螺栓将其与地基紧固在一起。但是车船和飞机等机体在工作时是运动的。有些机器，如沉降式离心机、转筒式混合机和回转窑等，工作时上部机壳（上机体）是运动的，而下部的机架（下机体）则是固定不动的。不管机体工作时是否运动，凡是符合结构件用材、制造工艺和结构特征的机体，特别是机架与机壳，都属于结构件。有的文献把机器的机体广义地称为机架，并按其外型分为：网架式、框架式、梁柱式、板块式、箱壳式；按制造方法分为：铸造机架、焊接机架、螺栓联接或铆接机架；按材料分为：金属机架、钢筋混凝土机架、塑料机架等；按力学模型分为杆系结构、板壳结构、实体结构；按结构分为整体机架或剖分机架、铰接点桁架或刚支点刚架；按运动状态分为固定式和移动式。66二、钢结构

符合结构件特征的组合体有时不属于机器，而是具有另外的功用。如厂房、工棚内的梁、柱、桁架、梯子、走廊和围栏等；安装机器设备用的支架、吊架、拖架、操作平台等，在建筑工程中统称为钢结构，在机械工程中按习惯称其为结构件。有些机器部件不属于机体，但符合结构件的特征，如带传动的安全护罩、压滤机的集水槽、耙式浓缩机的刮耙等，它们也属于结构件。67三、机架设计的准则和步骤

1、设计准则和一般要求

（1）工况要求：

（2）刚度要求：

（3）强度要求：

（4）稳定性要求：

（5）重量轻、选材合理，成本低。

（6）截面合理、结构合理、便于制造，便于机器装配、调整和检修，以及机架本身的吊装和运输。

（7）防腐、耐磨、散热以及便于取样等。

（8）外形美观。682、机架设计步骤

（1）根据特定的工况要求、载荷情况和设计准则，初步确定机架的结构、形状和尺寸。画出草图。

（2）根据材料供应情况确定采用哪一种或哪几种型钢，以及型钢的规格。

（3）进一步细化结构设计，在草图基础上画出投影图或立体图的图形。

（4）标注尺寸和焊缝，非重要机架的焊缝也可不注，由制作人员确定。

（5）对于重要的梁、柱、桁架等应进行必要的力学计算，而对于非常重要的容器等，应进行认真的力学计算和专门的机械设计，参见压力容器书籍。69四、钢结构选择的一般规则

（1）结构的内力分布情况要与材料的性能相适应，以便发挥材料的优点。轴力较弯矩能更充分地利用材料。图8-21杆件受轴力或弯矩的应力分析70

（2）结构的作用在于把载荷由施力点传到基础。载荷传递的路愈短，结构使用的材料愈省。图8-22(a)和(b)所示为钢架常用的两种腹杆布置。图a为斜杆腹系，长斜杆在载荷作用下承受拉力，这是一个优点。但是载荷通过交替的斜杆和竖杆传到桁架的两端所经的路程很长。在图b所求的三角形腹系中，载荷通过斜杆传到桁架两端所经的路程就比较短。由于这个原因，图b所示桁架使用材料较少。图8-22钢架腹杆的布置71（3）结构的连续性可以降低内力，节省材料。例如在同样载荷下图8-24（a）所示刚架受到的弯矩比图8-24（b）所示刚架受到的要小。一般来说，连续刚架比孤立的梁柱体系要经济。以上规则在实际应用中有时是互相矛盾的。例如图8-24（a）所示结构和（b）所示结构比较起来，是互有利弊的。一方面由于结构的刚性，图（a）所示结构中梁的弯矩较小，但在另一方面由于结点的刚性，柱的弯矩增加了。图8-2472五、梁的结构设计

1、梁的种类承受横向载荷的受弯构件称为梁。按使用功能，梁可分为工作平台梁、吊车梁、楼盖梁、墙梁和檩条等；按支承情况，梁可分为简支梁、外伸梁、悬臂梁、连续梁和框架梁等。

2、梁的截面形状

钢梁的截面形状如图8-25图8-25 钢梁的截面形式73（1）整体稳定为有效利用材料，提高抗弯能力，一般将梁设计成高而窄且壁厚较薄的开口截面。对于侧向刚度远小于竖向刚度的梁，若载荷较小，梁仅有竖向弯曲，无侧向失稳；若载荷较大，使梁的受压翼缘的应力达到某一数值时，梁会突然向刚度较小的侧向弯曲，并伴随扭转，使梁在未达到竖向抗弯能力之前就失去承载能力，这种现象称梁整体失稳。图8-26提高梁整体稳定性的措施3、梁的失效