化工机械设计基础第12章.docx
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化工机械设计基础第12章
前言
一、《过程设备机械设计基础》课程的内容和性质
本课程以一般工况条件下的常用机构和通用机械零部件为研究对象,以它们的工作原理、运动特性、结构形式以及设计、选用和计算方法等为研究内容。
本课程是工科机电类、近机类、非机类和工业设计各专业的主干课程,是学生必备的专业技术基础知识。
从基础理论课程学习过渡到专业课程学习的过程中,本课程起着承上启下的作用,她将为以后学习专业机械设备课程或学习专业课程中有关机械的内容,打下坚固的基础。
二、《过程设备机械设计基础》课程的任务
⑴初步掌握各种常用机构的运动特点、了解机构的结构特点对机构运动的影响,从而对如何实现机械设备的预期运动具有初步认识。
⑵掌握各种常用机构和通用零件的结构、工作原理、性能特点、应用场合、使用维护等方面的基本知识,以及它们的主要失效形式和失效原因。
⑶初步掌握设计计算通用零部件的方法和正确使用有关标准、规范、图表手册等选用标准件的方法,具备设计常见传动装置和简单机械的能力。
⑷掌握常用工程材料的种类、牌号、成份、性能和用途,具备根据一般工程条件选择材料的能力。
⑸掌握液压传动与气压传动的工作原理、特点与各种元件的结构原理,初步掌握分析各种回路的方法和处理常见故障的方法。
⑹培养学生的创造性思维方法和与机械工程师交流、合作的协同能力。
第一章机械设计总论
第一节机器的组成
1——气缸体
2——活塞
3——连杆
4——曲柄
5、6——齿轮
7——凸轮
8——顶杆
9——排气阀
10——进气阀
图1-1内燃机
图1-2搅拌机
第二节平面机构的运动简图
一、平面机构的运动副和自由度
机构中使两构件相互接触而又允许产生某些相对运动的活动联接称为运动副。
一个自由构件的平面运动可分解为三个独立运动,即沿x、y坐标轴的移动和垂直于坐标平面的转动。
使机构具有确定运动所必须给定的独立运动的数目,称为机构的自由度。
两构件构成运动副后,某些独立的相对运动便受到约束,相对运动自由度随之减少。
机构要具有确定的运动,原动件数目必须等于机构的自由度数目。
表1-1平面机构运动副的分类及性质
分类
定义
结构图例及简图
运动副对构件相对运动的约束
经运动副约束后,构件余下的相对运动自由度
低
副
两构件通过面接触构成的运动副
转
动
副
2
沿x轴和y轴的相对移动被约束
1
允许绕Z轴的相对转动
移
动
副
2
沿x轴的相对移动和绕y轴的相对转动被约束
1
允许沿Z轴的相对移动
高
副
两构件通过点或线接触构成的运动副
齿
轮
副
1
沿公法线的相对移动被约束
2
允许沿公切线方向的相对移动和绕垂直于坐标平面的轴的相对转动
第四节机械零件的失效形式、设计准则、设计步骤及标准化
第二章工程材料
§2-1材料的分类
一、工程材料
工程材料
金属材料
黑色金属
铸铁
碳钢
合金钢
有色金属
重金属:
铜、铅、锌、镍等
轻金属:
铝、镁、钛等
贵金属:
金、银、铂等
稀有金属:
钨、钼、铌等
特殊金属材料:
非晶态金属、形状记忆合金、超导材料
无机非金属材料
硅酸盐材料
玻璃
传统陶瓷
耐火材料
搪瓷材料
新型无机非金属材料(特种陶瓷或先进陶瓷)
高分子材料
合成塑料
热塑性塑料
热固性塑料
橡胶
天然橡胶
合成橡胶
纤维
天然纤维
合成纤维
涂料
合成树脂涂料
油脂、天然脂涂料
粘合剂
复合材料
树脂基复合材料
金属基复合材料
陶瓷基复合材料
碳—碳复合材料
图2-1材料的分类
二、钢的分类
按化学成分分类
碳素钢
低碳钢(C≤0.25%)
中碳钢(0.25% 高碳钢(C>0.6%) 合金钢 按合金种类分 锰钢 铬钢 硼钢 铬镍钢 硅锰钢 按合金元素含量分 低合金钢(元素合金含量<5%) 中合金钢(元素合金含量=5%~10%) 高合金钢(元素合金含量>10%) 按质量分类 普通钢(S<0.05%,P≤0.045%) 优质钢(S≤0.035%,P≤0.035%) 高级优质钢(S≤0.020%,P≤0.030%) 特级优质钢(S≤0.015%,P≤0.025%) 按用途分类 结构钢 建筑及工程用钢 机器结构钢 渗碳钢 调质钢 弹簧钢 滚动轴承钢 工具钢 刃具钢 模具钢 量具钢 特殊性能钢 不锈钢 耐磨钢 耐热钢 磁钢 按显微组织分类 铸造态钢 正火态钢 图2-2钢的分类 第二节金属材料的性能 一、力学性能 1.强度与塑性 1)强度 强度是金属材料抵抗永久变形和断裂的能力。 图2-3拉伸试样 图2-4低碳钢的力—伸长量曲线 (1)屈服点(屈服极限)屈服点是材料产生明显永久性变形时的最低应力。 σS=FS/S0(MPa) 式中Fs——试样屈服时的拉伸力,N; S0——试样原始横截面积,mm2。 (2)抗拉强度(强度极限)抗拉强度是试样拉断前所能承受的最大拉应力。 σb=Fb/S0(MPa) 式中Fb——试样拉断前承受的最大拉伸力,N。 2)塑性 (1)断后伸长率 δ=(L1-L0)/L0×100% 式中L0——试样的原始标距长度,mm; L1——试样拉断后的标距长度,mm。 (2)断面收缩率 ψ=(S0-S1)/S0×100% 式中S1——试样拉断处的最小横截面积,mm2。 2、硬度 1)布氏硬度 用单位压痕球面积上所承受的试验力作为布氏硬度值。 淬火钢球用HBS表示。 硬质合金球用HBW表示。 如120HBS10/1000/30表示用直径为10mm的淬火钢球作压头,在9807N(1000kgf)试验力作用下保持30s所测得的布氏硬度值为120。 在一般的零件图上或工艺文件中,可只标出硬度值的大小和符号,而不必标出试验条件,如200~230HBS。 图2-5布氏硬度试验原理简图 布氏硬度试验所测的硬度值,能反应材料的平均硬度,测量结果较准确。 但压痕大,不宜测试成品件和硬度高、厚度小的材料。 通常用于测试铸铁、有色金属和各种硬度不高的钢材及半成品件。 2)洛氏硬度 图2-6洛氏硬度试验原理简图 用主试验力作用下压入试件表面的残余压痕深度增量bd确定硬度值。 为测量不同硬度材料的洛氏硬度,可采用不同压头和试验力,对应有HRA、HRB、HRC,其中以HRC应用最广,如62HRC。 洛氏硬度试验操作迅速、简便,所能测试的硬度范围大,压痕小,可测试成品表面及较薄件。 但测量准确性不高。 为此,规定同一试件测三次取平均值为宜。 3.韧性 传统的试验方法为摆锤式一次冲击试验,韧性的判据用冲击吸收功或冲击韧度表示。 冲击吸收功是试样在冲击试验力作用下折断时所吸收的功,冲击韧度是指冲击试样缺口处单位面积上的冲击吸收功,冲击吸收功或冲击韧度的数值越大,材料的韧性越好,抗冲击破坏的能力越强。 二、其他性能 1.物理性能 1)密度 金属的密度是指单位体积内所含金属的质量。 如要求质量轻和惯性小的零件,均采用密度小的铝合金制造。 2)熔点 熔点是金属或合金从固态向液态转变时的温度。 如熔点高的金属材料可以用来制造耐高温零件。 3)导热性 金属传导热量的能力称为导热性。 一般来说,金属纯度越高,其导热能力就越大。 制造散热器、热交换器与活塞等零件时,常选用导热性好的金属。 4)导电性 金属传导电流的性能称为导电性。 纯金属的导电性总比合金好。 如常用纯铜、纯铝做导电材料,而用导电性差的铜合金和铝合金材料作电热元件。 5)热膨胀性 热膨胀性为金属随着温度变化而膨胀、收缩的特性。 一般受热时膨胀冷却时收缩。 6)磁性 金属在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的能力称为磁性。 铁磁性材料(在外加磁场中,能被强烈磁化到很大程度,如铁、镍、钴等)、顺磁性材料(在外加磁场中呈现十分微弱的磁性,如锰、铬,钼等)、抗磁性材料(能够抗拒或减弱外加磁场磁化作用的金属材料,如铜、金、银、铅、锌等)。 铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。 抗磁性材料则可用作要求避免磁场干扰的零件和结构材料。 2.化学性能 1)耐腐蚀性 耐腐蚀性是金属在常温下抵抗氧,水及其他化学介质腐蚀破坏的能力。 2)抗氧化性 抗氧化性是金属在加热时抵抗氧化作用的能力。 3.工艺性能 1)铸造性能 2)锻造性能 3)焊接性能 4)切削加工性能 第三节常用金属材料 一、常用钢铁材料 钢是以铁为主要元素,碳的质量分数ωC在2.11%以下,并含有其他元素的铁碳合金。 铸铁是碳的质量分数ωC>2.11%,并有较高含硅量的铁碳合金。 1.非合金钢(碳钢) 非合金钢的性能可满足许多机械零件和工程结构的使用要求,且工艺性能较好,价格低廉、产量大、品种多、规格全,在工业中应用很广。 低碳钢(ωC<0.25%)、中碳钢(ωC=0.25%~0.6%)、高碳钢(ωC>0.6%)。 低碳钢的强度、硬度低,塑性、韧性好,中碳钢通常具有良好的综合力学性能,高碳钢的强度、硬度高,但塑性、韧性较低。 普通质量碳钢(钢中S、P含量较高)、优质碳钢(钢中S、P含量较普通质量碳钢少)、特殊质量碳钢(钢中S、P的含量很低,且严格控制)。 结构钢主要用于制造机械零件及工程结构件,工具钢主要制造各种刃具、量具和模具等。 1)碳素结构钢 如Q235-A·F,表示σS≥235MPa,质量等级为A级,脱氧方法为沸腾钢的碳素结构钢。 表2-2碳素结构钢的牌号、力学性能及用途(部分摘自(GB/T700一1988) 牌号 力学性能 用途举例 σS(不小于)/MPa σb/MPa δS(不小于)/% 钢材厚度 (直径)≤16mm 钢材厚度 (直径)≤16mm Q195 195 315~390 33 用于制造薄板、低碳钢丝、焊接钢管、铁塔、井架、钢钉、钢丝网、地脚螺栓、焊接件、冲压件、五金工具、水壶、罐头筒等 Q215A Q215B 215 335~410 31 Q235A Q235B Q235C Q235D 235 375~460 26 有良好的强度、塑性、焊接性、切削加工性等,价格低廉,应用最广。 常用来制造薄板、钢筋、钢结构用各种型条钢、中厚板、铆钉,某些机械零件,常用化工容器的外壳、法兰 Q255A Q255B 255 410~510 24 用来制造钢结构用各种型条钢和钢板,其应用不及Q235A钢广泛;也用于制造各种机械零件 Q275 275 490~610 20 有较高的强度、硬度和较好的耐磨性,经热处理后可用于制造齿轮轴、心轴、转轴、销轴、链轮、键、螺母、螺栓、垫圈等 2)优质碳素结构钢 如45表示平均碳含量为0.45%的普通锰含量的优质碳素结构钢,65Mn表示平均碳含量为0.65%的较高锰含量的优质碳素结构钢。 表2-3常用优质碳素结构钢的牌号、力学性能及用途(部分摘自GB/T699-1999) 牌号 力学性能(不小于) 用 途 举 例 正火状态 σS/MPa σb/MPa δS/% 10 10F 205 335 31 制造锅炉管、油桶盖、钢带、钢丝、钢板和型材和制造机械零件 20 20F 245 410 25 用于工作应力较小而要求韧性较高的各种机械零件,如拉杆、螺钉、起重钓等;还可用于心部强度要求不高的渗碳零件,如轴套、链条的滚子、轴以及不重要的齿轮、链轮等 35 315 530 20 用作热锻的零件。 冷拉钢材,无缝钢管,机械制造中的零件,如转轴、曲轴,轴销、拉杆、连杆、横粱、套筒,钩环、垫圈、螺钉、螺母等 40 335 570 19 制造运动类零件,如辊子、轴、曲柄销、传动轴、活塞杆、连杆、圆盘等 45 355 600 16 制造运动类零件;还可代替渗碳钢制造齿轮、轴、活塞销等零件,但零件须经高频或火焰表面淬火。 并可用作铸件 55 380 645 13 制造齿轮、连杆、轮圈、轮缘、扁弹簧及轧辊等,也可用作铸件 65 410 695 10 制造弹簧、弹簧圈、轴、轧辊、各种垫圈、凸轮及钢丝绳等 3)碳素工具钢 如T8表示平均碳含量为0.8%的优质碳素工具钢。 若牌号末尾加“A”,表示钢中硫、磷含量较少,为高级优质钢,如T10A。 表2-4常用碳素工具钢的硬度和用途(部分摘自GB/T1298-1986) 牌 号 退火状态 试样淬火 用 途 举 例 HBS(不大于) HBS(不小于) T7 187 62 用于能承受冲击、硬度适当,并有较好韧性的工具,如手钳、大锤及木工工具等 T8 187 用能承受冲击、要示较高硬度与耐磨性的工具,如冲头、木工工具等 T9 192 用于高硬度、中等韧性的工具,如冲头等 T10 197 用于不受剧烈冲击,要求硬度高、耐磨的工具,如冲模、钻头、丝锥、车刀等 T11 207 T12 207 用于不受冲击,要求硬度高、极耐磨的工具,如锉刀、精车刀、量具、丝锥等 T13 217 用于刮刀、拉丝模、锉刀、剃刀等 4)优质铸造碳钢 如ZG200—400表示。 σS≥200MPa,σb≥400MPa的铸钢。 表2-5优质铸造碳钢的牌号、力学性能和用途 牌号 力学性能(最小值) 用 途 举 例 σS/MPa σb/MPa δS/% ZG200—400 200 400 25 用于受力不大、要求有良好韧性的各种机械零件,如机座、变速箱壳等 ZG230—450 230 450 22 用于受力不大、要求有良好韧性的各种机械零件,如砧座、外壳、轴承盖、底板、阀体等 ZG270—500 270 500 18 用于轧钢机机架、轴承座、连杆、箱体、曲轴、缸体、飞轮、蒸汽锤等 ZG310—570 310 570 15 用于载荷较大的零件,如大齿轮、缸体、制动轮、辊子等 ZG340—640 340 640 10 用于重型机械中的齿轮、联轴器及重要的机件等 2.低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢是在低碳钢的基础上加入少量合金元素而制成的。 这类钢具有较高强度(σS≥295MPa)和塑性、一定的耐蚀性以及良好的焊接性能,而其成本与碳素结构钢相近,故广泛用于桥梁、车辆、船舶、压力容器等。 低合金高强度结构钢的牌号与碳素结构钢相同。 表2-6常用低合金高强度结构钢的牌号、力学性能和用途(部分摘自GB/T1591-1994) 牌号 力学性能(最小值) 用 途 举 例 σS/MPa σb/MPa δS/% Q295 295 390~570 23 用于低、中压化工容器,低压锅炉汽包,车辆冲压件,建筑结构件,输油管,储油罐,有低温要求的金属构件 Q345 345 470~630 21~22 用于各种大型船舶,铁路车辆、桥梁、管道、锅炉、压力容器、石油储罐、水轮机涡壳、起重及矿山机械、电站设备、厂房钢架等承受动载荷的各种焊接结构件,一般金属构件和零件 Q390 390 490~650 19~20 用于中、高压锅炉汽包,中、高压石油化工容器,大型船舶,桥梁,车辆及其他承受较高载荷的大型焊接结构件,承受动载荷的焊接结构件,如水轮机涡壳 Q420 420 520~680 18~19 用于中、高压锅炉及容器、大型船舶、车辆,电站设备及焊接结构件 Q460 460 550~720 17 淬火、回火后用于大型挖掘机、起重运输机械、钻井平台等 3.合金钢 合金钢是指合金元素的种类和含量高于国标规定范围的钢。 合金元素是为改善钢的性能在冶炼时有意加入钢中的元素,常用的合金元素有: Si、Mn、Cr、Ni、V、W、Mo、Al、B等。 由于合金元素的存在,使钢的力学性能得到提高,特别是使钢的淬透性(指钢淬火后获得淬硬层深度的能力)提高。 某些合金元素的加入还可使钢具有一些特殊性能,如耐蚀性、抗氧化性等。 合金钢常用来制造更加重要的机械零件和工程结构件以及一些在特殊条件下工作的钢件。 1)合金钢的分类与牌号 如20CrMnTi表示平均ωC=0.2%,含Cr、Mn、Ti三种合金元素,其含量均在1.5%以下的合金钢。 9Mn2V表示平均ωC=0.9%,Mn的平均含量为2%,V的平均含量低于l.5%的合金工具钢。 2)合金结构钢 (1)合金渗碳钢 表2-7常用合金渗透碳钢的力学性能和用途(部分摘自GB/T3077-1999) 牌号 力学性能(不小于) 用 途 举 例 σS/MPa σb/MPa δS/% 20Cr 540 835 10 用于截面在30mm以下形状复杂、心部强度要求较高、工作表面耐磨的零件,如变速箱齿轮、凸轮、蜗杆、活塞销、爪形离合器等 20CrMnTi 850 1080 用于在汽车、拖拉机工业中用于截面在30mm以下,承受高速、中或重载荷以及受冲击、摩擦的重要渗碳件,如齿轮、轴、齿轮轴、爪形离合器、蜗杆等 20Cr2Ni4 1080 1180 用于大截面、较大载荷、交变载荷作用下工作的重要渗碳件,如大型齿轮、轴等 (2)合金调质钢 表2-8常用合金调质钢的力学性能和用途(部分摘自GB/T3077-1999) 牌号 力学性能(不小于) 用 途 举 例 σS/MPa σb/MPa δS/% 40Cr 785 980 9 用于制造承受以中等载荷和中等速度工作的零件,如汽车后半轴及机床上齿轮、轴、花键轴、顶尖套等 35CrMo 835 12 可在中、高频表面淬人、低温回火后用于大载荷下工作的重要结构件,特别是受冲击、震动、弯曲、扭转载荷的机件,如主轴、大电机轴、曲轴、锤杆等 38CrMoAl 14 用制造机床主轴、精密丝杠、精密齿轮、高压阀门、压缩机活塞杆、橡胶及塑料挤压机上的各种耐磨件 40CrNiMoA 12 用于要求韧性好、强度高及大尺寸的重要调质件,如重型机械中大载荷的轴类、直径大于250mm的汽轮机轴、叶片、曲轴等 (3)合金弹簧钢 表2-9常用合金弹簧钢的力学性能和用途(部分摘自GB/T1222-1984) 牌号 力学性能(不小于) 用 途 举 例 σS/MPa σb/MPa δS/% 60Si2Mn 1177 1275 30 用于汽车、拖拉机、机车上的减振板簧和螺旋弹簧,气缸安全阀簧,电力机车用升弓钩弹簧,止回阀簧,还可用于250℃以下使用的耐热弹簧 50CrVA 1128 1275 40 用于较大截面的大载荷重要弹簧及工作温度小于 350℃的阀门弹簧、活塞弹簧、安全阀弹簧等 30W4Cr2VA 1324 1471 40 用于工作温度不大于500℃的耐热簧,如锅炉主安全阀弹簧、汽轮机汽封弹簧等 3)合金工具钢 合金工具钢按用途分为合金量具刃具钢、高速工具钢、合金模具钢等。 4)不锈钢和耐热钢 (1)不锈钢。 不锈钢是以铬为基本元素,能抵抗大气或其他介质腐蚀的钢。 根据使用时的组织分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢和奥氏体铁素体不锈钢等。 (2)耐热钢。 4.铸铁 铸铁是具有良好的铸造性能、切削加工性、减震性和减磨性,且价格低廉的铁碳合金材料,在工业生产中广泛应用。 1)灰铸铁 灰铸铁中的碳全部或部分地以片状石墨的形式存在,断口呈暗灰色。 灰铸铁的抗拉强度低、塑性和韧性差。 良好的铸造性、切削加工性、减磨性、减震性和低的缺口敏感性。 如HT200代表最低抗拉强度为200MPa的灰铸铁。 表2-10灰铸铁的牌号、力学性能与用途(摘自GB9439-1988) 牌号 单铸试棒σb/MPa(不小于) 用途 HT100 100 用于载荷小,对摩擦、磨损要求不高的零件,如端盖、油盘、手轮、支架、底板等 HT150 150 用于承受中等载荷的零件,如机床上的底座齿轮箱、刀架、转速较低的皮带轮,在腐蚀介质中工作的泵壳、法兰等 HT200 200 用于承受较大载荷和要求一定的气密性或耐蚀性的零件,如一般机械制造中较为重要的铸件(如汽缸、齿轮、机床床身及立柱),汽车拖拉机的汽缸体、汽缸盖、活塞、刹车轮等,承受压力的油缸、泵体、阀体、中等转速的皮带轮,要求一定耐蚀能力的化工容器、塔器等 HT250 250 HT300 300 用于承受大载荷的重要零件,如剪床、自动车床、重型机床床身、机座,受力较大的齿轮,凸轮、衬套、大型发动机的曲轴、汽缸体、汽缸盖、高压的油缸、泵体、阀体、冷冲模、高转速的皮带轮等 HT350 350 2)球墨铸铁 球墨铸铁中的碳以球状石墨的形式存在,球墨铸铁的力学性能比灰铸铁高得多,强度与部分钢接近。 塑性、韧性也大为改善。 铸造性能、减振性比灰铸铁差。 如QT450-10代表最低抗拉强度为450MPa,最低断后伸长率为10%的球墨铸铁。 表2-11常用球墨铸铁牌号、力学性能和用途(摘自GB/T1348-1988) 牌号 力学性能(不小于) 用途举例 σb/MPa δS/% QT400—18 400 18 用于农机具零件,如犁铧、犁柱、差速器壳等,汽车、拖拉机的轮毂、驱动桥壳体、离合器壳、差速器壳、拨叉等,阀门的阀体、阀盖、压缩机上高低压汽缸、电动机壳、齿轮箱、飞壳等 QT400—15 400 15 QT450—10 450 10 QT500—7 500 7 用于内燃机的机油泵齿轮、铁路机车车辆轴瓦、机器座架、传动轴、飞轮、电动机架等 QT600—3 600 3 用于载荷大、受力复杂的零件,如汽车、拖拉机的曲轴、连杆、凸轮轴、气缸套,部分磨床、铣床、车床的主轴、机床蜗杆、轧钢机轧辊、大齿轮,小型水轮机主轴,气缸体,桥式起重机大小滚轮等 QT700—2 700 2 QT800—2 800 2 QT900—2 900 2 用于高强度齿轮、如汽车后桥螺旋锥齿轮、大减速器齿轮,内燃机曲轴、凸轮轴等 3)可锻铸铁 可锻铸铁中的碳以团絮状石墨的形式存在,可锻铸铁的力学性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间,且不能锻造成型。 如KTH350—10代表最低抗拉强度为350MPa,最低断后伸长率为10%的黑心可锻铸铁;KTZ650—02代表最低抗拉强度为650MPa,最低断后伸长率为2%的珠光体可锻铸铁。 表2-12常用可锻铸铁牌号、力学性能和用途(摘自GB9440~1988) 牌号 力学性能(不小于) 用途举例 σb=/MPa δS/% KTH300—06 300 6 用于汽车、拖拉机零件,如后桥壳、轮壳、转向机械壳体、弹簧钢板支座等,钩型板手、弯头、三通等管件、中压阀门
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