过程设备机械设计基础1
机械设计基础机械系统的热设计原理
机械设计基础机械系统的热设计原理机械设计基础-机械系统的热设计原理机械系统的热设计原理在机械设计过程中起着重要的作用。
一个良好的热设计可以提高机械系统的工作效率、延长机械设备的使用寿命，同时也可以减少能源的消耗和环境的污染。
本文将着重探讨机械系统的热设计原理，并对其中的关键因素进行分析和解释。
一、热传导热传导是机械系统热设计中的基础知识。
它描述了热能如何通过物质的传导方式从一个区域流向另一个区域。
导热系数是衡量物质导热性能的重要参数，它表示单位时间内单位面积上的热量传导量。
在机械系统中，通过合理选择材料和结构形式，可以提高导热系数，从而提高热传导效率。
二、散热散热是机械系统中常见的热设计问题之一。
在机械设备运行过程中，由于摩擦、传动、电路等原因会产生大量的热量，如果不能及时有效地散热，将导致机械设备温度升高，甚至引发设备故障。
因此，在机械设计中，需要考虑如何增加散热面积、改善散热方式以及选择合适的散热材料等因素，以提高机械系统的散热效率。
三、热膨胀热膨胀是机械系统热设计中不可忽视的问题之一。
当机械设备受热时，材料会发生膨胀，而当机械设备冷却时，材料会发生收缩。
这种热膨胀现象会对机械系统的正常运行造成不利影响，例如导致零件的变形、轴承的间隙变大等问题。
因此，在机械设计中，需要合理考虑材料的热膨胀系数，采取一些措施，如设置伸缩装置、选择适应性较好的材料等，来减少热膨胀对机械设备的影响。
四、温度控制温度控制是机械系统热设计中的重要环节之一。
不同的机械设备在工作过程中，对温度的要求是不同的。
有些机械设备要求保持较低的温度，而有些机械设备则要求保持较高的温度。
因此，在机械设计中，需要根据机械设备的要求，合理选择散热器、冷却系统、加热系统等元件，以实现对温度的控制。
五、节能设计节能设计是当前机械设计中的热点问题之一。
随着能源消耗和环境污染问题的日益凸显，节能已成为各个领域的重要任务。
在机械系统的热设计中，通过改善能量转换效率、优化热能利用等方式，可以有效地减少能源的消耗，同时减少对环境的影响。
机械设计基础掌握机械设计的标准和规范
机械设计基础掌握机械设计的标准和规范机械设计基础：掌握机械设计的标准和规范机械设计是一门专业领域，涉及到设计、制造和维护机械部件和系统的技术与原则。
在进行机械设计时，了解和遵守机械设计的标准和规范是非常重要的。
这些标准和规范确保设计的机械部件和系统具有稳定性、安全性和可靠性。
本文将介绍一些常见的机械设计标准和规范。
一、设计规范1. 国家标准国家标准是机械设计过程中必须遵守的基本规范。
例如，GB（国标）系列标准包括了机械设计的各个方面，如标准尺寸、公差、材料选用等。
在进行设计过程中，设计师应该查阅并遵循相关的国家标准。
2. 行业标准不同行业都有自己的标准和规范，特别是涉及到特殊需求和安全要求的机械设备。
例如，ISO（国际标准组织）和ASME（美国机械工程师学会）发布了许多广泛应用的机械设计标准和规范。
设计师需要根据所涉及的行业和机械设备选择相应的行业标准。
3. 设计手册和参考书设计手册和参考书是机械设计师的宝贵资源。
这些书籍包含了许多设计规范和原则，可以帮助设计师解决各种设计问题。
设计师需要善于使用这些参考书，并根据实际需求做出正确的设计决策。
二、尺寸与公差1. 尺寸界定在机械设计中，尺寸界定是指对所设计的零件进行尺寸规定和界定。
通常使用基本尺寸和公差来表示。
基本尺寸是零件最大和最小尺寸，公差表示了允许的尺寸偏差范围。
在进行尺寸界定时，应根据设计要求和功能需求选择合适的公差等级。
2. 公差分配公差分配是指将总公差按照设计要求分配到各个加工尺寸上的过程。
公差分配的目的是确保设计的零件能够满足功能和装配要求。
在进行公差分配时，应根据功能要求和装配要求合理分配公差，以确保零件之间的配合能够良好。
三、材料选用在机械设计中，材料的选用对于设计的成功至关重要。
合适的材料应具备机械性能、耐腐蚀性、耐磨性、温度稳定性等特性。
在选择材料时，应考虑到设计的特定要求和环境条件，同时还需要查阅相关的材料手册和数据库，以获取材料的物理和机械性能参数。
机械设计基础第1章 绪论
1.1.2 机械中的构件、零件和部件 1. 构件 机构是由构件组成的，构件在机构中具有独立的运动特性， 在机械中形成一个运动整体。如图1-2（a）所示的内燃机是由 活塞、连杆、曲轴和汽缸等构件构成的一个典型的曲柄滑块机 构，其中，原动件活塞作直线往复运动，通过连杆带动曲轴作 连续转动。
2. 机械零件 机械零件 机械都是由机械零件组成的。 机械都是由机械零件组成的 。 机械零件是指机械中每一个 单独加工的单元体，例如图1-1所示的曲轴 所示的曲轴。 单独加工的单元体，例如图 所示的曲轴。构件可以是单一的 机械零件，也可以是若干机械零件的刚性组合。例如图1-2(b)所 机械零件，也可以是若干机械零件的刚性组合。例如图 所 示的连杆，它是由连杆体、连杆盖、 示的连杆 ， 它是由连杆体 、 连杆盖 、 螺栓和螺母等零件组合而 成的。这些零件之间没有相对运动，是一个运动整体， 成的 。 这些零件之间没有相对运动 ， 是一个运动整体 ， 故属一 个构件。因此，构件是运动的单元，零件是制造单元。 个构件。因此，构件是运动的单元，零件是制造单元。 随着机械的功能和类型的日益增多， 随着机械的功能和类型的日益增多 ， 作为组成机械的最基 本单元的零件更是多种多样。 本单元的零件更是多种多样。 通常将机械零件分为通用机械零 件和专用机械零件两大类。 件和专用机械零件两大类。
1.3 机械零件的材料选择
1.3.1 使用要求 按强度条件设计的零件，当其尺寸和重量都受限制时，应 选用强度较高的材料； 按刚度条件设计的零件，应选用弹性模 量较大的材料；若零件表面接触应力较高(如齿轮)，应选用可 以进行表面强化处理的材料(如调质钢、渗碳钢)。此外，对容 易磨损的零件(如蜗轮)，应选用耐磨性好的材料；对滑动摩擦 下工作的零件(如滑动轴承)，应选用减摩性好的材料；对高温 下工作的零件，应选用耐热材料；对腐蚀性介质中工作的零件， 应选用耐腐蚀材料。
《机械设计基础》教案
《机械设计基础》教案一、教学目标1. 知识与技能：（1）了解机械设计的基本原理和方法；（2）掌握机械零件的主要参数和选型依据；（3）熟悉机械系统的运动分析和动力分析；（4）能够运用机械设计软件进行简单的机械设计。
2. 过程与方法：（1）通过案例分析，培养学生的创新意识和解决问题的能力；（2）利用模拟实验和实际操作，提高学生的动手能力和实践能力；（3）采用小组讨论和课堂讲解，培养学生的团队协作和沟通能力。
3. 情感态度与价值观：（1）培养学生对机械设计的兴趣和热情；（2）增强学生对机械工程领域的认同感和责任感；（3）培养学生追求卓越、精益求精的职业精神。
二、教学内容第1课时：机械设计概述1. 机械设计的意义和任务2. 机械设计的过程和方法3. 机械设计师的要求和素质第2课时：机械零件的设计方法1. 机械零件的设计原则2. 机械零件的选材和加工3. 机械零件的强度计算和校核第3课时：机械系统的运动分析1. 机械系统的自由度和平衡条件2. 机械系统的运动学分析3. 机械系统的动力学分析第4课时：机械系统的动力分析1. 机械系统的动力源和动力传递2. 机械系统的负载分析和计算3. 机械系统的动力性能优化第5课时：机械设计实例分析1. 机械设计案例介绍2. 机械设计案例分析3. 机械设计案例总结和启示三、教学资源1. 教材：《机械设计基础》2. 辅助材料：PPT课件、教学图样、设计软件教程3. 实验设备：机械设计实验台、测量工具、模拟实验器材四、教学过程1. 导入：通过展示实际机械产品，引发学生对机械设计的兴趣，激发学习动机。
2. 讲解：结合PPT课件和教材，讲解本节课的重点内容，引导学生主动思考和提问。
3. 案例分析：分析机械设计实例，让学生了解机械设计的过程和方法，培养学生的创新意识和解决问题的能力。
4. 实践操作：安排学生进行模拟实验或实际操作，巩固所学知识，提高学生的动手能力和实践能力。
5. 小组讨论：组织学生进行小组讨论，分享学习心得和设计思路，培养学生的团队协作和沟通能力。
机械设计基础1-绪论
凸轮7
3、工作过程：
活塞下行，进气阀打开， 燃气被吸入汽缸
活塞上行，进气阀关闭，压缩燃气
点火后燃气燃烧膨胀，推动活塞 下行，经连杆带动曲轴输出转动
活塞上行，排气阀打开，排出废气
4、运动分析： 原动件：活塞—由燃气推动（驱动力所作用的构件） 主运动：将活塞的往复直线运动→曲轴的回转运动 辅助运动：配气 ——启闭进排气阀
电力代替了蒸汽。 集中驱动被抛弃了， 每台机器都安装了独 立的电动机。
为汽车、飞机的 出现提供了可能性。
1886年，本茨发明的汽油发动 机为动力的三轮车被授予专利。
与此同时，戴姆勒也发明 出了他的第一辆四轮汽车。
莱 特 兄 弟
1903
近代 — 材料的变革
19世纪中叶，发明了炼钢法，从那时一直到现在，
运动学
静力学
动力学
强度理论
牛顿经典力学
材料学
到20世纪上半叶，机械设计的方法已基本形成。
机 构 结 构 学 机 构 运 动 学 机 器 静 力 学 机 器 动 力 学 机 械 零 件 设 计
运动学
静力学
动力学
强度理论
但是，这些方法都基于图解和手工计算。 牛顿经典力学
材料学
现 代： 20世纪中叶 －
单一零件曲轴
多个零件
刚性组合 连杆
4.零件是组成机器最基本的单元体，是机械制造的单元体。
专用零件：特定机器中所使用的零件，如活塞、曲 轴、叶片
通用零件：各类机器中普遍使用的零件，如齿轮、 轴、螺栓等
5.部件：若干个零件的装配体
具体内容
常用机构设计
连杆机构、凸轮机构、间歇运动机构（棘轮机构、 槽轮机构、不完全
只具有机器的前两个特征——机构 如 凸轮机构（配气机构）：把回转运动→直线运动 曲柄滑块机构：将活塞的直线运动→曲柄的回转 运动
过程设备机械设计基础
。
10 直杆拉伸时，下面有关直杆横截面上的应力的说法 哪些是正确的？
A 正应力不等于零； C 正应力等于零； B 剪应力不等于零； D 剪应力等于零。
力矩是用来描述一个外力使物体绕某一点转动的效果。 由于选择点不同，力矩的大小也不相同。 力偶矩是用来描述力偶（两个力）使物体转动效果的物 理量。由于这两个力大小相等，方向相反，所以这一对 力使物体的转动效果（力偶矩）等于两个力分别对平面 上任意一点的力矩之代数和。 因此，力偶矩的大小与矩心无关，事实上，在讨论力偶 矩时，一般不涉及矩心。
判断题
（ ）1、力偶无合力，因此它是平衡力系。 （ ）2、二力杆件所受力的方向沿着杆线。
（ ）3、二力杆件是指受到一对平衡力作用的直杆。
（ ）4、梁的一端为固定端约束，在该约束处的挠度等于零、但是 转角不等于零。
（ ）5、如果梁的某一段上没有载荷作用，那么这段梁上的剪力必 然为0。
（√）6、梁的抗弯截面模量反映了梁的抗弯能力，抗弯截面模量愈 大，能承受的弯矩愈大。
d） GPa
b） KPa
b）0.3
c） MPa
c）0.4
14. 钢材的泊松比约为
。
d）0.5
钢材主要力学性能：弹性模量200GPa。泊松比0.3， 屈服强度150~600MPa，
铝材主要力学性能：弹性模量71GPa。泊松比0.33， 屈服强度100~400MPa， 学习时注意单位和数量级。 泊松比通常小于0.5,橡胶的泊松比较大，通常在0.45 以上。 正确理解和把握材料的拉伸曲线和应力应变曲线
a） 增加 b） 减小 c） 不变 d）不确定
欧拉公式
E cr 2
过程设备机械设计基础课后习题答案
M1 = 10.8x − 5.99
M 2 = 5.4x − 4.37
RA
M3 = 0 M = 5.99kNm
max
MA
M(KNm)
300 A
510 150 B
或： M 1 = 0 M 2 = − 5 .4 x + 0 .81
0
x
-2.75
M 3 = − 10 .8 x + 4 .374
-5.99
2)
l
C
A
B
l 题4-8
2
查表选28a工字钢：Wz=508 cm3、q = 43.492Kg/m
∴Mmax
=
MG
+
Mq
=
56×103
+
1 8
43.492×9.8×82
=
59410N
⋅
m
校核：σ max
=
M max
[Wz ]
=
59410×103 508×103
=116.95 MPa< [σ ] =125MPa
=
28 .66 MPa
4
4
2
φ 10 mm 1 φ 20 mm
F
Q
1m1
∆ L1
=
N 1 L1 EA 1
12 × 10 3 × 1000 =
2 × 10 5 × π 10 2
= 0 .76 mm
4
∆L2
=
N 2L2 EA 2
=
9 × 10 3 × 500 2 × 10 5 × π 20 2
= 0 .072
M A yA Iz
10.9×106 ×60 = 120×2003
= 8.175MPa
过程机械设备设计基础
过程机械设备设计基础一、引言过程机械设备是指在工业生产过程中用于加工、输送、储存和控制物料的机械装置。
其设计的合理与否直接影响着设备的性能、效率和可靠性。
因此，掌握过程机械设备设计的基础知识是每个工程师必备的技能之一。
二、设备设计的基本原则1. 功能性原则：设备的设计应符合工艺流程的要求，能够完成所需的物料加工、输送、储存和控制任务。
2. 安全性原则：设备的设计应考虑到操作人员的安全，避免可能导致事故和伤害的因素。
3. 经济性原则：设备的设计应在满足功能和安全要求的前提下，尽量减少材料和能源的消耗，降低生产成本。
4. 可维护性原则：设备的设计应考虑到维护和保养的便捷性，提高设备的可靠性和使用寿命。
三、设备设计的基本步骤1. 确定需求：明确设备所需完成的功能和性能指标，包括物料的加工要求、工艺流程、生产能力等。
2. 方案设计：根据需求进行初步设计，选择合适的设备类型、结构和工作原理，并进行初步的尺寸和参数计算。
3. 详细设计：根据方案设计的结果进行详细设计，包括设备的结构、工作原理、传动装置、控制系统等。
4. 材料选择：根据设备的工作环境和要求选择合适的材料，考虑其强度、耐磨性、耐腐蚀性等因素。
5. 零部件设计：对设备的各个零部件进行设计，包括轴承、齿轮、传动带等，保证其寿命和可靠性。
6. 制图和文档编制：根据设计结果进行制图，包括总装图、零部件图和工艺流程图，并编制相应的设计说明书和操作手册。
7. 设备制造和试运行：根据设计图纸进行设备的制造和装配，并进行试运行和调试，确保设备的性能和可靠性。
8. 设备交付和验收：将制造完成的设备交付给用户，并进行验收测试，确保设备符合设计要求和用户需求。
四、常见的过程机械设备1. 搅拌设备：用于将不同物料进行混合和均匀搅拌，常见的有搅拌桶、搅拌机等。
2. 输送设备：用于将物料从一处输送到另一处，常见的有皮带输送机、螺旋输送机等。
3. 分离设备：用于将混合物料中的不同成分进行分离，常见的有离心机、过滤机等。
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5 平面力偶系的合成
同一平面内的若干力偶可以合成为一个力偶。 称为合力偶。合力偶矩的大小等于各力偶矩 之代数和。
6 平面力偶系的平衡条件
各力偶矩的代数和，即合力偶矩等于零，表
示为：
n
Mi 0
i 1
2.5 平面任意力系的合成与平衡条件
1 平面一般力系的平衡条件
举例1
举例2
2.2 约束、约束反力和受力图
1 约束与约束反力的概念
所谓约束，是指工程中对某一物体的活动起着 限制作用的物体。当物体受到外力的作用时就 会有运动趋势，约束对物体就会产生限制力， 这一限制物体运动的力称为约束反力，简称约 束力。
2 主动力与被动力
能够使物体发生运动或运动趋势的力称为主动 力，由主动力引起的限制物体运动的力称为被 动力。约束反力是被动力。
2.1 静力学的基本概念
2 二力平衡公理 作用于刚体上的两个力，使刚体保持平衡的
必要与充分条件是：这两个力的大小相等、 方向相反、且作用在同一直线上。 提示：该公理对刚体的形状和尺寸没有限制， 不能简单理解为二力杆件。
3 三力平衡汇交定律
当刚体在三力作用下处 于平衡时，若其中两力 的作用线相交于一点， 则第三力的作用线必通 过该点，且三力共面。
过程设备机械设计基础
---------学习辅导（1）
华东理工大学 郝俊文
前言
学习要求
能写：填空题 能判：选择题 能想：简答题 能算：计算题
课件结构
教学目的与要求 学习重点 提示 例题/习题解答
二 静力学——构件的受力分析
教学目的与要求
了解有关力和力平衡的基本概念； 了解静力学的研究对象，掌握静力学的基本公理、
Fx Fy
0 0
M 0 4
解题步骤
确定研究对象，取分离体，做受
力图；
C
建解立平坐衡标方系程，，列求平出衡未方知程 数； ，
给出文字结论。
第三章 拉伸与压缩
教学目的和要求
了解拉/压杆件的受力变形 了解材料的主要力学性能及其相应的力学指
特点，能够根据实际结构抽 象出相应的力学模型。
掌握内力和截面法的涵义， 能够采用截面法求解内力并
提示4：我们研究的对象是处于平衡状态的构
件，所以力系的合力和合力矩总是等于零，在 这种条件下，我们可以说，处于平衡状态的构 件的合力矩与各分力的矩的和相等，且等于0， 与矩心的位置无关。
2 力偶与力偶矩
力偶是指大小相等，方向相反，不共作用线的 一对平行力。
力偶矩是描述力偶使物体转动效果的物理量。
标，能够借助教材和工具书获得相关数据。
了解典型材料的拉伸/压缩曲线特征，明确脆 性材料和塑性材料的划分依据。
明确工作应力、许用应力、安全系数和强度 条件的意义，能够应用强度公式等解决三类 工程问题。
绘制轴力图。
应力、应变和胡克定律等是 本章乃至本书的重要内容，
要求正确理解，熟练掌握和 运用。
了解影响构件强度和材料性能的因素（温度，蠕变，疲劳，应力集中等）
2 合力投影定理 3 平面力系平衡条件
F x 0
Fy
0
2.4 平面力偶系的合成与平衡条件 1 力矩与合力矩
力矩是用来描述力使物体转动效果的物理量。 简称矩。
Mo(F)Fd
提示1：描述构件转动效果的物理量 提示2：力矩与矩心位置有关
提示3：计算力矩时需要用到力臂，力臂的大
小为矩心到作用线的距离，所以合力矩的大小 与矩心的选取有关；但是合力的矩与各分力矩 的和总是相等的，这一等量关系与所取矩心的 位置是无关的。
3 材料力学的工程应用包括三个方面：
提示1：力偶的本质是一对力，这对力具有大小相等，方向相反不
共作用线的特点。
提示2：力偶矩的本质是一力矩，是力偶对空间任意一点的力矩的
代数和。
提示3：力偶矩没有矩心的概念。 力偶矩可以用下式表达：
M(F,F')Fd
3力和偶力矩相的似三，要力偶素矩和也等有效三力要偶素，分别是大小，方向和作用平面；
定理和推论等； 了解约束的基本类型，并能够应用汇交力系平衡条
件、二力平衡公理和平行四边形法则等进行受力分 析，确定未知力的大小和方向； 了解力矩、力偶（矩）的基本概念； 掌握力线平移定理及其证明； 掌握求解平面任意力系问题的基本步骤并完成一定 数量的习题。
重点内容
2.1 静力学的基本概念 1 力和力系的概念 力是物体之间的相互作用；力系是作用在同
画出约束反力。凡解除约束处，根据约束性质 逐一画上约束反力。
在同一物系中，画相关构件的受力图时，要利 用相关物体间作用力和反作用力的特点，由已 知方向确定未知的方向。
提示：结构特别简单时，可画在题图上
2.3 平面汇交力系的合成与平衡条件
1 平面汇交力系的合成方法
平面汇交力系的合成方法有几何法即平行四 边形法则和解析法即投影法。
一物体上的力的总和。如果力的作用线位于 同一平面内，则称为平面力系，反之，称为 空间力系。 力的三要素 大小、方向、作用点
提示1：这里所说的力均指外力，不考虑物 体内部的相互作用；
提示2：同一物体的概念是相对的，可以把 一个复杂的系统看作一个物体，也可以把系 统中的单个元部件看作一个整体，区别在于： 对于前者，内部单个元部件之间的作用为内 力，而对于后者，内部单个元部件之间的作 用成为外力，也就是静力学所研究的力。
重点内容
3.1材料力学的基本概念
1 构件的变形 构件的变形可以分为三类，即不变形，弹性变
形和塑性变形。 2 材料力学和静力学的比较 静力学的研究对象是刚体，运动状态是平衡状
态，研究目的主要是获得构件保持平衡所必须 的未知力（通常是约束力）的大小。而材料力 学的研究对象为变形体，运动状态为平衡状态， 研究的目的主要是获得构件在外力的作用下的 内力/应力和变形/应变。
3 约束的基本类型
约束的基本类型有柔性约束，光滑面约束， 固定铰链约束，辊轴支座约束和固定端约束 等5种基本类型。各种约束产生的约束力参 看教科书。
提示1：约束的本质是构件之间的相互作用。
提示2：除了这些约束外，构件之间的相互作 用也可以看作约束。
4 画受力图的基本步骤：
根据题意选取研究对象，单独画出其简图； 画出作用在分离体上的主动力；