化工设备机械基础(第五版)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：董俊华、高炳军 编

出版社：化学工业出版社

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化工设备机械基础(第五版)试读：

前言

本次修订内容主要如下：

1.按最新标准、规范更新了第2章、第6章、第8章、第10章、第11章、第13章、第14章、第15章、第16章和第17章的相关内容。

2.采用二维码形式来扩展本书内容。在第二章借助二维码，展示了一些材料力学性能试验的动画。一些教学内容（如第6章中有色金属的性能及应用）只作了简要介绍，详细内容不再放到本书中，而是采用二维码形式给出。另外，有些表格仅在书上给出了部分内容，完整表格可扫二维码进行查看。

3.删去了各章的检测题和部分习题，删去夹套法兰和部分附录内容，简化了压杆稳定计算等内容。

本次修订工作由董俊华、高炳军完成。修订历时半年，期间得到了董大勤教授的大力支持。虽然董大勤教授因年纪原因，不再担任本书的编者，但是依然投入了很多时间和精力，对我们的修订稿进行反复修改、校对，提出了很多宝贵意见。在此对董大勤教授表达我们最由衷的感谢！

由于编者水平有限，书中难免有欠妥之处，恳请读者予以指正，谢谢！编者2018年7月第一版前言“化工设备机械基础”是为工科院校化工系工艺类专业开设的一门综合性的机械类课程。本课程的目的是使学习化工工艺专业的学生获得必要的机械基础知识，具有设计常、低压化工设备的初步能力，并能够对通用的传动零件进行简单的选型、核算和正常的维护使用。根据这一要求，教材的内容分为力学基础、化工材料、机械传动和容器设计四部分。对这四部分内容，既要尊重它们原学科的体系，保证相对的独立性，同时又必须在认真分析这几部分内容内在联系的基础上，探讨改变某些传统讲法的可能性，使本课逐步形成自己的课程体系。在这方面我们仅仅是作了一点初步的尝试，更多的探索还要依靠广大任课教师的不断实践，我们希望听到广大读者的意见。

考虑这门课程涉及的内容较广泛，学习本课程的学生先修基础课较少，并且各学校对这门课的教学要求差异还比较大这三个特点，我们在编写时有针对性地考虑了三条原则：

1.内容的选取着眼于加强基础和学以致用。

2.讲述的方法要适应化工工艺专业学生的特点，内容要有一定深度，但讲解要深入浅出，并且有相当部分内容应适于自学。

3.具备一定弹性，使教学时数在90～130之间均可使用本教材。

这本教材主要供理论教学使用，考虑课程设计的需要，选编了少量容器设计资料作为附录列于书后。为不使附录占用本书太多篇幅，编者配合本书另册编写了“化工设备机械基础课程设计”（夹套设备、塔设备和换热器）。用该书者可与河北工学院教材科联系。

1978年原石油化学工业出版社曾出版过《化工设备机械基础》教材，后来不少院校又编写了多种自用教材。本书的编写是根据1984年11月在西安召开的《化工设备机械基础》教材会议的决定确定的。其中董大勤编写第一、二、四篇，浙江工学院张莉珍编写第二篇九、十章，王孚川编写第二篇十一至十四章。编写中除书末所列文献外，还参阅了大连工学院等院校编写的教材。此外，天津化工设计院的郭昕亚同志、吉林化工学院的王素琴老师、太原工业大学的陈绪老师以及化工部第二设计院的赵修武、王凯同志都热心为本教材提供了图纸、资料，对教材编写提供了支持和帮助，教材的初稿曾请华东化工学院朱思明老师审阅。编者谨向这些同志致以衷心感谢。

由于编者水平有限，错误及不妥之处在所难免，望读者提出意见以便改正。编者1985年11月第二版前言《化工设备机械基础》是为工科院校化工系工艺类各专业开设的一门综合性的机械类课程。本课程的教学目的是使学生获得基础力学和金属材料知识，具备设计常、低压化工设备和对再用压力容器进行强度、稳定校核的能力，并了解压力容器监察管理法规，在今后工作中遵守实施。

本门课程的教材《化工设备机械基础》的初版版本是在1987年11月与读者见面的，几年来先后共重印了五万余册。这次修订是在总结近几年教学实践的基础上进行的，修订的指导思想是：（1）选材要适合化工、轻工绝大多数非机械类专业的教学要求、要强化针对性，立足于加强基础与学以致用。（2）精简理论深度，理论部分以“必须”和“够用”为度。（3）密切与生产实际的联系，教材必须在解决设计和生产问题中具有被生产一线工作同志认可的参考和指导价值。（4）要考虑教学对象的接受能力，讲授方法要深入浅出、要把传授知识与培养能力结合于讲授之中。（5）具有一定的弹性，使教学时数在90～120之间均可使用。

这次修订的主要内容是：（1）撤销了初版《化工设备机械基础》中的第三篇“机械传动”，增加了塔设备、管壳式换热器和带夹套与搅拌的反应釜等三种典型化工设备的设计计算与结构分析。目的是使绝大多数工艺专业学员在有限学时内优先学习最常用到的知识。（2）增写了一章压力容器安全使用与监察管理方面的内容，目的是增强学员的安全生产及遵章守法的意识，并了解一些必要的法规。（3）按最新标准重新编写了标准所涉及的全部内容，并汇编了较多的资料数据（分别列入有关章节），还专门为化工设备图样的绘制与读图编写了几个有关问题，独立成章，目的是为课程设计准备比较完整的设计资料，也为今后工作参考使用。（4）增加了习题类型，调整了习题内容，给出了习题答案。

这次修订中新增加的三章典型化工设备，分别由王俊宝（塔设备），董伟志（管壳式换热器）、张炳然（反应釜）编写，其余新增与修订的各章仍由董大勤编写，并主编全书。在本书修订的过程中曾得到全国压力容器标准化技术委员会、合肥通用机械研究所、天津市锅炉压力容器检验所，天津化工设计院，化工部第一、第三设计院以及许多工厂的标准制订、技术管理的专家和技术人员的指导和帮助，并得到化工部教育司有关领导的大力支持，编者对所有关心、支持、帮助本书修订工作的上述同志深表谢意。

修订后的本书还存在哪些不妥之处，希望使用本书的师生和读者指出宝贵意见。编者1993年6月第三版前言《化工设备机械基础》是一本综合多门学科、理论与实用并重的机械类教学用书，其理论内容是讲授杆件、板壳力学的基础理论和金属材料的基本知识，介绍中低压压力容器与几种典型化工设备的设计与计算；其实用内容提供的是较完整的教学所需的压力容器与化工设备设计资料。理论内容适合于课堂讲授或自学，实用部分的资料既可供实践性教学环节（如课程设计、毕业设计）使用，也可供从事压力容器设计、制造、管理人员参考。由此，可知本门课程的教学目的是：使学生掌握杆件、平板、回转形壳体的基础力学理论和金属材料的基础知识；熟悉涉及压力容器设计、制造、材料使用和监察管理的有关标准和法规；具备设计、使用和管理中、低压压力容器与化工设备的能力。

早期的《化工设备机械基础》教材是针对化工工艺专业学生的。该教材综合了《理论力学》、《材料力学》、《金属学》、《机械设计》、《化工容器与设备》多门课程的部分内容。经过二十多年教学探索和实践，已初步形成了比较完整的课程体系，其教材也摆脱了早期那种“拼盘”式的结构。由于这门课程有利于对非机械类专业学生综合能力的培养，而又无须设置多门课程，比较符合培养复合型人才的需要，所以继化工工艺专业之后，像轻工、食品、制药、环保、能源等非机械类专业，也在开设或计划开设类似或相同的课程。由于包括中央电大在内的全国许多高等院校都在开设《化工设备机械基础》课，所以以《化工设备机械基础》为书名的教材也就出现了各具特色的多种版本。为了便于读者选用，下面对本书的编写特点做一简单介绍。

编写本书总的指导思想是：好教、易学、实用。

一、理论内容的编写遵循讲清、学懂和够用的原则

1.以初学者的认识水平和接受能力来确定理论讲授的起点、顺序和深度。语言通俗，层次分明，按照学生的逻辑思维去揣摩（结合教学经验）他们在学习过程中会出现什么问题，指出其出现疑难的原因，有的放矢地处理所要讲授的理论。

2.以“够用”为原则，简化某些理论内容。但简化不是浓缩，浓缩违背初学者的认识规律。简化更不是简单地删除，因为有些概念不能不讲。所以要简化只能从改变讲授方法上入手，尝试采用“易化”处理的办法来达到简化目的。这种尝试效果如何，有待广大师生评议。

3.有比较才能有鉴别。本书通过正文讲解、章节小结、思考题的设计与自我检查题的引导等多种方式，将过去教学中发现的、学生可能产生的错误概念、模糊认识、似是而非的理解与正确的结论进行对比性的讲解和判别，目的是引导学生在对比中加深理解，培养严谨认真的学风。

4.根据本课程的教学要求，对于教材中所涉及的理论公式，编者并未一一推导。对于不进行推导的公式，须要讲清公式所揭示的规律及其适用条件，使读者理解、接纳、会用。对于必须推导的公式，比较侧重的是揭示在推导过程中所反映出来的概念与结论，而不是那些符号数字公式的罗列与推演。

5.在讲授理论性内容为主的章节中，编写了部分习题，并给出了参考答案，以检验学生解决实际问题的能力。

二、实用内容编写的几点说明

1.所提供的资料主要取自涉及压力容器材料、设计、制造、检验、使用和监察管理等方面的（国家、部颁、行业）标准、法规和规定。同时也编入了少量编者个人的工作成果，即部分内、外压容器壳体和封头的计算厚度表，以及一些带有拾遗补缺或综合归纳性质的数据和资料。这些资料基本上可以满足PN≤4MPa的压力容器在设计、制造、使用和管理上的参考需要。

2.为了尽量提高单页篇幅的信息量，对于大部分标准，在保持信息量完整的条件下，编者均作了重组与改编，与原始资料相比可节省篇幅50%以上。

3.现行压力容器标准，一是数量多，二是经常修订，有一些相关联的标准，由于修订时间不同，往往在一段时间内，在它们之间会出现某些不协调一致之处。对于这类问题，编者除了指出其差别，并给出不同的数据外，有的还提出了解决问题的建议。

4.对《钢制压力容器》（GB 150）作选择性讲解是本书主要内容之一。作为国家标准，它要考虑可能出现的各种情况，所以涉及的面很广。但是作为教材，其内容应根据教学和使用要求作出取舍和变更。譬如椭圆形封头，在GB 150中考虑了各种长短轴的比值，可是常用的只是（a/b）=2的椭圆形封头，若只讨论这种封头就简单多了。又譬如锥形壳体既要考虑作封头使用，又要考虑用作变径段，所以计算方法较烦琐，但是遇到最多的还是用作封头，如果只考虑作封头用，而且封头的大小端直径之比只要不小于4，那么计算就可以变得非常简单。可以作类似简化处理的还有诸如真空容器的加强圈设计等。这些计算方法虽与GB 150的规定有些不同，但它们是在一定条件下的简化，并不违背GB 150的规定（正文中有论证）。

应该提醒读者注意，本书所编写的资料应以动态观点分析和使用，今天它们是现行的和最新的，过几年有些标准可能会修订，所以希望读者在日后的实际工作中随时留意标准的变化。编者也会在标准发生变化时，借本书每次重印之机对有关内容及时修正。

三、本书之不足

由于本课程既要综合讲授多门课程的基础理论，又要比较完整地提供实践性教学环节所需资料，以满足所规定的教学要求，所以本书原计划的编写内容较多，但是限于学时的缩减，本书不得不删除一些内容，诸如“复杂应力状态分析”“金属腐蚀与防护”“非金属材料”“球冠形封头”、“压力容器安全泄放装置”、“填料塔”等；对于像“强度理论”、“常用机械零件”这样一些内容也只能作实用性处理，上述这些删除与处理是否合适，有待广大师生与读者评议。

限于编者个人水平导致的不妥与错误，期望广大师生与读者指正。编者2002年3月第四版前言

本书是以掌握中、低压压力容器的设计为目的，以一系列技术法规、设计规定、材料和零部件标准为依托，讲解相关的力学、材料、机械、结构方面的基础知识。教材内容中的理论部分，在这次修订中变化不大，但是书中的实用内容则必须随着国家的技术政策、法规和相关标准的变化而不断更新，在这一点上，本书不同于基础课教材，本书第三版于2003年出版后，伴随科技进步和与国际接轨的需要，涉及压力容器标准的更新步伐日渐加快。在零部件方面，继2005年人、手孔新标准的实施，在2007～2009年又相继修订了容器支座和管法兰连接的标准。在材料方面，从2006年GB/T 700碳素结构钢修订开始，2008年颁布了压力容器专用的炭素钢和低合金钢板标准（GB 713），将原20g、16Mng与20R、16MnR纳入其中。加上低温用（GB 3531）、焊接气瓶用（GB 6653）以及其他低合金高强度用（GB/T 1591）钢板的修订，全面更新了压力容器使用的低合金钢钢板；对于不锈钢（包括耐热钢）2007年更新了六个不锈钢标准；并在2009年从140多种不锈钢中，确定了17种不锈钢（含耐热钢）为压力容器专用钢板（GB 24511）。石油裂化、锅炉、换热器以及流体输送用的无缝和焊接钢管在2006年至2009年也陆续更新了原标准。甚至各种型钢，由于规格、型号的增加及质量要求的提高，也颁布了新标准。这些材料标准的修订以及2009年《固定式压力容器安全技术监察规程》的实施，要求1998版GB 150的修订工作必须加速进行。就在新版GB 150于2011年颁布前的两年中（2010、2011），又有复合钢板、锻件、铸铁、有色金属、压力容器封头与视镜以及焊接等标准做了修订。其中有些原JB、HG标准更改为NB标准。为配合新版GB 150在2012年的实施，HG 20593等标准也出了2011年的更新版本。正是在大量标准更新的背景下，本书才是2009年年初开始了四版的编写，但由于上述标准更新的时间延续数年，导致四版的书稿曾三次往返于编者与出版社之间，编者为此三易其稿，导致四版出版时间过长，编者对此深表歉意。改变这种状况的较好办法是在每年重印本书时，由编者审视一下有无需要对书中涉及少量新修订标准的内容做出修改。有则及时修改，使本书保持常新状态，而无需频繁出新版。

标准修改的原则仍然是对标准进行精选与重编，力求相同数量的资料所占用的篇幅（总量）比原标准减少在50%以上（若按书价计算，相同的信息量所占篇幅的成本不会超过所摘引法规标准总价的10%）。

第四版原计划2007年修订，由于有些院校在此之前已将《化工设备机械基础》课程教学时数减少到50学时以下（另有课程设计），所以采用本教材的部分教师建议把教材的篇幅做进一步的压缩。编者反复思考了这一建议后认为，一门课程教材的篇幅，虽然要顾及课时的多少，但首先应取决于该课程的设课的目的和要达到的要求；其次要看教材的起点，要考虑学习该课的学生学过哪些先修课程；最后教材的讲述方法要考虑学生的接受能力，教材的编者必须把自己放在初学者的位置上，要以初学者能够理解水平与接受能力作为编写的指导思想。大家都知道，这门课程的特点是由原多门传统机械类课程（按小类型计，总学时为300）综合而成，另外还要增加大量的标准讲解与编辑，要把这些内容改变成数十学时的一门课，对原多门课程的内容进行压缩、精简是必然的。至于如何压缩，怎样精简，不同的编者会有不同的认识，本书编者的思路是：首先要确定本课程的设课目的和要求，然后才能有针对性地精选内容，精选不是对原课程某些内容的简单删除，必须考虑被删除的那些内容对所选留内容的影响；压缩也不是浓缩，不能采取“三级跳”的办法来压缩篇幅；精简与压缩都不能违背初学者认识规律，要让学生面对基础知识或标准中出现的名词、概念或术语以及所作出结论都能理解，就需要前有铺垫，中有讲解，后有运用，环环相扣，融为一体。不能以回避一些必须交代清楚的讲解为代价，来换取篇幅的压缩。本教材的特点是，它没有先修课程（有些院校单独另设《工程力学》者除外），就机械系统的课程而言，它是从零起点开始学习，而要达到的却是要使学生初步具备设计压力小于4MPa压力容器的基本能力。这是一个相当大的跨越，虽然课程的内容都是一些最基础的知识，但在跨越过程中会遇到由于“精简”和“零起点”所带来的许多在原课程中本不会出现的问题，从这个意义上说，这本教材又不能因其内容上的“浅”，而忽视讲解上的“细”。特别是有些难点，必须根据同学的接受能力，改变传统讲法，实现“易于理解”的处理。此外，把多门不同课程合并，还必须处理原各门课程的融合问题，建立本课程自身体系。要让同学从没有工程力学和材料基础知识开始学习，达到初步具备设计一般压力容器的基本能力，既要有起码的力学、材料基础知识，又必须理解和会用相当数量的法规和标准。所有这些都决定了本教材的篇幅不可能跟随课程学时的减少，随心所欲地进行压缩。必须考虑课上听课与课下自学的效果。如果本课程的要求基本保持不变，如果切切实实要让学生把最基本的知识真正学到手，编者认为课内学时越是缩减，教材的讲解越是要细，这是因为必须给同学在课下或在工作中自学创造条件。所以编者没有接受将这本教材篇幅做进一步压缩的建议。同时编者也不具备这种能力。

在强调把学生培养成复合型人才的今天，不是看在他们大学期间的教学计划中安排了多少门课程，而是要检验他们究竟把多少知识或技能真正学到手，知识和能力的积累是一个漫长的过程，本课程只希望给同学一点点扎扎实实的机类知识的入门基础，量在不多，重在真正掌握。编者期望在同学完成校内本课程的学习后，把这本教材保留在身边，以便在日后的工作中继续学习、使用。编者可以告诉同学，编者从1983年开始，在过去的28年中（含退休后），由于在教学的同时，始终没有脱离生产一线的技术工作，在与各种技术、管理人员的接触中，切实感受到这本教材对一线接触压力容器方面工作的人员的帮助。从使用来看，这本教材早已走出学校的课堂，也可以说它不再是仅供跟着教学时数跑的、所谓“讲多少编多少”的教材，当同学走出学校，转变为技术或管理人员以后，那时会感受到学习是没有止境的，后续知识的积累，既需要扎实的基础，更要有永不满足的求知欲望，因为机会总是留给有准备的人。“化工设备机械基础”课程虽然已经在许多院校开设多年，但与成熟的传统课程相比，它仍然处于探索、实践和逐步完善的过程之中，对于教材应如何编写始终存在一些争论，目前编写出版的同名教材就有多种版本，这既是不同工艺专业对机械类知识要求侧重面不同的需求，同时它也反映不同编者对这门课程教材编写的思路与教学效果的期待有不同认识和要求。

除本书原编者外，参加本版修订或帮助审核的还有高炳军（第13章、第15章），董俊华（第6章、第17章）、袁凤隐（第14章）等老师，书中部分章节的删减或增加有些也是根据一线教师的意见确定的。编者对参与本书四版修订的全体老师深表谢意。

编者真诚期待广大教师、同学和社会读者对本书提出您的意见或建议。譬如是否可以把书名改为《化工容器机械基础》，将第三篇完全删除或另册编写。这次的修订，考虑学时的锐减，暂时撤掉了反应釜一章，其实如果不是书名中的“设备”二字，将换热器与板式塔一并去掉也无不可。总之，编者欢迎读者对本书的各个方面提出任何意见，特别是对尚有争论的问题，发表您的看法，您的意见可通过出版社转给编者。谢谢。编者2012年3月第一篇　力学基础

化工厂中使用的机器设备大都是在各种载荷下工作的，为了使它们安全可靠地工作，从力学角度，一般要提出三方面的要求：

ⅰ.能抵抗载荷对它的破坏，即有一定的强度；

ⅱ.不发生超出许可的变形，即有一定的刚度；

ⅲ.能维持构件自身的几何形状，即具有充分的稳定性。

因此，强度问题、刚度问题和稳定问题，都属于本课程的力学基础内容。讨论的重点是强度问题。

本课程的研究对象是化工设备。构成化工设备的元件既有杆件也有平板和回转壳体。杆件的变形与应力分析比较简单，它的一些概念和结论可以移植到平板与壳体的变形和应力分析中去，所以须对于杆件做一些必要的公式推导。要注意的是，要重视在公式推导过程中可以得到的某些有用的概念和启示，而不仅仅满足于最后得到的公式本身。依据课程性质与教学要求，对于平板与壳体的计算公式推导，有的是用与杆件类似的比较简单的方法论证，有的则是利用已有的一些力学基础理论的概念，采用定性说明的方法论证。

本篇讨论的对象虽然是杆件，但解题的思路、方法和结论，对于后续章节的学习也是十分重要的。1　刚体的受力分析及其平衡规律

要研究构件的强度或刚度问题，首先要全面搞清楚构件所受外力。图1-1（a）示一矩形水箱放在两个墙垛子上，水箱受重力G，水箱在重力G作用下没有掉下来，显然是因为有墙垛子托住它，墙给水箱的支持力应该是垂直向上的［图1-1（b）］。图1-1　受力分析应解决的问题

如果水箱是圆筒形，也放在两个墙垛上［图1-1（c）］，墙垛给水箱的支持力是垂直向上［图1-1（d）］， 还是倾斜［图1-1（e）］的呢？如何确定这两个支持力的力线方位，就是受力分析要研究的问题。

支持力的力线方位确定以后，还得解决力的大小问题。譬如说作用在圆筒上的支持力N和N的力线方位已经确定［图1-1（e）］， AB如何从已知力G求取未知力N和N的大小呢？要从G求取N和N，ABAB就得寻找G和N，N的内在联系，探讨这个内在联系就是讨论平衡AB规律的目的。

这个简单例子是要说明：这一章讨论的核心问题是如何已知外力求取未知外力。解决这个问题分两步：第一步是通过受力分析正确确定未知外力的力线方位；第二步是探索物体受力平衡规律，并利用它求取未知外力。1.1　力的概念及其性质1.1.1　力的概念

力是人们从长期的观察和实践中经过抽象而得出的一个概念。人类在自己的生产和生活过程中发现：物体与物体之间的相互作用会引起物体运动状态改变，也会引起物体变形。进而还发现：无论是运动状态的改变，还是物体的变形，其程度都与物体间相互作用的强弱有关。人们为了度量上述的物体间相互作用所产生的效果，于是就把这种物体间的相互作用称之为力。

由此可见，力是通过物体间相互作用所产生的效果体现出来的。因此认识力、分析力、研究力都应该着眼于力的作用效果。上边谈到的力使物体运动状态发生改变，称它是力的外效应。而力使物体发生变形，则被称为是力的内效应。

单个力作用于物体时，既会引起物体运动状态改变，又会引起物体变形。两个或两个以上的力作用于同一物体时，则有可能不改变物体的运动状态而只引起物体变形。当出现这种情况时，称物体处于平衡。这表明作用于该物体上的几个力的外效应彼此抵消，但不能由此否定单个力的外效应。

力作用于物体时，总会引起物体变形。但在正常情况下，工程用的构件在力的作用下变形都很小。这种微小的变形对力的外效应影响很小，可以忽略。这样一来，在讨论力的外效应时，就可以把实际变了形的物体，看成是不发生变形的刚体。所以，当称物体为刚体时，就意味着不去考虑力对它的内效应。在这一章研究的对象都是刚体，讨论的是力的外效应。

力是矢量，图示时可用一带箭头的有向线段表示，有向线段长度（按比例尺）表示力的大小，箭头所指表示力的方向。用符号表示力时，以黑体字F，P，Q或，，等表示矢量，以白体字F，P，Q等表示力的大小。

力有集中力和分布力之分。按照国际单位制，集中力的单位用牛22顿（N），千牛顿（kN）；分布力的单位是牛顿/米（N/m），又称帕62斯卡（Pa）和兆帕（MPa）。1MPa=10Pa，相当于1N/mm。1.1.2　力的基本性质（1）力作用点的可移动性

作用在刚体上的力，可以沿其作用线移到刚体上的任一点而不改变力对该刚体的外效应。

例如作用在小车A点有一力F［图1-2（a）］，在沿力F的作用线上任取一点B，设想在B点沿力F的作用线增加作用一对等值、反向、共线的力F和F［图1-2（b）］，使F=F=F。由于F与F对小车的121212外效应互相抵消，所以增加了F与F以后，三个力作用的总效应与单12个力F对小车作用的效应相同。考虑F和F二力等值、反向、共线，2它们的外效应相互抵消，所以去掉它们不会对小车的外效应有任何影响［图1-2（c）］，这样一来就相当于把作用在A点的力F沿其作用线移到了B点，而力对小车的外效应并没有改变。这就证明了力的作用点可沿其作用线移动到另一点而不改变力对物体作用的外效应的性质。但是不能由此得出“作用在刚体上的弹力是可以通过该刚体传递给另一个物体”的错误结论，因为刚体上所受的弹力是不能传递的。图1-2　力作用点的可移动性

这一性质只能用于刚体。因为当把物体看成变形体且只讨论力的内效应时，力作用点的移动常会引起变形性质的变化，如图1-3（a）受压缩的杆， 若二力移动后， 杆将变为受拉［图1-3（b）］。图1-3　力的可传性不能用于力对物体的内效应上（2）力的成对性

力既然是两个物体之间的相互机械作用，所以就两个物体来看，作用力与反作用力必然永远是同时产生，同时消失，而且一旦产生，它们的大小必相等，方向必相反，而作用线必相同。这就是力的成对性，也称作用反作用定律。显然力的成对性是同时观察两个相互作用的物体而言的，成对出现的这两个力分别作用在两个物体上，因而它们对各自物体的作用效应不能相互抵消。（3）力的可合性

什么是力的可合性？就是两个力对物体的作用可以用一个力来等效代替，叫作力的合成。

图1-4所示，作用在小车上的F和F两个力如果可以用R一个力12等效代替，则表示F，F可以合成为一个力。称R为F和F的合力，1212F、F为R的分力。12图1-4　F、F可用R等效代替（力的可合性）12

合力与其分力之间存在等效取代的关系，所以合力与其分力之间就必须满足一定的条件，这个条件就是平行四边形法则。这个法则告知：作用于刚体A点处的两个力F和F，如果和作用于同一点的力R12能够互相等效取代，那么以F和F两个力矢所构成的平行四边形，其12由A点引出的对角线就是力矢R（图1-5）。这个平行四边形法则就是矢量的加法法则。图1-5　力的平行四边形法则（4）力的可分性

力的这个性质也是从实践中发现的，例如用墩布擦地（图1-6），作用于墩布手把上的力F可使墩布产生两个效果：一是在水平方向产生加速度，二是给地面以一定的垂直压力。一个力既然能产生两个效果，所以说一个力可以解成两个力，叫作力的分解。图1-6　力的可分性

力的分解自然也必须符合平行四边形法则。如果说两个力合成一个力时，只有唯一解的话，那么将一个力分解为两个力时，可以得到无数组解，因为以某一力矢为对角线可以作出无数个平行四边形。所以在进行力的分解时，如果针对的是某一具体问题，那么应该考虑被分解的力对物体实际产生的效果，例如图1-7（a）所示斜面上的小球，它受到重力G作用时，产生了沿斜面下滚和给斜面以法向压力两个效果，因此重力G应沿与斜面平行和垂直两个方向分解；而图1-7（b）所示斜面上的小球，由于受到垂直墙面的阻挡，小球并没有沿斜面向下滚动，这时的小球分别作用给垂直墙面与斜面以法向压力，因此G的分解应沿水平与垂直于斜面两个方向进行。力G按图1-7（a）分解时，作用给斜面的法向压力N=Gcosθ，分力N小于合力G；力G按图1-7（b）分解时，，分力N大于合力G。图1-7　根据力的效应进行力的分解（5）力的可消性

一个力对物体所产生的外效应，可以被另一个或几个作用于该同一物体上的外力所产生的外效应所抵消。这就是力的可消性。由于力具有这一性质，就使得物体在受到两个或两个以上外力作用时，这些力对物体所产生的外效应有可能彼此抵消。当出现这种情况时，称该物体是“处于平衡”。而使物体处于平衡的那几个外力则被称为是“平衡力系”。并不是任何外力系都能成为平衡力系，要成为平衡力系必须具备一定的条件，这个条件就叫“平衡条件”。在1.3节和1.5节将介绍“平衡条件”的一般表达式，在此为了分析刚体受力的需要，先讨论两个最简单的平衡定理。

①二力平衡定理　当物体上只作用有两个外力而处于平衡时，这两个外力一定是大小相等，方向相反，作用线重合。工程上的构件，其几何形状虽然有多种，但只要该构件是在二力作用下处于平衡，称它为“二力杆”（图1-8）。根据二力平衡的条件可以断定：二力杆上的两个外力，其力作用线必与二力作用点的连线重合，而与二力杆的实际几何形状无关。图1-8　二力杆

②三力平衡汇交定理　若在刚体的A、B、C三点分别作用有力F、1F、F（图1-9）且使刚体处于平衡，那么这三个力如若不彼此平行，23则必定汇交于一点。这就是三力平衡汇交定理，简言之，即由不平行的三个力组成的平衡力系必只汇交于一点。此定理很易证明：F与F12的合力R必过此二力的交点O（图1-9），而R与F又使物体处于平3衡，所以R与F必等值、反向、共线，也即F也必过O点。33图1-9　三力平衡汇交1.2　刚体的受力分析1.2.1　约束和约束反力

作用在机器设备零件上的外力，基本上可分为两类。一类叫主动力，它能引起零件运动状态改变，或使零件具有改变运动状态的趋势，例如图1-1中水箱所受到的重力G，图1-2中小车受到的推力F，图1-7中球体受到的重力G等，都是主动力。另一类叫约束反力，它是阻碍物体改变运动状态的力。例如图1-1中墙垛作用给水箱的支持力N和AN；图1-2中地面给小车的“摩擦力”（图中没有画出）；图1-7（b）B中斜面与墙面作用给小球的“阻挡力”（图上没有画出）等都是约束反力。

如果物体只受主动力作用，而且能够在空间沿任何方向完全自由地运动，则称该物体为自由体。如果物体的运动在某些方向上受到了限制而不能完全自由地运动，那么该物体就称为非自由体。限制非自由体运动的物体叫约束。例如轴只能在轴承孔内转动，不能作径向移动，于是轴就是非自由体，而轴承就是轴的约束。又如图1-1中的水箱是非自由体，而两个墙垛则是水箱的约束。

约束作用给非自由体的约束反力需根据约束的性质进行分析，下面介绍三种常见的约束及其约束反力的表达方法。（1）柔软体约束

约束是各种绳索、链条、皮带等柔软体。图1-10（a）是一正在由上向下吊运的设备，所用钢丝绳就属柔软体约束。这种约束的特点是：○ⅰ只有当绳索被拉直时才能起到约束作用；○ⅱ这种约束只能阻止非自由体沿绳索伸直的方位朝外运动，因而代替这种约束作用的约束反力，它的力作用线必和绳索伸直时的中心线重合，其指向应是离开自由体朝外。图1-10（b）中的T就是起吊用钢丝绳作用给设备的约束反力。图1-10　柔软体约束（2）光滑接触面约束

当限制非自由体运动的约束是一个光滑表面［图1-11（a）中的A、B面；图1-11（b）中的C、B面］，或是一个棱边［图1-11（b）中的A棱边］或是一个光滑曲面［图1-11（c）中A、B两托轮表面］时，这种约束就叫光滑面约束。由于约束与非自由体［图1-11（a）中的球、图1-11（b）中的杆，图1-11（c）中的圆筒体］之间没有摩擦力，所以二者之间产生的相互作用力的作用线只能与过接触点的公法线重合。根据这个原则，可分析图1-11（a）中的球，图1-11（b）中的杆及图1-11（c）中的筒，分别画出它们所受的约束反力，这些约束反力分别是图1-11（d）、（e）、（f）中的N、N和N。不难看ABC出， 代替光滑面约束的约束反力总是指向非自由体。图1-11　光滑面约束（3）铰链约束

铰链约束通常是由一个带圆孔的零件和孔中插入的一个圆柱体构成。工程上有多种形式，图1-12是其中一种，构件A和B上都开有小孔，圆柱销C插入孔中后可将二者连到一起。这时无论是在零件A、C之间，B、C之间，或者是A、B之间，都只能发生相对转动，不能产生相对移动。零件之间具有的这种相互约束称为铰链约束。图1-12　铰链约束

假设把图1-12（a）中的零件B和C看成是固定不动的，当把三者连在一起后，零件B和C就构成了零件A的铰链约束。由于零件A在与销钉C的轴线相垂直的平面内不能沿任何方向移动，所以销钉C作用在零件A上的约束反力在该平面内的360°范围内都有可能出现，这就是说，代替铰链约束的约束反力的力作用线方位是待定的，可以肯定的只有一点，即这种约束反力的力作用线必通过销钉的中心。这是因为销钉的外圆柱面与钉孔的内圆柱面无论在任何点相接触，它们之间产生的相互作用力都必与该接触点的公法线重合，因而必过销钉的（或钉孔的）中心。

在大多数情况下，要想确定铰链约束的约束反力力线方位，需要借助于二力平衡和三力平衡汇交两个定理。下面举一个例题来说明这个方法。

例题1-1　图1-13（a）是一个三角支架，它由两根杆和三个销钉组成，销钉A、C将杆与墙面连接，销钉B则将两杆连在一起。当AB杆中央置一重物时，试确定AB杆两端的约束反力力线方位（杆的自身质量不计）。图1-13　三角支架受力分析

解　AB杆在主动力G作用下之所以处于平衡，是由于受到销钉A和销钉B的约束。而两个销钉又分别受到墙与BC杆的约束。

由于BC杆是二力杆，销钉B作用给BC杆的力R，其力线必与BCB杆的中心线重合。根据作用反作用定律，BC杆作用给销钉B的支撑力R'，以及销钉B作用给AB杆的支撑力N，它们的力线方位也都应与BBBC杆中心线一致，这样，就利用BC杆是二力杆这个条件确定了B端铰链约束的约束反力力线方位［图1-13（b）］。

确定了N的力线方位后，N的力线方位就可根据三力平衡必汇BA交一点的定理来解决了。因为AB杆自身的质量可以忽略不计，AB杆是在外载G和约束反力N、N三力作用下处于平衡，所以N力线必ABA过G与N二力线交点，这样就确定了N的力线方位。显然，如果外BA载G正好加在AB杆的中央，那么N和N两个力线与AB杆的夹角将相AB同，即都等于AB和BC两杆的夹角θ［图1-13（c）］。

如果在支架的水平杆上作用有两个主动力，例如习题1-12，则水平杆A端铰链约束的约束反力，其力线方位将无法确定，此时可用它的两个分量X，Y表示（图1-14）。AA图1-14　AB杆受力图

例题1-2　图1-15（a）所示的是一个放在光滑地面上的梯子，梯子由AC和BC两部分组成，每部分重W，彼此用销钉C和绳子EF连接起来，今有一人重G站立在左侧梯子上的D处，试分析梯子的受力。图1-15　活动梯子及其受力图

解　当把整个梯子作为研究对象时，它受到的外力有：主动力G和两个W力；约束反力R与R，这五个力构成了一个平行的平衡力AB系［图1-15（b）］。其中三个是已知力，两个是未知（大小的）力。

当把梯子的左、右两部分单独取出来研究时，绳子的拉力和铰链C处的相互作用力就变成了外力，必须在半个梯子的分离体上表示出来。根据柔软体约束反力的特点，代替绳子的约束反力T是水平的。在铰链C处（把销钉看成与右半个梯子为一整体）左右两部分相互作用的力，其力线方位无法利用已知定理确定，只能用两个方位已知、大小待定的未知力Y和X（及和）来代替［图CC1-15（c）、（d）］。从所画得的半个梯子的受力图可见，左半个共受六个外力，其中三个是未知的，右半个所受五个外力，也是三个未知。这些外力既不彼此平行，也不汇交于一点，故称为平面一般力系。1.2.2　刚体受力分析要领

通过以上两个例题可以看出，只要抓住如下六个要点，对刚体作出正确的受力分析是不困难的。

ⅰ.要有明确的研究对象。研究对象可以是单个零件或几个零件，也可以是整个构件。当取几个零件或整个构件为研究对象时，各零件之间相互作用的力是内力，不能表示在受力图上。

ⅱ.受力分析要求画出的是受力图，不是施力图。在画受力图时研究对象受到的外力一个不能少，研究对象作用给其他物体的力一个不能画。

ⅲ.除重力、电磁力外，只有直接与研究对象接触的物体才有力的作用。

ⅳ.约束反力的画法只取决于约束的性质，不要考虑刚体在主动力作用下企图运动的方向。

ⅴ.画约束反力时，重要的是确定力线方位，力的指向在无法判定时可任意假定。

ⅵ.要充分利用二力杆定理和三力平衡汇交定理来确定力线方位。不能确定时可以用两个正交分力代替该力。有时（见例题1-7中的销钉E）力线方位虽可确定，但从解题方便考虑，也可用两个正交分力代替一个力。1.3　平面汇交力系的简化与平衡

作用于刚体上的外力均处于同一平面内时，该力系称为平面力系。若平面力系中的诸力汇交于一点则称为平面汇交力系；若诸力相互平行则称为平面平行力系；若诸力既不汇交一点，也不彼此平行时，则称为平面一般力系。无论是什么样的力系，只要构成这个力系的各个外力之间能够满足所谓的“平衡条件”，那么就都能使刚体处于平衡。如果能够找到这个平衡条件，那就等于是找到了构成该力系平衡时各个力之间应存在的相互关系，有了这个关系，就有可能利用它从已知力求出未知力。这一节的任务就是寻找平面汇交力系的平衡条件。

已知所谓刚体在外力作用下处于平衡，实际上就是这些外力对刚体所产生的外效应正好相互抵消，也就是这几个外力对刚体的总效应等于零。而这里所谓的“总效应等于零”实际上就是这几个外力的合力等于零。所以，可以这样结论：使刚体处于平衡的条件是作用于刚体上所有外力的合力等于零。

要使这个简单的结论能够实际运用，必须把构成合力R的全部分力F，F，F，…与R之间的关系找到，这就是力系的简化。下面先123来讨论平面汇交力系的简化问题。1.3.1　平面汇交力系的简化

平面汇交力系的简化方法有两种：一是几何作图法，二是解析法。这里只讨论解析法。

在图1-16（a）所示的刚体上的同一平面内作用着由四个力（F，F，F，F）组成的汇交力系，这四个力虽然分别作用在A、B、1234C、D四点，但它们的力作用线汇交于一点O，可根据力的可传性，将它们均移至O点［图1-16（b）］，其作用效果不变。为了用一个力来等效代替这个力系，就需要找出该力系的合力R。由于力是矢量不能直接将其模相加，所以先将每个力沿水平与垂直两个方向进行正交分解［图1-16（c）］，由于遵循了平行四边形法则，所以分解后的八个分力与原来的四个力作用等效。作这种欲合先分的目的是把一个指向四面八方的力系转变成两个共线力系，对共线力系来说，求其合力就可以直接进行模的加减了，于是

在水平方面的合力R=F+F+F+F　　（1-1）x1x2x3x4x

在垂直方向的合力R=F+F+F+F　　（1-2）y1y2y3y4y

有了R与R再根据勾股定理求出合力R的大小和方向。［图xy1-16（d）］　　（1-3）　　（1-4）图1-16　平面汇交力系的简化

从这一简化过程中可见，如果不把F、F、F、F移至O点，而1234是以O点为原点建立一个直角坐标系［图1-16（e）］，那么各力在x轴上的投影值X、X、X、X将分别等于各力沿x方向的分力F、12341xF、F、F。这样一来，各力在水平方向分力之和R就可以通过2x3x4xx计算各力在x轴上投影的代数和求得，即R=X+X+X+X=∑X　　（1-5）x1234

同理R=Y+Y+Y+Y=∑Y　　（1-6）y1234

于是，利用投影的方法，可以把矢量求和问题转化为代数求和问题。

得到∑X和∑Y后，就不难计算合力R了［图1-16（f）］　　（1-7）　　（1-8）

所以，求一个汇交力系的合力，只需将构成这个力系的每一个力在x轴和y轴上的投影值算出，分别求其代数和，然后用式（1-7）计算合力大小，用式（1-8）确定力线方位与指向。

不难理解，直角坐标的原点可以任意选取，其x轴也并不是一定要沿水平方向安置。当直角坐标安置的方位不同时，虽然会改变力系的∑X和∑Y值，但是不会影响最后的计算结果。11.3.2　平面汇交力系的平衡条件

如果作用在物体上的汇交力系使物体处于平衡，那么该力系的合力应为零，根据式（1-7） 可知，要使R等于零，则必须满足如下条件　　（1-9）

即力系中所有各力在任意取的两个互相垂直的坐标轴上投影的代数和均等于零时，该力系便是平衡力系。在式（1-9）所表达的平衡条件中，并没有限定正交坐标轴的方位。这说明在合力为零的条件下，力系在任意选定方位的坐标轴上，其投影之和均等于零。所以在利用汇交力系的平衡条件求解未知力时，正交坐标的方位可以根据解题的方便灵活选取。

例题1-3　圆筒形容器重量（力）为G，置于托轮A、B上，如图1-17所示，试求托轮对容器的约束反力。图1-17　例题1-3附图

解　因要求的是托轮对容器的约束反力，所以取容器为研究对象，画它的受力图。托轮对容器是光滑面约束，故约束反力应沿接触点公法线指向容器，即图中的N和N，它们与y轴夹角为30°。由于AB容器重力也过中心O点，故容器是在三力组成的汇交力系作用下处于平衡，于是有

∑X=0

得

∑Y=0

得

可见，托轮对容器的约束反力并不是，而且二托轮相距越远，托轮与容器间的相互作用力越大。

例题1-4　重为G的均质圆球放在板AB与墙壁AC之间，D、E两处均为光滑接触，尺寸如［图1-18（a）］所示，设板AB的质量不计，求A处的约束反力及绳BC的拉力。

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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