常用化工设备基础知识教材

化工设备基础知识第一章轴轴的主要作用是用来支撑和固定旋转传动零件，常见的轴有直轴和曲轴两种。

一、直轴的分类：根据承受荷载的情况不同，直轴可分为心轴、转轴和传动轴三类。

1、心轴：心轴工作时主要用来支撑转动零件，承受弯矩而不传递运动，也不传递动力。

心轴随零件转动的（如火车轮轴）称为活动心轴，不随零件一起转动的（如自行车轴、滑轮轴）称为固定心轴，它们承载时均产生弯曲变形。

2、转轴：转轴既要支承旋转零件还要传递运动和动力，如机床主轴、减速机齿轮轴、搅拌轴等。

这类轴在外力作用下将产生弯曲变形和扭转变形。

3、传动轴主要用来传递扭矩，它不承受或承受较小的弯矩，如汽车、拖拉机变速箱与后轮轴间的传动轴。

轴的材料：选取轴用材料主要取决于轴的工作条件载荷和加工工艺等综合因素，除满足强度、刚度、耐磨性外，还要求对应力集中敏感性小，常用碳素钢、合金钢的锻件和轧制圆钢做为轴的毛坯。

碳素钢对应力集中的敏感性较小，其机械性能可通过热处理进行调整，比合金钢价廉，所以应用最广，常用30、40、45、50 号钢，其中45 号钢最常用。

对于非重要或受载荷较小的轴可用Q235、Q237 等普通碳素结构钢。

合金钢可淬性好，且具有较高的机械性能，常用于传递较大功率并要求减小尺寸和重量以及提高轴颈耐磨性的场合。

合金铸铁和球墨铸铁也常用来做轴的原因是铸造成型容易得到较复杂且更合理的形状，铸造材料吸振性高，并可用热处理的方法提高耐磨性，对应力敏感性较低，且价廉。

但铸造质量不易控制，可靠性较差，需慎用。

二、轴的结构轴的外形通常作成阶梯形的圆柱体。

轴上供安装旋转零件的部位叫轴头，轴与轴承配合部分叫轴颈，轴的其他部分叫轴身轴的设计与选择要考虑很多因素的影响，在满足不同截面的强度和刚度要求的同时，还要便于轴上零件的固定、定位、拆装、调整，尽可能减小应力集中以提高轴整体的疲劳强度，以及轴本身的加工工艺性。

旋转零件一般要随轴旋转传递运动和动力，零件在圆周方向和轴线方向都需要确定他们之间的相对位置以保证各零件正常的工作关系。

1、零件在轴上的周向定位和固定：周向固定的目的是使轴上的零件随轴一起转动传递运动和扭矩，周向定位和固定的方法常采用花键连接、键连接、销钉连接、锥面过盈配合，在传力不大时可用紧定螺钉连接。

2、零件在轴上的轴向定位和固定：件在轴上的轴向定位和固定常采用轴肩、轴环、套筒、圆螺母、过盈配合。

当轴向荷载较小时采用销钉、紧定螺钉、挡圈、轴端挡圈。

第二章轴承轴承是支撑轴和轴上零部件并保证轴绕轴线运动的部件。

轴承的种类按照承受荷载的方向可分为向心轴承、推力轴承和向心推力轴承；按照轴承工作的摩擦性质又分为滑动摩擦轴承和滚动摩擦轴承。

一、滑动轴承滚动轴承工作平稳、可靠、无噪音。

若能保证摩擦的润滑，使滑动表面被润滑油膜分开不直接接触，表面间的摩擦实为液体分子间的摩擦。

这样就能大大减小摩擦损失和表面磨损，且油膜还具有一定的吸振作用。

由于以上特点常用在转速特别高、冲击振动载荷和特殊装配要求的场合。

（一）滑动轴承的结构1、向心滑动轴承的类型和结构常用的向心滑动轴承分为整体式和剖分式两类。

整体式滑动轴承由轴承座、轴套、油杯和油沟组成。

轴承座常用铸铁制成，轴承座用螺栓固定在支架上，顶部装有供润滑的油杯，轴承孔内压入用减摩擦材料制成的轴套，轴套上开有油孔与内表面上的油沟相连。

整体式滑动轴承结构简单、制造方便、成本低廉。

但装配不太方便，拆装时必须通过轴端。

轴磨损后轴颈与轴套间的径向间隙过大时无法在调整，常用于轻载、低速或间歇操作和非重要场合。

剖分式滑动轴承由轴承座、轴承盖、剖分轴瓦、轴承盖紧固螺栓等组成。

为了节约贵重金属，常在轴瓦表面帖服一层轴承衬，非重要的轴承可不装轴瓦，在轴瓦内壁不负担载荷的部分表面开设供润滑用的油沟。

剖分面最好与载荷方向近于垂直，故一般轴承的剖分面是水平的，轴承盖与轴承座常作成阶梯形，装配时便于定位和工作时出现错位。

剖面上放有少量薄垫片，可在轴瓦磨损后用减少垫片来调整轴颈与轴瓦间的间隙。

轴承盖上端有安装油杯的螺纹孔。

2、推力滑动轴承的结构.（二）滑动轴承材料和轴瓦结构轴承材料分为金属和非金属两大类。

金属材料包括轴承合金、青铜、铝基合金、锌基合金、见摩擦铸铁和含油轴承等。

轴承合金: 锡、铅、锑、铜的合金统称为轴承合金。

一般是以锡或铅做为基体，悬浮体和铜的硬晶粒。

硬晶粒起抗磨作用，软基体则增加材料的塑性。

巴氏合金的机械强度较低，价格贵，通常做轴衬使用。

青铜：用的最广的是以铸锌锡铅青铜，它有很好的疲劳强度。

铸锡磷青铜的减摩性和耐磨性都很好，机械强度都很高，适用于重载荷。

铜铅合金适宜用于高温。

铸铁：它的各项性能具均不如轴承合金和青铜，由于价格便宜，常用于低速、轻载和无冲击的场合。

含油轴承是一种粉末冶金材料，一般有铁- 石墨和铜- 石墨两种。

它们属于多孔组织，细孔内可充满润滑油起润滑作用，并有很好的耐磨性。

非金属轴承材料包括塑料、尼龙、硬木、橡胶和石墨等。

常用酚醛塑料和聚四氟乙烯等。

二、滚动轴承滚动轴承和滑动轴承相比是以滚动摩擦代替滑动摩擦，摩擦阻力小，启动灵活、效率高、润滑方式简单、使用方便。

滚动轴承的种类、尺寸、精度等级已经建立标准和系列并由专门厂家成批生产，成本低廉，便于互换等优点而得到广泛应用。

但它抗冲击能力差，高速运转时会出现噪音，工作寿命比较短，也受到一定限制。

滚动轴承的结构滚动轴承由外圈、内圈、滚动体、保持架组成。

内圈安装在轴的轴颈上，外圈装在轴承座或其他零件上，多数情况是内圈随轴转动，外圈不动，有时也相反或内外圈分别按不同转速转动。

内外圈上凹槽称为滚道，允许滚动体在滚道内滚动，滚动体的外形有球形、圆柱形、圆锥体形、鼓形、螺旋体形和滚针形等。

第三章联轴器联轴器是用来连接轴与轴和轴与其糨传动件使之一起旋转，传递运动和扭矩的部件.联轴器的种类很多，结构各异其中大部分已标准化•选择时可根据不同的载荷和工作场合的要求选择其不同的类型，再按轴的直径计算最大起动扭矩M e和转速n,最后从有关手册中查出适合的型号•若用于重要场合对其个别关键零件还需进行强度校核.最大起动扭矩按下式计算：M e二M o+M i二KM。

，式中:M e 最大起动扭矩；M o _______________ 服载荷和摩擦阻力所需工作扭矩；M i ________________ 部质量在起动加速时所需扭矩.由于起动扭矩计算的影响因素很多，计算十分复杂且不精确，工作中常引入载荷系数K的方法进行简化计算•当原动机为电动机时其K 值按表11-13选取.联轴器的分类一般按联接两轴的相对位置和位置之间的变化关系，分为固定式联轴器和可移式联轴器.可移式联轴器又按照补偿位移的方法不同分为刚性和弹性联轴器两种.表11-13载荷系数K注:1.固定式和刚性可移式联轴器宜取大值，弹性联轴器宜取小值.2.当原动面为内燃机时，上表的K值应增加20%〜40%,缸数小的（单缸）取大值，多的（四缸及以上）取小值.一、固定式联轴器：主要由两个分别装在两轴上的关联轴器（1,2）和联接螺栓⑶组成•联轴器通常用铸铁铸钢或锻钢制造.这种联轴器的转速和载荷都受到一定的限制•铸铁制成的一般适用于中载和IK 35m/s.铸钢锻钢制成的联轴器可适用于重载和转速UK 75m/s的场合.凸缘联轴器按对中方式不同分为I型和II型.凸缘联轴器按标准选用，在必要时应对螺栓及键进行强度校核.套筒式联轴器：它通过套筒与两轴联接•当dK80mm勺套筒常用35或45号钢制造.d > 80mm寸允许用铸铁制造，一般控制在dK 100mm范围内.该联轴器结构简单，制造方便,常用于传递扭矩较小的场合.夹壳式联轴器：夹壳式联轴器是由两半筒形夹壳（1,2）和螺栓（3）组成. 夹壳联轴器常用铸铁（有时也用钢）制成，这种联轴器是部分式的，装卸特别方便，且价廉.常用于低速（U K 5m⑸的场合.夹壳式联轴器按标准选用.对于U> 5m/s的场合必要进行平衡检验合格后方能使用.二、可移动性刚性联轴器在传动装置中，由于制造，安装等误差两轴往往难精确对中，即是安装时能保证，但由于旋转零件或载荷不平衡，工作温度变化的影响，补联接两轴可能发生较大的相对位移或偏斜. 常出现轴向位移、径向位移、偏角位移或综合位移等情况. 这时采用或移性联轴器对这些位移进行补偿. 常用的可移性刚联轴器分为以下几种：1、牙嵌联轴器: 牙嵌联轴器是由两个端面都有凸牙和凹槽的半联轴器组成, 凸牙和凹槽对应安放,当发生位移时凸牙可在凹槽中滑动以补偿轴向位移. 为了便于对中,在左端装有对中环并用螺钉固定.牙嵌联轴器一般采用中强度铸铁（也可用铸钢）制成. 该联轴器结构简单, 尺寸较小时能承担较大的载荷. 2、十字滑块联轴器：这种联轴器是由两个端面都开有凹槽的两个半联轴器和一个两面都设有榫的圆盘组成. 凹槽的中心线分别通过两轴的中心, 两榫中心线相互垂直并通过圆盘中心. 关联轴器分别因固装在两轴上, 由圆盘两面的榫分别嵌在两半联轴器的凹槽中而构成. 转动时圆盘的榫在凹槽中滑动, 从而补偿其径向位移的同时保持联动. 为了减少滑动的摩擦磨损, 一般在滑动面加润滑剂.这类联轴器结构简单,径向尺寸小,可承受较大的载荷.但由于圆盘在作偏心转动, 产生的离心力随圆盘质量和速度的增加而增加, 故转速受到一定的限制. 这种联轴器常用于径向位移小于转轴直径的0.04倍,小于30’角位移和冲击载荷小的场合.3、齿轮联轴器：所示齿轮联轴器是由两个具有外齿环的半联轴器和两个具有内齿环的外壳所组成, 两外壳用螺栓联接起来. 当转轴转动时通过齿轮互相啮合带动一个半联轴器转动. 再通过另一半联轴器的内外齿相互啮合, 带动另一半联轴器转动, 从而带动另一轴的旋转.齿轮联轴器是靠内外齿相互啮合进行传递运动和动力. 为了减少啮合轮齿间的摩擦磨损和相对移动的阻力, 在外壳内贮存有润滑油, 当联轴器旋转时将甩开以润滑互相啮合的齿轮.齿轮联轴器允许两轴作综合位移. 由于啮合齿间留有较大的齿侧间隙,故可补偿两轴运转过程中出现的偏斜. 若齿顶作成球面形（球面中心应在轴线上）或将轮齿作成鼓形, 均能允许两轴作较大的综合位移和增大允许的位移量.齿轮联轴器传动时一般是几个齿同时啮合, 故传递扭矩的能力比相同尺寸的其它联轴器要大得多，当轴直径为14〜250mnfl寸许用扭矩5为355〜1.0 x 10N・m,许用转速为950〜4000r/min,允许轴向位移为6.3mm以下.若采用鼓形轮齿时，允许角位移可高达3°。

该联轴器一般用铸钢或锻钢制成，适用于高速和重载，该联轴器按标准选用.4、万向联轴器（十字铰链联轴或简称万向联轴节）主要用于两轴有较大的偏转（偏斜角最大可达45° ）或较大的角位移的场合.万向联轴节结构比较复杂, 一般由两个叉形零件一个十字形零件和轴销等组成, 两个叉形零件的叉端则与十字型零件铰链联接, 这种联轴器通常用40Cr 或40CrNi 钢制造, 常成对使用于汽车、拖拉机、机床和轧钢机等传动装置中.上述联轴器都是采用刚性零件组装而成, 没有吸振和缓冲功能, 在运转中若有滑动件与滑动件互相摩擦磨损后间隙就会逐渐增大. 当速度和载荷发生变化时会产生冲击振动, 故刚性联轴器适用于载荷稳定和速度变化不大的场合.三、可移性弹性联轴器弹性联轴器是在联轴器中装有金属或非金属的弹性元件, 利用这些弹性元件受载后产生的弹性变形来补偿轴与轴间的相对位移. 弹性元件还具有缓冲和吸振的能力. 常用于频繁起、载荷、转速变化大及两轴难以对中的场合. 弹性联轴器的使用还可以大大降低联轴器的加工要求, 有利于降低成本和提高经济性.弹性元件可分别由金属和非金属材料做成, 用金属材料做成的常用杆弹簧式、蛇形弹簧式、扭转弹簧式、旋转弹簧式、径向层板弹簧式、轴向层板弹簧式和卷板弹簧式等. 金属弹性元件具有体积小, 强度高,使用寿命长等特点. 非金属弹性元件具有良好的弹性滞后性, 消振能力强, 单位重量的非金属材料所能储存的能量比金属大得多（橡胶比钢大10 倍左右）缓冲能力好.采用非金属元件的联轴器结构简单, 价格低廉,互换性好而补广泛采用. 非金属弹性元件有: 弹性圈柱销式、盘式、弹性爪式、橡胶板式联轴器等, 常用的是弹性圈柱销式和尼龙柱销式联轴器两种.弹性圈柱销联轴器,其结构与凸缘联轴器相似, 只是用套有非金属弹性圈的柱销代替凸缘联轴器的螺栓, 并取消了凸肩和凹槽的结构在两半联轴器之间留有一定的轴向间隙, 这可补偿工作时出现的少量综合位移, 弹性圈要求弹性较好,以适应于轴的正反转变化多,启动频繁和载荷变化大的场合.一般工作温度范围在橡胶适应的范围（-20 ~ 50C内）,并不容许与有害于橡胶的介质接触.该联轴器有标准型和轻型两种,选择时按标准选用.当选定后须对作用在弹性圈单位面积上的压力P和柱销的弯曲强度Ob进行校核.第四章减速机减速器是由封闭在刚性壳体内的齿轮或蜗杆传动所组成的独立部件, 它具有固定传动比,常用在原动机和工作机之间作为减速的传动装置.由于减速器具有结构紧凑、效率较高、维护方便等优点,因此在现代机器中的应用极为广泛. 常用减速器已标准化.一、减速器的类型减速器的类型很多, 一般分为圆柱齿轮减速器圆锥齿轮减速器蜗杆减速器和行星齿轮减速器等. 按减速器的级数又可分为单级两级和三级等减速器.1.圆柱齿轮减速器圆柱齿轮减速器是应用最广泛的一种减速器•当传动比i v 7.1 时,可采用单级圆柱齿轮减速器，当i=7.1 ~ 50时,或采用单级圆柱齿轮减速器, 其外廓尺寸将很大. 这时宜采用两级圆柱齿轮减速器. 两级圆柱齿轮减速器按其齿轮布置形式可分为展开式分流式和同轴式. 展开式结构简单, 但齿轮相对于轴承为不对称布置, 受载时轴的变形导致载荷沿齿宽分布不均, 因此要求轴承有较大的刚度. 这种减速器适用于载荷比较平稳的场合.分流式的齿轮相对于两侧的轴承对称布置, 载荷沿齿宽分布均匀轴承受载也较均匀, 但结构比展开式复杂.同轴式的输入轴与输出轴位于同一轴线上, 故箱体长度尺寸较短轴向尺寸和重量较大, 且中间轴较长, 刚性差, 容易使载荷沿齿宽分布不均.当减速器传动比i=50〜315时,宜采用三级圆柱齿轮减速器.2.圆锥齿轮减速器圆锥齿轮减速器用于输入轴和输出轴相交的场合.当传动比i v 8 时, 采用单级圆锥齿轮减速器, 当传动比i=8〜40 时, 采用两级圆锥齿轮减速器, 当传动比i=40 〜160 时, 宜采用三级圆锥齿轮减速器, 由于圆锥小齿轮是悬臂支承,其受载较差, 为了使其受力减小,常将圆锥齿轮作为高速级.3.蜗杆减速器这种减速器主要用于传动比较大的场合, 当i=10〜80 时,可采用单级蜗杆减速器，两级蜗杆减速器适用于传动比i=43〜3600的传动，其特别是结构简单, 但转动效率不高.4.行星齿轮减速器行星齿轮减速器具有传动比大效率高结构紧凑和体积小等优点但结构复杂, 制造精度要求高. 这种减速器类型很多, 按其传动级数也可分为单级两级和多级.第五章化工设备常用材料化工设备常用材料种类很多, 主要有金属材料非金属材料和复合材料. 化工生产条件十分复杂, 温度从低温到高温, 压力从真空到超高压, 介质具有易燃易爆有毒及强腐蚀性等, 不同的生产条件对材料有不同的要求. 因此, 为了保证化工设备的安全运行及经济性要求,必须根据设备的具体操作条件及制造等方面的要求，合理的选择材料.化工设备常用金属材料的基本性能金属材料是化工设备最常用的一种材料•金属材料的基本性能主要有机械性能化学性能物理性能和制造工艺性能等.一、机械性能机械性能是指金属材料在外力作用下表现出来的特性，它主要包括材料强度塑性及韧性等.1.强度强度是指材料抵抗外载荷能力大小的指标，常用的强度指标有屈服极限0S和强度极限0b.这两个指标是确定材料许用应力的主要依据设计时,选用强度较高的材料，可减少构件的尺寸及重量.另外,屈服极限0S和强度极限0b的比值称为屈服比，它反映材料屈服后强化能力的高低，低强钢的屈服比数值较小，屈服后的强度裕量较大，高强钢的屈强比数量较大，屈服后的强度裕量较小.2.塑性材料的塑性是指材料在破坏前变形能力的大小.塑性指标有延伸率/和断面收缩率0 .凡是采用冷作加工成型工艺制造的化工设备，必须要求材料具有良好的塑性.用塑性好的材料制造的设备，在破坏前会发生明显的塑性变形，而塑性差的材料制造的设备，往往没有产生明显的变形而突然遭到破坏.因此,从设备的加工制造和安全运行角度考虑,要求材料的塑性要好.化工设备中的主要用材，一般要求/ 5=15%-20%以上.另外，对冷弯成型的化工设备的用材，还需对材料作冷弯性能试验，冷弯180°后不开裂方可作为设备的用材.3.韧性韧性是材料对缺口或裂纹敏感程度的反映.材料韧性好坏用冲击韧性ak(J)表示.韧性好的材料，即使存在缺口或裂纹而引起应力集中也有较好的防止发生脆断和裂纹快速扩展的能力.某些材料在低温下，韧性明显下降，材料由塑性转变为脆性，这种现象称为材料的冷脆性.材料韧性值发生突然明显降低的温度，称为材料的无塑性转变温度(NDT).由于材料的冷脆性，设备在低温下容易发生脆性断裂，破坏时应力较低，又无可见的变形现象发生，危险性较大.4.硬度硬度是指材料对局部塑料变形的抵抗能力.常用硬度指标有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)等，硬度大小反映材料的耐磨性能和切削加工的可能性.一般来说,硬度越高，耐磨性能好，但切削加工性能较差. 化工设备中的某些相互连接的配合结构，其零部件的硬度有不同的要求,例如,列管式换热器中的管子与管板的连接，当采用胀接时，要求管板的硬度比管子的硬度高，这是由于管子通过胀接固定在管板上时要求硬度小的管子发生扩张变形实现管子与管板的连接，当管子损坏需要更换时，不至影响管板孔的尺寸和粗造度.又如在螺栓连接法兰密封结构中，要求螺栓的硬度大于螺母的硬度，在装拆时螺母易损而便于更换，同时也可以避免螺栓和螺母咬死.5.高温下材料的机械性能金属材料机械性能随温度升高而发生变化，铜铝等材料,温度升高,其强度降低，塑性得高.但对于低碳钢，温度升高时，材料的强度也升高，当温度超过350C以后，强度下降，塑性提高.金属材料在高温和应力共同作用下会产生不可回复的变形，其应变量随时间的延长而增加，这种现象称为材料的蠕变.材料在高温条件下抵抗发生蠕变的能力，用材料的蠕变极限|0n或持久极限0D表示.0 n 是材料在恒定高温下，经历10万小时发生蠕变断裂时的应力.高温时, 0t n或0t D是确定材料许用应力的依据之一.二、耐蚀性能化工生产中所处理的物料，大多是有腐蚀性的•介质的腐蚀性能通常是选材的主要依据•根据介质的腐蚀特点，合理选择材料，关系到设备是否能安全运行使用寿命产品质量及环境污染等问题•三、物理性能金属材料的物理性能指导热系数线膨胀系数密度熔点及导电性等.材料在不同的使用场合，对其物理性能要求不同•例如,用作传热表面的材料，必须考虑材料的导热性能，对衬里或复合钢板所制设备,应尽量使不同材料的线膨胀系数相等或接近•四、加工工艺性材料的加工工艺性有可焊性、可锻性、可铸性、切削加工和热处理性能等•对化工设备用材的加工工艺性要求，取决于设备的结构和加工方式•例如，用板材制造设备的壳体时，要求材料具有良好的塑性、良好的切削加工性能和焊接性能等.化工设备常用材料一、碳素钢碳素钢由铁和碳两种基本元素组成, 是工程上广泛使用的一种金属材料. 根据钢材的质量分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢.1. 普通碳素结构钢这类钢含硫、磷等杂质较多,是质量不太高的钢种.钢的强度不高, 但成本较低.这类钢材按不同的质量保证条件分为A B、C、D四个等级.钢的牌号由代表钢材屈服极限的字母、屈服极限值、质量等极和脱氧方法符号四部分组成.如Q235-AF，表示该钢种屈服极限值为235MPa质量等级为A 级，“F”表示治炼过程中脱氧不完全(沸腾钢).如果脱氧完全的为值静钢,牌号组成表示中可以不表示，如Q235-A.普通碳素结构钢可用来制造常压低压及外压设备的壳体, 也可制作设备。