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、拖拉机变速箱及后轮轴间的传动轴。
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，轴及轴承配合部分叫轴颈，轴的其他部分叫轴身轴的设计及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，轴套上开有油孔及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。轴磨损后轴颈及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。剖分面最好及载荷方向近于垂直，故一般轴承的剖分面是水平的，轴承盖及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及轴瓦间的间隙。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及轴和轴及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: 1,
式中: 最大起动扭矩;
克服载荷和摩擦阻力所需工作扭矩;
M1全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(3)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U≤35m.铸钢\锻钢制成的联轴器可适用于重载和转速U≤75m的场合.
凸缘联轴器按对中方式不同分为I型和型.
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:它通过套筒及两轴联接.当d≤80的套筒常用35或45号钢制造. d ＞80时允许用铸铁制造,一般控制在d≤100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≤5m)的场合.夹壳式联轴器按标准选用.对于U＞5m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14～250时许用扭矩为355～1.0×105N·m,许用转速为950～4000,允许轴向位移为6.3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及十字型零件铰链联接,这种联轴器通常用40或40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及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.