环保设备设计基础

本书结合典型环保设备应用场景和设计目标，以环保设备设计研发过程中必然会涉及的材料科学与工程、机械工程等学科的相关基础知识为切入点，进行知识结构上的递进式阐述，并努力体现环保产业发展的内涵需求和新动态。本书主要包括设备设计中的运动学与动力学分析，设备零部件设计的选材、成形与基本准则，设备常用连接与传动设计，轴系及其相关零部件四篇内容。
本书既可作为高等院校环境工程、环保设备工程、给水排水工程、过程装备与控制工程及相关专业的专业基础课程教材，也可供从事环保设备设计、运行、维护和管理等环保产业相关工作的技术人员自学和参考。

适读人群 ：从事环保设备设计、运行、维护和管理等环保产业工作的技术人员和高校相关专业师生
本书结合典型环保设备应用场景和设计目标，以环保设备设计研发过程中必然会涉及的材料科学与工程、机械工程等学科的相关基础知识为切入点，进行知识结构上的递进式阐述，并努力体现环保产业发展的内涵需求和新动态。

前言
近十多年来国内高校大体上采用三种途径来尝试培养环保设备专业技术人才：一是在环境工程及相关专业中开设环保设备设计基础类课程，二是从环境工程及相关专业中分流出环保设备专业方向，三是开办“环保设备工程”类专业。无论相关高校采用哪种途径，在总学时受限的情况下都需要一本涉及环保设备相关机械、材料类基础知识的综合性较强的配套课程教材；同时鉴于高校教材自身的内涵要求，专业基础课程教材和专业课程教材间应该体现出较好的系统性和连贯性，应该为构建特色人才培养模式及其毕业要求和培养目标的达成添砖加瓦。
北京石油化工学院环境工程专业在申办伊始就确立了“满足常规环境工程专业共性培养要求，突出环保设备特色”的办学定位，在国内高校中较早开始了环保设备特色类专业人才培养模式的探索实践，依托相关工作取得了北京高等学校精品课程（2007年）、北京市高等教育教学成果一等奖（2008年）等成果，并助力该专业先后入选北京市高等学校品牌建设专业（2005年）、北京市级特色专业建设点（2008年）、第六批国家特色专业建设点（2010年）、教育部“本科教学工程”地方高校第一批本科专业综合改革试点（2013年）。在通过国家工程教育专业认证（2017年）、首批入选北京市属高校重点建设一流专业（2017年）的大背景下，进一步深化环保设备人才培养特色的内涵建设，合理填补、夯实设备设计方面的相关知识显得尤为迫切和重要。有鉴于此，环境治理与调控技术北京市优秀教学团队在校内外相关专家教授的意见建议和支持鼓励下，“十三五”伊始便着手酝酿编写《环保设备设计基础》，以期与《环保设备原理与设计》等专业课程教材配套，构建突出环保设备特色的系列教材，共同培养学生解决复杂环境工程问题的能力。
本书的第10章和第11章由博士后石熠编写，姬宜朋副教授负责其他章节的编写和初稿的整理，陈家庆教授负责全部内容的组织策划、典型案例遴选、审校修改和细节完善等工作。陈家庆教授作为“环保设备原理与设计”北京高等学校精品课程主讲教授（2007年）以及北京高校“优质本科课程”重点项目负责人（2021年）、北京市高等学校教学名师（2008年）、享受国务院政府特殊津贴专家（2018年），不仅在2010年前系统深入地开展过轴承、密封等应用摩擦学领域的相关研究，而且在从教早期就讲授过五轮次以上“机械设计基础”系列课程。亲力亲为的内因是希望不断践行知行并重的育人理念。
本着“普及机械工程学科大类基础概念，突出环保设备特色并兼顾工程实际”的原则，本书内容不仅涉及常规机械设备设计过程关联的共性基础知识，而且特意以例题和大作业等方式将其与具体的环保设备设计过程交叉融合。在编写过程中力求文字通俗易懂、表达准确到位、图文并茂，在兼顾内容实用性的同时尽可能体现高校教材所应有的高阶性、创新性和挑战度。与此同时，希望通过关注教材的内涵质量、强调与时俱进、树立工程观念、突出设计思维等细微举措，努力朝着精品教材的目标迈进。
本书的编写和出版工作得到了北京市高层次创新创业人才支持计划——教学名师项目、北京市属高校重点建设一流专业、北京市高水平创新团队建设计划项目等的支持。编著者所在北京石油化工学院的各级领导以多种方式和途径给予了关心和支持，机械工程学院机械基础教研室、环境工程系暨环境工程北京市级实验教学示范中心等基层学术组织的新老同事也对编写工作提出了许多宝贵意见和建议，机械工业出版社对本书的编写多次给予鼓励和鞭策，在此表示诚挚的感谢。在资料收集、整理分析、内容完善过程中，作者参考引用了一些国内外环保设备和机械零部件生产厂商的网站资料，以及一些教学科研、工程设计等领域专家学者所撰写的教材、论文、论著和《机械设计手册》等，虽已在参考文献中予以著录，但难免挂一漏万，在此对相关作者均深表谢意。
本书的学习以工程制图、工程力学等课程的部分知识作为基础和铺垫，各高校可根据相关专业培养目标和培养方案的实际情况选择性讲授。除作为高等院校环境工程及相关工科专业的专业基础教材之外，作者更希望本书能够为从事环保设备相关工作的人员提供有益参考。本着共同提升该类课程教育教学质量、推动“新工科”建设步伐的目的，本书在例题中尽量详细阐述工程背景，同时在蓝墨云课堂内每年更新配套PPT课件，读者可以申请加入相应的云班课。
限于编著者的教学、科研、学术水平，书中难免有疏漏之处，敬请读者和专家批评指正。具体事宜可发电子邮件至[email protected]。

编著者

目 录
前言
第1章 绪论1
1.1 环保产业与环保设备概述1
1.2 设备与机械、机器与机构2
1.3 环保设备的设计原则及本书内容4
【习题】7
第1篇 设备设计中的运动学与动力学分析
第2章 机构及其运动特性分析10
2.1 机构的组成与自由度计算10
2.2 机构的表达13
2.3 平面连杆机构的特点及应用20
2.4 平面四杆机构的基本特性26
2.5 其他常用平面机构的特点及应用29
2.6 平面机构的运动学分析33
2.7 平面四杆机构的设计40
【习题】43
第3章 机械系统的动力学分析基础48
3.1 作用在机械上的力48
3.2 运动副的摩擦力50
3.3 运动副的自锁与机械效率52
3.4 机械运转周期性速度波动的调节56
3.5 机械系统的平衡61
【习题】71
第2篇 设备零部件设计的选材、成形与基本准则
第4章 常用工程材料及其改性处理与加工成形74
4.1 工程材料的分类与性能74
4.2 金属材料及其性能强化79
4.3 金属材料的腐蚀与防护96
4.4 非金属材料与复合材料100
4.5 材料加工成形工艺概述109
【习题】112
第5章 设备零部件设计的基本准则与方法113
5.1 零部件标准化与公差配合准则113
5.2 零件的设计计算准则与强度判断条件124
5.3 容器类设备关键零件的设计计算准则与强度判断条件132
5.4 机械零件的耐磨性142
【习题】144
第3篇 设备常用连接与传动设计
第6章 螺旋副与常用零件间的连接148
6.1 螺旋副与常用螺纹的主要参数148
6.2 螺纹连接的基本类型及螺纹连接件154
6.3 螺纹连接的预紧和防松157
6.4 连接螺栓的强度计算159
6.5 螺纹传动166
6.6 键连接和花键连接174
6.7 销连接、焊接以及其他连接179
【习题】184
第7章 摩擦传动与带式输送机构186
7.1 带传动的类型和计算分析186
7.2 带传动的弹性滑动、打滑和带的张紧191
7.3 V带传动的设计193
7.4 输送带设计简介207
7.5 摩擦轮传动217
【习题】224
第8章 链传动与链式输送机构225
8.1 链条和链轮225
8.2 传动链的工作情况分析229
8.3 链传动的润滑、布置、张紧与防护232
8.4 滚子链传动的设计计算234
8.5 链条输送机与输送链简介241
【习题】251
第9章 齿轮及蜗杆传动设计253
9.1 齿轮传动的类型及结构参数描述253
9.2 齿轮的齿廓、啮合特性和加工原理255
9.3 齿轮轮齿的失效形式和材料选择260
9.4 直齿圆柱齿轮传动机构的设计263
9.5 斜齿圆柱齿轮传动机构设计269
9.6 锥齿轮传动机构的设计275
9.7 交错轴斜齿轮传动简介278
9.8 蜗杆传动279
9.9 齿轮的结构设计、润滑及安装定位289
【习题】296
第10章 齿轮传动的应用——轮系及减速器298
10.1 轮系分类298
10.2 轮系的传动比计算300
10.3 轮系的应用305
10.4 标准减速器306
【习题】316
第4篇 轴系及其相关零部件
第11章 轴与联轴器320
11.1 轴的分类与材料320
11.2 轴的结构设计322
11.3 常用联轴器325
11.4 轴的强度计算334
11.5 轴的刚度计算与临界转速338
【习题】345
第12章 轴承及其润滑与密封347
12.1 滑动轴承的结构、润滑形式与材料347
12.2 非液体摩擦滑动轴承的设计计算354
12.3 滚动轴承的结构和分类356
12.4 滚动轴承的选型设计计算361
12.5 滚动轴承的润滑及其组合设计368
12.6 密封371
【习题】379
参考文献381