化工机械设备基础

1、第一章 刚体的受力分析及平衡规律一、基本概念1、刚体：在任何情况下都不发生变形的物体。 约束：限制非自由体运动的物体。（三种约束） 二、力的基本性质三、二力平衡定律 三力平衡定理 三力平衡定理：如果一物体受三个力作用而处于平衡时，若其中两个力的作用线相交于一点，则第三个力的作用线必交于同一点。 四、平面汇交力系、平面一般体系 五、力的平移定理 力的平移定理: 作用在刚体上的力可以平移到刚体内任意指定点，要使原力对刚体的作用效果不变，必须同时附加一个力偶，此附加力偶的力偶矩等于原力对新作用点的力矩，转向取决于原力绕新作用点的旋转方向。第二章 金属的力学性质一 基本概念弹性模量：材料抵抗弹性变形的

2、能力泊松比横向线应变 拉伸试件的横向线应变与纵向线应变之比的绝对值。线应变：反应杆的变形程度，杆的相对伸长值。蠕变：金属试件在高温下承受某已固定的应力时，试件会随着时间的延续而不断发生缓慢增长的塑性形变。应力松弛：总变形量保持不变，初始的弹性变形随时间的推移逐渐转化为塑性变形并引起构件内应力减小的现象二 拉伸曲线(重要，看书！)第四章 直 梁 的 弯 曲 中性层：梁内纵向长度既没有伸长也没有缩短的纤维层。中性轴：中性层与横截面的交线 。 剪力与弯矩的计算剪力：抵抗该截面一侧所有外力对该截面的剪切作用，大小应该等于该截面一侧所有横向外力之和。弯矩：抵抗该截面一侧所有外力使该截面绕其中性轴转动，大

3、小应等于该截面一侧所有外力对该截面中性轴取距之和。 剪力的符号约定计算剪力的法则：梁的任一横截面上的剪力等于该截面一侧所有横向外力的代数和；截面左侧向上的外力和截面右侧向下的外力取正值，截面左侧向下的外力和截面右侧向上的外力取负值。据此法则：截面左侧 Q左=RA P1截面右侧 Q右=P2 + P3 RB弯矩的符号约定上压下拉为正+MM上拉下压为负 -MM计算弯矩法则：梁在外力作用下，其任意指定截面上的弯矩等于该截面一侧所有外力对该截面中性轴取矩的代数和；凡是向上的外力，其矩取正；向下的外力，其矩取负值。例：图中所示为简支梁，跨度l=1m，作用三个集中载荷，P1=500N,P2=1000N,P3

4、=300N,a=0.25m，b=0.2m，P3作用在梁的中央。试作该梁的剪力图和弯矩图。解：由平面平行力系平衡条件可得： RA×l = P1×（la）+P2×l/2+P3 bRA=500 ×0.75+1000 ×0.5+300 ×0.2=935NRB×l = P1 × a +P2×l/2+P3（l b）RB=500 ×0.25+1000 ×0.5+300 ×0.8=865N分段列剪力方程：AC段 0<x0.25m， Q=RA=935N=Q1CD段 0.25mx0.5m,

5、 Q=RA P1=935 500 = 435N = Q2DE段 0.5mx<0.8m, Q=RAP1P2 = 9355001000 = 565N=Q3EB段 0.8mx<1m, Q = RA P1 P2 P3= 935 500 1000 300 = 865N=Q4分段列弯矩方程，作弯矩图：AC段 0<x0.25m， M=RA·x=935x x=0，M=0; x=0.25m，M=233.8N·mCD段 0.25mx0.5m, M=RA·xP1(x 0.25）=435x+125 x=0.25m，M=233.8N·m ; x=0.5，M=34

6、2.5N·mDE段 0.5mx<0.8m, M=RA·xP1(x 0.25）P2(x0.5）= 565x+625 x=0.5，M=342.5N·m ; x=0.8m，M=173N·m EB段 0.8m x<1m, M=RA·xP1(x 0.25）P2(x0.5）P3(x 0.8） = 865x+865 x=0.8m，M=173N·m ; x=1，M=0 常用截面的轴惯性矩和抗弯截面模量常见截面的 IZ 和 WZ 矩形截面空心圆截面圆截面 (看ppt)例：一反应釜重30kN，安放在跨长为1.6m的两根横梁截面中央，若梁的横截

7、面采用图所示的两种形状（其中矩形截面a/b=2），试确定梁的截面尺寸，并比较钢材用量。梁的材料为Q235-A,许用应力b=120MPa。解：从图可知： 最大弯矩：Mmax=RA·l/2=p·l/4=15000×1.6/4=6000N.m根据正应力强度条件 Mmax/W b可得所需的最小抗弯截面模量为：W=Mmax/ b=6000/（120×106）=50cm3 （1）当横截面采用矩形平放时W=ab2/6=2b·b2/6=b3/3=50cm3b3=150cm3，b=5.3cm，a=10.6cm截面面积A=10.6×5.3=56.2cm2

8、每米的质量G=56.2×100×7.8×10-3=43.8kg/m（(2）当横截面采用矩形立放时W=ba2/6=a3/(6×2)=a3/12=50cm3 a3=600cm3， a=8.4cm ， b=4.2cm截面面积A=8.4×4.2=35.3cm2 每米的质量G=35.3×100×7.8×10-3=27.5kg/m可得两种不同截面所需钢材质量比为：矩形立放：矩形平放=27.5：43.8= 1：1.59第 五 章 圆轴的扭转扭转剪应力及其分布规律圆轴扭转时横截面上各点的剪应力变化规律： 圆轴横截面上某一点的剪应力

9、大小与该点到圆心的距离成正比，圆心处为零，圆轴表面最大，在半径为的同一圆周上各点的剪应力均相等，其方向与半径相垂直。横截面的内力矩剪力： 扭矩： 扭矩MT的计算方法：受扭圆轴任一横截面上的扭矩等于该截面一侧所有外力（偶）矩的代数和。 扭矩正负规定:右手螺旋法则右手的四指弯曲的方向和外力偶矩的旋转方向一致,右手拇指指向背离所讨论的截面则方向为正(+)，反之为负(-) 截面的抗扭截面模量圆截面的Ip 与 Wp 的计算实心轴例2：图示为直径等于75mm的等截面圆轴，上面作用有驱动力偶矩共三个：m1=1kN.m;阻力偶矩共三个：m2=0.6kN.m，m3=0.2kN.m ，m4=0.2kN.m试问：（

10、1）该轴的最大扭矩及最大扭转剪应力。（2）若将驱动力偶矩m1与阻力偶矩m2的位置互换，仅从强度考虑，轴径可以做怎样的改变。解：（1）由图可得轴的最大扭矩MTmax=1kN.m已知轴径D=75mm，得： （2）MTmax=0.6kN.m 第六章 化工设备常用材料和设计基础知识1.牌号的表示原则依据国家标准GB221-2000,牌号中 化学元素化学符号或汉字表示； 产品用途、冶炼和浇铸方法汉字或汉语拼音字母表示。 例如：沸腾钢F或沸 灰口铸铁HT或灰铁 铸钢ZG 锅炉钢g或锅 容器钢R或容2 钢号表示法例：优质碳素钢:08 F 20 R 沸腾钢 容器钢含碳量为0.08% 含碳量为0.2%普通碳素钢

11、：Q 235 - A,F 沸腾钢类别为A屈服极限（Mpa）屈服点屈字的首位拼音字母低合金钢:16MnR 16含碳量0.16%； Mn合金元素； R 容器钢。特殊性能钢:1Cr18Ni9 1含碳量0.1%（千分数）； Cr,Ni主要合金元素； 18含铬量18%； 9 含镍量9%。常用热处理工艺缓慢加热，保温一定时间后 随炉冷却（曲线1） - 退火；空气中冷却（曲线2）-正火 ； 热处理工艺曲线淬火缓慢加热，保温一定时间 ;淬火剂中冷却（曲线3）；回火淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却。作用：消除内应力，稳定组织，满足技术要求。3 化学热处理将零件放在化学介质中进行加热-保温-冷却的过程。作用：

12、使零件表面改性。方式：渗碳，渗氮，渗铬，氰化等。公称直径DN(p125):为了不用两个尺寸，而只用一个尺寸来说明两个零件能够实现连接的条件，引入公称直径的概念。凡是能够实现连接的管子与法兰、管子与管件、管子与阀门，就规定这两个连接件具有相同的公称直径。JB/T4712-92 鞍座A2600-FJB/T4712-92 鞍座B2600-S第七章 压力容器中的薄膜应力、弯曲应力和二次应力回转曲面：以任何直线或平面曲线为母线，绕其同平面内的轴线旋转一周而形成的曲面。回转壳体：据内外表面之间，且与内外表面等距离的面为中间面，以回转曲面为中间面的壳体。环向薄膜应力： 在介质均匀的内压作用下，壳壁的环向“纤

13、维”受到拉伸，在壳壁的纵截面上产生的环向拉伸应力。经向薄膜应力m：在介质均匀的内压作用下，壳壁的经向“纤维”受到拉伸，在壳壁的锥截面上产生的经向拉伸应力。圆筒形壳体薄膜应力：球形壳体薄膜应力：标准椭球形壳体薄膜应力：圆锥形壳体薄膜应力：标准半椭球形封头特点为什么标准椭球形壳体的长轴半径a和短轴半径b的比值为2？ (p176)结论：标准半椭球内的最大薄膜应力值与同直径、同厚 度的圆筒形壳体内的最大薄 膜应力值相等。边界应力：筒体与封头在连接处所出现的自由变形不一致，导致在这个局部的边界地区产生相互约束的附加内力。筒体和半球形封头连接： (181)结论：半球形封头与筒体的二次应力对整体强度影响很小

14、。薄膜应力的相当应力强度条件：双向薄膜应力的相当应力 ：根据强度理论对双向薄膜应力进行某种组合后得到。第八章 内压容器1 理论计算厚度 ：为能安全承受计算压力pc所需的最小理论计算厚度设计厚度：3 名义厚度nn:设计图样上标注的壳体厚度，将设计厚度加上钢板负偏差C1后向上圆整至钢板标准中规定的厚度。 钢板厚度负偏差除去负偏差以后的圆整值4 有效厚度ee:真正可以承受介质压强的厚度例1：一台新制成的容器，图纸标注的技术特性及有关尺寸如下：圆柱形筒体与标准圆形封头的内径Di=1m，壁厚n=12mm，设计压力p=2MPa,焊接接头系数 =1，腐蚀裕量C2=2mm,材料为20R，以设计温度100时的许

15、用压力t=133MPa,试计算该容器筒体的计算厚度，设计厚度，圆整值及有效厚度。解：计算压力pc=p=2MPa(1)计算厚度：（2）设计厚度d :（3）圆整值： 因为C1=0.8mm，由 可得（4）有效壁厚e:令:厚度系数：1,值越大，容器在强度上的安全储备越大。容器实际允许承受的最大压力：例：一台新制成的容器，其筒体与标准椭圆封头内径为Di=2m， 图样中标注的厚度为20mm，在图样的技术特性表中注明：设计压力为2.1MPa，设计温度为300，焊接接头系数是0.85，腐蚀裕量为2mm，壳体材料为16MnR,试计算该容器的计算厚度，设计厚度，有效厚度，厚度系数及最大允许工作压力。解:查表8-7

16、可得16MnR的t=134MPa筒体和封头的计算厚度：设计厚度：由表查的板厚度的负偏差C1=0.3有效厚度：厚度系数：最大允许工作压力：5 最小厚度minmin :为满足容器在制造、运输及安装过程中的刚度要求，根据工程实践经验所规定的不包括腐蚀裕量的最小厚度。（1）碳素钢和低合金钢： min3mm（2）高合金钢制容器： min2mm当 min时，取min作为计算厚度。名义厚度n ：（1） minC1时：（2） min< C1时：碟形封头 结构：（1）Rc为半径的球形壳体+r为半径的圆弧BC为母线的环状壳体+高为h0的圆柱形壳体（2） Rc越大，r越小，封头深度越浅（3） RcDi,r0.

17、1Rc, r3 计算厚度的通用式筒体和封头厚度计算通式：K：形状系数圆柱形筒体和标准椭球形筒体： K=1球壳与半球形封头：K=0.5碟形封头：K=M无折边锥形封头：K=Q折边锥形封头：K=f0在用容器在校核压力pch(pw,pk或p）作用下 进行强度校核时,满足以下条件:在用容器最大允许工作压力根据筒体和封头的强度条件：最大允许工作压力：最大允许工作压力：例：一台使用多年且腐蚀较严重的容器，经检测取得如下数据：筒体直径Di=2m，实测厚度c=8mm，碟形封头：Rci=2m,ri=300mm,c=9.3mm，有拼接焊缝； 容器材质为碳钢Q235-A；焊缝为带封底焊的全焊透结构，经20%射线检查未

18、发现超标缺陷。现欲该用容器盛装年腐蚀率为0.2mm/a的常温介质，最大工作压力pw=0.42MPa,使用期限定为三年，问是否允许。容器上要装安全阀的话，安全阀的开启压力应为多少。解：该容器由圆筒形壳体，碟形封头两种回转壳体构成，它们的许用压力p:由容器材质为碳钢Q235-A从表8-6查出： t=113MPa各受压元件的有效厚度：筒体：e=c-2n=8-2×3×0.2=6.8mm碟形封头： e= c上-2n =9.3-2×3×0.2=8.1mm系数K： 筒体：K=1碟形封头：Rci = Di = 2m，Rci/r =6.67据表8-13：K=1.4 焊缝系

19、数： =0.85由上述条件可得：筒体：碟形封头：结论：1 p=0.55MPa,Pw=0.42MPa<p,该容器可以安全工作三年。2 安全阀的最大开启压力不得超过0.56MPa。8-10.解： 由题意知：在设计温度为350时，查表8-7得：t=133MPa容器实际允许承受的最大压力：在设计温度为200时，查表8-7得t=170MPa查表8-7可知筒体实际允许最高温度为：400- 425间第九章 外压容器与压杆的稳定计算压杆失稳过程中应力的变化：（1）压力小于一定值时，卸掉载荷，压杆恢复原形。（2）压力达到一定值时，压杆突然弯曲变形，变形不能恢复。（3）失稳是瞬间发生的，压应力突然变为弯曲应

20、力。临界压力概念（pcr)导致筒体失稳的压力称为该筒体的临界压力。 筒体抵抗失稳的能力 此时筒壁内存在的压应力称为临界压应力，以cr表示。影响临界压力的因素1 筒体材料性能的影响（1）筒体失稳时壁内应力远小于材料屈服点 与材料的强度没有直接关系。(2）临界压力的计算公式与材料的弹性模量（E)和泊桑比()有直接关系。2 筒体几何尺寸的影响序号筒径 Dmm筒长 Lmm 有无加强圈壁厚 mm临界压力 pcrmm水柱 1 2 3 4 90 90 90 90175175350350 无 无 无 有 0.51 0.3 0.3 0.3 500 300120150 300结论:1)比较1和2 ，L/D相同时，/D大者pcr高；2)比较2和3，/D相同时，L/D小者pcr高；3)比较3和4，/D,L/D相同时，有