化工设备机械基础复习及答案

1、化工设备机械基础复习及答案化工设备机械基础复习题一、填空题1、强度是指构件的能力。2、刚度是指构件的能力。3、稳定性是指构件保持原有平衡状态的能力。4、如物体相对于地球静止或作匀速运动，则称物体处于。5、物体受外力作用变形时，其内部各部分之间因相对位置改变而引 的相互作力称为6、脆性材料的安全系数一般取得比塑性材料要 o7、在轴向拉伸或压缩时，杆件不但有变形，同时 也发生变形。8、扭转是杆件的又种变形方式。9、T=Gr 称为10、弯曲是工程实际中最常见的一种变形形式。11、简支梁是梁的一端为固定皎支座，另一端为12、外伸梁是简支梁的一端或 伸出支座之外。13、悬臂梁是梁的一端固定，另一端自由

2、_。14、最大拉应力理论又称15、最大伸长线应变理论又称强度理论。16、最大剪应力理论又称17、形状改变比能理论，又称强度理论。18、构件在工作时出现随时间作周期变化的应力称为交变应力19、硬度是用来20、裂纹构件抵抗裂纹失稳扩展的能力称为断裂o21、化工设备的密封性是一个十分22、化工设备的耐久性是根据所要求的年限来决定。23、发生边缘弯曲的原因是由于24、当 q/b=25、圆柱壳体的环向应力为。 =26、球形壳体的环向应力为，=27、6 d 是圆筒的 厚度。28、8 是圆筒的29、有效厚度 6e=_30、凸形封头包括半球形封头椭圆形封头、碟形封头、球冠形封 头四种。31、碟形封头由以 Ri

3、 为半径的球面，以 r 为半径的过度弧高度为 h0 的直边三部分组成。32、锥形封头在同样条件下与凸形封头比较，其情况较差。封头。33、球冠形封头在多数情况下用作容器中两独立受压室的34、刚性圆筒，由于它的厚径比 6 e/DO较大，而长径比L/DO_较小 ，所以一般不存在因失稳破坏的问题。35、加 强圈应有36、卧式容器的支座有37、立式容器有耳式支座、 腿式支座和裙式支座四种。38、 法兰按其整体性程度可分为松式法兰、_39、国家标准中的手孔的公称直径有 和DN250两种。40、平 带一般由数层帆布141、 V 带的横截面为等腰梯形其工作面是与轮槽相接触的两侧面二、问答题1、构件在外力作用下

4、，安全可靠地进行工作应满足哪些力学条件？ 答：（1）强度条件； （2）刚度条件； （ 3）稳定性条件2、常见典型平面约束有几种？答： （1）柔索约束，如绳子、链条、皮带、钢丝等（2）理想光滑面约束（3）圆柱皎链约束3、材料力学对变形固体作了哪些假设？答： （1）连续性假设（ 2）均匀性假设 （ 3）各向同性假设4、提高梁弯曲强度和刚度的措施？答： （1）合理安排梁的受力情况（2）选择合理的截面形状5、引构件产生交变应力的原因有哪些？ 答：（1）载荷作周期性变化（2）载荷不变化，但构件作某些周期性运动6、提 IWI 构件疲劳强度的措施？答： （1）减缓应力的集中 （2）降低表面粗糙度 （3）增加

5、表面强度7、化工容器零部件标准化的意义是什么？ 答：标准化是组织现代化生产的重要手段，实现标准化，有利于成批 生产，缩短生产周期，提高产品质量，降低成本，从而提高产品的竞争 力， 实现标准化，可以增加零部件的互换性，有利于设计、制造、安装和 维修， 提高劳动生产率。标准化为组织专业生产提供了有利条件。有利于 合理利 用国家资源，节省材料等。标准化的基本参数公称直径、公称压 力。8、从容器的安全、制造、使用等方面说明对化工容器机械设计有哪 些基本要求？答（1）强度（2）刚度 （3）稳定性 （4）耐久性 （5）密封性 （6） 节省材料和便于制造 （7）方便操作和便于运输：9、轴对称回转壳体薄膜理论

6、的应用范围？答： （1）回转壳体曲面在几何上是轴对称的壳体厚度无实变。曲率半 径连续变化的、材料均匀、连续且各向同性。（2） 载荷在壳体曲面上的分布是轴对称和连续的没有突变情况（3）壳体边界应该是自由。（4）壳体在边界上无横向剪力和弯矩。10、压力试验的种类？答： （1）液压试验 （2）气压试验（ 3）气密试验11、在简体与锥形封头连接时，可采用哪两种方法来降低连接处的边 缘应力？答： （1）使联接处附近的封头及筒体厚度增大，即采用局部加强的方法（2）在封头与筒体间增加一个过渡圆弧，则整个封头由锥体过渡弧及高度为 hO 的直边三部分组成。12、影响外压容器临界压力的因素有哪些？答： （1）筒体

7、的几何尺寸的影响（2） 筒体材料性能的影响（3）筒体椭圆度和材料不均匀的影响213、为安全，可拆连接、法兰必须满足哪些基本要求？答：（1）有足够的刚度（2） 有足够的强度（3） 能耐腐蚀（4） 成本廉价14、带传动的优缺点？答：优点 （ 1）适用于两轴中心距较大的传动（2） 带具有良好的弹性，可以缓和冲击和吸收振动（3） 过载时，带在轮上打滑，可防止其他零件损坏（4）结构简单，加工和维护方便，成本低廉缺点（1）传动的外廓尺寸较大（2） 不能保证固定不变的传动比（3） 带的寿命短（4）传动效率较低等15、轮齿失效有哪几种形式？答： （1）轮齿的折断 （2）齿面的点蚀 （3）齿面磨损 （4）齿面

8、胶 合 （5）齿面 塑性变形16、滚动轴承的主要失效形式是什么？答：在正常使用情况下，只要选择，安装，润滑，维护等方面都考虑 周到。绝大多数轴承因滚道或滚动表面疲劳点蚀而失效。当轴承不回转， 缓慢摆动或低速转动时，一般不会产生疲劳损坏。但在很大的静载荷作用 下，会使轴承滚道和滚动体接触处的局部应力超过材料的屈服极限，出现 表面塑性变形不能正常工作。此外，由于使用维护和保养不当或密封润滑 不良等因素，也能引起轴承长期磨损、胶合等不正常失效现象。三、计算题1、 用三轴钻床在水平工件上钻孔时，每个钻头对工件施加一个力偶（如图）。已知三个力偶的矩分别为： Ml=lkN2m ； M2=1.4kN2m；M

9、3=lkN2m, 固定工件的两螺栓 A 和 B 与工件成光滑面接触，两螺栓的距离 l=0.2m, 求 两螺栓受到的横向力。解：据 M=±FdM=Ml+M2+M3=l+1.4+2=4.4kN2mF=M/d=4.4/0.2=22kN答：两螺栓受到的横向力为 22kN2、 如图所示，有一管道支架 ABCo A、B、C 处均为理想的圆柱形皎链约束。以知该支架承受的两管道的重量均为G=4.5kN,图 中尺寸均为mm。试求管架中梁 AB和BC所受的力。解：梁 AB 的受力图3SFx=O Fx+FBcos45=0°SFy=0 Fyl-FNl-FN2 + FBcos45=0 °S

10、MA=0 Fyl30-FN130.4-FN231.12 + FBcos4531.12=°0.?.FB=9.67kN Fx=6.84Fy=2.16杆，B'FC=FBB3如图(a)表示齿轮用平键与轴连接，已知轴直径d=70mm ,键的尺寸为 S 3h3l=20mm312mm3100mm,传递的扭转的扭转力偶矩M=2kN2m,键的许用切应力 n=60MPa,Cp=100MPa试校核键的强度。先校核键的剪切强度。将平键沿 n-n 截面分成两部分，并把 n-n 以下 部分和轴作为一4整体来考虑(图b),对轴心取矩，由平衡方程 E M0=0得FS2(d/2)=M,FS=2M/d=57.1

11、4(kN)剪切面面积为A= 6 |=203100=2000mm2,有H =FS/A=57.143103/20003106=28.6(MPa)<n 可见平键满足剪切强度条件。其次校核键的挤压强度。考虑键在 n-n 截面以上部分的平衡(图 c), 则挤压力F二FS=57.14kN挤压面面积AP=hl/2，有。p二F/Ap=57.143103/631003106=95.3(MPa)v。p 故平键也满足挤压强度条件。4、如图所示结构中梁 AB的变形及重量可忽略不计。杆 1为钢制圆 杆，直径dl=20mm,EI=200;杆2为铜制圆杆，直径 d2=25mm,E2=100GPa试问:(1) 载荷F加

12、在何处，才能使梁AB受力后仍保持水平？(2)若此时F=30kN求两拉杆内 横截面上的正应力。杆 1 的拉力 F1 杆 2 的拉力 F2F1=E12 Ji/42d2=200GPa3丸 /43 (20) 2=6.283107NF2=E22 Ji/42d2=100GPa3丸 /43 (25) 2=4.913107NSMA=0 Fx+F232=0SMC=0 -F2(2-x)+F132=0Fx=11.193107Nx=0.88(2) 当 F=30kN 时SMA=0 F30.88+F232=0SMB=0-F2(2-x)+F132=0Fl=1.683104NF2=1.323104N对杆 1。l=Fl/( J

13、i /42dl2)=1.683104/( Ji /43202310-6)=53.5MPa对杆 2C 2=F2/( Ji /42d22)=1.323104/(兀/43252310-6)=26.9MPa.?. 杆 1 的正应力为 53.5MPa杆 2 的正应力为 26.9MPa5、以圆轴以 300r/min 的转速传递 331kW 的功率。如 ：l=40MPa,9 =0.5 /m,G=80GPa求轴的直径。5解：由强度条件设计轴的直径H max=T/wt=16T/ n d3< H T=9550p/n=95503331 / 300=10.536kN2mdA(16T/ Ji n )l/2二163

14、10536/(兀 3403106)=U.03(cm)由钢度条件设计轴的直径Dmax二T/Glp3180/ 兀=32T/G 丸 d43180/ 丸 0 1/2(32T/G Ji 0 3180/ Ji ) =323105363180/(80310930.5or ) l/2=11.13(cm)取 dll.13cm6、一外伸梁受均布载荷和集中力偶作用，如图所示( 见答案 ) ，试作此梁的剪力图和弯矩图。解： ( 1 )求支反力取全梁为研究对象，由平衡方程£ MA=0 qa2/2+Me+FRB22a=0FRB二一qa/4 Me/2a= 2031/4 20/231= 15 (kN)负号表示 FR

15、B 实际 方向与假设方向相反，即向下。SFy=0 , FRA+FRB qa=0FRA=qa-FRB=2031- (-15) =35 (kN)(2) 作剪力图根据外力情况，将梁分为三段，自左至右。 CA 段有均布载荷，剪力图 为斜直线。 AD 和 DB 段为同一条水平线 ( 集中力偶作用处剪力图无变化 ) 。A截面左邻的剪力 FSA左二一20kN,其右邻的剪力 FSA右=15kN, C截面上 剪 力FSC=O可得剪力图如图(b)。由图可见，在 A截面左邻横截面上剪 力得 绝对值最大， |FS|max=20kN作弯矩图CA 段右向下的均布载荷，弯矩图为二次抛物线；在 C 处截面的剪力FSC=O故抛

16、物线在C截面处取极值，又因为 MC=O,故抛物线在C处应与 横 坐标轴相切。AD、DB两段为斜直线；在 A截面处因有集中力 FRA弯矩图 有一折角；在 D 处有集中力偶，弯矩图有突变，突变值即为该处集中 力 偶的力偶矩。计算出 MA二qa2/2= 10 (kN2m) MD 左二Me+FRBa=20 1531=5(kN2m) MD 右二FRBa=1531二15(kN2m), MB=0,根据这些数 值，可 作出弯矩图如图 (C)由图可见，D截面右邻弯矩的绝对值最大M |max=15(kN2m)o67、钢轴如图所示，已知 E=80GPa左端轮上受力F=20kN。若规定支 座A 处截面的许用转角，。

17、=0.5 °, 试选定此轴的直径。解：FA=FB=qL/2=9.832=19.6(kN)M(x)=qLx/2 qx2/2(0&lt;x&lt;L)Mmax=qL2/8=9.8342/8=19.6(kN2m)WEN Mmax/，=19.63103/1003106=196(cm3)选用 20a 工字钢一 |b=2370cm4=23.73106梁得许用强度为y=L/1000=4000/1000=4(m m)而最大强度在在梁跨中心其值为-Vmax=5qL4/384EI=539.83103344/38432063109323.73106一=6.73103 y此型号得工字钢不满足

18、刚度条件要满足刚度条件| V|max=5qL4/384EIE=539.83103344/384320631093IEVyIE>3964cm4应选用 25a 号工字钢满足钢度条件。8、如图所示（见答案）为一能旋转的悬臂式吊车梁，有28 号工字钢做的横梁AB及拉杆BC组成。在横梁AB的中点D有一个集中载荷F=25kN, 已知材料的许用应力5=100MPa,试校核横梁AB的强度。79、如图所示钻床，若 F=15kN材料许用拉应力Ct=35MPa,试计算圆立柱所需直径 d。解： （1 ）内力计算由截面法可得力柱 m-m 横截面上的内力为：FN=F=15kN , M=Fe=1530.4=6（kN2

19、m）（2） 按弯曲强度条件初选直径 d条件若直接用式（，max, min） =FN/A 土 Mmax/W 求解直径d,会遇到 三次 方程的求解问题，使求解较为困难。一般来说，可先弯曲正应力强度 进行截面设计，然后带回式进行强度校核。由， max=M/WWC8W= Ji d3/32AM/。有 d3(32M/ 丸C )l/3=(32363103/ 丸 3353106)1/3一=120.43103(m)取 d=121mm(3) 按偏心拉伸校核强度由式 (C max, C min) =FN/A ±Mmax/W。 max=FN/A+M/W=153103/ ( 丸 /4) 312123106+6

20、3103/ ( 丸/32) 312133109=35.8(MPa)>。 t最大拉应力超过许用拉应力 2.3%,但不到 5%,在工程规定的许可范 围 内，故可用。所以取圆立柱直径 d=121mm10、某球形内薄壁容器的最大允许工作压力Di=10m,厚度为6 n=22mm,若令焊接接头系数。=1.0,厚度附加量为C=2mm,试计算该球形容器的最大 允许工作压力。已知钢材的许用应力 Ct=147MPa.解：取工作压力等于设计工作压力 P=PC6 e= 6 n C-22 2-20P= 25e<te/Di=2320314731/103103=0.588(MPa)11、乙烯储槽，内径1600m

21、m,厚度为8 n=16mm,设计压力p=2.5MPa,工作温度t=-35 °C材料为16MnR,双面对接焊，局部探伤，厚度附加量C=1.5mm试校核强度。解：Ct=170MPa取 6 e= 6 n C=16 1.5=14.5mm0=1=P2D/2 6 e 9=2.531600/2314.531=138 (MPa) <170MPa故该设备强度足够12、某化工厂反应釜，内径为 1600mm,工作温度为5105 °C工作 压 力为1.6MPa,釜体材料选用0Grl8Nil0Ti。焊接采用对接焊，局部无损探伤，椭圆封头上装有安全阀，试设计筒体和封头的厚度。9解： PC=1.6

22、MPa Di=1600mm Ct=137MPa 0=0.8对于圆筒 5 =PC2Di/2 。 2-PC=1.631200/2313730.8- 1.6=8.79mmC=Cl+C2=0.8+1.0=1.86n=6+C=8.79+1.8=10.59圆整 C n=12mm封头 6 =PC2Di/2 2-0.5PC=1.631200/23137-0.531.6=8.76mm封头应与筒体同样的厚度圆整6 n圭寸=6 n筒=12mm13、今欲设计一台内径为 1200mm 的圆筒形容器。工作温度为 10 C, 最高工作压力为1.6MPao 筒体采用双面对焊接，局部探伤。端盖为标准椭圆形圭头,采用整板冲压成形

23、，容器装有安全阀，材质为Q235-B。已知其常温。s=235MPa,。b=370MPa, ns=1.6, nb=3.0b容器为单面腐蚀，腐蚀速度为0.2mm/a。设计使用年限为10年，试设计该容器筒体及封头厚度。解：材料为 Q235-B<s=235MPa(b=370MPa C2=lmm <t=113MPaP=PC=1.6MPa 0=0.8 Cl=0.8mm钢板的厚度6 n= PC2Di/2 Qt 0 -PC=1.631200/2311330.8-1.6= 10.7mm 6n=6+Cl+C2=12.5mm圆整 6 n=14mm封头 6 n=PC2Di/2 Qt 0 -0.5PC=1.

24、631200/2311330.8-0.531.6=10.67mm封头应取筒体相同的直径6 n 圭寸=6 n 筒=14mm14、已知V带传动的功率 P=5.5kW,小带轮基准直径 Dl=125mm,转速 nl=1400r/min, 求传动时带内的有效拉力 Fe。解：Fe=10002 P/VFe=100035.5/9.42=583.8N15、已知一 V带传动，小带轮基准直径 DI=140mm,大带轮基准直径D2=355mm,小带轮转速nI=1400r/min,滑动率£ =0.0试求由于弹性滑动在 5min 内引起的大带轮转数的损失。解：有滑动时传动比i=nI/n2=D2/DI(I-E)

25、=355/140(I-0.02)=2.587n2=nI/i=556 转/ 分没有滑动时 n22 n2=nI2DI/D2=568 转/ 分5 分钢损失的转数 =(568-556)35=60 转1016、 已知一正常齿制标准直齿圆柱齿轮a =20 ；m=5mm, z=50，试 分别 求出分度圆、基圆、齿顶圆上渐开线齿廓的曲率半径和压力角。解：D 分=mz=5350=250mmD 顶=m(z + 2)=5352=260mmD 基二D 根 cos a =m3(z2.5)cos20=53(50-2.5)3cos20=213.75mm17、有一标准阿基米德蜗杆传动，已知其模数 m=5mm, dI=50mm

26、, 蜗 杆头数zl=l,蜗轮齿数z2=30试计算主要几何尺寸。解： 齿距 p=pxl=pt2= :n m=丸 35=15.708(mm)齿顶高 ha=m=5(mm)齿根高 hf=1.2m=1.235=6(mm)齿 IWJ h=ha + hf=5 + 6=ll(mm)蜗杆分度圆直径dl=50(mm)(已知)蜗杆齿顶圆直径dal=dl + 2ha=50+235=60(mm)蜗杆齿根圆直径dfl=dl 2hf=50236=38(mm)蜗杆导程角y =arctan(mzl/dl)=arctan(531/50)=5 42'°38"蜗杆螺旋部分长度blA(ll + 0.06z2)m=(ll+0.06330)35=64(mm)蜗轮分度圆直径d2=mz2=5330=150(mm)蜗轮喉圆直径da2=d2 + 2ha=150 + 235=160(mm)蜗轮外圆直径de2Wda2 + 2m=160 + 235=170(mm)中心距 a=dl+d