化工设备机械基础复习及答案汇总

化工设备机械基础复习题一、填空题1、强度是指构件＿抵抗破坏＿的能力。2、刚度是指构件＿抵抗变形＿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＿平衡状态＿。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＿内力6、脆性材料的安全系数一般取得比塑性材料要＿大一些＿。7、在轴向拉伸或压缩时，杆件不但有＿纵向＿变形，同时＿横向＿也发生变形。8、扭转是＿杆件＿的又种变形方式。9、τ=Gr称为＿剪切＿虎克定律。10、弯曲是工程实际中最常见的一种＿基本＿变形形式。11、简支梁是梁的一端为固定铰支座，另一端为＿可动＿。12、外伸梁是简支梁的一端或＿两端＿伸出支座之外。13、悬臂梁是梁的一端固定，另一端＿自由＿。14、最大拉应力理论又称＿第一＿强度理论。15、最大伸长线应变理论又称＿第二＿强度理论。16、最大剪应力理论又称＿第三＿强度理论。17、形状改变比能理论，又称＿第四＿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＿衡量＿固体材料软硬程度的力学性能指标。20、裂纹构件抵抗裂纹失稳扩展的能力称为断裂＿韧性＿。21、化工设备的密封性是一个十分＿重要＿的问题。22、化工设备的耐久性是根据所要求的＿使用＿年限来决定。23、发生边缘弯曲的原因是由于＿薄膜＿变形不连续。24、当q/b=＿2＿时为标准型椭圆形封头。25、圆柱壳体的环向应力为σθ=PD/2δ26、球形壳体的环向应力为σθ=PD/4δ27、δd是圆筒的＿设计＿厚度。28、δ是圆筒的＿计算＿厚度。29、有效厚度δe=＿δ+△＿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＿受力＿情况较差。33、球冠形封头在多数情况下用作容器中两独立受压室的＿中间＿封头。34、刚性圆筒，由于它的厚径比δe/D0较大，而长径比L/D0＿较小＿，所以一般不存在因失稳破坏的问题。35、加强圈应有＿足够＿的刚性，通常采用扁钢、角钢、工字钢或其它型钢组成。36、卧式容器的支座有＿鞍座＿圈座和支腿三种。37、立式容器有耳式支座、＿支承式支座＿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、＿整体＿法兰和任意式法兰三种。39、国家标准中的手孔的公称直径有＿DN150＿和DN250两种。40、平带一般由数层帆布＿粘合＿而成并用接头连接成环形带。41、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，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）圆柱铰链约束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、提高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h0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13、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：M1=1kN·m；M2=1.4kN·m；M3=1kN·m，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=M1+M2+M3=1+1.4+2=4.4kN·mF=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ABC。A、B、C处均为理想的圆柱形铰链约束。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FyFxFN1FN2ABFB∑Fx=0Fx+FBcos45°=0∑Fy=0Fy1―FN1―FN2＋FBcos45°=0∑MA=0Fy1×0－FN1×0.4－FN2×1.12＋FBcos45°×1.12=0∴FB=9.67kNFx=6.84Fy=2.16杆BC的受力图F′BFAFC=F′B=FB=9.673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δ×h×l=20mm×12mm×100mm，传递的扭转的扭转力偶矩M=2kN·m，键的许用切应力[τ]=60MPa，[σp]=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整体来考虑（图b），对轴心取矩，由平衡方程∑M0=0，得FS·(d/2)=M,FS=2M/d=57.14(kN)剪切面面积为A=δl=20×100=2000mm2，有τ=FS/A=57.14×103/2000×10－6=28.6(MPa)＜[τ]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=FS=57.14kN，挤压面面积AP=hl/2，有σp=F/Ap=57.14×103/6×100×10－6=95.3(MPa)＜[σp]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d1=20mm,E1=200;杆2为铜制圆杆，直径d2=25mm,E2=100GPa。试问：（1）载荷F加在何处，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=E1·π/4·d2=200GPa×π/4×（20）2=6.28×107NF2=E2·π/4·d2=100GPa×π/4×（25）2=4.91×107N∑MA=0－Fx+F2×2=0∑MC=0－F·(2－x)+F1×2=0Fx=11.19×107Nx=0.88(2)当F=30kN时∑MA=0－F×0.88+F2×2=0∑MB=0－F·(2－x)+F1×2=0F1=1.68×104NF2=1.32×104N对杆1σ1=F1/(π/4·d12)=1.68×104/(π/4×202×10-6)=53.5MPa对杆2σ2=F2/(π/4·d22)=1.32×104/(π/4×252×10-6)=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[τ]=40MPa，[θ]=0.5°/m，G=80GPa，求轴的直径。解：由强度条件设计轴的直径τmax=T/wt=16T/πd3＜[τ]T=9550p/n=9550×331／300=10.536kN·m∴d≥(16T/π[τ])1/2=[16×10536/(π×40×106)]=11.03(cm)由钢度条件设计轴的直径Dmax=T/GIp×180/π=32T/Gπd4×180/π≤[θ]d≥（32T/Gπ[θ]×180/π）1/2={32×10536×180/（80×109×0.5π）}1/2=11.13(cm)取d11.13cm6、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=0qa2/2+Me+FRB·2a=0FRB=－qa/4－Me/2a=－20×1/4－20/2×1=－15（kN）负号表示FRB实际方向与假设方向相反，即向下。∑Fy=0，FRA+FRB－qa=0FRA=qa－FRB=20×1―（―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=－20kN，其右邻的剪力FSA右=15kN，C截面上剪力FSC=0，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(3)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=0，故抛物线在C截面处取极值，又因为MC=0，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=－qa2/2=－10（kN·m）MD左=Me+FRBa=20－15×1=5(kN·m)MD右=FRBa=－15×1=－15(kN·m)，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(kN·m)。7、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，[θ]=0.5°，试选定此轴的直径。解：FA=FB=qL/2=9.8×2=19.6(kN)M(x)=qLx/2－qx2/2(0<x<L)Mmax=qL2/8=9.8×42/8=19.6(kN·m)∴WE≥Mmax/[σ]=19.6×103/100×106=196(cm3)选用20a工字钢Ib=2370cm4=23.7×10－6梁得许用强度为[y]=L/1000=4000/1000=4(mm)而最大强度在在梁跨中心其值为[V]max=5qL4/384EI=5×9.8×103×44/384×206×109×23.7×10－6=6.7×10－3＞[y]此型号得工字钢不满足刚度条件要满足刚度条件|V|max=5qL4/384EIE=5×9.8×103×44/384×206×109×IE＜[y]∴IE＞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[σ]=100MPa，试校核横梁AB的强度。9、如图所示钻床，若F=15kN，材料许用拉应力[σt]=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=15×0.4=6(kN·m)（2）按弯曲强度条件初选直径d若直接用式（σmax，σmin）=FN/A±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条件进行截面设计，然后带回式进行强度校核。由σmax=M/W≤[σ]W=πd3/32≥M/[σ]有d≥(32M/π[σ])1/3=(32×6×103/π×35×106)1/3=120.4×10－3(m)取d=121mm（3）按偏心拉伸校核强度由式（σmax，σmin）=FN/A±Mmax/Wσmax=FN/A+M/W=15×103/（π/4）×1212×10－6+6×103/（π/32）×1213×10－9=35.8(MPa)＞[σt]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δn=22mm,若令焊接接头系数φ=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[σ]t=147MPa.解：取工作压力等于设计工作压力P=PCδe=δn－C=22－2=20P=2δe[σ]tφ/Di=2×20×147×1/10×103=0.588(MPa)11、乙烯储槽，内径1600mm，厚度为δn=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：[σ]t=170MPa取δe=δn－C=16－1.5=14.5mmφ=1[σ]=P·D/2δeφ≤[σ]=2.5×1600/2×14.5×1=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5~105°C，工作压力为1.6MPa，釜体材料选用0Gr18Ni10Ti。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。解：PC=1.6MPaDi=1600mm[σ]t=137MPaφ=0.8对于圆筒δ=PC·Di/2[σ]2－PC=1.6×1200/2×137×0.8－1.6=8.79mmC=C1+C2=0.8+1.0=1.8δn=δ+C=8.79+1.8=10.59圆整σn=12mm封头δ=PC·Di/2[σ]2－0.5PC=1.6×1200/2×137－0.5×1.6=8.76mm封头应与筒体同样的厚度圆整δn封=δn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1.6MPa。筒体采用双面对焊接，局部探伤。端盖为标准椭圆形封头，采用整板冲压成形，容器装有安全阀，材质为Q235-B。已知其常温σs=235MPa,σb=370MPa，ns=1.6，nb=3.0。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-Bσs=235MPaσb=370MPaC2=1mm[σ]t=113MPaP=PC=1.6MPaφ=0.8C1=0.8mm钢板的厚度δn=PC·Di/2[σ]tφ－PC=1.6×1200/2×113×0.8－1.6=10.7mmδn=δ+C1+C2=12.5mm圆整δn=14mm封头δn=PC·Di/2[σ]tφ－0.5PC=1.6×1200/2×113×0.8－0.5×1.6=10.67mm封头应取筒体相同的直径δn封=δn筒=14mm14、已知V带传动的功率P=5.5kW，小带轮基准直径D1=125mm，转速n1=1400r/min，求传动时带内的有效拉力Fe。解：Fe=1000·P/VV1=πD1n1/60×1000=3.14×125×1440/60×1000=9.42m/sFe=1000×5.5/9.42=583.8N15、已知一V带传动，小带轮基准直径D1=140mm，大带轮基准直径D2=355mm，小带轮转速n1=1400r/min，滑动率ε=0.02，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=n1/n2=D2/D1(1―ε)=355/140(1―0.02)=2.587n2=n1/i=556转/分没有滑动时n2·n2=n1·D1/D2=568转/分5分钢损失的转数=(568－556)×5=60转16、已知一正常齿制标准直齿圆柱齿轮α=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=5×50=250mmD顶=m(z＋2)=5×52=260mmD基=D根cosα=m×(z－2.5)cos20=5×(50－2.5)×cos20=213.75mm17、有一标准阿基米德蜗杆传动，已知其模数m=5mm，d1=50mm，蜗杆头数z1=1，蜗轮齿数z2=30，试计算主要几何尺寸。解：齿距p=px1=pt2=πm=π×5=15.708(mm)齿顶高ha=m=5(mm)齿根高hf=1.2m=1.2×5=6(mm)齿高h=ha＋hf=5＋6=11(mm)蜗杆分度圆直径d1=50(mm)（已知）蜗杆齿顶圆直径da1=d1＋2ha=50＋2×5=60(mm)蜗杆齿根圆直径df1=d1―2hf=50―2×6=38(mm)蜗杆导程角γ=arctan(mz1/d1)=arctan(5×1/50)=5°42′38″蜗杆螺旋部分长度b1≥(11＋0.06z2)m=(11+0.06×30)×5=64(mm)蜗轮分度圆直径d2=mz2=5×30=150(mm)蜗轮喉圆直径da2=d2＋2ha=150＋2×5=160(mm)蜗轮外圆直径de2≤da2＋2m=160＋2×5=170(mm)中心距a=d1+d2