化工设备机械基础复习及答案汇总.docx
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化工设备机械基础复习及答案汇总.docx
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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/2δ
26、球形壳体的环向应力为σθ=PD/4δ
27、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=±Fd
M=M1+M2+M3=1+1.4+2=4.4kN·m
F=M/d=4.4/0.2=22kN
答:
两螺栓受到的横向力为22kN
2、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
Fy
FxFN1FN2
AB
FB
∑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′B
FA
FC=F′B=FB=9.67
3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F2
F1=E1·π/4·d2=200GPa×π/4×(20)2=6.28×107N
F2=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=0
Fx=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=0
F1=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26.9MPa
5、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d11.13cm
6、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=0
FRB=-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=0
FRA=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 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/W σmax=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=121mm 10、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=PC δe=δn-C=22-2=20 P=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=8.79mm C=C1+C2=0.8+1.0=1.8 δn=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=12mm 13、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-B σs=235MPaσb=370MPaC2=1mm[σ]t=113MPa P=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=10.7mm δn=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=14mm 14、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/V V1=πD1n1/60×1000=3.14×125×1440/60×1000=9.42m/s Fe=1000×5.5/9.42=583.8N 15、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)=2.587 n2=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=250mm D顶=m(z+2)=5×52=260mm D基=D根cosα=m×(z-2.5)cos20 =5×(50-2.5)×cos20 =213.75mm 17、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+d2/2=(50+150)/2=100(mm) 蜗轮咽喉母圆半径rg2=a―da2/2=100―160/2=20(mm) 蜗轮螺旋角β=γ=5°42′38″,与蜗杆螺旋方向相同 蜗轮齿宽b2=0.75da1=0.75×60=45(mm) 18、已知一起重机卷筒的滑轮轴承所承受的最大径向载荷F=50000N,卷筒转速n=12r/min,轴颈直径d=80mm,试按非液体摩擦状态设计此轴承。 解: (1)取长径比B/d=1.1,则轴承宽度B: B=1.1d=88(mm) (2)计算比压p: P=F/(Bd)=50000/(88×80)=7.1(MPa) (3)计算pv值: Pv=Fn/(19100B)=50000×12/(19100×88)=0.357(Pa·m/s) 据p和pv值查表18-5,选ZCuSn10Pb1作为轴瓦材料,其[p]=15MPa,[pv]=15MPa·m/s,足够安全 (4)计算轴承平均载荷因数K,选择润滑装置 K=(pv3)1/3=(7.1×0.3573)1/3=0.57<6 按表18-2选润滑脂,牌号为2号钙基润滑脂,由表18-4选旋盖油杯润滑装置。 19、如图所示,A、B、C点表示三个受外力的钢制圆筒,材质为碳素钢,σS=216MPa,E=206GPa。 试回答 (1)A、B、C三个圆筒各属于哪一类圆筒? 它们失稳时的波形数n等于(或大于几)? (2)当圆筒改为铝合金制造时(σS=108MPa,E=68.7GPa),它的许用外压有何变化? 变化的幅度大概是多少? (用比值[p]a/[p]s=? 表示)。 AD0 δe C B=[p](D0/δe) B 解: (1)由图可知,A点L/D0较大,A为长圆筒,失稳数n=2 对于B点,L/D0较小,故B为刚体圆筒 对于C点,圆筒不仅与L/D0有关,还与D0/σe有关。 故C筒为短圆筒,失稳数n>2 (2)对于A、B、C三种圆筒改用铝合金时,其L、D0、δe均不发生改变。 只有E改变,E减小,因为许用外压减小。
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