化工设备机械基础复习及答案教学文案.docx

化工设备机械基础复习及答案教学文案.docx

《化工设备机械基础复习及答案教学文案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工设备机械基础复习及答案教学文案.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

化工设备机械基础复习及答案教学文案

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。