2022年化工设备机械基础复习及答案.pdf

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 、 =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=PD/2 26 、球形壳体的环向应力为=PD/4 27 、 d 是圆筒的 设计 厚度。 28 、是圆筒的计算 厚度。 29 、有效厚度 e=+ 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e/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。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 1 页，共 9 页 - - - - - - - - - - 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精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 2 页，共 9 页 - - - - - - - - - - 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=1kNm ；M2=m ；M3=1kNm ，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= ，求两螺栓受到的横向力。解：据 M= Fd M=M1+M2+M3=1+2=m F=M/d=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= ，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 FyFx FN1 FN2 A B FBFx=0 Fx+FBcos45=0精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 3 页，共 9 页 - - - - - - - - - - Fy=0 Fy1FN1FN2FBcos45=0MA=0 Fy10FN1 FN2 FBcos45 =0FB= Fx= Fy=杆 BC的受力图FB FAFC=FB=FB=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hl=20mm12mm 100mm ，传递的扭转的扭转力偶矩M=2kN m ，键的许用切应力 =60MPa， p=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=(kN)剪切面面积为A=l=20 100=2000mm2，有=FS/A= 103/2000 106=(MPa) 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=，挤压面面积AP=hl/2 ，有p=F/Ap=103/6 100106=(MPa) 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 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 /4 d2=200GPa /4 （ 20）2=107NF2=E2 /4 d2=100GPa /4 （ 25）2=107NMA=0 Fx+F22=0MC=0 F(2x)+F12=0Fx=107N x=(2) 当 F=30kN 时MA=0 F+F22=0MB=0 F(2x)+F12=0F1=104N F2=104N对杆 1 1=F1/( /4 d12)= 104/( /4 202 10-6)=对杆 2 2=F2/( /4 d22)= 104/( /4 252 10-6)=精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 4 页，共 9 页 - - - - - - - - - - 杆 1的正应力为杆 2 的正应力为5、以圆轴以300r/min的转速传递331kW的功率。如 =40MPa， = /m，G=80GPa ，求轴的直径。解：由强度条件设计轴的直径max=T/wt=16T/ d3 T=9550p/n=9550331300=m d (16T/ )1/2=16 10536/( 40106)=(cm)由钢度条件设计轴的直径 Dmax=T/GIp 180/ =32T/G d4 180/ d（ 32T/G 180/ ）1/2=32 10536180/ （80109） 1/2=(cm)取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=0 qa2/2+Me+FRB2a=0 FRB=qa/4 Me/2a= 201/4 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+ FRBqa=0 FRA=qaFRB=201（ 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（kNm ） MD 左=Me+FRBa=20 151=5(kNm) MD 右=FRBa=15 1=15(kNm)，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(kNm)。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， = ，试选定此轴的直径。解： FA=FB=qL/2= 2=(kN) M(x)=qLx/2 qx2/2 (0 xL) Mmax=qL2/8= 42/8=(kN m)精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 5 页，共 9 页 - - - - - - - - - - WE Mmax/ = 103/100 106=196(cm3)选用 20a 工字钢Ib=2370cm4=106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Vmax=5qL4/384EI=5 10344/384 206109 106=103y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 10344/384 206109IEy IE3964cm4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 =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 t=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=6(kNm)（2）按弯曲强度条件初选直径d若直接用式（max，min）=FN/AMmax/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max=M/W W = d3/32 M/ 有 d(32M/ )1/3=(32 6103/ 35106)1/3= 103(m)取 d=121mm （3）按偏心拉伸校核强度由式（max，min）=FN/AMmax/Wmax=FN/A+M/W=15103/ （ /4 ） 1212106+6103/ （ /32 ） 1213 109 =(MPa) t最大拉应力超过许用拉应力% ，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 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 6 页，共 9 页 - - - - - - - - - - 10、某球形内薄壁容器的最大允许工作压力Di=10m ，厚度为n=22mm,若令焊接接头系数=，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 t=147MPa.解：取工作压力等于设计工作压力 P=PCe=nC=22 2=20 P= 2e t/Di=2201471/10 103=(MPa)11、乙烯储槽，内径1600mm ，厚度为n=16mm ，设计压力p=，工作温度t= 35C，材料为 16MnR ，双面对接焊，局部探伤，厚度附加量C=，试校核强度。解： t=170MPa取e=nC=16= =1 =P D/2e =1600/2 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5105C，工作压力为，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= Di=1600mm t=137MPa =对于圆筒 =PCDi/2 2PC =1200/2 137 = C=C1+C2=+=n=+C=+=圆整n=12mm 封头 =PCDi/2 2= 1200/2 137 = 封头应与筒体同样的厚度圆整n封=n筒=12mm 13、今欲设计一台内径为1200mm的圆筒形容器。工作温度为10C，最高工作压力为。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s=235MPa,b=370MPa ，ns=，nb=。容器为单面腐蚀，腐蚀速度为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=1mm t=113MPa P=PC= = C1= 钢板的厚度n= PCDi/2 t PC=1200/2 113 = n=+C1+C2= 圆整n=14mm 封头n=PCDi/2 t =1200/2 113 = 封头应取筒体相同的直径精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 7 页，共 9 页 - - - - - - - - - - n封=n筒=14mm 14、已知 V 带传动的功率P=，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=1000P/V V1=D1n1/60 1000=1251440/60 1000=sFe=1000 =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 =，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 )=355/140(1 = n2=n1/i=556转/ 分没有滑动时n2 n2=n1D1/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=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(z2)=552=260mm D基=D根cos =m (z cos20=5(50 cos20=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=m= 5=(mm)齿顶高 ha=m=5(mm)齿根高 hf=5=6(mm)齿高 h=ha hf=56=11(mm)蜗杆分度圆直径 d1=50(mm) （已知）蜗杆齿顶圆直径 da1=d12ha=5025=60(mm)蜗杆齿根圆直径 df1=d12hf=5026=38(mm)蜗杆导程角=arctan(mz1/d1)=arctan(51/50)=5 4238蜗杆螺旋部分长度 b1(11 m=(11+30) 5=64(mm)蜗轮分度圆直径 d2=mz2=530=150(mm)蜗轮喉圆直径 da2=d22ha=150 25=160(mm)蜗轮外圆直径 de2da2 2m=160 25=170(mm)中心距 a=d1+d2/2=(50+150)/2=100(mm)蜗轮咽喉母圆半径 rg2=ada2/2=100 160/2=20(mm)蜗轮螺旋角=54238，与蜗杆螺旋方向相同精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 8 页，共 9 页 - - - - - - - - - - 蜗轮齿宽 b2=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= ，则轴承宽度B： B=88(mm)（2）计算比压p: P=F/(Bd)=50000/(8880)=(MPa)（3）计算 pv 值: Pv=Fn/(19100B)=5000012/(19100 88)=(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=1/3=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， S=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（S=108MPa ，E=） ，它的许用外压有何变化？变化的幅度大概是多少？（用比值pa/ps=?表示）。A D0eC B=p(D0/ e) 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/e有关。故 C筒为短圆筒，失稳数n2（2）对于 A、B、C三种圆筒改用铝合金时，其L、D0、e均不发生改变。只有E改变， E减小，因为许用外压减小。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 9 页，共 9 页 - - - - - - - - - -