2023年化工设备机械基础复习及超详细解析超详细解析答案.pdf

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1、1 化工设备机械根底复习题 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，那么称物体处于平衡状态。5、物体受外力作用变形时，其内部各局部之间因相对位置改变而引的相互作力称为内力 6、脆性材料的平安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根本变形形式。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

2、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

3、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的直边三局部组成。32、锥形封头在同样条件下与凸形封头比拟，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

4、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。2 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，平安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

5、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降低外表粗糙度 3增加外表强度 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，降低本钱，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。标准化的根本参

6、数公称直径、公称压力。8、沉着器的平安、制造、使用等方面说明对化工容器机械设计有哪些根本要求？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

7、，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，那么整个封头由锥体过渡弧及高度为 h0的 直边三局部组成。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 各局部之间因相对位置改变而引的相互作力称为内力脆性材料的平安系数一般取得比塑性材料要大一些在轴向拉伸或常见的一种根本变形形式简支梁是梁的一端为固定铰支座另一端为可动外伸梁是简支梁的一端或两端伸出支座之外悬应力理论又称第三强度理论形状改变比能理论又称第四强度理论构件在工作时出现随时间作周期变化的应力称为交变3 3筒体椭圆度和材料不均匀的影响 13、为平安，可拆连接、法兰必须满足哪些根本要求？答

8、：1有足够的刚度 2有足够的强度 3能耐腐蚀 4本钱廉价 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，本钱低廉 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外表疲劳点蚀而失效。当轴承不回转，缓慢

9、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，出现外表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。三个力偶的矩分别为：M1=1kNm；M2=1.4kNm；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=0.2m，求两螺栓受到的横向力。解：据 M=Fd M=M1+M2+M3=1+1.4+2=4.4kNm F=M/d=4.4/0.2=22kN

10、 答：两螺栓受到的横向力为 22kN 2、如下图，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 Fx FN1 FN2 A B 各局部之间因相对位置改变而引的相互作力称为内力脆性材料的平安系数一般取得比塑性材料要大一些在轴向拉伸或常见的一种根本变形形式简支梁是梁的一端为固定铰支座另一端为可动外伸梁是简支梁的一端或两端伸出支座之外悬应力理论又称第三强度理论形状改变比能理论又称第四强度理论构件在工作时出现随时间作周期变化的应力称为交变4 FB F

11、x=0 Fx+FBcos45=0 Fy=0 Fy1FN1FN2FBcos45=0 MA=0 Fy10FN10.4FN21.12FBcos451.12=0 FB=9.67kN Fx=6.84 Fy=2.16 杆 BC 的受力图 FB FA FC=FB=FB=9.67 3 如图a表示齿轮用平键与轴连接，轴直径 d=70mm，键的尺寸为hl=20mm12mm100mm，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。各局部之间因相对位置改变而引的相互作力称为内力脆性材料的平安系数一般取得比塑性材料要大一些在轴向拉伸或常见的一种根本变形形式简支梁是

12、梁的一端为固定铰支座另一端为可动外伸梁是简支梁的一端或两端伸出支座之外悬应力理论又称第三强度理论形状改变比能理论又称第四强度理论构件在工作时出现随时间作周期变化的应力称为交变5 先校核键的剪切强度。将平键沿 n-n截面分成两局部，并把 n-n以下局部和轴作为一 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=l=20100=2000mm2，有 =FS/A=57.14103/2000106=28.6(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 截面以上局部的平衡图 c，那么挤压力F=FS=

13、57.14kN，挤压面面积 AP=hl/2，有 p=F/Ap=57.14103/6100106=95.3(MPa)p 故平键也满足挤压强度条件。4、如下图结构中梁 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假设此时 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=E1/4d2=200GPa/4202=6.28107N F2=E2/4d2=100GPa/4252=4.91107N MA=

14、0 Fx+F22=0 MC=0 F(2x)+F12=0 Fx=11.19107N x=0.88(2)当 F=30kN 时 MA=0 F0.88+F22=0 MB=0 F(2x)+F12=0 F1=1.68104N F2=1.32104N 对杆 1 1=F1/(/4d12)=1.68104/(/420210-6)=53.5MPa 对杆 2 2=F2/(/4d22)=1.32104/(/425210-6)=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=40MPa，=0.5/m，G=80GP

15、a，各局部之间因相对位置改变而引的相互作力称为内力脆性材料的平安系数一般取得比塑性材料要大一些在轴向拉伸或常见的一种根本变形形式简支梁是梁的一端为固定铰支座另一端为可动外伸梁是简支梁的一端或两端伸出支座之外悬应力理论又称第三强度理论形状改变比能理论又称第四强度理论构件在工作时出现随时间作周期变化的应力称为交变6 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=10.536kNm d(16T/)1/2=1610536/(40106)=11.03(cm)由钢度条件设计轴的直径 Dmax=T/GIp180/=32T/Gd4180/d

16、32T/G180/1/2=3210536180/801090.5 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，如下图 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/4Me/2a=201/420/21=15kN 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=20115=35kN 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

17、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=10kNm MD左=Me+FRBa=20

18、151=5(kNm)MD右=FRBa=151=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)。各局部之间因相对位置改变而引的相互作力称为内力脆性材料的平安系数一般取得比塑性材料要大一些在轴向拉伸或常见的一种根本变形形式简支梁是梁的一端为固定铰支座另一端为可动外伸梁是简支梁的一端或两端伸出支座之外悬应力理论又称第三强度理论形状改变比能理论又称第四强度理论构件在工作时出现随时间作周期变化的应力称为交变7 7、钢轴如下图，E=80GPa，左端轮上受力 F=20kN。假设规定支座 A 处截面的许用转角，=0.5，试选

19、定此轴的直径。解：FA=FB=qL/2=9.82=19.6(kN)M(x)=qLx/2qx2/2 (0 xL)Mmax=qL2/8=9.842/8=19.6(kNm)WE Mmax/=19.6103/100106=196(cm3)选用 20a 工字钢 Ib=2370cm4=23.7106 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=59.810344/38420610923.7106=6.7103y 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=59.810344/384206

20、109IEy IE3964cm4 应选用 25a 号工字钢满足钢度条件。8、如下图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，材料的许用应力=100MPa，试校核横梁 AB 的强度。各局部之间因相对位置改变而引的相互作力称为内力脆性材料的平安系数一般取得比塑性材料要大一些在轴向拉伸或常见的一种根本变形形式简支梁是梁的一端为固定铰支座另一端为可动外伸梁是简支梁的一端或两端伸出支座之外悬应力理论又称第三强度理论形状改变比能理论又称第四强度理论构件在工作时出现随时间作周期变化的应力称为交变8 9、如下图钻

21、床，假设 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=150.4=6(kNm)2按弯曲强度条件初选直径 d 假设直接用式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 各局部之间因相对位置改变而引的相互作力称为内力脆性材料的平安系数一般取得比塑性材料要大一些在轴向拉伸或常见的一种根本变形形式简支梁是梁的一端为固定铰支座另一端为可动外伸梁是简支梁的一

22、端或两端伸出支座之外悬应力理论又称第三强度理论形状改变比能理论又称第四强度理论构件在工作时出现随时间作周期变化的应力称为交变9 W=d3/32M/有 d(32M/)1/3=(326103/35106)1/3=120.4103(m)取 d=121mm 3按偏心拉伸校核强度 由式max，min=FN/AMmax/W max=FN/A+M/W=15 103/41212106+6103/321213109 =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=121mm 10、某球形内薄壁容器的最大允许工作压力 Di=10m，厚

23、度为n=22mm,假设令焊接接头系数=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。钢材的许用应力t=147MPa.解：取工作压力等于设计工作压力 P=PC e=nC=222=20 P=2et/Di=2201471/10103=0.588(MPa)11、乙烯储槽，内径 1600mm，厚度为n=16mm，设计压力 p=2.5MPa，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=1.5mm，试校核强度。解：t=170MPa 取e=nC=161.5=14.5mm =1 =PD/2e =2.51600/214.51 =138MPa170MPa

24、故该设备强度足够 12、某化工厂反响釜，内径为 1600mm，工作温度为 5105C，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，椭圆封头上装有平安阀，试设计筒体和封头的厚度。各局部之间因相对位置改变而引的相互作力称为内力脆性材料的平安系数一般取得比塑性材料要大一些在轴向拉伸或常见的一种根本变形形式简支梁是梁的一端为固定铰支座另一端为可动外伸梁是简支梁的一端或两端伸出支座之外悬应力理论又称第三强度理论形状改变比能理论又称第四强度理论构件在工作时出现随时间作周期变化的应力称为交变10 解：PC=1.6MPa Di=1600mm t=137MPa

25、=0.8 对于圆筒=PCDi/2 2PC =1.61200/21370.81.6=8.79mm C=C1+C2=0.8+1.0=1.8 n=+C=8.79+1.8=10.59 圆整n=12mm 封头=PCDi/2 20.5PC=1.61200/21370.51.6=8.76mm 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，容器装有平安阀，材质为 Q235-B。其常温s=235MPa,b=370MPa，ns=1.6，nb

26、=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 s=235MPa b=370MPa C2=1mm t=113MPa P=PC=1.6MPa =0.8 C1=0.8mm 钢板的厚度 n=PCDi/2 tPC=1.61200/21130.81.6=10.7mm n=+C1+C2=12.5mm 圆整n=14mm 封头n=PCDi/2t0.5PC=1.61200/21130.80.51.6=10.67mm 封头应取筒体相同的直径 n封=n筒=14mm 14、V 带传动的功率 P=5.5kW，小带轮基准直径 D1=12

27、5mm，转速 n1=1400r/min，求传动时带内的有效拉力 Fe。解：Fe=1000P/V V1=D1n1/601000=3.141251440/601000=9.42m/s Fe=10005.5/9.42=583.8N 15、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=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)=355/140(10.02)=2.587 n2=n1/i=556 转/分 没有滑动时 n2 n2=n1D1/D2=56

28、8 转/分 5 分钢损失的转数=(568556)5=60 转 16、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。各局部之间因相对位置改变而引的相互作力称为内力脆性材料的平安系数一般取得比塑性材料要大一些在轴向拉伸或常见的一种根本变形形式简支梁是梁的一端为固定铰支座另一端为可动外伸梁是简支梁的一端或两端伸出支座之外悬应力理论又称第三强度理论形状改变比能理论又称第四强度理论构件在工作时出现随时间作周期变化的应力称为交变11 解：D分=mz=550=250mm D顶=m(z2)=552=260mm D基=D根cos=m(z2.

29、5)cos20=5(502.5)cos20=213.75mm 17、有一标准阿基米德蜗杆传动，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=15.708(mm)齿顶高 ha=m=5(mm)齿根高 hf=1.2m=1.25=6(mm)齿高 h=hahf=56=11(mm)蜗杆分度圆直径 d1=50(mm)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)=54238 蜗杆螺旋

30、局部长度 b1(110.06z2)m=(11+0.06 30)5=64(mm)蜗轮分度圆直径 d2=mz2=530=150(mm)蜗轮喉圆直径 da2=d22ha=15025=160(mm)蜗轮外圆直径 de2da22m=16025=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=100160/2=20(mm)蜗轮螺旋角 =54238，与蜗杆螺旋方向相同 蜗轮齿宽 b2=0.75da1=0.7560=45(mm)18、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=8

31、0mm，试按非液体摩擦状态设计此轴承。解：1取长径比 B/d=1.1，那么轴承宽度 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/(1910088)=0.357(Pam/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，足够平安 4计算轴承平均载荷因数 K，选择润滑装置 K=(pv3)1/3=(7.10.3573)1/3=0.576 按表 18-2选润滑脂，牌号为 2 号钙基润滑脂，由表 18-

32、4选旋盖油杯润滑装置。19、如下图，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。试答复1A、B、C 三个圆筒各属于哪一类圆筒？它们失稳时的波形数 n 等各局部之间因相对位置改变而引的相互作力称为内力脆性材料的平安系数一般取得比塑性材料要大一些在轴向拉伸或常见的一种根本变形形式简支梁是梁的一端为固定铰支座另一端为可动外伸梁是简支梁的一端或两端伸出支座之外悬应力理论又称第三强度理论形状改变比能理论又称第四强度理论构件在工作时出现随时间作周期变化的应力称为交变12 于或大于几？2当圆筒改为铝合金制造时S=108MPa，E=68.7GPa，它的许用外压有何

33、变化？变化的幅度大概是多少？用比值pa/ps=?表示。A D0 e C 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。各局部之间因相对位置改变而引的相互作力称为内力脆性材料的平安系数一般取得比塑性材料要大一些在轴向拉伸或常见的一种根本变形形式简支梁是梁的一端为固定铰支座另一端为可动外伸梁是简支梁的一端或两端伸出支座之外悬应力理论又称第三强度理论形状改变比能理论又称第四强度理论构件在工作时出现随时间作周期变化的应力称为交变