化工设备机械基础复习及答案.docx
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化工设备机械基础复习及答案
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（0Mmax=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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