化工设备机械基础复习及答案汇总.doc

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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,

6、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

7、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

8、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

9、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=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 答:两螺栓受到的横向力为22kN 2、如图所示,有一管道支架A

10、BC。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 FyFx FN1 FN2 A B FB Fx=0 Fx+FBcos45=0Fy=0 Fy1FN1FN2FBcos45=0MA=0 Fy10FN10.4FN21.12FBcos451.12=0FB=9.67kN Fx=6.84 Fy=2.16杆BC的受力图FB FAFC=FB=FB=9.673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=20mm12mm100mm,传递的扭转的扭转力偶矩M=2kNm,键的许

11、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=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截面以上部分的平衡(图c),则挤压力F=FS=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

12、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=E1/4d2=200GPa/4(20)2=6.28107NF2=E2/4d2=100GPa/4(25)2=4.91107NMA=0 Fx+F22=0MC=0 F(2x)+F12=0Fx=11.19107N x=0.88(2) 当F=30kN时 MA=0 F0.88+F22=0MB=

13、0 F(2x)+F12=0F1=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26.9MPa5、以圆轴以300r/min的转速传递331kW的功率。如=40MPa,=0.5/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=10.536kNm d(16T/)1/2=1610536/(40106)=11

14、.03(cm) 由钢度条件设计轴的直径 Dmax=T/GIp180/=32T/Gd4180/ d(32T/G180/)1/2=3210536180/(801090.5)1/2=11.13(cm) 取d11.13cm6、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/4Me/2a=201/420/21=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

15、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

16、中力偶的力偶矩。计算出MA=qa2/2=10(kNm) MD左=Me+FRBa=20151=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)。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,=0.5,试选定此轴的直径。解:FA=FB=qL/2=9.82=19.6(kN) M(x)=qLx/2qx2/2 (0xL) Mmax=qL2/8=9.842/8=19.6(kNm) WE Mmax/=19.6103/100106=196(c

17、m3) 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=59.810344/384206109IEy 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=

18、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=150.4=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 =d3/32M/ 有 d(32M/)1/3=(326103/35106)1/3=120.4103(m)取 d=121mm

19、 (3)按偏心拉伸校核强度由式(max,min)=FN/AMmax/W max=FN/A+M/W=15103/(/4)1212106+6103/(/32)1213109 =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,厚度为n=22mm,若令焊接接头系数=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。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=PC e=nC=222=20 P= 2et/Di=220147

20、1/10103=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 =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=1.6MPa

21、 Di=1600mm t=137MPa =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,容器装有安全阀,材质为Q235-B。已知其常温s=235MPa,b

22、=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 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、已知V带传动的功率P=5.5k

23、W,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=D1n1/601000=3.141251440/601000=9.42m/sFe=10005.5/9.42=583.8N15、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=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/

24、D2=568转/分5分钢损失的转数=(568556)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=550=250mm D顶=m(z2)=552=260mm D基=D根cos=m(z2.5)cos20=5(502.5)cos20=213.75mm17、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=15.708(mm) 齿顶高 ha=m=5(mm) 齿根高 hf=1.2m=

25、1.25=6(mm)齿高 h=hahf=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)=54238蜗杆螺旋部分长度 b1(110.06z2)m=(11+0.0630)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)/

26、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、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/(8880)=7.1(MPa) (3)计算pv值: Pv=Fn/(19100B)=5000012/(1910088)=0.35

27、7(Pam/s) 据p和pv值查表18-5,选ZCuSn10Pb1 作为轴瓦材料,其p=15MPa,pv=15MPam/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=(7.10.3573)1/3=0.576 按表18-2选润滑脂,牌号为2号钙基润滑脂,由表18-4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=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。12

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