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—

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，同时横向也发牛变形。

8、扭转是—杆件—的又种变形方式。

9、T =Gr称为—剪切一虎克定律。

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_可动一。

12、外伸梁是简支梁的一端或—两端」申出支座之外。

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—衡量一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—时为标准型椭圆形圭寸头。

25、圆柱壳体的环向应力为b e =PD/2 A

26、球形壳体的环向应力为b e =PD/4 A

27、S d是圆筒的—设辻—厚度。

28、S是圆筒的计算厚度。

29、有效厚度S e=丿+ △

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R i为半径的球面，以r为半径的过度弧高度为h o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S e/D o较大，而长径比L/D o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、—整体一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：M i=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=M i+M 2+M 3=1+1.4+2=4?4kN

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 I

FX F N1 F N2

A B

F B

刀Fx=0 F X+F B COS45 =0

刀Fy=0 Fy1 —F N1—F N2 + F B CO S45 =0

刀M A=0 Fy1 X 0 — F N1 X 0.4 —F N2 X 1.12 + F B COS45 X 1.12=0

二

B=9.67kN Fx=6.84 Fy=2.16

杆BC的受力图

F B

F A

F C=F B=F B=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8 X h x l=20mm

x 12mm x 100mm,传递的扭转的扭转力偶矩

M=2kN?m,键的许用切应力[T ]=60MPa,

站p]=100MPa，试校核键的强度。

题]图

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

程刀M o=0,得

F S?(d/2)=M, F s=2M/d=57.14(kN)

剪切面面积为A= 8 1=20 X 100=2000mm2,有T =F s/A=57.14 X 103/2000 X 10 一6=28.6(MPa) v [ T ]

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=F S=57.14kN，挤压面面积A p=hl/2，有

a p=F/A p=57.14X 103/6X 100X 10 6=95.3(MPa) v [ a 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d i=20mm,E i=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。

解：A』----- 护■'

Fi F*

杆1的拉力F1 杆2的拉力F2

F1=E1 ?n /4 ?d2=200GPa X n /4 X (20) 2=6.28 X 107N

F2=E2 ?n /4 ?d2=100GPa X n /4 X (25)

2=4.91 X 107N

刀M A=0—F X+F Q X 2=0

刀M C=0—F ?(2 —x)+F i X 2=0

F X=11 .19X 107N X=0.88

(2)当F=30kN 时

E M A=0—

F X 0.88+F2 X 2=0

刀M B=0—F ?(2 —X)+F I X 2=0

F I=1 .68X 104N F2=1.32X 104N

对杆1 a i=F i/( n /4 ?d i2)=1.68X

104/( n

/4X 202X 10-6)=53.5MPa

对杆2 a 2=F2/( n /4 ?d22)=1.32 X

104/( n

/4X 252X 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[ T ]=40MPa ]=0.5 ° /m, G=80GPa,求轴的直径。

解：由强度条件设计轴的直径

T max=T/W t=16T/ n d v [ T ]

T=9550p/n=9550 X 331 / 300=10.536kN ?m

d > (16T/ n [ T ])1/2=[16 X 10536/( n X 40 X 106)]=11.03(cm)

由钢度条件设计轴的直径

D max=T/Glp X 180/ n =32T/G n d4X 180/n < [0 ]

d>( 32T/G n [ 0 ] X 180/ n )

1/2={32

X 10536X 180/ (80X 109X

0.5n ) }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

刀M A=0 qa2/2+M e+F RB ?2a=0

F RB=—qa/4 —M e/2a= —20 X 1/4—20/2 X 1 = —15 （kN）

负号表示F RB实际方向与假设方向相反，即向下。

刀Fy=0 ,

F RA+F RB—qa=0

F RA=qa —

F RB=20X 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F SA左=—20kN ,其右邻的剪力F SA右=15kN , C 截面上剪力F SC=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，|F s|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F SC=0，故抛物线在C 截面处取极值，又因为M C=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F RA，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M A= —qa2/2= —10 (kN ?m) M D左=Me+F RBa=20—15X 1=5(kN ?m)

M D右=F RBB=—15X 1 = —15(kN - m), M B=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)o

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 ]=0.5°,试选定此轴的直径。

题？图心

解：F A=F B=qL/2=9.8 X 2=佃.6(kN)

M (x)=qLx/2 —qx2/2 (0

2 2

M max=qL2/8=9.8X 42/8=19.6(kN ?

W E > M max/[ a ]=19.6 X 103/100 X 106=196(cm3)

选用20a工字钢

4 —6

l b=2370cm4=23.7X 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 X 9.8X 103X 44/384X 206X 109X 23.7X 10"6

=6.7X 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=5qL4/384EI E=5 X 9.8X 103X 44/384X 206X 109X I E< [y]

I E> 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[（7 ]=100MPa , 试校核横梁AB的强度。

s >

(1)受力分析+1

AB梁受力图如图(h) (c)所示.由静力平衡方程可求得卅

F-25 (空) (e)屮

F. _=F^.=21 <5 (kN) a

(仝)屮

由受力图可以看出，梁AB上外力g比使梁雜轴向压缩变形，而外力F、口 0 淒梁发生弯曲变形。于是橫梁在F的作用下发生轴向压缩与弯曲的组合变形?屮

(2)确定危险载面*

作AB耀他轴力图(d)和弯袒图2),可知D沟危险截蔚，其轴力和弯袒分别洵屮

F?■—21.6 (ES)牢

\L=-;=16.25 (空?m)卜

(3)计算危险点处的应力卩

由型钢规恪表查得1$号工字钢的橫SE面面积为A=3抗弯截面系数v/=lS5cm：j 在危险截面的上掳缘鸟点有最犬压应九其绝对值为心

F N A-FXi^ W=21,6X 1QJ 30.6Xi0-"+W.25X10^ tS?X 10^-a4.S7^ffa^

(4)强匡校核亠

o Xi^=P4.S7MPa<[o

梁AB满足强度案件.P

下面讨论作曲拉伸(压缩)与弯曲組合变形形武二种特

殊情况一一偏心拉伸〔压缩)间题-如果作用在直杆上的

外力平行与杆的轴线但与轴践不重合时，梧引起偏心拉

伸或偏心压缩.如厂房支承吊车梁的立柱.

(如图1)- 4

设有二矩形载面直杆，杆两端作用有平行于轴线的力

F (如图1), F力作用虫与橋截面形心的距离用亡表示，

称为偏心距.在该力的作用下，杆受到偏心将力a

F向橫截面形心简化，得到一个使杆产生轴向拉伸的拉

力F同时得到一个康任产生弯曲的、矩为的弯曲力偶

矩M (3).于是，这个间题转化为拉伸与弯曲的组合变尸「------------------ J F P

形问题.具磁点的最犬应力值可用公式彳? L I I」—

(◎0GH)"F N為土Mail W+J

计算，只需将式中的\1改为偏心力偶矩F已{3”

9、如图所示钻床，若F=15kN，材料许用拉应力[(T 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:

F N=F=15kN M=F e=15 X

0?4=6(kN ?m)

(2)按弯曲强度条件初选直径d

若直接用式( (T max，b min )=F N/A± M max/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T max=M/^V W [ T ]

W = n d3/32 > M/[ T ]

有 d > (32M/ n [ T ])1/3=(32 X 6 X 103/ n

X 35 X 106)1/3

=120.4 X 10 3(m)

取d=121mm

(3)按偏心拉伸校核强度

由式( T max , T min )=F N/A± M max/W

T max=F N/A+M/W=15 X 10 / ( n /4) X 1212X 10—6+6X 103/ ( n /32)X 1213X 10_9

=35.8(MPa) > [T t]

最大拉应力超过许用拉应力 2.3%，但不到