化工机械设备试题与解答

２０0 4～２０0 5 学年第二学期期末考试试卷

《 化工机械基础 》（ Ａ卷 共4页）

（考试时间：2005年 6月 21日） 化工 学院 专业 班

年级 2002级 学号 姓名

一、名词解释（共10分，每小题2分）

1、疲劳强度：金属材料在循环应力下，经受无限次循环而不发生破坏的最大应力称为“疲劳强度”，用r σ表示。对于一般钢材，以106～107次不被破坏的应力，作为疲劳强度。

2、断面收缩率：主要反应材料局部变形的能力。以试件拉断后，断面缩小的面积与原始截面面积0A 的比值的百分数来表示，%1000

0?-=A A

A ψ，A 为试件断裂后的最小截面积。

3、薄壁容器：根据容器外径0D 与内径i D 的比值K 来判断，2.1≤K 为薄壁容器。

i

D D K 0

=

4、同素异构转变：在固态下晶格构造随温度发生变化的现象，称“同素异构转变”

5、垫片密封比压力：在法兰密封中形成初始密封条件的压紧应力叫垫片密封比压力。

二、问答题（共33分）

1、画出低碳钢和铸铁的拉伸和压缩应力—应变示意图，简要说明两种材料的的

性能差别。（8分）

低碳钢拉伸和压缩时的应力—应变图铸铁拉伸应力—应变图铸铁压缩应力—应变图

低碳钢拉伸和压缩时的比例阶段和屈服阶段重合，表明此时拉伸和压缩的材料性能一致。低碳钢压缩时不发生断裂破坏，无强度极限。

铸铁拉伸和压缩时，最终都发生断裂破坏，且塑性变形小，没有屈服阶段，铸铁的拉伸和压缩的应力—应变曲线的变化趋势一致，但拉伸时的强度极限远小于压缩时的强度极限，表明铸铁材料适用于受压缩的状况，而较少用于受拉伸状态。

2、下列钢号各代表何种钢，符号中的字母和数字各有什么意义？（8分）

Q215-B.F 代表普通碳素钢（钢种），其中Q为屈服强度的头一个拼音字母，215为屈服强度值，B表示质量等级，F表示沸腾钢。

20A代表高级优质碳素钢，20为含碳量0.2%。

15MnVDR 代表普通低合金钢，含碳量0.15%左右，含Mn小于1.5%，含V 小于1.5%，D表示低温用钢，R代表容器用钢

H80 代表黄铜（钢种），H为黄铜牌号，80 表示平均含铜80%，含锌20%。

3、不锈钢一般采用何种方式进行焊接，这种焊接方法的特点是什么？（4分）

不锈钢一般采用氩弧焊进行焊接。

氩弧焊特点：用氩气为保护介质，是惰性气体，既不与金属起化学反应也不溶于液态金属，可避免焊接缺陷，获得高质量的焊缝。由于氩气比较稀缺，使其焊接成本较高，目前主要用来焊接易氧化的有色金属、稀有金属、高强度合金钢

及一些特殊用途的高合金钢。

4、一设备法兰的操作温度为2700C，工作压力为0.8MPa，当材料为Q235-B和15MnVR时应分别按何种公称压力级别确定法兰几何尺寸。（4分）

Q235-B应按公称压力1.6MPa级别确定法兰的几何尺寸。

15MnVR应按公称压力1.0MPa级别确定法兰的几何尺寸。

5、下列容器属一、二、三类容器的哪一类？（4分）

（1）直径为2000mm，设计压力为1MPa的圆筒形容器

（2）设计压力为3.6MPa的搪玻璃压力容器

（3）设计压力为0.5MPa的管壳式余热锅炉

（4）p为3MPa的氰化氢容器

（1）为一类容器；（2）为三类容器；（3）为二类容器；（4）为三类容器。

6、分析安装在户外的塔体受哪些载荷的作用？说明这些载荷将引起何种变形？（5分）

答：主要受工作压力、重量载荷、风载荷、地震载荷以及偏心载荷的作用。

对各种载荷影响的考虑：

（1）工作压力引起拉伸变形；

（2）重量载荷引起的轴向拉伸和压缩变形；

（3）风载荷造成的风弯矩，引起弯曲变形；

（4）垂直地震力引起的轴向拉伸和压缩变形，水平地震力形成地震弯矩，引起弯曲变形；

（5）偏心载荷造成偏心弯矩，引起弯曲变形，同时也产生压缩变形。

四、计算题（共57分）

1、一个低合金钢内压反应塔，筒体内径mm D i 1000=，标准椭圆形封头，工作

压力MPa 0.2（装有安全阀），工作温度C 0270，塔体采用单面手工电弧焊，100%无损探伤，内部介质有轻微腐蚀性。设计塔体壁厚，并校核水压试验强度

。（

[]MPa t

144=σ，

[]MPa

170=σ，

MPa

s 345=σ，

()

s e

e i T T D p ?σδδσ9.02≤+=

）（10分）

表 钢板负偏差C l （mm ）

解：根据题意，mm C 12=，9.0=?，MPa p 1.2205.1=?=

[]mm C p

pD t

i d 17.90.105

.129.014421000

05.1222=+?-????=

+-=

?σδ

再加上钢板负偏差mm C 8.01=，然后圆整，取mm n 10=δ厚。 水压试验校核：

()

()MPa D p e

e i T T 5.1902

.822.81000144170

05.1225.12=?+??

??=

+=

δδσ MPa s 5.2793459.09.09.0=??=?σ，

s T ?σσ9.0<，

所以水压试验时强度足够。

2、DN2000的低碳钢外压圆筒，筒体长4500mm ，壁厚10mm ，两侧封头凸面高度

600mm ，介质无腐蚀。试计算筒体能承受的许可外压，并判断发生侧向失稳后筒体横截面上产生的波形数是等于2还是大于2？。（8分）。

（3

02.2???? ??=D E p e cr δ，()0

5.2059.2D L D E p e cr δ=，MPa E 5

102?=） 解：mm C 8.01=，mm C 12=，mm L 490026003

1

4500=??+=

mm D D L e

cr 370942

.82020

2020

17.117.10

0=?=?=δ

cr L L <，为短圆筒，发生侧向失稳后筒体横截面上产生的波形数2>n 。

()MPa D L D E

p e

cr 224.02020490020202.810259.259.25

.250

5

.20=??

? ????

? ?????==δ

[]MPa m

p p cr

075.0==

3、如图所示，两端固定的变截面直杆在连接处受到70kN 的力，已知：215cm A =，224cm A =，

21/200m GN E =，22/250m GN E =，求出两端约束

反力的大小并画出轴力图。（9分） 解：

()4

93

1493

12

22

2111110410250105.0701051020010

2.00--?????--

?????=

=+=?P P A E L P A E L P L

所以 kN P 501=，kN P 202=，方向都是向左。

4、如图所示，直径为50mm 的实心梁上受到一均

布载荷和一力偶的作用。（1）列出剪力方程和弯距方程，（2）画出剪力图和弯矩图，（3）求危险横截面上最大正应力。（15分）

解：约束反力 m kN R .1=，m kN M .75.2=，

剪力方程：()???≤≤-≤≤=m x m x m x m kN x Q 15.0225.00.1

弯距方程：()?

??≤≤--≤≤-=m x m x x m

x x x M 15.0125.0075.22

MPa J y M Z 22405.064

2

/05.01075.24

3max max max

=??=?=πσ

5、已知搅拌反应釜的传动轴直径D 为20mm ，材料为45钢，GPa G 80=，其传递的轴功率为 1.5kW ，搅拌转速

min /100r n =，

（1）求扭转时传动杆横截面上所受到的最大剪应力是多少？传动轴单位长度上的扭转角是多少？（2）若传动轴还受到轴向的压力

kN P 8=和弯曲力矩m kN M .1.0=的作用，如图所示，请分别用第三和第四强度理论计算该传动轴危险点处的相当应力。（15分） 解：（1）m N n N M n /25.143100

5

.195509550

=?== MPa D M W M n

n 2.91163max ===

πτρ

rad GJ M L

n

114.002.032

108025.1434

9=??

?===

π

?

θρ

（2）下表面为危险点，在该处取应力单元体

MPa W M A P z

x 8.15202.032

101.002.0410833

23-=??-??-=--=ππσ

0=y σ，MPa xy 2.91=τ

MPa MPa xy y x y x 4.1956.42222

2

min max -=+???? ?

?-±+=τσσσσσσ MPa r 238313=-=σσσ

()()()[]

MPa 8.2192

1

2132322214=-+-+-=

σσσσσσσ