化工机械基础考试题答案

《机械设计基础》课程期末考试卷B

参考答案和评分标准

（适用班级D06储运）

1、有一对外啮合渐开线标准直齿圆柱齿轮传动，两轮中心距a=276mm ，小齿轮齿顶圆直径d a1=70mm ，小齿轮齿数Z 1=33，试求大齿轮分度圆直径。（10分）

解：由于这是一对一对外啮合渐开线标准直齿圆柱齿轮传动，所以各项参数都取标准值。 根据 a=1/2（Z 1+Z 2）m （1） （4分）

d a1=（Z 1+2）m （2） （4分） 把d a1=70mm ，Z 1=33代入（2）式，得m=2mm

把a=276mm ，Z 1=33，m=2mm 代入（1）式，得Z 2=243 大齿轮分度圆直径d 2=mZ 2=2×243=486mm （2分）

2、某工厂脱水塔塔体内径为700mm ，壁厚为12mm ，工作温度为180℃，压力为2MPa ，材料为20R 。塔体采用手工电弧焊，局部探伤，壁厚附加量为C=2mm ，试校核塔体水压试验强度。（15分） （20R 在≤20℃下[σ]=133MPa ，150℃下[σ]=132MPa ，200℃下[σ]=123MPa ，σs=245MPa ） 解：已知D i =700mm ， t=180℃， P c =1.1×2=2.2MPa ，δn =12mm ，[σ] 20℃=133MPa ， [σ] 180℃

=126.6MPa （内插法），φ=0.8，C=2mm 。 （2分） 根据水压试验应力公式

（4分）

（2分）

δe =δn -C =12-2=10mm

代入得 ()MPa 60.10210

21070089.2T =?+?=σ （2分） 0.9φσs=0.9×0.8×245=176.4MPa （2分） σT ＜0.9φσs （2分） 水压试验时满足强度要求。 （1分）

3、试设计一反应釜锥形底的壁厚，该釜内径为800mm ，锥底接一公称直径为DN150（外径为159mm ）的接管。锥底半顶角为45°，釜的设计压力为1.6MPa ，工作温度为40℃，釜顶装有安全阀，介质无大腐蚀性，材料为Q235-A 。（10分）（Q235-A 在40℃下[σ]=113MPa ）

解：由于半顶角α＞30°，所以锥体大端采用带折边的结构。折边内半径r=0.15D i ，r=120mm 。整个封头[][]()e e i T t T D p p

δδσσσ2 25.1p T +==MPa p T 89.26.1261332.225.1=??=

取同一厚度，锥体厚度按下式计算：

（2分）

查表得f=0.645，P c =1.6MPa ，D i =800mm ，[σ]=113MPa ，φ=1.0（采用双面对接焊缝，全部无损探伤），C 2=1mm ，代入公式得 （2分） （2分）

过渡区厚度为：

（2分）

查表得K=0.8181，代入公式得

（2分）

比较后取δd =8.36mm ，钢板负偏差取C 1=0.8mm ，圆整后δn =10mm

4、设计容器筒体和封头壁厚。已知内径1200mm ，设计压力1.8MPa ，设计温度40℃，材质为20R ，介质无大腐蚀性，双面对接焊缝，100%探伤。讨论所选封头形式。（15分）（20R 在40℃下[σ]=133MPa ）

解：已知D i =1200mm ， t=40℃， P c =1.8MPa ， [σ] 40℃=133MPa ，φ=1，C 2=1mm 。 （2分）

（1）设计容器筒体壁厚

（4分）

钢板负偏差取C 1=0.8mm ，圆整后δn =10mm

（2）设计容器封头壁厚

从工艺操作要求考虑，对封头形状无特殊要求。球冠形封头、平板封头都存在较大的边缘应力，且采用平板封头厚度较大，故不宜采用。理论上应对各种凸形封头进行计算、比较后，再确定封头型式。但由定性分析可知：半球形封头受力最好，壁厚最薄、重量轻，但深度大，制造较难，中、低压小设备不宜采用；碟形封头的深度可通过过渡半径r 加以调节，适合于加工，但由于碟形封头母线曲率不连续，存在局部应力，故受力不如椭圆形封头；标准椭圆形封头制造比较容易，受力状况比碟形封头好，故可采用标准椭圆形封头。 （3分）

根据标准椭圆形封头壁厚公式：

（4分）

把数据代入公式，得

（2分） []25.0C P D fP c t i c d +-=

φσδmm d 36.816.15.011138006.1645.0=+?-???=δ[]25.02C P D KP c t i c d +-=φσδmm d 65.516.15.0111328006.18181.0=+?-????=δ[]

mm C P D P c t i c d 18.918.11133212008.122=+-???=+-=φσδ[]2d 5.02C p D p c t i c +-=φσδmm d 15.90.18.15.01133212008.1=+?-???=δ

考虑钢板厚度负偏差，取C 1=0.8mm ，圆整后用δn =10mm

5、一乙烯储罐，内径1600mm ，壁厚16mm ，工作压力为2.5MPa ，工作温度为-35℃，材料为16MnR ，采用双面对接焊缝，100%探伤，壁厚附加量C=1.5mm ，试校核强度。（16MnR 在≤20℃下[σ]=170MPa ）（10分）

解：已知D i =1600mm ，P c =1.1×2.5=2.75MPa ，t=-35℃， [σ]=170MPa ，φ=1，δe =16-1.5=14.5mm （2分） 则 （8分）

所以，这个乙烯储罐满足强度条件要求。

6、化工设备对材料有哪些基本要求？（10分）

答：材料性能包括材料的力学性能、物理性能、化学性能和加工工艺性能。对于高温容器，由于钢材在高温的长期作用下，材料的力学性能和金属组织都会发生明显的变化，加之承受一定的工作压力 ，因此在选材时必须考虑到材料的强度及高温条件下组织的稳定性。容器内部盛装的介质大多具有一定的腐蚀性，因此需要考虑材料的耐腐蚀情况。对于频繁开、停车的设备或可能受到冲击载荷作用的设备，还要考虑材料的疲劳等；而低温条件下操作的设备，则需要考虑材料低温下的脆性断裂问题。

7、常见的金属焊缝缺陷指的是什么？检验焊缝的方法有哪些（10分）

答：常见的金属焊接缺陷有以下几种：

（1）焊接变形 （1分）

（2）焊缝的外部缺陷：①焊缝增强过高；②焊缝过凹；③焊缝咬边；④焊瘤；⑤烧穿。 （2分）

（3）焊缝的内部缺陷：①未焊透②夹渣③气孔④裂纹 （2分） 检验焊缝的方法有：

（1）外观检查 （1分）

（2）无损探伤：①X 射线检验；②还有超声波探伤；③磁力探伤。 （2分）

（3）水压试验和气压试验 （1分）

（4）焊接试板的机械性能试验 （1分）

8、设计一台缩聚釜，釜体内径为1000mm ，釜身高度为700mm ，用厚度为5mm 、7mm 、9mm 的0Cr18Ni9钢板制造。釜体夹套内径为1200mm ，用Q235-A 钢板制造。该釜开始是常压操作，然后抽低真空，继之抽高真空，最后通0.5MPa 的氮气。釜内物料温度低于275℃，夹套内载热体最大压力为0.3MPa 。整个釜体与夹套均采用带垫板的单面手工对接焊缝，局部探伤，介质无腐蚀性，试确定釜体和夹套壁厚。（20分） （0Cr18Ni9在250℃下[σ]=122MPa ，在300℃下[σ]=114MPa ；Q235-A 在250℃下[σ]=94MPa ，在300℃下[σ]=86MPa ）

()()[]MPa MPa D P t e e i c t 17017011.1535.1425.14160075.22=?=≤=?+?=+=σφδδδ