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A05储运）
1、今有一对外啮合的标准直齿圆柱齿轮，已知模数m=5mm ，齿数Z 1=35，Z 2=70，求传动比、两轮分度圆直径、齿顶圆直径、齿根圆直径、齿距。

（10分）
解： （1）传动比 （1分）
（2）分度圆直径 （2分）
（3）齿顶圆直径 （3分）
（4）齿根圆直径 （3分）
（5）轮齿齿距 （1分）
2、已知DN2000的内压薄壁圆筒，壁厚δn =22mm ，壁厚附加量为C=2mm ，筒体承受的最大气体压力P=2MPa ，双面对接焊缝，局部探伤，试求筒体的最大应力。

（10分）
解：已知D i =2000mm ，δn =22mm ，C=2mm ，[P w ]=2MPa ，φ=0.85，δe =22-2=20mm 。

（2分） 代入公式计算
（8分）
所以筒体的最大应力为118.82MPa
3、今欲设计一台反应器，直径为3000mm ，采用双面对接焊缝，100%探伤。

工作压力为1.8MPa ，工作温度450℃，试用20R 和16MnR 两种材料分别设计反应器的厚度，并进行分析比较。

（15分）
（450℃下20R 的[σ]=61MPa ，16MnR 的[σ]=66MPa ）
解：已知D i =3000mm ， t=450℃， P c =1.1×1.8=1.98MPa ，φ=1，C 2=2mm 。

（2分）
（1）采用20R 材料设计反应器的厚度
[σ] 450℃=61MPa ，代入公式得
（5分） [][]()()MPa D P e e i w t 82.1182085.022*******=⨯⨯+⨯=+=φδδσmm m z d 35057022=⨯==()()mm m h z h d d a a a 360527022222=⨯+=+=+=*()()mm m c h z h d d a f f 5.337525.02270222**222=⨯⨯--=--=-=mm m p 7.1514.35=⨯==π235
70121221=====z z d d i ωωmm m z d 17553511=⨯==()()mm
m h z h d d a a a 185523522111=⨯+=+=+=*()()mm m c h z h d d a f f 5.162525.02235222**111=⨯⨯--=--=-=[]mm C P D P c
t i c d 49.51298.11612300098.122=+-⨯⨯⨯=+-=φσδ
钢板负偏差取C 1=1.3mm ，圆整后δn =53mm
（2）采用16MnR 材料设计反应器的厚度
[σ] 450℃=66MPa ，代入公式得
（5分）
钢板负偏差取C 1=1.2mm ，圆整后δn =49mm
比较两种材料设计反应器厚度可知，16MnR 比20R 节省材料 （3分）
4、如图所示轮系中，已知z 1=25，z 2=45，z 2/=20，z 3=90，n 1=1000r/min ，求n 3=？（10分）
解：根据定轴轮系传动比计算公式
（6分）
则，n 3=n 1/i =-1000/8.1=-123.46r/min （4分） 负号表示1与3齿轮转向相反。

5、今有一直径为640mm 、壁厚为4mm 、筒长5000mm 的容器，材料为Q235-A ，工作温度为200℃，，试问该容器能否承受0.1MPa 外压？如果不能承受，应该加几个加强箍？（15分）
（200℃下Q235-A 的弹性模量为1.86×105MPa ）
解：已知D i =640mm ，δn =4mm ，L=5000mm ，t=200℃，P o =0.1MPa ，E t =1.86×105MPa ，C 1=0.3mm ，C 2=2mm ， δe =δn - C 1-C 2=4-0.3-2=1.7mm （2分） （2分）
L cr ＞L ，该容器为短圆筒 （1分） （4分）
（1分）
由于[P]＜P o ，容器不能承受0.1MPa 外压，所以需要加加强箍
()()mm mp D D E L o e o t 82.3661.036487.16481086.159.259.25.255.2=⨯⨯⨯⨯⨯==δ （4分）
n=5000/366.82=13.63≈14个 （1分） 所以应该加14个加强箍 ()1.8202590451/213213113-=⨯⨯-=-==z z z z n n i []mm C P D P c t i c d 69.47298.11662300098.122=+-⨯⨯⨯=+-=φσδmm D D L e o o cr 12.148027.164864817.117.1=⨯⨯=⨯=δ()()MPa D L D E P o o e t cr 022.064850006487.11086.159.259.25.255.2=⨯⨯⨯==δ[]
MPa m P P cr 0073.03022.0===
6、法兰密封面形式有哪些？各适用什么场合？（10分）
答：法兰联接的密封性能与密封面型式有直接关系，所以要合理选择密封面的形状。

（1）突面（RF ），表面是一个光滑的平面，也可车制密纹水线。

密封面结构简单，加工方便，且便于进行防腐衬里。

但是，这种密封面垫片接触面积较大，预紧时垫片容易往两边挤，不易压紧。

（2分）
（2）凹凸面（MFM ），密封面是由一个凸面和一个凹面相配合组成，在凹面上放置垫片，能够防止垫片被挤出，故可适用于压力较高的场合。

（2分）
（3）榫槽面(TG)，密封面是由榫和槽所组成的，垫片置于槽中，不会被挤动。

垫片可以较窄，因而压紧垫片所需的螺栓力也就相应较小。

榫槽密封面适于易燃、易爆、有毒的介质以及较高压力的场合。

（2分）
（4）全平面（FF ），全平面密封适合于压力较小的场合（PN≤1.6MPa ）。

（2分）
（5）环连接面（RJ ），环连接面主要用在带颈对焊法兰与整体法兰上，适用压力范围为（6.3MPa≤PN≤25.0MPa ）。

（2分）
7、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？（10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。

各种载荷引起的变形有：
（1）工作压力引起拉伸变形； （2分）
（2）重量载荷引起的轴向拉伸和压缩变形； （2分）
（3）风载荷造成的风弯矩，引起弯曲变形； （2分）
（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； （2分）
（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。

（2分）
8、用齿面接触强度校核公式：
设计一单级直齿圆柱齿轮减速器中的齿轮传动，已知传递功率为12kw ，输入轴转速320r/min ，传动比i =4 ，
（1）已知齿宽系数φa =0.6，载荷系数K=1.4，接触疲劳强度的安全系数S H =1.1，按齿面接触疲劳强度设计中心距；
（2）确定齿轮的几何尺寸：齿数、模数、分度圆直径、齿宽。

（20分）
解：因载荷平稳，速度一般，故采用软齿面齿轮副。

这是闭式软齿面齿轮传动，可先按接触疲劳强度设计，再校核其弯曲疲劳强度。

1．选择齿轮材料 查表，得 （4分）
小齿轮 | 40Cr 调质 | 齿面平均硬度280HBS
大齿轮 | 40Cr 调质 | 齿面平均硬度240HBS
小齿轮齿面硬度高于大齿轮齿面硬度
2．按齿面接触疲劳强度设计中心距 （10分）
(1)许用接触应力 查表，得σ
H lim =1.4HBS+350，分别代入小齿轮及大齿轮的HBS 值 得 小齿轮 σH lim1=742Mpa
()[]H a H a i i KT σϕσ≤±=3311335
大齿轮 σH lim2=686Mpa
安全系数取S H =1.1
许用接触应力 小齿轮[σ]H1=674.6Mpa 大齿轮[σ]H2=623.6Mpa
(2)计算中心距a 0
小齿轮转矩 T 1=9.55×106×P/n 1=9.55×106×12/320=0.358×106N·mm
齿宽系数 φa =0.6
载荷系数 K =1.4
传动比 i =4
3.确定几何尺寸 （6分） 齿数: z 1=30, z 2=i z 1=4×30=120
模数 m =2a 0/(z 1+z 2)=2×184/(30+120)=2.45
取标准模数m =3
分度圆直径：小齿轮d 1=mz 1=3×30=90mm
大齿轮d 2=mz 2=3×120=360mm
确定中心距：a =m /2(z 1+z 2)=225 mm
齿宽： b =φa a =0.6×225=135mm
为了补偿安装误差，通常使小齿齿宽略大些
取 小齿轮 b 1=140mm
大齿轮 b 2=135mm ()()mm
i KT i a a H 1846.0410
358.04.16863351433513
6
2
312
0=⨯⨯⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+≥ϕσ。