化工机械基础课程复习概要

化工机械基础课程复习概要,2015年12月,北方民族大学化工学院,姜国平,2,说明： 以下只是学完该课程后需要同学们应该掌握的重点部分，如果有精力，尽量系统复习。,3,第一篇 工程力学部分,一、基本概念 1、工程力学是一门研究物体机械运动以及构件强度、刚度和稳定性的科学。即研究构件在外力作用下变形和破坏的规律，为设计构件选择合适的材料和尺寸，以保证能够达到强度、刚度和稳定性的要求。2、要想物体在外力的作用下能够安全可靠的工作，则需要满足以下三个力学条件：强度条件：强度是指构件抵抗破坏的能力；刚度条件：刚度是指构件抵抗变形的能力；稳定性条件：稳定性是指构件保持原有平衡形态能力。,4,3. 在化工、制药行业，产品生产中所使用的任何机器或设备的零部件，为了保证设备、机械的正常运行，在设计时各零部件应该满足： 适用、安全和经济三个条件。 4. 当载荷以不同方式作用在杆件上时，杆件将产生不同的变形。杆件的变形形式有以下五种形式： 拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转。 5.力偶的定义：,第一篇 工程力学部分,7、 掌握平面力系的平衡条件：8、掌握直杆拉伸与压缩的受力特点 9、掌握直梁弯曲的受力特点和变形特点 10、梁的弯曲强度条件：11.可以解决三类工程问题：强度校核、截面尺寸计算、确定许用载荷 二、计算部分: 1、掌握给定压力、材料许用应力，会进行强度校核、计算杆件、梁的截面尺寸。 2、对于受集中载荷或均布载荷的简支梁，会计算支座反力、任何截面的剪力和弯矩，并会绘制、剪力图、弯矩图。,例题1： 一根直径d=5mm圆截面杆，承受轴向拉力P=30KN，该杆件材料许用应力 。 试校核活塞杆的强度。解：所以活塞杆所承受的外载荷:,由此可知：该圆截面杆强度不满足。,7,工程力学计算题,例题2：一圆形截面梁受力如图所示，已知a=2m,集中力P等于4KN,材料的许用应力=120MPa,。（1） 求支座反力；（2） 绘制梁的弯矩图；（3） 设计截面直径d。,8,解：（1）求支座反力。首先该梁A端为固定铰链支座，B端为滑动铰支座，梁上承受两个集中力。根据平衡条件： Fy = 0 ； mA(F)= 0 RA + RB =3P ； P*a + 2P.3a = RB.4a求方程组得： RA = 5 KN ; RB = 7KN,A,B,C,D,P,2P,a,2a,a,9,(2) 绘制梁的弯矩图。首先将该梁分为AC、CD、DB三段，分别在此三段梁上用假想平面截开，以A点为坐标原点，分别计算各段截面上的弯矩方程：AC段：M1 = RA .x =5x 为一条直线方程（ 0 x a ）CD段：M2= RA .x - P（x-a） = 5x 1 （ a x 3 a ） M2= RA .x - P（x-a） = x + 4DB段：M3= RA .x P（x a） 2P（x-3a ） （ 3 a x 4 a ）M3= -7 x +28 根据弯矩方程绘制弯矩图，如右图所示。,（3）设计截面直径d。从该梁弯矩图上可以看出，该梁上最大弯矩值为7KNm。根据弯曲强度条件，该梁截面上最大弯曲应力max = 7106/wz,对于圆形梁来说，wz=D3/32，带入上述公式可得出：D =84.06mm取杆件直径为84mm,【或圆整D =85mm】。,12,例3 简支梁受集度为q的均布载荷作用，画出此梁的剪力图和弯矩图,工程力学计算题,13,例4： 一卧式贮耀，内径为Di1500mm，壁厚10mm，封头高H=450mm；支座位置如图，筒体长L=6000mm，鞍座中心与封头环焊缝距离a=1000mm。内贮乙醇液体，包括贮罐自重在内，可简化为单位长度上的均布载荷q=20Nmm简化图如(b)，求罐体上的最大弯矩。,工程力学计算题,14,工程力学计算题,解： 根据梁的平衡条件： 首先根据力的平衡条件求得支座反力FA、FB： q(L+2a+H4/3)=FA/2+ FB/2,=280(KN)由此可以推出： FA=FB=140kN,15,工程力学计算题,用截面法列弯矩方程： 根据力的平衡条件： q.x=Q1，推出：Q1=20x 根据弯矩平衡条件： -M1+ q.x.x/2=0，M1=q.x2/2 由此可以绘制该梁接近端部的弯矩图：最大弯矩为A点处：-16.9kN.m,m,m,Q,q,x,M1,C,C,A,16,用截面法列弯矩方程： 根据力的平衡条件： FA - q.x=Q2，推出：Q2=140-20x 根据弯矩平衡条件： -M2+ Q2(x-1.3)-q（x-1.3).(x-1.3)/2+q1.30.65=0，M2=-30x2+192x-182,当X=4.3米时弯矩最大，代入求得：两支点区域最大弯矩为：88.9kN.m 由此可以绘制该梁接近端部的弯矩图：,Q2,x,1300,M2,FA,A,C,工程力学计算题,17,例5：一石油分馏塔总高位20米，作用在塔上的风载荷分两段计算，q1=420N/m,q2=600N/m,塔的内径为1m,壁厚6mm,塔与基础的连接方式可以看成固定端。塔体的=100MP.校核风载荷引起的塔体内的最大弯曲应力。,工程力学计算题,解：将塔看成是一段悬臂梁，受均布载荷q1=420N/m,q2=600N/m,那么其弯矩图为右图所示：,其最大弯矩为Mmax为：,Mmax=q1H1H1/2+q2H2(H1+H2/2),带入数据可得:,Mmax=q1H1H1/2 + q2H2(H1+H2/2)=420X10X10/2 +600X10(10+10/2)=111X103 Nm,塔作为圆环截面,内径d=1m,塔体壁厚为=6mm,那么其外径为1.012mm.,对于薄壁圆柱形容器和管道，其横截面的抗弯截面模量为：,Wz=X(D4-d4)/(32xD)= X(D2+d2) X(D2-d2) /(32xD)=X(D2+d2) X(D+d) X(D-d)/(32xD),因为：D-d=2； D+d2d；(D2+d2) /D 2d所以： Wz= 2X 2d X 2d X /32= d2 /4,Wz= X d2 X /4=6X10002X /4=4.7X106mm3,Wz=4.7X106mm3=4.7X10-3m3,那么塔体因风载荷引起的最大弯曲应力为： max = Mmax/Wz = 111X103 Nm/4.7X10-3m3 =23.6MPa, max =100MPa.,21,第二篇 材料与焊接,1、化工设备选材的重要性和复杂性.操作条件的限制.制造条件的限制.材料自身性能的限制2、化工装备选材要考虑的问题： 化工生产特点是高温、高压、易燃、易爆，介质腐蚀性强，所以选材时高温设备要考虑其强度及高温条件下的组织的稳定性，接触腐蚀性介质的材料要考虑其防腐性，对于频繁开停的设备要考虑材料的疲劳，在低温下工作的设备要考虑其低温冷脆问题。,22,3、材料的力学性能指标：衡量材料力学性能的指标有强度、硬度、弹性、塑性、韧性等。 4、材料的加工工艺性能： 加工工艺性能包括铸造性、锻造性、焊接性和切削加工性等。这些性能直接影响化工设备和零部件的制造工艺方法和质量，因此加工工艺性能是化工设备选材时必须考虑的因素。,第二篇 材料与焊接,23,第二篇 材料与焊接,5、铁碳合金应如何划分归类？含碳量在0.022的称为钢；大于2的称为为铸铁，小于0.02时，称为工业纯铁。纯铁和含碳量大于4.3的铸铁在工程上很少应用。 6、金属材料的热处理的方法：,24,第二篇 材料与焊接,金属材料的热处理工艺路线图：,25,7、正火与退火的主要区别：正火与退火的主要区别在于冷却速度不同。正火的冷却速度比退火快，奥氏体转变温度较低，组织中珠光体量增多，且珠光体比较细，因此，强度和硬度提高。铸、锻件切削加工前一般进行退火或正火。,第二篇 材料与焊接,26,8、普通碳素钢中含有的杂质元素： 除含碳以外，碳钢中的杂质元素有Mn、Si、S、P、O、N、H等。这些杂质是由矿石及冶炼过程中带入的，对钢材性能有一定影响： S引起“热脆”、 P引起“冷脆”、 O降低钢的强度、塑性。有害元素。 Mn使钢的强度提高、Si有助于脱氧，有益元素。,第二篇 材料与焊接,27,9、新国标对常见钢的牌号表示方法及符号的规定： Q235-AF中各字母、数字的意义：Q：钢材屈服点“屈”字汉语拼音首位字母；235：此钢的屈服极限为235MPa；A：质量等级。共有A、B、C、D四个等级；其中Q195和Q275不分等级，Q215和Q255分A、B两个等级，Q235分四个等级,第二篇 材料与焊接,28,0Cr13 含碳量小于0.08%，含鉻13% 0Cr18Ni9：含碳量小于0.08%，含鉻18%，含镍9% 0Cr18Ni18Mo2Cu2Ti： 10、金属材料在焊接厚板时必须在焊接接头处开适当的坡口，坡口的主要作用是什么？,第二篇 材料与焊接,29,11、 对焊接接头进行必要的检验是保证焊接质量的重要措施，常用的焊接的检验方法有哪些？ 外观检查、无损探伤、水压试验和气压试验、焊接接头的力学性能试验 12、焊缝的缺陷可分为内部缺陷和外部缺陷：内部缺陷：未焊透、夹渣、气孔、裂纹等外部缺陷：焊缝过高、焊缝过凹、焊缝咬边、焊瘤、烧穿,第二篇 材料与焊接,30,13、在钢材焊缝边缘开坡口的目的是什么？ 14、压力容器焊缝的接头型式有哪些 15、压力容器筒体上纵焊缝与环焊缝那个更危险（更容易开裂）？为什么。 16、在和焊接工件时，如果两块对接焊接时厚度不相等，在接口处应如何处理？并手绘接口图表示。,第二篇 材料与焊接,31,1、压力容器按照设计压力划分等级,第三篇 容器设计,一、概念部分,32,2、压力容器按照管理等级可以分为三类： 会判断容器类别：（举例如下） 1）2000mm长度为6000mm的液氨储罐; 2）p为4MPa的剧毒介质容器; 3）p为10MPa，V为800L的乙烯储罐。 4） 工作压力为23.5Mpa的尿素合成塔,第三篇 容器设计,33,3、内压薄壁容器的划分依据：根据容器外径DO与内径Di的比值K来判断，当K1.2为薄壁容器 K1.2则为厚壁容器 4、薄壁圆筒受内压环向应力与轴向应力的大小比较：筒体上开椭圆孔，如何开孔？ 5、压力容器筒体上，纵焊缝与环焊缝那个易开裂？为什么？,第三篇 容器设计,34,6、压力容器立式容器和卧式容器支座型式： 卧式：鞍座、圈座、支腿 立式：耳式支座、支承式支座、裙式支座 各支座在校核载荷时如何确定数量？,第三篇 容器设计,35,7、压力容器封头类型： 碟形封头与椭圆形封头的内应力分布特点对比,第三篇 容器设计,36,7.1、受内压的锥形封头与球形封头 其内应力分布特点？ 7.2、为什么压力容器很少采用平板封头？ 7.3 压力容器在设计时有时会考虑边缘应力，边缘应力的特点有哪些？ 7.4 压力容器开孔补强，为什么接管直径较小时可以不用补强？ 7.5 压力容器补强形式有哪些类型？,第三篇 容器设计,37,8、 影响法兰密封的因素主要有哪些: 、螺栓预紧力； 、密封面型式（特征）； 、垫片密封性能；、法兰刚度和螺栓刚度； 、操作条件的影响。,第三篇 容器设计,38,9、压力容器和管道中常用的法兰密封面型式：突面、凹凸面、榫槽面（各适用场合） 10、根据工作条件选取标准法兰：法兰公称压力：与最大操作压力、操作温度以及材料有关。见下面法兰标准局部：,第三篇 容器设计,39,第三篇 容器设计,给定法兰的工作温度、工作压力根据下表会选用法兰。如工作温度280，工作压力为0.9MPa,应选用那种法兰？,40,二、计算题 1、内压容器计算：例题1-1：某化工厂欲设计一台石油气分离工程中的乙烯精馏塔。工艺要求为塔体内径Di=600mm；设计压力p2.2MPa；工作温度t-3-20。试选择塔体材料并确定塔体厚度。解析：由于石油气对钢材腐蚀不大，温度在-20以上，承受一定的压力，故选用16MnR。 根据式(10-12),第三篇 容器设计,41,第三篇 容器设计,d为设计厚度,式中p2.2MPa；Di=600mm；s170MPa j=0.8(已知)； C2=1.0 mm 得：,42,第三篇 容器设计,考虑钢板厚度负偏差C10.6mm圆正取dn=7mm,水压试验时的应力校核：,43,16MnR的屈服限s=345MPa（附录表6）,44,第三篇 容器设计,2、外压容器计算： 例题：有一台聚乙烯聚合釜，外径1580mm，高7060mm，壁厚llmm，材质为0Crl8Ni9，试确定釜体的最大允许外压力。(设计温度为200。) 解：首先判断外压圆筒的临界长度Lcr, Lcr=1.17DoDo/e,Do=1580mm, e=11-0.8=10.2(mm).Lcr=1.17 15801580/10.2=23007.6mm,Lcr大于筒体高度，所以属于短圆筒。,45,第三篇 容器设计,根据短圆筒临界压力计算公式得：Pcr=2.59Et(e/ Do)2.5 /（L/Do） Et=1.84 105Mpa,带入上式得：Pcr=2.591.84105（10.2/15802.5/(7060/1580) Pcr =0.36Mpa。取安全系数为m=3,则【P】=Pcr/m=0.119 Mpa. 聚合釜的最大允许外压力为0.119MPa,46,第四篇 机械传动与减速器计算题,一对齿轮传动装置，已知模数m,大小齿轮的齿数z1，z2,会计算传动比、两轮的分度圆直径，齿顶圆直径、齿根圆直径、中心距、齿厚、齿距、齿槽宽。,47,一、概念部分： 1、带传动的特点：由于带具有弹性与挠性，故可缓和冲击与振动，运转平稳，噪音小。 可用于两轴中心距较大的传动。 由于它是靠摩擦力来传递运动的，当机器过载时，带在带轮上打滑，故能防止机器其它零件的破坏。 结构简单，便于维修。,第四篇 机械传动与减速器,48,带传动在正常工作时有滑动现象，它不能保证准确的传动比。另外，由于带摩擦起电，不宜用在有爆炸危险的地方，这在化工厂中有爆炸危险的车间应特别注意。带传动的效率较低（与齿轮传动比较），约为87%98%。,第四篇 机械传动与减速器,49,2、带传动弹性滑动与打滑的区别： 弹性滑动：工作时，带两边拉力不相等，带两边弹性变形也不相等，由此引起的带与轮之间局部而微小的相对滑动称为弹性滑动，弹性滑动是靠摩擦力工作的带传动不可避免的物理现象。打滑：带所传递的圆周力超过带与带轮接触面间的极限摩擦力时，带就会沿着轮面发生全面滑动。,第四篇 机械传动与减速器,50,3、齿轮传动的特点： 优点：效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长 、传动比稳定。 缺点：齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离过大的场合。 4、齿轮轮齿的失效形式 ：轮齿折断、齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合,第四篇 机械传动与减速器,51,5、大小齿轮的齿面硬度理论上应如何确定？ 由于小齿轮工作较繁重，小齿轮硬度最好比大齿轮齿面硬度高出2050HBS。 6、蜗杆传动特点：传动比大，且准确、传动平稳、无噪声、具有自锁性、可以做离合器利用。 传动效率比较低、因啮合处有较大的滑动速度，会产生较严重的摩擦磨损发热，需要贵重金属制造。,第四篇 机械传动与减速器,52,7、设计齿轮时，如果齿轮齿数太少，会发生根切现象，用滚刀切制正常齿标准直齿圆柱齿轮时，为防止发生这种现象，最小齿数Zmin应该不得小于17齿。变位齿轮可以将最小齿数减小到14齿。,第四篇 机械传动与减速器,53,7、轴按照轴线形状分类：曲轴、直轴、钢丝软轴 8、轴按照载荷性质分类： 心轴：只承受弯矩而不承受扭矩 转轴：即承受弯矩又承受扭矩（齿轮轴） 传动轴：主要承受扭矩（汽车后桥传动轴） 会判断,第四篇 机械传动与减速器,54,9、轴承按照所受载荷方向分类：轴承按所受载荷的方向，分为向心轴承（径向载荷）、推力轴承（轴向载荷）、向心推力轴承（同时承受径向、轴向载荷）。 10、深沟球轴承6224的内径是多少？,第四篇 机械传动与减速器,245=120mm,55,11、平键、楔键、半圆键分别哪些表面作为工作面？ 12、刚性联轴器与弹性联轴器的特点及使用场合： 13、联轴器的选用低速、刚性大的短轴可选用固定式刚性联轴器；低速、刚性小的长轴，选用补偿式刚性联轴器；以补偿长轴的安装误差和温升引起的变形；传递大转矩时，选用齿轮联轴器；有振动的高速轴，选用弹性联轴器；轴线有较大偏移角的，选用万向联轴器。,第四篇 机械传动与减速器,搅拌轴的设计: 搅拌轴受扭转和拉伸组合作用，拉伸作用影响很小，可以忽略，而只考虑扭转作用。 在工程上先按扭转强度条件确定轴直径，然后增加安全系数，以降低材料许用应力的方法弥补由于忽略轴的拉伸作用所引起的误差。然后再用刚度条件进行轴颈的计算，,第四篇 机械传动与减速器,