化工機(jī)械基礎(chǔ)課程復(fù)習(xí)概要

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化工機(jī)械基礎(chǔ)課程復(fù)習(xí)概要,2015年12月,北方民族大學(xué)化工學(xué)院,姜國平,2,說明： 以下只是學(xué)完該課程后需要同學(xué)們應(yīng)該掌握的重點(diǎn)部分，如果有精力，盡量系統(tǒng)復(fù)習(xí)。,3,第一篇 工程力學(xué)部分,一、基本概念 1、工程力學(xué)是一門研究物體機(jī)械運(yùn)動以及構(gòu)件強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的科學(xué)。即研究構(gòu)件在外力作用下變形和破壞的規(guī)律，為設(shè)計構(gòu)件選擇合適的材料和尺寸，以保證能夠達(dá)到強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求。 2、要想物體在外力的作用下能夠安全可靠的工作，則需要 滿足以下三個力學(xué)條件： 強(qiáng)度條件：強(qiáng)度是指構(gòu)件抵抗破壞的能力； 剛度條件：剛度是指構(gòu)件抵抗變形的能力； 穩(wěn)定性條件：穩(wěn)定性是指構(gòu)件保持原有平衡形態(tài)能力。,4,3. 在化工、制藥行業(yè)，產(chǎn)品生產(chǎn)中所使用的任何機(jī)器或設(shè)備的零部件，為了保證設(shè)備、機(jī)械的正常運(yùn)行，在設(shè)計時各零部件應(yīng)該滿足： 適用、安全和經(jīng)濟(jì)三個條件。 4. 當(dāng)載荷以不同方式作用在桿件上時，桿件將產(chǎn)生不同的變形。桿件的變形形式有以下五種形式： 拉伸、壓縮、彎曲、剪切和扭轉(zhuǎn)。 5.力偶的定義：,第一篇 工程力學(xué)部分,7、 掌握平面力系的平衡條件： 8、掌握直桿拉伸與壓縮的受力特點(diǎn) 9、掌握直梁彎曲的受力特點(diǎn)和變形特點(diǎn) 10、梁的彎曲強(qiáng)度條件： 11.可以解決三類工程問題：強(qiáng)度校核、截面尺寸計算、確定許用載荷 二、計算部分: 1、掌握給定壓力、材料許用應(yīng)力，會進(jìn)行強(qiáng)度校核、計算桿件、梁的截面尺寸。 2、對于受集中載荷或均布載荷的簡支梁，會計算支座反力、任何截面的剪力和彎矩，并會繪制、剪力圖、彎矩圖。,例題1： 一根直徑d=5mm圓截面桿，承受軸向拉力P=30KN，該桿件材料許用應(yīng)力 。 試校核活塞桿的強(qiáng)度。 解： 所以活塞桿所承受的外載荷:,由此可知：該圓截面桿強(qiáng)度不滿足。,7,工程力學(xué)計算題,,例題2：一圓形截面梁受力如圖所示，已知a=2m,集中力P等于4KN,材料的許用應(yīng)力[σ]=120MPa,。 （1） 求支座反力； （2） 繪制梁的彎矩圖； （3） 設(shè)計截面直徑d。,8,解：（1）求支座反力。首先該梁A端為固定鉸鏈支座，B端為滑動鉸支座，梁上承受兩個集中力。 根據(jù)平衡條件： 　∑ Fy = 0 ； ∑ mA(F)= 0 　RA + RB =3P ； P*a + 2P.3a = RB.4a 求方程組得： RA = 5 KN ; RB = 7KN,,,,,,A,B,C,D,P,2P,,,,,,,a,2a,a,9,(2) 繪制梁的彎矩圖。首先將該梁分為AC、CD、DB三段，分別在此三段梁上用假想平面截開，以A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，分別計算各段截面上的彎矩方程： AC段：M1 = RA .x =5x 為一條直線方程（ 0 ≤ x ≤a ） CD段：M2= RA .x - P（x-a） = 5x – 1 （ a≤ x ≤3 a ） M2= RA .x - P（x-a） = x + 4 DB段：M3= RA .x – P（x –a）– 2P（x-3a ） （ 3 a≤ x ≤4 a ） 　　　　M3= -7 x +28 根據(jù)彎矩方程繪制彎矩圖，如右圖所示。,,（3）設(shè)計截面直徑d。 從該梁彎矩圖上可以看出，該梁上最大彎矩值為7KNm。根據(jù)彎曲強(qiáng)度條件， 該梁截面上最大彎曲應(yīng)力σmax = 7×106/wz,對于圓形梁來說， wz=∏D3/32，帶入上述公式可得出：D =84.06mm 取桿件直徑為84mm,【或圓整D =85mm】。,12,例3 簡支梁受集度為q的均布載荷作用，畫出此梁的剪力圖和彎矩圖,工程力學(xué)計算題,13,例4： 一臥式貯耀，內(nèi)徑為Di1500mm，壁厚10mm，封頭高H=450mm；支座位置如圖，筒體長L=6000mm，鞍座中心與封頭環(huán)焊縫距離a=1000mm。內(nèi)貯乙醇液體，包括貯罐自重在內(nèi)，可簡化為單位長度上的均布載荷q=20N／mm簡化圖如(b)，求罐體上的最大彎矩。,工程力學(xué)計算題,14,工程力學(xué)計算題,解： 根據(jù)梁的平衡條件： 首先根據(jù)力的平衡條件求得支座反力FA、FB： q×(L+2a+H4/3)=FA/2 + FB/2,=280(KN)由此可以推出： FA=FB=140kN,15,工程力學(xué)計算題,用截面法列彎矩方程： 根據(jù)力的平衡條件： q.x=Q1，推出：Q1=20x 根據(jù)彎矩平衡條件： -M1+ q.x.x/2=0，M1=q.x2/2 由此可以繪制該梁接近 端部的彎矩圖：最大彎矩為 A點(diǎn)處：-16.9kN.m,,,,,,,,,m,m,,Q,,q,x,,,,M1,C,,,,,,C,A,,,,,16,用截面法列彎矩方程： 根據(jù)力的平衡條件： FA - q.x=Q2，推出：Q2=140-20x 根據(jù)彎矩平衡條件： -M2+ Q2(x-1.3)-q（x-1.3).(x-1.3)/2+q×1.3×0.65=0， M2=-30x2+192x-182,當(dāng)X=4.3米時彎矩最大，代入求得：兩支點(diǎn)區(qū)域最大彎矩為：88.9kN.m 由此可以繪制該梁接近 端部的彎矩圖：,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Q2,x,,,1300,,,,M2,FA,A,C,工程力學(xué)計算題,17,例5：一石油分餾塔總高位20米，作用在塔上的風(fēng)載荷分兩段計算，q1=420N/m, q2=600N/m,塔的內(nèi)徑為1m,壁厚6mm,塔與基礎(chǔ)的連接方式可以看成固定端。塔體的[σ]=100MP.校核風(fēng)載荷引起的塔體內(nèi)的最大彎曲應(yīng)力。,工程力學(xué)計算題,解：將塔看成是一段懸臂梁，受均布載荷q1=420N/m, q2=600N/m,那么其彎矩圖為右圖所示：,其最大彎矩為Mmax為：,Mmax=q1H1H1/2+q2H2(H1+H2/2),帶入數(shù)據(jù)可得:,Mmax=q1H1H1/2 + q2H2(H1+H2/2) =420X10X10/2 +600X10(10+10/2) =111X103 Nm,塔作為圓環(huán)截面,內(nèi)徑d=1m,塔體壁厚為δ=6mm,那么其外徑為1.012mm.,,,對于薄壁圓柱形容器和管道，其橫截面的抗彎截面模量為：,Wz=∏X(D4-d4)/(32xD)= ∏X(D2+d2) X(D2-d2) /(32xD) =∏X(D2+d2) X(D+d) X(D-d)/(32xD),因?yàn)椋篋-d=2δ； D+d≈2d；(D2+d2) /D ≈2d 所以： Wz= 2δX 2d X 2d X ∏/32= δ d2 ∏/4,,,Wz= δX d2 X ∏/4=6X10002X ∏/4=4.7X106mm3,Wz=4.7X106mm3=4.7X10-3m3,那么塔體因風(fēng)載荷引起的最大彎曲應(yīng)力為： σ max = Mmax/Wz = 111X103 Nm/4.7X10-3m3 =23.6MPa,,σ max < [σ]=100MPa.,21,第二篇 材料與焊接,1、化工設(shè)備選材的重要性和復(fù)雜性 ①.操作條件的限制 ②.制造條件的限制 ③.材料自身性能的限制 2、化工裝備選材要考慮的問題： 化工生產(chǎn)特點(diǎn)是高溫、高壓、易燃、易爆，介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)，所以選材時高溫設(shè)備要考慮其強(qiáng)度及高溫條件下的組織的穩(wěn)定性，接觸腐蝕性介質(zhì)的材料要考慮其防腐性，對于頻繁開停的設(shè)備要考慮材料的疲勞，在低溫下工作的設(shè)備要考慮其低溫冷脆問題。,22,3、材料的力學(xué)性能指標(biāo)： 衡量材料力學(xué)性能的指標(biāo)有強(qiáng)度、硬度、彈性、塑性、韌性等。 4、材料的加工工藝性能： 加工工藝性能包括鑄造性、鍛造性、焊接性和切削加工性等。這些性能直接影響化工設(shè)備和零部件的制造工藝方法和質(zhì)量，因此加工工藝性能是化工設(shè)備選材時必須考慮的因素。,第二篇 材料與焊接,23,第二篇 材料與焊接,5、鐵碳合金應(yīng)如何劃分歸類？ 含碳量在0.02％～2％的稱為鋼；大于2％的稱為為鑄鐵，小于0.02％時，稱為工業(yè)純鐵。純鐵和含碳量大于4.3％的鑄鐵在工程上很少應(yīng)用。 6、金屬材料的熱處理的方法：,24,第二篇 材料與焊接,金屬材料的熱處理工藝路線圖：,25,7、正火與退火的主要區(qū)別： 正火與退火的主要區(qū)別在于冷卻速度不同。正火的冷卻速度比退火快，奧氏體轉(zhuǎn)變溫度較低，組織中珠光體量增多，且珠光體比較細(xì)，因此，強(qiáng)度和硬度提高。 鑄、鍛件切削加工前一般進(jìn)行退火或正火。,第二篇 材料與焊接,26,8、普通碳素鋼中含有的雜質(zhì)元素： 除含碳以外，碳鋼中的雜質(zhì)元素有Mn、Si、S、P、O、N、H等。這些雜質(zhì)是由礦石及冶煉過程中帶入的，對鋼材性能有一定影響： S引起“熱脆”、 P引起“冷脆”、 O降低鋼的強(qiáng)度、塑性。有害元素。 Mn使鋼的強(qiáng)度提高、Si有助于脫氧，有益元素。,第二篇 材料與焊接,27,9、新國標(biāo)對常見鋼的牌號表示方法及符號的規(guī)定： Q235-AF中各字母、數(shù)字的意義： Q：鋼材屈服點(diǎn)“屈”字漢語拼音首位字母； 235：此鋼的屈服極限為235MPa； A：質(zhì)量等級。共有A、B、C、D四個等級；其中 Q195和Q275不分等級，Q215和Q255分A、B 兩個等級，Q235分四個等級,第二篇 材料與焊接,28,0Cr13 含碳量小于0.08%，含鉻13% 0Cr18Ni9：含碳量小于0.08%，含鉻18%，含鎳9% 0Cr18Ni18Mo2Cu2Ti： 10、金屬材料在焊接厚板時必須在焊接接頭處開適當(dāng)?shù)钠驴?，坡口的主要作用是什么?第二篇 材料與焊接,29,11、 對焊接接頭進(jìn)行必要的檢驗(yàn)是保證焊接質(zhì)量的重要措施，常用的焊接的檢驗(yàn)方法有哪些？ 外觀檢查、無損探傷、水壓試驗(yàn)和氣壓試驗(yàn)、 焊接接頭的力學(xué)性能試驗(yàn) 12、焊縫的缺陷可分為內(nèi)部缺陷和外部缺陷： 內(nèi)部缺陷：未焊透、夾渣、氣孔、裂紋等 外部缺陷：焊縫過高、焊縫過凹、焊縫咬邊、焊瘤、燒穿,第二篇 材料與焊接,30,13、在鋼材焊縫邊緣開坡口的目的是什么？ 14、壓力容器焊縫的接頭型式有哪些 15、壓力容器筒體上縱焊縫與環(huán)焊縫那個更危險（更容易開裂）？為什么。 16、在和焊接工件時，如果兩塊對接焊接時厚度不相等，在接口處應(yīng)如何處理？并手繪接口圖表示。,第二篇 材料與焊接,31,1、壓力容器按照設(shè)計壓力劃分等級,第三篇 容器設(shè)計,一、概念部分,32,2、壓力容器按照管理等級可以分為三類： 會判斷容器類別：（舉例如下） 1）φ2000mm長度為6000mm的液氨儲罐; 2）p為4MPa的劇毒介質(zhì)容器; 3）p為10MPa，V為800L的乙烯儲罐。 4） 工作壓力為23.5Mpa的尿素合成塔,第三篇 容器設(shè)計,33,3、內(nèi)壓薄壁容器的劃分依據(jù)： 根據(jù)容器外徑DO與內(nèi)徑Di的比值K來判斷，當(dāng)K≤1.2為薄壁容器 K＞1.2則為厚壁容器 4、薄壁圓筒受內(nèi)壓環(huán)向應(yīng)力與軸向應(yīng)力的大小比較： 筒體上開橢圓孔，如何開孔？ 5、壓力容器筒體上，縱焊縫與環(huán)焊縫那個易開裂？為什么？,第三篇 容器設(shè)計,34,6、壓力容器立式容器和臥式容器支座型式： 臥式：鞍座、圈座、支腿 立式：耳式支座、支承式支座、裙式支座 各支座在校核載荷時如何確定數(shù)量？,第三篇 容器設(shè)計,35,7、壓力容器封頭類型： 碟形封頭與橢圓形封頭的內(nèi)應(yīng)力分布特點(diǎn)對比,第三篇 容器設(shè)計,36,7.1、受內(nèi)壓的錐形封頭與球形封頭 其內(nèi)應(yīng)力分布特點(diǎn)？ 7.2、為什么壓力容器很少采用平板封頭？ 7.3 壓力容器在設(shè)計時有時會考慮邊緣應(yīng)力，邊緣應(yīng)力的特點(diǎn)有哪些？ 7.4 壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)，為什么接管直徑較小時可以不用補(bǔ)強(qiáng)？ 7.5 壓力容器補(bǔ)強(qiáng)形式有哪些類型？,第三篇 容器設(shè)計,37,8、 影響法蘭密封的因素主要有哪些: 、螺栓預(yù)緊力； 、密封面型式（特征）； 、墊片密封性能； 、法蘭剛度和螺栓剛度； 、操作條件的影響。,第三篇 容器設(shè)計,38,9、壓力容器和管道中常用的法蘭密封面型式： 突面、凹凸面、榫槽面（各適用場合） 10、根據(jù)工作條件選取標(biāo)準(zhǔn)法蘭： 法蘭公稱壓力：與最大操作壓力、操作溫度以及材料有關(guān)。見下面法蘭標(biāo)準(zhǔn)局部：,第三篇 容器設(shè)計,39,第三篇 容器設(shè)計,給定法蘭的工作溫度、工作壓力根據(jù)下表會選用法蘭。如工作溫度280℃，工作壓力為0.9MPa,應(yīng)選用那種法蘭？,40,二、計算題 1、內(nèi)壓容器計算： 例題1-1：某化工廠欲設(shè)計一臺石油氣分離工程中的乙烯精餾塔。工藝要求為塔體內(nèi)徑Di=600mm；設(shè)計壓力p＝2.2MPa；工作溫度t＝-3～-20℃。試選擇塔體材料并確定塔體厚度。 解析：由于石油氣對鋼材腐蝕不大，溫度在-20℃以上，承受一定的壓力，故選用16MnR。 根據(jù)式(10-12),第三篇 容器設(shè)計,41,第三篇 容器設(shè)計,,δd為設(shè)計厚度,式中p＝2.2MPa；Di=600mm；[s]＝170MPa j=0.8(已知)； C2=1.0 mm 得：,42,第三篇 容器設(shè)計,考慮鋼板厚度負(fù)偏差C1＝0.6mm圓正取dn=7mm,水壓試驗(yàn)時的應(yīng)力校核：,43,16MnR的屈服限σs=345MPa（附錄表6）,44,第三篇 容器設(shè)計,2、外壓容器計算： 例題：有一臺聚乙烯聚合釜，外徑1580mm，高7060mm，壁厚llmm，材質(zhì)為0Crl8Ni9，試確定釜體的最大允許外壓力。(設(shè)計溫度為200℃。) 解：首先判斷外壓圓筒的臨界長度Lcr, Lcr=1.17Do√Do/δe,Do=1580mm, δe=11-0.8=10.2(mm). Lcr=1.17 ×1580√1580/10.2=23007.6mm, Lcr大于筒體高度，所以屬于短圓筒。,,,45,第三篇 容器設(shè)計,根據(jù)短圓筒臨界壓力計算公式得： Pcr=2.59Et(δe/ Do)2.5 /（L/Do） Et=1.84 × 105Mpa,帶入上式得： Pcr=2.59×1.84×105×（10.2/15802.5/(7060/1580) Pcr =0.36Mpa。 取安全系數(shù)為m=3,則【P】=Pcr/m=0.119 Mpa. ∴聚合釜的最大允許外壓力為0.119MPa,46,第四篇 機(jī)械傳動與減速器計算題,一對齒輪傳動裝置，已知模數(shù)m,大小齒輪的齒數(shù)z1，z2,會計算傳動比、兩輪的分度圓直徑，齒頂圓直徑、齒根圓直徑、中心距、齒厚、齒距、齒槽寬。,47,一、概念部分： 1、帶傳動的特點(diǎn)： 由于帶具有彈性與撓性，故可緩和沖擊與振動，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音小。 可用于兩軸中心距較大的傳動。 由于它是靠摩擦力來傳遞運(yùn)動的，當(dāng)機(jī)器過載時，帶在帶輪上打滑，故能防止機(jī)器其它零件的破壞。 結(jié)構(gòu)簡單，便于維修。,第四篇 機(jī)械傳動與減速器,48,帶傳動在正常工作時有滑動現(xiàn)象，它不能保證準(zhǔn)確的傳動比。另外，由于帶摩擦起電，不宜用在有爆炸危險的地方，這在化工廠中有爆炸危險的車間應(yīng)特別注意。 帶傳動的效率較低（與齒輪傳動比較），約為87%～98%。,第四篇 機(jī)械傳動與減速器,49,2、帶傳動彈性滑動與打滑的區(qū)別： 彈性滑動：工作時，帶兩邊拉力不相等，帶兩邊彈性變形也不相等，由此引起的帶與輪之間局部而微小的相對滑動稱為彈性滑動，彈性滑動是靠摩擦力工作的帶傳動不可避免的物理現(xiàn)象。 打滑：帶所傳遞的圓周力超過帶與帶輪接觸面間的極限摩擦力時，帶就會沿著輪面發(fā)生全面滑動。,第四篇 機(jī)械傳動與減速器,50,3、齒輪傳動的特點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、壽命長 、傳動比穩(wěn)定。 缺點(diǎn)：齒輪傳動的制造及安裝精度要求高，價格較貴，且不宜用于傳動距離過大的場合。 4、齒輪輪齒的失效形式 ： 輪齒折斷、齒面磨損、齒面點(diǎn)蝕、齒面膠合,第四篇 機(jī)械傳動與減速器,51,5、大小齒輪的齒面硬度理論上應(yīng)如何確定？ 由于小齒輪工作較繁重，小齒輪硬度最好比大齒輪齒面硬度高出20～50HBS。 6、蝸桿傳動特點(diǎn)： 傳動比大，且準(zhǔn)確、傳動平穩(wěn)、無噪聲、具有自鎖性、可以做離合器利用。 傳動效率比較低、因嚙合處有較大的滑動速度，會產(chǎn)生較嚴(yán)重的摩擦磨損發(fā)熱，需要貴重金屬制造。,第四篇 機(jī)械傳動與減速器,52,7、設(shè)計齒輪時，如果齒輪齒數(shù)太少，會發(fā)生根切現(xiàn)象，用滾刀切制正常齒標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪時，為防止發(fā)生這種現(xiàn)象，最小齒數(shù)Zmin應(yīng)該不得小于17齒。變位齒輪可以將最小齒數(shù)減小到14齒。,第四篇 機(jī)械傳動與減速器,53,7、軸按照軸線形狀分類： 曲軸、直軸、鋼絲軟軸 8、軸按照載荷性質(zhì)分類： 心軸：只承受彎矩而不承受扭矩 轉(zhuǎn)軸：即承受彎矩又承受扭矩（齒輪軸） 傳動軸：主要承受扭矩（汽車后橋傳動軸） 會判斷,第四篇 機(jī)械傳動與減速器,54,9、軸承按照所受載荷方向分類： 軸承按所受載荷的方向，分為向心軸承（徑向載荷）、推力軸承（軸向載荷）、向心推力軸承（同時承受徑向、軸向載荷）。 10、深溝球軸承6224的內(nèi)徑是多少？,第四篇 機(jī)械傳動與減速器,24×5=120mm,55,11、平鍵、楔鍵、半圓鍵分別哪些表面作為工作面？ 12、剛性聯(lián)軸器與彈性聯(lián)軸器的特點(diǎn)及使用場合： 13、聯(lián)軸器的選用 低速、剛性大的短軸可選用固定式剛性聯(lián)軸器； 低速、剛性小的長軸，選用補(bǔ)償式剛性聯(lián)軸器；以補(bǔ)償長軸的安裝誤差和溫升引起的變形； 傳遞大轉(zhuǎn)矩時，選用齒輪聯(lián)軸器； 有振動的高速軸，選用彈性聯(lián)軸器； 軸線有較大偏移角的，選用萬向聯(lián)軸器。,第四篇 機(jī)械傳動與減速器,攪拌軸的設(shè)計: 攪拌軸受扭轉(zhuǎn)和拉伸組合作用，拉伸作用影響很小，可以忽略，而只考慮扭轉(zhuǎn)作用。 在工程上先按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件確定軸直徑，然后增加安全系數(shù)，以降低材料許用應(yīng)力的方法彌補(bǔ)由于忽略軸的拉伸作用所引起的誤差。然后再用剛度條件進(jìn)行軸頸的計算，,第四篇 機(jī)械傳動與減速器,