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