1、,化工设备机械 基础复习大纲,第一章 刚体的受力分析及平衡规律,一、基本概念,1、刚体：在任何情况下都不发生变形的物体。约束：限制非自由体运动的物体。（三种约束）,二、力的基本性质,三、二力平衡定律 三力平衡定理,四、平面汇交力系、平面一般体系,三力平衡定理：如果一物体受三个力作用而处于 平衡时，若其中两个力的作用线相交于一点，则第三 个力的作用线必交于同一点。,五、力的平移定理,力的平移定理: 作用在刚体上的力可以平移到刚体内任意指定点，要使原力对刚体的作用效果不变，必须同时附加一个力偶，此附加力偶的力偶矩等于原力对新作用点的力矩，转向取决于原力绕新作用点的旋转方向。,第二章 金属的力学性质
2、,弹性模量：材料抵抗弹性变形的能力拉伸试件的横向线应变与纵向线应变之比的绝对值。线应变：反应杆的变形程度，杆的相对伸长值。,一 基本概念,蠕变：金属试件在高温下承受某已固定的应力 时，试件会随着时间的延续而不断发生缓慢增长 的塑性形变。应力松弛：总变形量保持不变，初始的弹性变 形随时间的推移逐渐转化为塑性变形并引起构件 内应力减小的现象,明显的四个阶段,1、弹性阶段ob,比例极限,弹性极限,2、屈服阶段bc（失去抵抗变形的能力）,屈服极限,3、强化阶段ce（恢复抵抗变形的能力）,强度极限,4、颈缩阶段ef,二 拉伸曲线,第四章 直 梁 的 弯 曲,中性层：梁内纵向长度既没有伸长也没有缩短的纤维
3、层。 中性轴：中性层与横截面的交线 。,剪力：抵抗该截面一侧所有外力对该截面的剪切作用，大小应该等于该截面一侧所有横向外力之和。,剪力与弯矩的计算,弯矩：抵抗该截面一侧所有外力使该截面绕其中性轴转动，大小应等于该截面一侧所有外力对该截面中性轴取距之和。,剪力的符号约定,计算剪力的法则：梁的任一横截面上的剪力等于该截面一侧所有横向外力的代数和；截面左侧向上的外力和截面右侧向下的外力取正值，截面左侧向下的外力和截面右侧向上的外力取负值。据此法则： 截面左侧 Q左=RA P1截面右侧 Q右=P2 + P3 RB,弯矩的符号约定,上压下拉为正,上拉下压为负,计算弯矩法则：梁在外力作用下，其任意指定截面
4、 上的弯矩等于该截面一侧所有外力对该截面中性轴取 矩的代数和；凡是向上的外力，其矩取正；向下的外 力，其矩取负值。,例：图中所示为简支梁，跨度l=1m，作用三个集 中载荷，P1=500N,P2=1000N,P3=300N,a=0.25m， b=0.2m，P3作用在梁的中央。试作该梁的剪力图和弯 矩图。,解：由平面平行力系平衡条件可得：RAl = P1（la）+P2l/2 +P3 bRA=500 0.75+1000 0.5 +300 0.2=935NRBl = P1 a +P2l/2 +P3（l b）RB=500 0.25+1000 0.5 +300 0.8=865N,分段列剪力方程：AC段 0
5、x0.25m， Q=RA=935N=Q1CD段 0.25mx0.5m, Q=RA P1=935 500 = 435N = Q2DE段 0.5mx0.8m, Q=RAP1P2 = 9355001000 = 565N=Q3EB段 0.8mx1m, Q = RA P1 P2 P3= 935 500 1000 300= 865N=Q4,分段列弯矩方程，作弯矩图： AC段 0x0.25m， M=RAx=935x x=0，M=0; x=0.25m，M=233.8NmCD段 0.25mx0.5m, M=RAxP1(x 0.25）=435x+125 x=0.25m，M=233.8Nm ; x=0.5，M=34
6、2.5NmDE段 0.5mx0.8m, M=RAxP1(x 0.25）P2(x0.5）= 565x+625x=0.5，M=342.5Nm ; x=0.8m，M=173Nm EB段 0.8m x1m, M=RAxP1(x 0.25）P2(x0.5）P3(x 0.8）= 865x+865x=0.8m，M=173Nm ; x=1，M=0,常见截面的 IZ 和 WZ,矩形截面,常用截面的轴惯性矩和抗弯截面模量,空心圆截面,圆截面,例：一反应釜重30kN，安放在跨长为1.6m的两根横梁截面中 央，若梁的横截面采用图所示的两种形状（其中矩形截面 a/b=2），试确定梁的截面尺寸，并比较钢材用量。梁的材料为
7、 Q235-A,许用应力b=120MPa。,解：从图可知：最大弯矩： Mmax=RAl/2=pl/4=150001.6/4=6000N.m 根据正应力强度条件Mmax/W b可得 所需的最小抗弯截面模量为： W=Mmax/ b=6000/（120106）=50cm3,（1）当横截面采用矩形平放时W=ab2/6=2bb2/6=b3/3=50cm3b3=150cm3，b=5.3cm，a=10.6cm截面面积A=10.65.3=56.2cm2每米的质量G=56.21007.810-3=43.8kg/m,（2）当横截面采用矩形立放时 W=ba2/6=a3/(62)=a3/12=50cm3 a3=600
8、cm3， a=8.4cm ， b=4.2cm 截面面积A=8.44.2=35.3cm2 每米的质量G=35.31007.810-3=27.5kg/m可得两种不同截面所需钢材质量比为： 矩形立放：矩形平放=27.5：43.8= 1：1.59,第 五 章 圆轴的扭转,扭转剪应力及其分布规律,圆轴扭转时横截面上各点的剪应力变化规律：圆轴横截面上某一点的剪应力大小与该点到圆心的距离成正比，圆心处为零，圆轴表面最大，在半径为的同一圆周上各点的剪应力均相等，其方向与半径相垂直。,横截面的内力矩,剪力： 扭矩： 扭矩MT的计算方法：受扭 圆轴任一横截面上的扭矩 等于该截面一侧所有外力 （偶）矩的代数和。,扭
9、矩正负规定:,右手螺旋法则,右手拇指指向背离所讨论的截面则方向为正(+)， 反之为负(-),右手的四指弯曲的方向和外力偶矩的旋转方向一致,截面的抗扭截面模量,圆截面的Ip 与 Wp 的计算,实心轴,例2：图示为直径等于75mm的等截面圆轴，上面作用有驱动 力偶矩共三个：m1=1kN.m;阻力偶矩共三个：m2=0.6kN.m， m3=0.2kN.m ，m4=0.2kN.m 试问： （1）该轴的最大扭矩及最大扭转剪应力。 （2）若将驱动力偶矩m1与阻力偶矩m2的位置互换，仅从强 度考虑，轴径可以做怎样的改变。,解：（1）由图可得轴的最大扭矩MTmax=1kN.m,已知轴径D=75mm，得：,（2）
10、MTmax=0.6kN.m,第六章 化工设备常用 材料和设计基础知识,1.牌号的表示原则 依据国家标准GB221-2000,牌号中化学元素化学符号或汉字表示；产品用途、冶炼和浇铸方法汉字或汉 语拼音字母表示。例如：沸腾钢F或沸 灰口铸铁HT或灰铁铸钢ZG锅炉钢g或锅容器钢R或容,2 钢号表示法,例：优质碳素钢:08F 20 R,沸腾钢,含碳量为0.08%；,容器钢,含碳量为0.2%,普通碳素钢:,Q235-A,F,沸腾钢,类别为A,钢材屈服点(MPa),屈服点屈字的拼音首位字母,低合金钢: 16MnR 16含碳量0.16%；Mn合金元素；R 容器钢。特殊性能钢: 1Cr18Ni9 1含碳量0.
11、1%（千分数）；Cr,Ni主要合金元素；18含铬量18%；9 含镍量9%。,常用热处理工艺,缓慢加热，保温一定时间后 随炉冷却（曲线1） - 退火；空气中冷却（曲线2）-正火 ；,热处理工艺曲线：,缓慢加热，保温一定时间 淬火剂中冷却（曲线3）；,淬火,回火,淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却。 作用：消除内应力，稳定组织，满足技术要求。,将零件放在化学介质中进行加热-保温-冷却的过程。作用：使零件表面改性。方式：渗碳，渗氮，渗铬，氰化等。,2 化学热处理,公称直径DN(p125):为了不用两个尺寸，而只 用一个尺寸来说明两个零件能够实现连接的条 件，引入公称直径的概念。凡是能够实现连接的
12、管子与法兰、管子与管件、管子与阀门，就规定 这两个连接件具有相同的公称直径。 JB/T4712-92 鞍座A2600-F JB/T4712-92 鞍座B2600-S,第七章 压力容器中的薄膜应力、 弯曲应力和二次应力,回转曲面：以任何直线或平面曲线为母线，绕其同平 面内的轴线旋转一周而形成的曲面。,回转壳体：据内外表面之间，且与内外表 面等距离的面为中间面，以回转曲面为中 间面的壳体。,环向薄膜应力： 在介质均匀的内压作用 下，壳壁的环向“纤维”受到拉伸，在壳壁的纵 截面上产生的环向拉伸应力。 经向薄膜应力m：在介质均匀的内压作用 下，壳壁的经向“纤维”受到拉伸，在壳壁的锥 截面上产生的经向拉
13、伸应力。,圆筒形壳体薄膜应力：,球形壳体薄膜应力：,标准椭球形壳体薄膜应力：,圆锥形壳体薄膜应力：,为什么标准椭球形壳体 的长轴半径a和短轴半 径b的比值为2？ (p176),标准半椭球形封头特点,结论：标准半椭球内的最大 薄膜应力值与同直径、同厚 度的圆筒形壳体内的最大薄 膜应力值相等。,边界应力：筒体与封头在连接处所出现的自由 变形不一致，导致在这个局部的边界地区产生 相互约束的附加内力。,筒体和半球形封头连接： (181),结论：半球形封头与筒体的二次应力 对整体强度影响很小。,薄膜应力的相当应力,强度条件：,双向薄膜应力的相当应力 ：根据强度 理论对双向薄膜应力进行某种组合后得到。,第
14、八章 内压容器,1 理论计算厚度：为能安全承受计算压力pc所需的最小 理论计算厚度,设计厚度：,3 名义厚度n,n:设计图样上标注的壳体厚度，将设计 厚度加上钢板负偏差C1后向上圆整至钢板 标准中规定的厚度。,钢板厚度负偏差,除去负偏差以后的圆整值,e:真正可以承受介质压强的厚度,4 有效厚度e,例1：一台新制成的容器，图纸标注的技术特 性及有关尺寸如下：圆柱形筒体与标准圆形 封头的内径Di=1m，壁厚n=12mm，设计压力 p=2MPa,焊接接头系数 =1，腐蚀裕量C2=2mm ,材料为20R，以设计温度100时的许用压力 t=133MPa,试计算该容器筒体的计算厚 度，设计厚度，圆整值及有
15、效厚度。,解：计算压力pc=p=2MPa (1)计算厚度：,（2）设计厚度d :（3）圆整值：因为C1=0.8mm，由 可得,（4）有效壁厚e:,令:,厚度系数：1,值越大，容器在强度 上的安全储备越大。,容器实际允许承受的最大压力：,例：一台新制成的容器，其筒体与标准椭圆封头内径为Di=2m， 图样中标注的厚度为20mm，在图样的技术特性表中注明：设计压力为2.1MPa，设计温度为300，焊接接头系数是0.85，腐蚀裕量为2mm，壳体材料为16MnR,试计算该容器的计算厚度，设计厚度，有效厚度，厚度系数及最大允许工作压力。,解:查表8-7可得16MnR的t=134MPa 筒体和封头的计算厚度
16、：设计厚度：,由表查的板厚度的负偏差C1=0.3 有效厚度：厚度系数：最大允许工作压力：,min :为满足容器在制造、运输及安装过 程中的刚度要求，根据工程实践经验所规 定的不包括腐蚀裕量的最小厚度。（1）碳素钢和低合金钢： min3mm（2）高合金钢制容器： min2mm,5 最小厚度min,当 min时，取min作为计算厚度。 名义厚度n ： （1） minC1时：（2） min C1时：,碟形封头,结构： （1）Rc为半径的球形壳体 +r为半径的圆弧BC为母线 的环状壳体+高为h0的 圆柱形壳体 （2） Rc越大，r越小，封头 深度越浅 （3） RcDi,r0.1Rc,r3,筒体和封头厚
17、度计算通式：K：形状系数 圆柱形筒体和标准椭球形筒体： K=1 球壳与半球形封头：K=0.5 碟形封头：K=M 无折边锥形封头：K=Q 折边锥形封头：K=f0,计算厚度的通用式,在用容器在校核压力pch(pw,pk或p）作用 下 进行强度校核时,满足以下条件:,根据筒体和封头的强度条件：,在用容器最大允许工作压力,最大允许工作压力：,最大允许工作压力：,例：一台使用多年且腐蚀较严重的容器，经检 测取得如下数据：筒体直径Di=2m，实测厚度 c=8mm，碟形封头：Rci=2m,ri=300mm, c=9.3mm，有拼接焊缝； 容器材质为碳钢 Q235-A；焊缝为带封底焊的全焊透结构，经20% 射
18、线检查未发现超标缺陷。,现欲该用容器盛装年腐蚀率为0.2mm/a的常 温介质，最大工作压力pw=0.42MPa,使用期 限定为三年，问是否允许。容器上要装安 全阀的话，安全阀的开启压力应为多少。,解：该容器由圆筒形壳体，碟形封头两 种回转壳体构成，它们的许用压力p:,由容器材质为碳钢Q235-A从表8-6查出：t=113MPa各受压元件的有效厚度：筒体：e=c-2n=8-230.2=6.8mm碟形封头： e= c上-2n=9.3-230.2=8.1mm,系数K：筒体：K=1碟形封头：Rci = Di = 2m，Rci/r =6.67据表8-13：K=1.4焊缝系数： =0.85,由上述条件可得
19、：筒体：碟形封头：,结论： 1 p=0.55MPa,Pw=0.42MPap,该容器可 以安全工作三年。2 安全阀的最大开启压力不得超过0.56MPa。,解： 由题意知：在设计温度为350时，查表8-7 得：t=133MPa,8-10.,容器实际允许承受的最大压力：,在设计温度为200时，查表8-7得t=170MPa,查表8-7可知筒体实际允许最高温度为：400- 425间,第九章 外压容器与压杆的稳定计算,压杆失稳过程中应力的变化：,（1）压力小于一定值时，卸掉载荷，压杆恢复原形。 （2）压力达到一定值时，压杆突然弯曲变形，变形不 能恢复。 （3）失稳是瞬间发生的，压应力突然变为弯曲应力。,临
20、界压力概念（pcr) 导致筒体失稳的压力称为该筒体的临界压力。筒体抵抗失稳的能力 此时筒壁内存在的压应力称为临界压应力，以 cr表示。,与材料的弹性模量（E)和泊桑比()有直接关系。,1 筒体材料性能的影响,影响临界压力的因素,（2）临界压力的计算公式,（1）筒体失稳时壁内应力远小于材料屈服点与材料的强度没有直接关系。,结论: 1)比较1和2 ，L/D相同时，/D大者pcr高； 2)比较2和3，/D相同时，L/D小者pcr高； 3)比较3和4，/D,L/D相同时，有加强圈者pcr高.,2 筒体几何尺寸的影响,3 圆筒的椭圆度和材料不均匀性的影响筒体失稳不是因为它存在椭圆度或材料不均匀而引起的。
21、但是，筒体存在椭圆度或材料不均匀，会使其失稳提前发生。 椭圆度e=(Dmax Dmin)/DN,临界长度,1 介于长圆筒与短圆筒之间的长度称为临界长度。确定临界长度的方法：由长圆筒的临界压力等于短圆筒的临 界压力。,第一步：由几何参数：L/DO和Do/e，确定筒体应变值。作得如下算图1：,许用外压的计算：,第二步：由应变值，根据不同的材料及不同的设计温度，确定B值。公式为：,第三步： 根据B值，确定许用外压。 公式为：,1 假设n，算出 ，定出L/DO 和Do/e。根据L/DO和Do/e，查图9-7，得到（A)。3 根据所使用的材料，选出相应的B-A曲线，A在 曲线的左边，按 算出B。在曲线右
22、边，B 值从曲线中查出。,圆筒稳定计算步骤：,4 算出P。5 与设计压力相比较。,圆筒稳定计算步骤：,设计新容器,可先假设n校核在压容器，实测出器壁厚度c 根据公式定出,2.外压球壳的稳定计算步骤,(2)用式 算出A ;(3)根据球壳材料，选出相应的B-A曲线，查出A值所在点位置；若A值落在曲线左侧，说明该球壳失稳瞬间处于弹性状态，可根据图上的E值，直接按下式计算许可外压力p,若A值落在曲线右侧，则只能从B-A曲线上查取Bs,然后按下式p(4)若得出的p与p（设计压力或校核压力）进行比较，得出相应结论。,（二）外压凸形封头,例：确定上例题所给精馏塔标准椭圆封头 的壁厚，封头材料为Q245R。
23、解：,查图9-10得：,欧拉公式:压杆的临界应力：压杆的柔度： 压杆的细长程度。压杆的临界应力,第十章 容器零部件,一 法兰连接结构与密封原理 1.连接结构：,从法兰密封连接过程看其密封原理： （1）预紧时拧紧螺栓,垫片被压紧 （垫内毛细管被切断；消除了与法兰密封 面之间的空隙）。 垫片单位面积上所受的压紧力，称为垫片 密封比压。 当垫片密封比压达到某一值时，便具备了 初始密封条件，此时的比压称为预紧密封 比压。,2.法兰密封原理,（2）工作条件下介质压力和温度均升高,螺栓被拉伸，法兰变形，法兰密 封面相对有分离趋势。致使垫片比压 下降。 垫片回弹，补偿或部分补偿了法 兰分离的位移。 此时的残
24、余比压若不小于某一值（称 为工作密封比压），仍可保持良好密 封状态。否则，将发生泄漏。,影响法兰密封的因素,1、螺栓预紧力（1）预紧力不能过大，也不能过小。过大：使垫片压坏或挤出；过小：达不到垫片压紧并实现初始密封条件。,（2） 适当提高预紧力，可以增加垫片的密封能力。使渗透性垫片材料的毛细管孔隙减小 （3） 使预紧力均匀作用于垫片 可以采取减小螺栓直径以及增加螺栓个数的办法。,2.法兰密封面形式,3. 垫片性能,（1）垫片密封面的塑性变形能力实现初始密封 （2）垫片材料及结构的回弹能力提高工作状态下的残余密封比压 （3）耐腐蚀能力 （4）力学性能，尤其抗高温蠕变能力,刚度不足，导致过大的翘曲
25、变形，往往是导致密封失效的原因。刚性大的，法兰变形小，并可以使分散分布的螺栓力均匀地传给垫片，故可以提高密封性能,4.法兰的刚度,法兰受力,5.操作条件,1 压力高介质泄漏的推动力大。 2 温度高介质的粘度低，渗透性强，容易泄漏；介质的腐蚀性能增强；法兰、螺栓及垫片易发生蠕变，垫片比压下降； 非金属垫片易发生老化，丧失塑性。 温度压力联合作用，并且反复波动，垫片容易 发生“疲劳” 失效。,管壳式换热器的结构：,1.筛孔提供气体上升的通道； 2. 溢流堰维持塔板上一定高度的液层，以 保证在塔板上气液两相有足够的接触面积； 3. 降液管作为液体从上层塔板流至下层 塔板的通道。,优点：结构简单、造价低、塔板阻力小。目前，广泛应用的一种塔型。 缺点：筛孔容易因生锈或被脏物堵塞，筛孔堵塞后塔便失效,筛板塔盘示意图,筛板塔的主要结构：,反应釜总体结构示意图,1搅拌器,2釜体,3夹套,4搅拌轴,5压出管,6支座,7人孔,8轴封,9传动装置,
