过程装备机械基础期末复习资料

第一章

1、二力平衡：等值、反向、共线。

2、三力汇交：刚体在三个力作用下平衡，若其中任意两个力的作用线相交于一点，则第三力的作用线也必然交于同一点。（平衡时三力的延长线或反向延长线必交于一点） 3、受力分析步骤：

（1）选定研究对象，将研究对象作为分离体单独划出； （2）在分离图上标出主动力；

（3）将分离体原来的约束用相应的约束反力代替。 第二章

1 ∑F

x

=0

∑

F

y

=0

2、熟练绘制分离体的受力图：应用二力平衡与三力汇交定理。 3、从力学的角度看，构件必须满足的要求（刚度，强度，稳定性）

4、构件有哪几种基本变形？（拉压、剪切、扭转、弯曲） 第三章 1、力矩：

mo(F)=±Fh，正负号规定：当力使物体绕矩心作

逆时针方向转动时为正值，反之为负值。

2、力偶：等值、反向、作用线不重合的两个平行力的力系。

m(F,F'

)=±Fd，力偶使物体逆时针方向转动时为正值，反

之为负值。

3、平面一般力系的平衡条件及方程：力系的主失和力系中各力对任一点主矩都为零，即（主失为零，主矩为零）

∑

Fx

=0 ∑F

y

=0

∑mo

(F)=

4、约束的类型（柔性约束T、理想光滑面约束N、光滑圆柱铰链约束（固定铰链约束XA，YA，可动铰链约束NB)、固定端约束（X，Y，m）） 第四章

σ=

N

1、应力：单位面积上的内力。

A

,受拉为正，受压为负。

ε=

l'-l

2、应变：构件单位长度的拉伸量或缩短量，纵向应变

l，

'

ε'=

b-b

μ=

ε'

横向应变

b，在弹性范围之内

ε

为常数,

μ

为材料的横向应变系数或泊松比。

3、材料发生弹性变形时，应力与应变成正比，胡克定律：

σ=Eε

，E（MPa）材料的弹性模量，即材料常数，表示材料N=E

l l=

Nl

抵抗变形的能力。即A

l，所以

EA，式中

EA

为杆的抗拉（压）刚度，对于相同长度，受力相同的杆，EA越大，杆的变形就越小。

4、低碳钢在拉伸时的力学性能：（39页图4.11） 1）弹性阶段，a点为比例极限

σp

，b点为弹性极限

σe，

tanα=

σ

ε=E,E是衡量材料刚度的指标。

2）屈服阶段，c点为屈服极限

σs。

3）强化阶段，e点为抗拉强度σb，意味着试件即将破坏。

4）颈缩阶段，试件被拉断。 5、直杆拉伸与压缩时的强度条件：

σN

A≤[σ]1）

max=

,

判断工件是否安全可靠。

A≥

N

2）

[σ]，确定截面尺寸。

3）N≥[σ]A,确定杆件所能承受的载荷。

第五章

1、剪切变形：等值、反向、作用线相距很近的一对横向力作用时的变形。

τ=

Q

2、

∑F

x

=Q-F=0

,即

Q=F，剪应力

A,为保证不

τ=

Q

发生剪应破坏，

maxA

≤[τ]，塑性材料：

[τ]=(0.6~0.8)[σ]

脆性材料：

[τ]=(0.8~1.0)[σ]

3、剪切胡克定律：当剪应力不超过材料的剪切比例极限时，剪应力τ与剪应变γ

成正比，即

τ=Gγ

,G为剪切弹性模量

（MPa）。

G=

E

对于各向同性材料，有

2(1+μ)。

σF

j=

4、挤压及其强度计算：挤压强度条件，A≤[σj]j

塑性材料：

σj=(1.5~2.5)[σ]

脆性材料：

σj=(0.9~1.5)[σ]

m=9550

P

5、外力偶矩n，P为功率，n为转速，m为外力偶

矩（N·m）。

6、内力偶矩Mn=∑mi

。 7

、

圆

轴

扭

转

时

的

强

度

计

算

：

τmax

=Mn-max≤[τ]WI

,

=(0.5~0.6)[σ],n=ρ

Wn[τ]D/2,

Iρ=⎰ρ2dA

,当

ρ

等于最大值D/2时，剪应力将达到最大值。

8 、 刚度计算 ：

θ=MnGI⨯180

π≤[θ]

ρ,

[θ]=(0.5︒~1.0︒)/m。

9 第六章

1、受弯杆件的受力特点：在通过杆轴线的一个纵向平面内，受到横向力或力偶的作用。

2、梁：以弯曲为主要变形的杆件。 3、轴：以扭转为主要变形的杆件。 4、梁的类型：简支梁、外伸梁、悬臂梁。 5、梁上的载荷：集中力、集中力偶、分布载荷。

6、受弯构件横截面上的内力：弯矩M,剪力Q,截面法和直接计算法求取。

7、剪力图和弯矩图的绘制：

（1）绘制分离体的受力图，求未知力； （2）分段列出剪力方程和弯矩方程；

（3）绘制剪力图和弯矩图，找出最大剪力和最大弯矩。

σ=Mmax

max

8、弯曲正应力的计算：

Wz

。

σ=

Mmax

9、弯曲正应力的强度条件：

W≤[σ]z

，

bh2

W矩形截面

z=

6，

W=

πD2

圆形截面

z32

。

10、梁的强度计算：

1）画受力图，求支座反力； 2）列弯矩方程；（左顺右逆为正） 3）画弯矩图；

4）强度校核或确定截面尺寸或最大载荷。

11、提高梁刚度的措施：减小梁的跨度l,增大梁的抗弯刚度

EIz。

12、梁弯曲变形的基本物理量：挠度，转角。 13、纯弯曲变形的实质：拉压。 14、提高梁弯曲强度的措施有哪些？

合理的截面形状、合理的工作位置、合理的支座位置。 第七章

1、材料的失效形式：屈服破坏、脆性断裂。

2、第一强度理论（最大拉应力理论）认为材料的破坏主要是由

最大拉应力引起，其强度条件为σ1

≤[σ]，适应于脆性材料。3、第三强度理论（最大剪应力理论）认为材料的破坏主要是由

最大剪应力引起，其强度条件为σ1

-σ3≤[σ]，适应于塑性

材料。

4、对于构件，弯曲与拉伸（压缩）组合变形的强度条件可统一

σMmax

max=

N表示：

A

+

W≤[σ]z

。

5、只有正应力σ没有剪应力τ的平面为主平面，主平面上的正应力σ为正应力。 第八章

1、带传动的组成：主动轮、从动轮、皮带。

2、传动原理：借助带与带轮之间的摩擦或相互啮合，将主动轮的运动传给从动轮，以传递运动和动力。

带传动可分为摩擦传动（平带、V带、楔形带、圆带）和啮合传动（同步带）。

3

4、带的设计准则：在保证带传动不打滑的条件下，具有一定的疲劳强度和寿命。

5、摩擦带传动的特点：（1）结构简单，制造、安装和维护方便；适用于两轴中心距较大的场合。（2）胶带富有弹性，能缓冲吸振，传动平稳。噪声小。（3）过载时可产生打滑，能防止薄弱零件的损坏，起安全保护作用。(4) 带与带轮之间有一定的弹性滑动，但不能保持准确的传动比；传动精度和传动效率低。（5）传动带需张紧在带轮上，对轴和轴承的压力较大（6）外廓尺寸大，结构不够紧凑（7）带的寿命较短，需经常更换

6、带的打滑是因为过载引起的，是可以避免的，而弹性滑动是由于带的弹性和拉力差引起的，是带传动正常工作时不可避免的现象。 第九章

1应分别相等。

2、齿轮的失效形式包括轮齿折断、表面失效（齿面的疲劳电蚀、胶合、磨粒磨损和塑性变形）。

3、齿轮传动的主要优点是：传动比恒定，效率高,工作平衡,寿命长,结构紧凑,传动速度和传递功率范围广,可实现平行轴、相交轴

和交错轴之间的传动

4、齿轮传动的主要缺点是：制造和安装要求精度高，精度低时噪声、振动和冲击较大，不适应于轴间距较大的场合，无过载保护功能。 第十章

1、按承载情况分类：转轴、心轴、传动轴。按轴线的形状分类：直轴、曲轴、挠性钢丝轴。 2、轴的失效形式：疲劳破坏。

3、最常用的碳钢：。

4、轴向定位结构：轴肩和轴环、锁紧螺母和锁紧螺钉、弹性档圈和套筒、轴端档圈和锥面加档圈。

周向定位结构：平键、花键、销、成形和过盈配合。 5、按工作时的摩擦性质，按承受的载荷方向不同，滑动轴承可分为向心轴承、推力轴承和向心推力轴承。滚动轴承由内圈、外圈、滚动体和保持架组成。 6、轴承的主要失效形式：接触疲劳、塑性变形、磨损。 7、联轴器的类型：按是否具有补偿能力，分为刚性联轴器和挠性联轴器

(一) 机械性能

1、强度:是指材料抵抗外载荷能力大小的指标。强度高，材料不易被破坏。常用指标有屈服极限σs和强度极限σb

2、塑性：是指材料在破坏前变形能力的大小。常用指标是延伸率δ和断面收缩率ψ。

3、从化工设备的加工制造和安全运行角度考虑，要求材料的塑性要好。

4、化工设备所用材料一般要求δ＝15％一20％以上 （二）金属材料

碳钢：C≤2%

1 铸铁：C=2~4.5%

2、钢的强度随碳含量的增加而增大，塑性随碳含量的增加而下降

3、碳钢的牌号：用钢中碳含量的万分之几表示，如：

低碳钢：C≤0.25%，强度较低，但塑性最好，焊接性能好，钢

号：08 10 15 20 25 压力容器专用钢：Q245R、Q345R

中碳钢：C=0.3%~0.6%，钢号：30 35 40 45，强度较高，塑性、

韧性较好，焊接性能较差

不适合制作容器，常作为轴。齿轮、螺栓等机械零件用钢

低合金钢：合金含量≤5% 合金钢中合金钢：合金含量5~10% 合金钢：合金含量≥10%

不锈钢属于高合金钢。

4、常见的局部腐蚀有：应力腐蚀、小孔腐蚀，缝隙腐蚀、晶间腐蚀等，其中应力腐蚀的小孔腐蚀所占比例较大 5、金属设备的防腐措施

涂覆保护层：（金属内壁涂环氧树脂；碳钢表面镀铬、镀镍、

喷镀锌或铝、热镀锌；橡胶衬里；搪瓷）

电化学保护：（牺牲阳极阴极保护、外加电源阴极保护） 添加缓蚀剂

（三）压力容器

1、压力容器的结构：筒体、封头为主体，接管、法兰、支座、辅助孔为主要零部件 2、压力容器的分类

压力容器综合分类中第Ⅲ类压力容器要求最高，第Ⅰ类压力容器要求最低。（详见课本289页） 3、压力容器的失效形式:

内压容器：弹、塑性失效——强度不足;

外压容器：整体失稳。

4、拉氏方程和区域平衡方程要求：a搞清方程中各符号的含义：συ 指经向应力; σθ 指周向应力; σφ

δ为壳体厚度（mm）;Rθ

1 ,R2分别为第一、二R+

σ主曲率半径； p指介质压力

1

R=

p

2

δ

b 受气体压力作用下典型回转壳体上的应力情况：

（1）密闭圆柱形：R1 =无穷大,R2 =R=D/2，σθ=pD/2δ，συ=pD/4δ，另外：筒壁上各点的应力大小不随位置而改变且其周向应力是经向应力的2倍。

（2）球形壳体：σθ=συ=pD/4δ，可见当球体内部受均匀气体压力时，球体上任意点的应力均相等。

与圆筒形容器相比，从最大应力分析，球壳的周向应力仅为圆柱壳周向应力的一半，所以球壳的承载能力比圆柱壳强。 5、薄膜理论的应用（内压容器的壁厚设计）

要求：①会用第一或第三强度理论推出圆筒、球壳的计算厚度公式，图纸上标注的名义厚度还要考虑厚度附加量。

②要清楚根据已知操作压力等条件时，计算筒体和封头壁厚的步骤（课本221页） 容器壁厚设计步骤如下：

a 确定并列出设计所需参数，尤其要注意设计压力、计算压力、设计温度、焊接接头系数必须交代清楚。

b 求计算厚度δ

c 计算或查取厚度附加量（钢板负偏差，腐蚀裕量） d 确定设计厚度δd, e 确定名义厚度δ

n,

f 选取标准钢板厚度，给出计算结论。

6、标准椭圆封头（a/b=2）及其应力分布规律特点：顶点处σθ

=συ=pa/δ,赤道处σθ=-pa/δ。

7、封头的结构型式有半球形封头、椭圆形封头、碟形封头、球冠形封头、锥壳及平盖等；

封头加直边的作用是使椭球壳和短圆筒的连接边缘与封头和圆筒的焊接接头错开，避免边缘应力与热应力叠加，改善封头和圆筒连接处的受力状况。

8、碟形封头和椭圆形封头相比，哪种封头应力分布较均匀？ 在相同直径和高度的情况下，椭圆形封头的应力分布较均匀。碟形封头的主要缺点是球形部分、过渡区的圆弧部分及直边部分的连接处曲率半径有突变，有较大的边缘应力产生，但制造容易。

9、各种封头的优缺点及其选择？

球形 椭圆形 碟形 锥形 平板

受力情况 好 差 消耗材料 少 多 制造难易 难 易 椭圆形封头综合性能好，中低压容器大多采用之。 球形封头用于某些高压容器。

锥形封头常用于卸除含固体的物料或变径段。 平板封头用于人、手孔盖，小直径高压容器封头。 10、什么是压力容器所谓的边缘？（请列举三种）

压力容器所谓的边缘通常指两部分壳体的联接处或壳体变形不连续处。如：筒体和封头的焊接处，曲率突变处，厚度突变处，支承点，加强筋及接管处。

11、边缘应力产生的原因和特性：边缘化应力是由于两连接件弹性变形不一致，相互制约而产生的。具有局限性和自限性两个基本特性。 12、设计参数

1) 设计压力：指设定的容器顶部的最高压力，其值一般不小

于容器的最大工作压力。对装有安全阀的，p=1.05~1.1pw且不低于安全阀的开启压力。

2) 计算压力：指在相应设计温度下用以确定容器计算厚度的

压力，包括液柱静压力。

13、压力试验：包括试验压力及应力校核。例12.4

14、焊接接头系数ψ：焊缝是容器和受压元件的薄弱环节。由于焊缝热影响区有热应力存在，形成的粗大晶粒会使其强度和塑性降低；且焊缝中可能存在着夹渣、气孔、裂纹及未焊透等缺陷，使焊缝及热影响区的强度受到削弱，因此要引入焊接接头系数对材料强度进行修正。 15、外压容器设计 （1） 失稳是外压容器失效的主要形式，因此保证壳体的稳定是维持外压容器正常工作的必要条件。

（2）

失稳时往往壳壁的压应力还远小于筒体材料的屈服极限

（3） 由于筒体突然间被压瘪或出现褶皱，失去自身原来的几何形状而导致容器失效。

（4） 临界压力是外压容器失稳时的压力，用pcr表示。 （5） 影响临界压力大小的因素有筒体的几何尺寸筒体材料性能及筒体椭圆度等。

（6） 外压容器的失稳是外压容器固有的力学行为，并非由于壳体不圆或材料不均匀引起的。

（7）

长圆筒的临界压力只与圆筒的材料（E、μ）以及圆

筒的有效厚度与直径之比δe/D有关，而与圆筒的长径比L/D无关。失稳时的波数为2 （8）

短圆筒的临界压力除与圆筒的材料和圆筒的有效厚度与直径之比δe/D有关外，还与圆筒的长径比L/D有关。失稳时的波数为大于2的整数。 （9） 刚性圆筒的刚性好，筒体失效形式为压缩强度破坏。（10） 临界长度是长短圆筒的分界线

（11） 外圆筒的设计计算：计算外压pc小于或等于许用应力[p]， 即 pc≤[p]=pcr/m （12）

设计外压圆筒时为什么常设置加强圈？设置加强圈

时要注意什么问题？

A、 设置加强圈的方法经济可行，原因是：①当外压圆筒为贵重

金属时，设碳钢的加强圈可有效降低成本。②对已有设备，只能用设置加强圈的办法提高其抗失稳能力。

B、 设置加强圈后圆筒的计算长度应在短圆筒的范围内。如果一外压长圆筒设置加强圈后仍属长圆筒，则（续+思考题12-5）16、法兰密封工作原理

1) 密封的原理是当法兰通过螺栓压紧垫片时，使垫片发生变

形，并提供垫片与密封面的压紧力，以形成压力介质通过密封面的阻力，当介质通过密封面的阻力大于密封元件两侧的介质压力差时，介质即被封住。

2) 实现密封应满足的条件：预紧时，预紧力作用在垫片上的

预紧比压不低于预紧密封比压；工作时，作用在垫片上的剩余比压不低于工作密封比压。

3) 法兰的类型及应用场合：法兰的类型有整体法兰和松式法

兰，整体法兰分为平焊法兰和对焊法兰，平焊法兰用于温

度、压力不太高的场合;对焊法兰用于压力、温度较高及有毒、易燃易爆的重要场合。松式法兰用于压力较低的场合。

4) 法兰密封面的主要形式，特点及密封可靠性对比：①平面

形密封面，结构简单，加工方便，便于防腐或衬里。但垫片挤出不易压紧，用于低压、小尺寸、无毒、密封要求不高的场合。②凹凸面型密封面，对中性好，密封性好，用于中压且温度较高的场合。③榫槽型，对中性好，密封可靠，垫片宽度小，所需压紧力也小，适用于易燃易爆。有毒及高压场合。加工、检修比较困难。

17、支座的型式：立式容器支座、卧式容器支座、球形容器支座 A. 鞍座的位置尺寸：为使梁跨中截面和支承截面处的弯矩大致相等，设计时通常取A≤0.2L。

B.

卧式容器支座一般采用双支座支承。原因是当采用两个以上支座时，往往由于基础不均匀沉陷，导致各支承面水平高度不同志；另外，容器的不圆、不直和受力后的变形不同等很多因素都会使各支点的支反力无法均匀分配，有时反而会导致壳体局部应力增大。 C.

鞍式支座的固定：为了避免热胀冷缩在卧式容器内产生温差应力，通常在一台容器上，总是将F型（固定支座）和S型（活动支座）配对使用。地脚螺栓采用双螺母紧固，第一个螺母拧紧后应倒退一圈，然后用第二个螺母锁紧，以便能使鞍座能在基础面上自由滑动。

18、在圆柱壳体上开椭圆孔有何好处？椭圆孔的短轴应放在圆柱壳轴线的什么方向上？

好处是在方便维修、操作的前提下，能尽可能地减小对圆筒壳的强度削弱。因为圆筒壳上σθ=2συ，椭圆孔的短轴应与圆筒壳的轴线平行。

19、容器上设置手孔、人孔、观察孔的目的？

压力容器开设人孔和手孔是为了设备内件的维修和装拆。观察孔用来观察设备的内部情况。

20、为什么压力容器的开孔有时可允许不另行补强？允许不另行补强的开孔应具备的条件是什么？常用局部补强结构有哪些，各有什么特点？

（1）容器上的开孔并不是都需要补强，因为压力容器设计

中常常存在各种强度裕量。例如，接管和壳体的有效厚度往往比计算厚度大；接管根部填角焊缝的部分金属起到加强作用；焊接接头系数小于1，但开孔位置不在焊缝上。这些因素相当于对容器进行了加强。所以对于满足一定条件的开孔接管，可以不予补强。

（2）允许不另行补强的开孔应具备的条件：①设计压力小于或等于2.5MPa②两相邻开孔中心的间距应不小于两孔直径之和的两倍③接管公称外径小于或等于89mm④接管最小壁厚满足下表要求

（3）开孔补强结构：补强圈补强、厚壁接管补强、整锻件补强（特点见课本282页） 21、管壳式换热器 1)

折流板的作用:当壳程伟对流传热时，设置折流板是为了提高壳程介质的流速和扰动程度，强化传热效果，同时折流板对管束起到了支撑作用。但在壳程为冷凝或蒸发的情况下，传热系数和流体的流动状态没有关系，这时设置折流板只是为了支承管束。 2) 设置膨胀节有何作用？ 减小管、壳间的温差应力。 3)

管子和管板的连接方法？ 胀接，使用温度不超过300C，压力不超过4MPa；焊接，除有较大振动及有缝隙腐蚀的情况外，只要材料可焊性好，焊接可用于任何场合；胀焊并用，主要用于密封性能要求较高。承受振动和疲劳载荷。有缝隙腐蚀。需采用复合管板等场合。 4)

换热管与管板胀接时，管端、管板分别发生什么性质的变形？ 管端发生塑性变形，管板发生弹性变形。 22、塔设备 1) 按塔内件结构分：板式塔、填料塔、板和填料的作用是增大两相介质的接触面积。

2) 板式塔和填料塔的主要区别是内件不同，其他部分大致相同。

3)

在板式塔中，液体从塔体上部进入，在塔盘上作横向流动，上升的气体通过塔盘的孔隙与液体呈错流接触，进行传热

和传质

5) 4)

填料塔是以塔内堆放的填料作为传质元件，液体自塔顶沿真料表面向下流动，气相自塔底向上流动，两相间逆流接触，进行传质和传热。

6) 5) 塔盘由气液接触元件（如浮阀、泡罩）、塔板、降液板、受液盘、溢流堰、塔圈等组成。

6) 塔盘按结构特点分为：整块式塔盘、分块式塔盘 7) 通道板的作用：采用分块塔板时，塔体是一个开有人孔的整体，为了进行塔内安装和检修，使人能进入各层塔板，需要在各层塔板上设置内部通道板。

通道板应设置在塔板的中央处，各层模板的通道板最好开在同一垂直位置上，以利于采光和拆卸。

8) 填料塔与板式塔相比，不同的结构有液体分布装置、液体再分布装置、填料支承。

9) 对填料支承的要求：不但要有足够的强度和刚度，而且要有足够的自由截面积，使支承处不致发生液泛。

10) 液体分布装置：使液体沿塔截面的初始分布尽可能均匀。 11) 液体再分布装置：由于塔壁处阻力小，当液体沿填料层向

下流动时有逐渐流向塔壁的趋势——“壁流”效应，使液体沿塔截面分布不均匀，降低传质效率。因此设置液体再分布装置，它的作用就是将流经一段填料后的液体进行再分布，在下一段填料内得到均匀喷淋。 23、搅拌反应器 1)

选择反应器罐体的长径比时要考虑的问题：①对搅拌功率的影响：长径比小，则反应器直径大，搅拌器桨叶直径也天，搅拌功率会大大增加。②对夹套传热的影响：长径比大，夹套传热效果好。③反应过程对长径比的要求：若反应要求物料停留时间长，则长径比应大一些 2) 常用的搅拌器形式有：①桨式：产生的流型主要是环向流。②涡轮式：主生的流型主要是径向流。③锚式。④推进式 3) 夹套的主要结构形式有：整体夹套、型钢夹套、半圆管夹套、蜂窝夹套

4)

对于顶插入式中心安装的立式圆筒，基本流型有：径向流、轴向流、切向流。

挡板的作用是：将产生漩涡的环向流部分转变了对混合有利的轴向流和径向流，减小漩涡；增大补搅拌流体的湍动程度，从而改善搅拌效果。

填料密封与机械密封的比较：

从密封面性质看，填料密封地为轴和填料接触的圆柱形表面，而在机械密封中是动环和静环接触的环形平面。

从密封力看，在填料密封中，密封力是靠拧紧压盖螺栓后使填料发生径向膨胀而产生，在轴的运转过程中，伴随着填料与轴的磨损，密封力会减小；而在机械密封中，密封力是靠弹簧压紧动环与静环产生的，即使两个环有微小磨损，密封力也基本不变，因此，机械密封比填料密封性能好。

从磨损消耗的功率看，机械密封消耗的功率要小得多。