化工机械实验室实验指导书.doc

化工机械实验室实验指导书1132020年6月23日资料内容仅供参考，如有不当或者侵权，请联系本人改正或者删除。目 录活塞式压缩机结构、 运转及性能实验1离心泵性能测试12内压薄壁容器应力测定15外压圆筒失稳实验20高压容器爆破实验23超声波探伤实验28换热器总传热系数的测定31精馏操作与塔效率的测定34搅拌反应器性能实验38碳钢极化曲线测定44不锈钢钝化曲线测定48振动测量52临界转速测量55法兰非金属垫片密封性能实验60传感器系统综合实验62二容水箱液位控制实验70雷诺实验74活塞式压缩机结构、 运转及性能实验实验项目性质: 综合性所属课程名称: 过程流体机械计划学时: 4学时一、 实验目的及任务1. 实验目的本实验室过程流体机械实验课中的一项综合性实验, 包括两部分: 活塞式压缩机结构和活塞式压缩机运转性能测定。实验目的有二: ( 1) 经过观察多种结构的压缩机和拆解一台空气压缩机, 把课堂教学与实际应用有机地结合起来, 达到获得对实际往复活塞压缩机内外各部件的感性认识的目的。了解气阀、 活塞、 十字头、 曲柄连杆机构与曲轴箱之间的相对位置, 以及她们的形状与作用。认识气体进出压缩机的途径, 压缩机的冷却方式, 润滑方法。掌握各主要零部件的拆装步骤及方法。( 2) 经过实验测量一台活塞式压缩机运转性能, 进一步理解活塞式压缩机的基本理论, 掌握过程流体机械的实验研究方法和手段。本实验经过测定一台活塞式压缩机的排气量、 功率、 转速来研究和分析活塞式压缩机的运转性能和影响活塞式压缩机性能的因素, 同时观察压缩机气缸内部的工作过程示功图。2. 任务( 1) 观察多种结构的压缩机并拆解一台空气压缩机。( 2) 测定在一定转速下和一定工况下, 压缩机的排气量Q、 指示功率、 轴功率Nz并与理论计算值比较; 观察示功图。( 3) 了解计算机控制的参数采集系统的工作机理( 包括信号与采集、 运算处理、 结果显示及结果打印) ; 二、 实验内容及要求1. 活塞式压缩机结构实验a. 实验压缩机压缩机3台: 立式单级单作用空压机1台, W型单级单作用空压机1台, L型两级双作用空压机( 可动有机玻璃模型机) 1台。b. 压缩机的总体结构及主要零部件介绍工作机构工作机构是实现空气压缩的主要部件。由气缸、 气阀、 活塞组件等组成。气缸呈圆筒形, 在气缸盖( 及汽缸座) 设有若干吸气阀与排气阀。活塞由曲柄连杆机构带动在气缸中做往复运动。L型压缩机有两个气缸, 一般垂直列为一级缸, 水平列为二级缸。空气吸入一级气缸经过压缩后, 进入中间冷却器降温, 再进入二级气缸压缩, 最后排出到输气管路供使用。运动机构运动机构由曲轴、 连杆、 十字头( 用于双作用压缩机, 对单作用压缩机为连杆) 组成, 用于传递动力, 将曲轴的旋转运动变成往复运动。曲轴的曲拐上装有一个或多个连杆。连杆的另一端与只能在滑道内作往复运动的十字头( 对单作用压缩机为在汽缸内作往复运动的活塞) 连接。这样, 旋转的曲轴使连杆摆动, 传到十字头( 活塞) 作往复运动, 在经过活塞杆使活塞往复运动对气体做功。机身机身上支承和安装着整个运动机构与工作机构, 又兼作润滑油箱用。曲轴用轴承支承在机身上。对于双作用压缩机, 机身上两个滑道又支托着十字头, 两个气缸分别固定在L型机身的两臂上。气缸气缸是构成压缩容积实现气体压缩的主要部件。本实验的压缩机气缸有空冷的, 也有水冷的。单作用压缩机为空冷, 缸体和缸盖上有散热翅片。双作用压缩机气缸为水冷结构。活塞组件活塞组件包括活塞、 活塞环及活塞杆( 双作用压缩机) 或活塞、 活塞环及活塞销( 单作用压缩机) 等。实验的L型压缩机活塞为盘形活塞机构。在活塞盘侧面上有两道凹槽, 用来安装活塞环。活塞杆的作用是将活塞与十字头连接起来, 传递作用在活塞上的力, 带动活塞运动。其它压缩机用的是筒型活塞, 活塞与连杆是经过活塞销连接。活塞环为一开口圆环, 在自由状态下, 其外径大于气缸直径。装入气缸后, 环径缩小, 仅在切口处留下一个热膨胀间隙。其主要作用是密封气缸与活塞盘之间的间隙, 防止气体从压缩容积的一侧漏向另一侧, 另外还有均布润滑油的作用。单作用压缩机用的筒型活塞上还有一道刮油环, 用于刮去汽缸表面多余的润滑油。气阀气阀是压缩机中的重要部件, 其作用是控制气体及时吸入与排出气缸。实验所用压缩机的气阀为环状阀, 主要由阀座、 阀片、 弹簧及升高限制器等零件组成。它的工作原理以吸气阀为例来说明。在吸气过程, 当气缸内的压力低于吸气管道中的压力, 且两者压力差所产生的推力足已克服弹簧压紧力及阀片、 弹簧的惯性力时, 弹簧随即把阀片弹回, 阀片由落在阀座上, 吸气阀关闭, 完成吸气过程。曲轴曲轴是压缩机的运动部件。主要由主轴颈、 曲轴销、 曲柄等组成。曲轴搁置在机体轴承座上的部份, 称为猪轴颈; 与连杆连接的部分称为曲柄销; 连接主轴颈与曲柄销的部分称为曲柄。曲柄与曲柄销组合在一起称为曲拐。本实验所用压缩机的曲轴均为曲拐轴, 其特点是曲柄销两端均有曲柄形成曲拐。连杆连杆是连接曲轴与十字头( 或活塞) 的部件, 它将曲轴的旋转运动转换成活塞的往复运动, 并将外界输入的功率传给活塞组件。压缩机工作时, 连杆组件作平面运动, 其中与曲柄销相连的大头作旋转运动, 与十字头销( 活塞销) 相连的小头作往复运动, 连杆体作摆动。十字头十字头是连接活塞杆与连杆的部件, 是双作用压缩机特有的。它在导轨里作往复运动, 并将连杆的动力传给活塞部件。实验用L型压缩机的十字头与连杆的连接方式为闭式。十字头与活塞杆的连接采用螺纹连接方式, 可根据活塞杆螺纹旋入十字头的深浅来调整活塞杆与气缸端面的间隙, 并用自锁螺母锁紧。十字头与连杆采用十字头销连接。压缩机的润滑系统本实验的L型压缩机采用压力润滑方式。分为两个独立的系统: 气缸部分靠注油器供润滑, 传动部分靠齿轮油泵供油润滑; 其它两台压缩机采用的是飞溅润滑方式, 即汽缸活塞及曲轴连杆的润滑都采用由连杆大头上的打油机构将曲轴箱内的润滑油溅起到润滑表面实现润滑。L型压缩机传动机构的润滑: 传动机构的润滑路线如下: 连杆大头主轴承油冷却器滤油器齿轮油泵储油箱连杆小头 十字头滑道十字头销图传动机构的润滑路线冷却系统: 本实验L型压缩机采用水冷方式。两级之间设有中冷器, 用于冷却一级排气; 汽缸及填料函外设有冷却水夹套, 用于冷却汽缸和填料。c. 实验步骤拆解并安装1台立式单级单作用空压机。拆卸时遵循从上到下, 从外到内的基本原则, 安装时次序与拆卸是相反。本压缩机结构较简单, 拆装的重点是观察汽缸、 气阀及气道的内部结构。拆卸次序为: . 拆气缸盖卸下缸盖顶部的螺母, 向上拆下气缸盖。注意观察其结构形式以及内部气道的布置。. 拆气阀本压缩机的气阀为组合式气阀, 即进气阀和排气阀组合在一起。拆下气缸盖后即可拿出装在气缸正上方的气阀组件。松开位于中心螺栓和螺母, 即可将阀座和升程限制器分开, 取出阀片和弹簧。. 盘动飞轮, 使曲柄连杆机构与活塞动作, 观察气缸内部及活塞在气缸内的运动情况。. 安装复原压缩机。安装时注意参照压缩机的拆开步骤及压缩机结构形式, 正确安装各部件。d. 实验要求本部分要求观察3种压缩机的结构形式并作出记录。包括: 总体结构, 单、 双作用活塞对应的运动机构, 气阀结构及类型, 汽缸结构及冷却方式, 润滑方式。2. 活塞式压缩机运转性能测量本部分实验内容为测量一台空气压缩机在设计工况下的排气量、 指示功率并与理论计算结果对比。实验装置由容积式空气压缩机测试系统和空气压缩机组组成, 见图2。图2 压缩机性能测试系统示意图1.喷嘴流量计 2.压缩机 3.转速传感器 4.储气罐5.信号处理系统 6.数据采集接口箱 7.压力传感器a. 实验装置与实验原理( 1) 实验压缩机装置实验压缩机是上海压缩机厂制造的无十字头3缸单作用风冷式压缩机一台, 压缩机基本参数如下: 额定排气量: 1.0 m3/min额定排气压力: 0.7 MPa( 表压) 额定转速: 1000 r/ min 活塞行程: 75 mm( 曲柄半径37.5mm) 气缸直径: 90 mm气缸数目: 3润滑方式: 飞溅式压缩机轴功率: 6.7 KW气缸相对余隙容积约为6驱动电动机额定功率: 7.5 KW电动机功率因数: 0.85压缩机是由曲柄连杆机构运转的, 连杆直接与活塞相连接, 没有十字头, 连杆大头为对分式。曲柄安装在滑动轴承上, 压缩机的运动机构及气缸均用击溅方式进行润滑。压缩机机身与气缸外套铸成整体。空气自大气进入压缩机, 经压缩后排出, 压缩机的排气管接储气罐, 储气罐为直径300, 长900mm壁厚10mm的容器, 容器顶部有0.7 MPa的安全阀及压力表, 储气罐出口连接有调节阀, 以调节压缩机的出口压力。( 2) 压缩机的排气测定装置在储气罐出口的压力调节阀后设有一套排气量测定装置, 即喷嘴流量计, 装置设计按照排气量按照”GB/T15487-1995容积式压缩机流量测方法”中所规定的方法进行测定。装置由减压箱、 喷嘴、 测压管及测温管所组成, 减压箱内有多孔小板及井字形隔板所组成的气体流动装置, 喷嘴由不锈钢或黄铜制造, 孔径尺寸为19.05mm。差压传感器( 或U型压力计) 与测压装置连通, 用以测定喷嘴前后的压差。根据测量得到的有关参数, 压缩机实际排气量由下式计算得出 ( 1 ) 式中: Q压缩机排气量( m3/min) 喷嘴系数( 查表) 喷嘴前后的压力差( mm水柱) , 1mm水柱10.2 Pa喷嘴直径( mm) 大气压力( 105 Pa) 压缩机吸入气体的绝对温度( K) 喷嘴前气体的绝对温度( K) ( 3) 示功图( P-V) 图的测试装置压缩机的一个一级气缸顶部开孔, 经过接头连接压电式压力传感器, 测试气缸内气体的瞬间压力P。压缩机飞轮上装有键相器, 经过光电转速器, 测试压缩机的瞬间曲柄转角。由下面公式确定活塞位移x, ( 2) 式中: 活塞位移, 曲柄半径, 曲轴半径与连杆长度l的比值, 曲柄转角。由活塞位移x与气缸截面积A的乘积即可确定活塞扫过的气缸容积V。 ( 3) 式中: 气缸容积; 气缸截面积, A=D2/4 ; x活塞位移。由和可绘出压缩机一个循环的图( 示功图) 。由示功图封闭面积即可算出一个循环的压缩功; 再乘以转速和气缸数目即得压缩机指示功率: ( 封闭面积) ( 气缸数目) ( ) ( 4) 式中: 转速, r/min。( 4) 电动机功率的测定电机负载为三角形的三相电路, 电动机输入功率为 ( 5) 式中: 电机功率; 相电压; 相电流; 功率因数, 等于0.85。 ( 5) 计算机化的数据采集与信号分析系统本实验的数据采集与处理经过计算机化的”信号采集与分析系统CRAS”实现。示功图绘制、 排气量和指示功率计算经过示功图软件实现。数据采集与信号处理系统包括传感器以及放大器, 数据采集卡, 接口箱, 以及VMCRAS及示功图软件等。b. 实验步骤( 1) 熟悉实验用设备和仪器。( 2) 打开数据采集系统进行数据采集。( 3) 进入数据采集系统。打开计算机电源, 用鼠标点击桌面上的”CRAS 6.1( 快捷方式) ”, 进入计算机化的振动信号采集分析系统CRAS。再点击: ”旋转机械振动监示与分析VMCRAS”。在”VMCRAS”界面下, 先定义作业文件( 即数据采集文件) 名称及类型。点击”作业” 在”搜寻( I) ” 栏确认作业文件的位置( 即文件保存位置) 在”文件名称( N) ” 栏写入所起的文件名( 不写扩展名) ; 在”文件类型( T) ” 栏点入”外部双通道” ( 注: 内部方式指定采样率频率; 外部方式指采样频率随转速同步变化 )。( 4) 设置实验参数, 点击”参数设置”, 逐步完成以下各项设置: 采集方式: 选择”外部”; 键相位必须为128( 键相位表示整转速周期的测点) 。 采集控制: 选择”监示采集”; 转速控制为”升速”; 在 ”总记录时间( 秒) ”拦中填入时间, 一般为30 40秒。 监测值类型: P_P( 双峰值) , 在文本框的下拉列表中选择。 工程单位: 一通道( 气缸压力传感器) : MPa, 在文本框的下拉列表中选择。二通道( 差压传感器 ) : Pa, 在文本框的下拉列表中选择。 电压范围: 10000 mv, 在选项栏中选择。 较正因子: 输入一通道( 气缸压力传感器 ) 较正因子( 由传感器参数确定) : 17000二通道( 差压传感器) 较正因子: 1所有参数确定后, 点击”确认”。( 5) 开启压缩机, 开始数据采集检查传感器, 仪器仪表接线等无误, 确认储气罐出口的压力调节阀完全打开后, 启动压缩机。逐步关小调节阀开度, 压缩机排气压力开始升高, 注意观察, 待压缩机排气压力达到规定值( 0.7MPa表压力) 且稳定后, 点击VMCRAS状态下的”在线监测”。即可观察压缩机排气压力时间曲线, 数据采集完毕后退出”CRAS”。( 6) 作压缩机示功图和计算排气量用鼠标点击电脑显示器桌面上的”示功图”在打开的界面里逐步完成以下各项。导入数据采集的Vm文件点击 菜单”导入数据( I) ” , 在下拉菜单中选择”从Vm作业导入数据”, 在 C 盘中选择文件夹”Cras”打开, 选择扩展名为”DED” 的数据采集文件( 即先前所定义的作业文件) , 点击文件名栏的”打开”按钮, 打开该文件; 点击菜单”参数设置” 设置初相位角, 在初相角拦内填入 210。键相位选项必须选择为 ”128” 的选项。依次填入: 默认值, 可忽略气缸数目 : 3气缸直径( 单位为米) : 0.09曲柄半径( 单位为米) : 0.0375”r/l” ( 曲柄半径与连杆长之比) : 0.217点击确认。电脑显示器界面上可显示压缩机转速、 压缩机指示功率、 二通道压差( 喷嘴前后压差) 的测量结果及示功图。点击菜单”排气量计算”, 可计算排气量 Q 和喷嘴系数 C。在排气量计算界面内, 在”喷嘴压差”选择框内选择”毫米水柱”或”表读数( Pa) ” 选项, 可在对应的数值栏中显示出以毫米水柱或Pa为单位的喷嘴压差的测量数值依次填入: 喷嘴直径( 单位为毫米) : 19.05吸入气体温度 ( 单位为K) : 喷嘴前气体温度( 单位为K) : 大气压力( 单位为MPa) : 填完后, 点击”计算”框, 即可由计算机算出排气量Q( m3/min) , 并示出喷嘴系数C。点击”保存”可保存本次实验的测量结果。c. 实验数据与理论值的比较将有关数据填入本指导书附表, 并对测试的指示功率和排气量与理论计算值进行比较, 分析。( 1) 压缩机理论排气量Qth ( m3/min) ( 6) 式中: 第一级各个气缸活塞面积的总和, m2 行程, m 转速, 转/分容积系数, 相对余隙容积, 0.06; 压力比, 气体多变指数 1.20第一级压力系数; 0.950.98第一级温度系数; 0.900.95第一级泄漏系数; 0.920.96( 2) 理论功率计算 ( Kw) ( 7) 式中: 名义吸气压力, MPa; 进气时的压力损失系数, 0.040.06 ; 实际吸、 排气压力, MPa; , 名义排气压力, MPa; 排气时的压力损失系数, 0.080.12。气体绝热指数, 空气以k =1.4; Vh行程容积, Vh=; 转速, RPM; 其余符号同上。将实测指示功率, 理论计算指示功率及电测功率计算结果列表并比较之。三、 实验报告内容实验报告内容应包括本实验的两部分实验。内容应有以下方面: ( 1) 实验目的( 2) 实验装置( 3) 实验原理( 4) 简明写出实验步骤( 5) 实验记录表( 6) 采用理论公式分别计算压缩机指示功率和排气量与实验值比较, 并分析原因。四、 注意事项( 1) 严格听从老师指导。( 2) 严格按规定操作。( 3) 开机前用手盘动皮带轮。( 4) 气罐出口阀开至最大位置后, 慢慢调小。( 5) 注意安全, 开车时不要过分靠近机器。实验完毕后关闭电源, 打扫现场。离心泵性能测试实验项目性质: 验证性所属课程名称: 过程流体机械计划学时: 2学时一、 实验目的掌握离心泵特性曲线( 曲线, 曲线, 曲线) 的测定方法。二、 实验装置图1 实验装置1. 计量水箱 2. 回流阀 3. 储水箱 4. 放水阀 5. 孔板流量计 6. 万向漏斗三、 实验原理和方法1. 曲线利用阀门1、 2调节流量, 测定H、 Q的数值。Q用计量水箱和秒表测定; H可由下式要求测试和计算。 ( 均化成水柱高( m) ) 式中: 压力表读数( MPa) 真空表读数( MPa) 压力表至真空表接出点之间的高度( m) 、 泵进、 出口流速, 一般进口和出口管径相同, , , 因此逐次改变阀门1、 2的开度, 测得不同的值和其相应的水头值, 在坐标系中得出相应的若干测点, 将这些点光滑的连接起来, 即得水泵的曲线。2. 曲线测定泵在不同流量时的泵输入功率, ( 为电机的输出功率) , 绘制曲线。水泵电机轴功率由下式计算: (Kw)式中: 电流表读数( A) 电压表读数( V) 功率因数, 取0.77电机效率, 取0.65从开始, 逐次改变阀门1、 2的开度, 测得不同的值和其相应的泵轴功率值, 在坐标系中得出相应的若干测点, 将这些点光滑地连接起来, 即为泵的曲线。3. 曲线求出不同流量时泵的有效功率和轴功率即可求出效率值。 四、 实验步骤1. 实验前准备( 1) 记录装置的常数: 值( 2) 接上电源( 3) 为水箱加水2. 进行实验( 1) 开动电机, 使水泵运转, 此时阀门1、 2关闭, 为空载状态, 测读压力表读数, 真空表读数、 电流、 和电压。( 2) 略开阀门1、 2水泵开始给水, 并利用计量水箱和秒表测量并计算在此工况下的流量(m3/s)。( 3) 逐次调节阀门1、 2, 重复上述步骤, 测读相应的、 、 、 、 和。实验数据可记录在如下表格中: 表1 实验数据No.( MPa) ( MPa) ( 转/分) ( m3/s)备注123456( 4) 根据测试数据, 在坐标系中点出实验点, 最后光滑的绘制出、 和曲线( 能够在一张图上绘出) 。内压薄壁容器应力测定实验项目性质: 设计性所属课程名称: 过程设备设计基础计划学时: 2学时一、 实验目的与任务1. 测定内压薄壁圆筒外表面不同点的两向应力大小。2. 测定内压薄壁封头外表面不同点的两向应力大小。3. 学习和了解测量元件、 仪器等的正确使用及测试技术。4. 学习和掌握测试数据处理的理论和方法。二、 实验内容与要求1. 根据引线的编组和颜色, 仔细识别引线与应变片的对应关系。2. 打开应变仪和载荷显示仪。经过加载压力源施加一定的载荷, 逐点检测圆筒外壁、 封头外壁各个测点应变花及应变片的应变值。3. 实验数据处理和实验结果与理论值的比较结果( 以绘图或表格形式) 等都应在实验报告中反映。4. 实验报告应包括: 试验原理、 主要实验设备简图包括试验测点的布置、 实验原始数据列表及绘图( 包括相应理论值) 、 实验与理论数据差异的分析等。三、 实验条件1. 测试用仪器条件电阻应变仪: 型号: YJ33型静态电阻应变仪、 YJD27精动态电阻应变仪组成: ( 图1所示) 。(1) 构件变形的感受和转换部分电阻应变片; (2) 被转换量的传递和放大部分电路系统; (3) 读数及记录部分LCD显示器及打印机。 图1 电阻应变仪原理图图2 电桥接线示意图2. 试验用设备装置条件实验装置: 三个承载内压的薄壁圆筒形容器A、 B( 图3) 、 C容器A: 两端分别为-带折边锥形封头、 圆平板封头; 容器B: 两端分别为-椭圆封头、 球形封头。容器C: 两端分别为-椭圆封头、 平板封头、 中间为筒体容器A、 B尺寸、 材料: 筒体内径: 400mm, 壁厚4mm。 椭圆长短轴之比: 2, 壁厚4mm。容器及封头材料: 0Cr18Ni9容器C尺寸、 材料: 简体内径: 400mm, 壁厚6mm。 椭圆长短轴之比: 2, 壁厚6mm。圆平板直径: 412mm, 壁厚6mm。容器及封头材料: 0Cr18Ni9图3 试验用容器装置1. 容器B 2.压力传感器 3. 容器A 4. 压力传感器 5. 压力表 6. 阀 7. 手动试压泵四、 实验方案设计建议本实验对承受内压载荷的薄壁圆筒及封头应力区域两向应力进行测定。经过测定内应力, 获得圆筒及封头的应力分布特征, 从而验证其应力分布规律。1了解容器材料、 壁厚尺寸、 设计压力等、 初步确定容器加载压力(建议多个压力等级测量); 2初步选定测点位置, 测点位置应能够反映筒体、 封头上两向应力的分布规律; 3初算加载压力下测点可能出现最大、 最小应变, 选定适合的电阻应变片规格, 与测点应变相匹配; 4了解电阻应变仪基本原理、 量程范围, 满足应变测量要求; 5实验数据记录表格的设计。五、 实验操作建议1应变仪测量步骤1) 打开容器的排气阀, 通人冷水, 装满后关闭排气阀; 2) 检查各接线是否正确、 牢固; 3) 打开应变仪电源; 4) 检查应变仪是否工作正常; 5) 按所贴应变片设定应变片灵敏系数K; 6) 选择调零, 检验各点初值是否为零; 7) 用试压泵向容器加压, 分别加压至0.2, 0.4, 0.6MPa, 并测量相应压力下各点之应变值, 并记录。 2. 联机测量步骤1) 启动实验程序, 选择实验; 2) 点击”联机测量”, 进入测量程序; a. 点击”平衡”按钮, 应变仪进行平衡; b. 点击”测量”按钮, 读入应变初读数, ( 若读数不为零, 重复a.b. 步骤) ; c. 点击”记录”按钮, 将数据写入数据库文件; d. 改变实验压力, 记录实验数据; 将数据写入数据库文件。3) 点击”设置”按钮, 可对应变仪进行参数设置( 应变仪脱机测量的设置, 请参照BZ2205C静态电组应变仪使用说明书) ; 4) 测量完成后, 点击”数据处理”进入数据处理窗口; a. 点击”读取数据”按钮, 弹出”选择数据文件”对话框b. 选择数据文件: 处理数据库文件( 现场实验) 数据 -1; 处理文本文件 ( 旧的实验) 数据 -2; c. 点击”计算”按钮, 计算应变修正值和应力值; d. 点击”画图”按钮, 进入”绘制应力曲线”窗口; e. 点击”打印”按钮, 打印页面内容图象; f. 点击”导出数据”按钮, 将测量的应变值入文本文件, 能够用记事本打开、 编辑和打印所存的文件; g. 点击”返回”按钮, 退出数据处理窗口。六、 实验报告要求 1简述实验目的、 原理及装置; 选择实验装置及内容, 设计实验方案; 2整理实验数据并计算在某一压力下筒体、 封头测点的应力值, 并绘制其应力分布曲线; 3利用所学理论分析封头的应力分布状况; 4实验体会及存在问题讨论。外压圆筒失稳实验实验项目性质: 验证性所属课程名称: 过程设备设计基础计划学时: 2学时一、 试验目的1. 观察薄壁圆筒形容器在外压作用下丧失稳定性后的形态。2. 测定圆筒形容器失去稳定性时的临界压力并与理论值相比较。二、 试验原理圆筒形容器在外压作用下, 常因刚度不足使容器失去原有形状, 即被压扁或折曲成波形, 这就是容器的失稳现象, 容器失去稳定性时的外压力, 成为容器的临界压力, 用表示。圆筒形容器失去稳定性后, 其横截面被折成波形, 波数可能是1, 2, 3, 4, 等任意整数, 如图1所示。图1 圆筒形容器失去稳定后的形状容器承受临界值的外压力而失去稳定性, 决非是由于容器壳体本身不圆的缘故, 即是绝对圆的壳体也会失去稳定性。当然如壳体不圆( 具有椭圆度) 容器更容易失稳, 即它的临界压力值会下降。根据外压容器筒体的长短, 可分为长圆筒, 短圆筒和刚性圆筒三种, 刚性圆筒一般具有足够的刚度, 可不必考虑稳定性问题。但长圆筒, 短圆筒必须进行稳定性计算, 它们的临界压力值大小主要与厚壁(), 外直径(), 长度( ) 有关。亦受材料弹性模数(), 泊桑比()影响。所谓长圆筒, 短圆筒之分, 并不是指它们的绝对长度, 而是与直径壁厚有关的相对长度。一般长圆筒、 短圆筒之间的划分用临界长度表示。如容器长度为长圆筒, 反之为短圆筒。临界长度由下式确定: 长圆筒: 长圆筒失稳时的波数=2, 临界压力仅与有关, 而与无关。值可由下式计算: 短圆壁: 短圆筒失去稳定性时, 波数2, 如为3, 4, 5, 其波数可近似为: 临界压力可由下式计算: 对于外压容器临界压力的计算, 有时为计算简便起见, 可借助于一些现成的计算图来进行。67891三、 实验装置 图2 外压圆筒失稳装置实验1. 横梁 2. 压紧螺母 3. 密封螺母 4. 压紧法兰 5. 垫片6. 外压圆筒 7. 心轴 8. 圆筒底垫块 9. 透明容器 10. 台1045102344四、 实验步骤及注意事项1. 测量试件的有关参数: 壁厚(), 直径(), 长度( ) 。用千分卡测壁厚, 用游标卡尺测内直径( 便于精确测量) 和长度, 外直径由内直径加壁厚得到。各参数分别测量两到三次, 计算时取平均值。2. 按图二所示安装实验设备, 先用手摇泵将透明容器内的水升至容器的约三份之二处; 将外压圆筒试件6置于平板顶盖上, 试件与平顶盖间用垫片5密封( 试件折边上下各放一垫片) ; 用压紧法兰4经过四个密封螺母2将试件压紧到平板顶盖上。3. 将圆筒底垫块8 (一大一小) 置于外压圆筒底部, 把用心轴7置于圆筒底垫块的中心孔中, 再将横梁1压在心轴7上, 经过两个压紧螺母2上紧 (用手旋紧既可); 以此抵消试件承受的轴向载荷。4. 用手摇泵缓慢升压至试件破坏为止( 试件破坏时有轻微的响声) , 记下容器的失稳压力( 即有轻微响声时的瞬间压力, 此压力为临界压力) 。失稳后不可再升压。5. 打开手摇泵的开关卸压, 待压力为零后取出试件, 观察失稳后试件的形状并记下波纹数。6. 关上手摇泵的开关, 清理好实验备件和工具。五、 实验报告1. 列出测量所得的试件几何尺寸数据。2. 验算波纹数。3. 计算容器的临界压力并与实测值进行比较。4. 讨论、 分析试验结果, 分析误差原因。高压容器爆破实验实验项目性质: 验证性所属课程名称: 过程设备设计基础计划学时: 2学时一、 试验目的1.测定圆筒塑性变形开始和结束时的屈服压力值; 2.测定圆筒破坏时的爆破压力, 并经过计算验证理论公式; 3.了解过程装备控制专业数据自动采集测量系统基本单元的原理。二、 试验原理1. 屈服压力值的理论计算( 1) 屈服压力 ( 2) 全始屈服压力( 材料为理想弹塑性) 2. 爆破压力值的理论计算承受内压的高压筒体, 其爆破压力计算方法有如下几种: ( 1) 公式 ( 2) 中径公式( 3) 最大主应力理论( 4) 最大线应变理论( 5) 最大剪应力理论( 6) 最大变形能理论 图1 压力与容积变化guanxi gun关系以上式中符号意义详见现教材”过程设备设计”教材和王志文主编的”化工容器设计”以及余国宗主编的”化工容器及设备”。3爆破试验原理过程塑性材料制造的压力容器的爆破过程如图一所示, 在弹性变形阶段( 线段) , 器壁应力较小, 产生弹性变形, 内压与容积变化量成正比, 随着压力的增大, 应力和变形不断增加; 到点时容器内表面开始屈服, 与点对应的压力为初始屈服压力; 在弹塑性变形阶段( 线段) , 随着内压的继续提高, 材料从内壁向外壁屈服, 此时, 一方面因塑性变形而使材料强化导致承压能力提高, 另一方面因厚度不断减小而使承压能力下降, 但材料强化作用大于厚度减小作用, 到点时两种作用已接近, 点对应的压力是容器所能承受的最大压力, 称为塑性垮塌压力; 在爆破阶段( 线段) , 容积突然急剧增大, 使容器继续膨胀所需要的压力也相应减小, 压力降落到点, 容器爆炸, 点所对应的压力为爆破压力。三、 实验装置与工作原理1. 实验装置本仪器中的液体介质油的吸入、 压缩与排出是经过活塞腔容积的周期性变化而实现的。电机接入电源后进入正常运转, 经过减速器带动偏心轮传至十字头滑块, 活塞柱经过滑快与导向杆相连( 导向杆在导向套内) 做往复运动, 当缸内处于低压状态时吸入介质油, 活塞杆压缩时, 泵内高压流体经过止回阀向爆破试件中输送, 使爆破试件中内压不断升高。2. 工作原理本系统的压力增升原理图2所示, 活塞杆9在缸内作往复运动, 介质油经过进口单向阀5吸入缸内, 活塞柱向缸内推进时, 进口单向阀5关闭, 介质油经过出口单向阀6流进爆破试件中。压力表4下面装有单向阀7, 目的是为了在试件瞬间爆破时保护压力表( 试件爆破后压力表数值仍旧保持) 压力信号由压力传感器12经过接口13传送至计算机。图2 工作原理流程图1. 油槽 2. 导油杯 3. 爆破试件 4. 压力表 5. 进口阀 6. 出口阀 7. 压力表保护阀8. 油缸 9. 活塞 10. 试件卸压阀 11. 表卸压阀 12. 压力传感器 13. 传感器微机接头四、 试验操作步骤及注意事项1. 了解试验装置的结构( 包括高压爆破教学试验台操作方法、 压力传感器、 数据采集卡、 转换器等计算机硬件接口以及测试软件的位置和功能) 。2. 测量尺寸: 在爆破试件的上、 中、 下不同圆周方向上, 测量外径三次; 内径为已知值( 试件材料为20号无缝钢管加工而成, 根据不同的理论公式计算可得到不同的理论爆破值。) 3. 操作步骤: ( 1) 关闭卸荷阀10与11( 即面板上左右支阀) , 观察仪器面板上的油标, 看油缸中是否有足够的介质油, 若油缸中油不足, 可从导油杯2中直接加油( 一般机油即可) 。( 2) 启动电机前, 须对试验机的十字头滑块、 活塞杆等运动磨损件加油润滑; 开机后待爆破试件接口3处有油溢出, 再关闭电机。( 3) 将测量好欲爆破的厚壁圆筒试件预先灌满油( 必须排除里面的空气) , 在出口上贴上一层薄纸( 防倒转后漏油) , 倒转后快速旋到爆破试件接口上, 用管子钳上紧, 罩好保护罩。( 4) 打开计算机, 点击桌面” ”进入随机信号与振动分析系统; 再点击”数据采集及处理”, 进入”界面。( 5) 点击”作业”在文件名编辑栏输入要创立的新文件名, 见图3, 然后点击”打开”图3 创立的新文件名的界面( 6) 点击”参数设置”, 弹出”参数设置”对话框, 选项”采样频率”选择1280; ”工程单位”选择MPa; 再选择”校正因子”, 见图4。图4 设置各参数的界面( 7) 确定上述选项后进入”趋势图”菜单, 在它下面有”时间设置”、 ”趋势采集”、 ”趋势显示”和”设置截距”四个子菜单。在”设置时间”对话框有”请输入总时间”, 单位是秒, 输入估计此次实验所用总时间; ”间隔记录时间( 200ms) , 单位是毫秒, 选200的倍数, 一般输入”200”; 在”设置截距”中的每个通道对应的零工程单位对应的毫伏数为”1000”, 对应通道数为”1”, 如图五。图5 趋势图菜单设置各参数的界面( 8) 确认完上述参数后, 点击”趋势采集”子菜单, 此时打开实验机的泵电源, 微机将跟踪爆破试件整个实验过程的压力变化直至爆破。( 9) 试件爆破后关闭电源, 将计算机中本次实验创立的新文件名存盘, 打印出整个实验过程曲线和有关记录; 将爆破后的厚壁圆筒试件拆下。五、 实验报告1. 讨论分析试件破坏的情况2. 将实测的爆破压力和各种理论公式的计算结果进行比较, 并进行分析讨论。超声波探伤实验实验项目性质: 设计性所属课程名称: 设备制造工