Основы расчета и конструирования машин и аппаратов перерабатывающих производств

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  
АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

ИНЖЕНЕРНЫЙ ИНСТИТУТ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
М.Н. Мефодьев, А.А. Мезенов 
 
 
ОСНОВЫ РАСЧЕТА И КОНСТРУИРОВАНИЯ  
МАШИН И АППАРАТОВ  
ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРОИЗВОДСТВ 

 
 
 
Курс лекций 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Новосибирск 2011 

УДК 664 
ББК 36.81 
 
Кафедра механизации животноводства и переработки  
сельскохозяйственной продукции 
 
 
 
 
Рецензент: д-р техн. наук, ст. научн. сотр. Н.А. Петухов  
(ГНУ СибИМЭ СО Россельхозакадемии) 
 
 
 
 
Мефодьев М.Н. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов перерабатывающих производств: курс лекций / М.Н. Мефодьев, 
А.А. Мезенов; Новосиб. гос. аграр. ун-т. Инженер. ин-т. – Новосибирск, 
2011. – 109 с. 
 
 
 
Курс лекций содержит 10 лекций, в которых изложены обшие 
принципы расчета и конструирования нового и модернизации существующего оборудования пищевых производств. 
Предназначен для студентов специальности 110303 – Механизация переработки сельскохозяйственной продукции и специальности 
110803 – Агроинженерия профиль «Технологическое оборудование для 
хранения и переработки сельскохозяйственной продукции». 
Утвержден и рекомендован к изданию методическим советом Инженерного института НГАУ (протокол №12 от 30 ноября 2010 г.). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Новосибирский государственный аграрный университет, 2011 
 Мефодьев М.Н., Мезенов А.А., 2011 

 
2 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Реализация прогрессивных технологий переработки сельскохозяйственного сырья требует постоянного совершенствования оборудования поточно-технологических линий. Основными путями совершенствования машин и аппаратов перерабатывающих производств являются модернизация используемого оборудования на основе новых патентов, а также изобретение оригинальных конструкций. Основы методологии в области конструирования закладываются в период изучения общеинженерных дисциплин. 
Студентам инженерных специальностей необходимо знать методы прогнозирования конструкций, общие законы развития техники, которые заключаются в том, что технические системы возникают, переживают периоды становления, расцвета, упадка, сменяются другими 
устройствами и системами с более благоприятными характеристиками. 
Важнейшими условиями создания прогрессивного оборудования, 
позволяющего эффективно решать проблему комплексной переработки 
сельскохозяйственного сырья и производства продуктов питания, являются: 
– всемерное снижение стоимости новых конструкций машин на 
единицу производительности (мощности); 
– повышение в оптимальных пределах единичной мощности машин при одновременном уменьшении их габаритов; 
– снижение энергопотребления, удельной металлоемкости; 
– обеспечение экономичности в эксплуатации, надежности и 
безопасности конструкций машин. 
Задачи дисциплины «Основы расчета и конструирования машин и 
аппаратов перерабатывающих производств» заключаются в формировании системы знаний и умений, необходимых для профессиональной 
деятельности, навыков проектирования на стадиях разработки технического предложения, эскизного проектирования машин, технически 
грамотного оформления графической части и текстовых документов в 
соответствии с требованиями Единой системы конструкторской документации. 

 
3

Лекция 1 
ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ  
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ 

1. Структура машин и назначение их элементов 

Основой изучения и конструирования машин является знание их 
структуры и функционального назначения элементов, из которых они состоят. 
Машиной называется сочетание нескольких механизмов, выполняющих определенные целенаправленные движения для преобразования энергии, материалов или информации. 
В зависимости от назначения различают три вида машин: энергетические, рабочие, информационные. 
В свою очередь, рабочие машины подразделяются на технологические и транспортные. 
В технологических машинах под материалом подразумевается обрабатываемый предмет (объект труда), который может находиться в 
твердом, жидком или газообразном состоянии. Преобразование материалов в этих машинах заключается в изменении их свойств, состояния 
или формы. К технологическим машинам в перерабатывающей промышленности относятся, например, обоечные машины, вальцовые 
станки, волчки, куттеры, сепараторы, маслообразователи и т. д. 
В транспортных машинах под материалом понимается перемещаемый предмет, а его преобразование состоит только в изменении 
положения. 
В общем случае технологическая машина состоит из следующих 
механизмов: двигательного (двигателя), передаточного и исполнительного. Кроме перечисленного, большинство технологических машин 
перерабатывающих производств дополнительно оснащаются питающим механизмом и выпускным устройством, а также механизмами для 
управления, регулирования, защиты и блокировки машины. 
Двигатель служит для преобразования любого вида энергии в механическую. Современные машины перерабатывающих производств 
приводятся в движение, главным образом, отдельным электродвигателем, и поэтому в данном случае имеет место преобразование электрической энергии в механическую. 
Процесс развития двигательного механизма происходил по следующим этапам: 
а) развитый трансмиссионный привод всех машин от одного центрального двигателя; 
б) групповой электропривод однородных машин с развитой передаточной трансмиссией; 

 
4 

в) индивидуальный электропривод машины с передаточным механизмом ко всем исполнительным механизмам; 
г) индивидуальный встроенный электропривод для каждого исполнительного механизма машины. 
Последний этап является наиболее совершенным с точки зрения 
возможности автоматического управления работой машины и обеспечения для каждого исполнительного механизма индивидуального режима работы, присущего его динамике. 
Динамика двигательного и передаточного механизмов определяется усилиями, необходимыми для воздействия рабочих органов на обрабатываемый объект. Эти усилия обусловливают размеры узлов и деталей механизмов в зависимости от прочности, жесткости и износоустойчивости. 
Передаточный механизм служит для передачи энергии (движения) 
от двигателя к исполнительному механизму. Кинематическая система 
передаточного и исполнительного механизмов определяет законы движения рабочих органов, скорости и ускорения отдельных звеньев системы. 
Передаточные механизмы можно разделить на три вида: не изменяющие, изменяющие и регулирующие скорость движения (частоту 
вращения) исполнительного механизма. К первому виду относятся всевозможные муфты. Для изменения скорости движения используются 
ременные, цепные, зубчатые, червячные, фрикционные передачи и редукторы, а для регулирования – вариаторы. 
Исполнительный механизм предназначен для приведения в действие рабочих органов машины. Он включает ведомое звено, с которым 
соединяются рабочие органы, и ведущее, которое связано с приводным 
механизмом. В качестве исполнительного механизма чаще всего используется вал. 
Рабочие органы исполнительных механизмов непосредственно 
воздействуют на обрабатываемый продукт или материал согласно заданному технологическому процессу. Во многих случаях процесс в 
машине осуществляется несколькими рабочими органами, каждый из 
которых выполняет определенную операцию. Такие машины называются 
сложными в отличие от простых машин с одним рабочим органом. 
Рабочие органы делятся на обрабатывающие и удерживающие (захваты, зажимы и др.). Удерживающие рабочие органы могут фиксировать обрабатываемое изделие в неподвижном состоянии при относительном перемещении обрабатывающего рабочего органа. В других 
случаях обрабатывающий орган неподвижен, а перемещается обрабатываемый объект вместе с удерживающим органом. 
В общем случае рабочими органами могут быть не только механические устройства, но и воздушные и водяные потоки, поля (магнит
 
5

ные, электрические, температурные и т. д.), а также реакционные пространства (камеры), в которых создаются необходимые условия для 
воздействия на обрабатываемое сырье. 
Исполнительные механизмы характеризуются условиями работы 
рабочих органов. Так, в механизмах непрерывной работы их рабочие 
органы находятся в непосредственном контакте с обрабатываемым 
объектом в течение всего цикла движения механизма, а в периодически 
работающих механизмах рабочие органы находятся в контакте с обрабатываемым объектом лишь в течение части цикла движения механизма (рабочее перемещение); остальное время рабочие органы находятся 
в нерабочем положении (холостое перемещение). 
При рабочем перемещении требуется соблюдать определенные закономерности движения, обусловленные технологическими требованиями. При конструировании рабочих органов исполнительных механизмов 
необходимо учитывать различные режимы их работы при рабочем и холостом ходах. 
Питающий механизм предназначен для непрерывной или периодической подачи сырья или исходного продукта в машину. Механизм 
может обеспечивать количественное дозирование (весовое или объемное) подаваемого сырья в зависимости от изменения его физикомеханических свойств, а также требуемых свойств готового продукта и 
требований технологического процесса. 
Выпускное устройство предназначено для вывода продукта, полученного в результате технологического процесса машины. 
Помимо главных механизмов современные машины снабжают рядом дополнительных устройств: 
а) установочными и регулирующими механизмами (для настройки 
работы машины); 
б) механизмами управления (для пуска, остановки, контроля); 
в) механизмами защиты и блокировки, предотвращающими неправильные или несвоевременные включения или отключения отдельных механизмов. Они также предназначены для предохранения механизмов машины при аварии. 
Движущиеся элементы машин соединяются с неподвижными с 
помощью опор и подвесок. 
Для крепления и соединения отдельных элементов и механизмов 
машин служат корпус, станина или рама. 

Структурный анализ каждой машины позволяет построить ее тех
нологическую и кинематическую схемы, определить динамические условия работы всех механизмов, узлов и деталей, что необходимо при 
расчете и конструировании машин. 

 
6 

2. Классификация машин и аппаратов  
перерабатывающих производств 

При современном многообразии перерабатывающих производств 
применяемое в них технологическое оборудование также весьма разнообразно. 
Это оборудование можно классифицировать по ряду следующих 
обобщающих признаков: 
а) характеру воздействия на обрабатываемый продукт; 
б) структуре рабочего цикла; 
в) степени механизации и автоматизации; 
г) функциональному признаку. 
Помимо этих признаков каждому виду оборудования присущи свойства и особенности частного порядка. Они рассматриваются в соответствующих главах, посвященных расчету и конструированию различных машин и аппаратов. 
В зависимости от характера воздействия на обрабатываемый продукт технологические машины делятся на аппараты и машины. 
В аппаратах осуществляются тепло-, массообменные, физикохимические, биохимические и другие процессы, в результате которых 
происходит изменение физических и химических свойств обрабатываемого продукта или изменение его агрегатного состояния. Характерным 
признаком аппарата является наличие реакционного пространства или 
камеры. Для интенсификации процессов аппараты могут быть снабжены дополнительными механизмами. Кроме того, для работы аппаратов 
обычно обязательно наличие различных рабочих жидкостей [холодной 
и (или) горячей воды], газа, пара, дыма и т. п., которые называются теплоносителями или хладагентами. Взаимодействие последних с обрабатываемым продуктом в аппарате может происходить напрямую или 
через разделяющую поверхность (стенку). 
В машинах осуществляется механическое воздействие на продукт, 
в результате чего изменяются его форма, размеры и другие физикомеханические показатели. Конструктивной особенностью машин является наличие движущихся исполнительных (рабочих) органов. Форма, 
размеры, материал и характер перемещения этих органов зависят от их 
назначения. 
В некоторых случаях технологическое оборудование является комбинацией машины и аппарата, поскольку в нем одновременно осуществляется механическое, физико-химическое и тепловое воздействие. 
По виду цикла работы машины и аппараты могут быть периодического, полунепрерывного и непрерывного действия. 
В процессе работы технологическое оборудование выполняет не 
только основные (измельчение, перемешивание, варка и т. п.), но и 

 
7

вспомогательные (загрузка, перемещение, контроль, выгрузка и т. п.) 
операции. В зависимости от соотношения этих операций, а также участия человека в их выполнении различают оборудование неавтоматического, полуавтоматического и автоматического действия и кибернетические машины (роботы). 
В автоматах все основные и вспомогательные операции выполняются оборудованием без участия человека. Если автомат способен 
производить логические операции, вырабатывать и осуществлять в соответствии со своим целевым назначением программу действия с учетом переменных условий протекания технологического процесса, то он 
называется самонастраивающимся или кибернетическим. В полуавтоматическом оборудовании вспомогательные операции не механизированы. В неавтоматическом (простом) оборудовании вспомогательные, а 
также часть основных операций выполняются вручную.  
В зависимости от сочетания технологического оборудования в 
производственном потоке различают отдельные единицы (выполняют 
одну операцию), агрегаты (последовательно различные операции), 
комбинированное оборудование (законченный цикл операций) и поточные автоматические линии (выполняют все технологические операции 
в непрерывном потоке). 
Наконец, по функциональному признаку все оборудование перерабатывающей промышленности можно разделить на группы, в которые 
входят машины и аппараты, отличающиеся воздействием на продукт и 
конструктивным оформлением. 

Детальная классификация оборудования по функциональному на
значению подробно изучается в курсах «Технологическое оборудование для переработки продукции животноводства» и «Технологическое 
оборудование для переработки продукции растениеводства». 
 
3. Этапы конструирования машин 

При проектировании машин выделяют следующие, наиболее ха
рактерные, типовые действия инженеров: 

– использование известного технического объекта с известными 

характеристиками; 

– выбор технического объекта с характеристиками, обеспечиваю
щими осуществление заданного процесса; 

– создание нового технического объекта или его частей – конст
рукции нового технического средства.  

Действия с замыслами можно ограничить проектированием, когда 

его цель состоит в использовании технического средства известной 
конструкции. При отсутствии желаемой конструкции проектирование 
должно быть дополнено конструированием нового технического средства. 

 
8 

Под конструированием понимается разработка конструкторской 

документации, объем и качество которой позволяют изготовить новое 
техническое средство или систему с соблюдением всех требований машиностроительной технологии. Конструкторская документация является результатом творчества инженера-конструктора, средством, с помощью которого он выражает свои мысли и доводит их до изготовителей оборудования.  

Разработка, создание и постановка на производство новой модели 

машины независимо от ее функционального назначения и конструктивных особенностей осуществляются согласно ГОСТ 15.001-88 по 
единой общепринятой схеме, состоящей из следующих основных стадий: 

– разработка технического задания;  
– разработка технической и нормативно-технической документации;   
– изготовление и испытания опытных образцов;  
– приемка результатов разработки;  
– подготовка и освоение производства.  
Техническое задание является основным исходным документом для 
разработки нового изделия. Оно содержит основные техникоэкономические требования к изделию, определяющие его потребительские и эксплуатационные характеристики, а также сроки выполнения 
необходимых стадий разработки конструкторской документации и ее 
состав.  
Техническое задание разрабатывается как организацией, которой 
необходимо данное изделие, так и организацией, занимающейся конструированием и, возможно, изготовлением данного изделия. В последнем случае техническое задание согласовывается с организацией, которая заказывает это изделие, и утверждается в установленном порядке. 
В техническом задании обязательно должны быть указаны следующие данные:  
– назначение изделия и его место в технологическом процессе выработки продукции; 
– технико-экономическое обоснование введения данного изделия в 
производство (увеличение выхода продукции; улучшение ее качества; 
освоение нового технологического процесса; облегчение труда обслуживающего персонала; повышение КПД машины; уменьшение расхода 
электроэнергии, массы, дефицитных материалов, габаритов, трудоемкости изготовления и т. д.); 
При создании технологического оборудования следует придерживаться следующих правил: 

– подчинять конструирование задаче увеличения экономического 

эффекта, определяемого полезной отдачей машины, ее долговечностью 
и эксплуатационными расходами за весь период использования машины; 

 
9

– добиваться максимального повышения полезной отдачи за счет 

увеличения производительности машин и объема выполняемых ими 
операций; 

– добиваться всемерного снижения расходов на эксплуатацию ма
шин уменьшением энергопотребления, стоимости обслуживания и ремонта; 

– максимально увеличивать степень автоматизации машин с целью 

увеличения производительности, повышения качества продукции и сокращения расходов на труд; 

Основные требования, предъявляемые к конструированию  

машин и аппаратов пищевых производств 

Технологичность конструкции – это совокупность свойств изде
лия, проявляемых в возможности оптимальных затрат труда, средств, 
материалов и времени при технической подготовке производства, изготовлении, эксплуатации и ремонте. 

Технологичная конструкция – удобная, стремящаяся к идеальной. 

Технологичность конструкции оценивается уровнем технологичности 
конструкции: 

КУ = К/К6 ≥ 1, 

где К – показатель технологичности разрабатываемой конструкции, характеризующий один или несколько ее признаков на стадии разработки 
конструкторской документации; Кб – базовый показатель, принятый за 
исходный при сравнительной оценке технологичности конструкции изделия. 

Основные показатели технологичности конструкции: 
– трудоемкость изготовления изделий; 
– технологическая себестоимость изделия. Дополнительные пока
затели технологичности подразделяются на две группы: 

1) технико-экономические – характеризуют затраты труда или 

стоимостных средств на изготовление, эксплуатацию или ремонт изделия; 

2) технические – определяют расход и рациональное использова
ние материалов, точность и качество изготовления, унификацию конструкций и технологических процессов. 

Для анализа и оценки технологичность классифицируют по видам 

и другим признакам (стадиям разработки и производства изделий, видам изделий при разработке конструкторской и технологической документации, видам процессов изготовления, конструктивным характеристикам изделия). 

Например, в соответствии с первым признаком рассматривают: 
1) производственную; 
2) эксплуатационную технологичность конструкции: 

 
10