Расчет и конструирование элементов оборудования

Является частью программы подготовки бакалавров по дисциплине «Расчёт и конструирование элементов оборудования». Основной материал, изложенный в учебном пособии, даёт 
студентам полное представление о методах 
проектирования, расчётах на прочность конструктивных элементов технологического оборудования.

РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ 
ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ

Учебное пособие

ИНСТИТУТ НЕФТИ И ГАЗА

Расчет и конструирование элементов оборудования 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ  
ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ 

 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск  
СФУ 
2019 

 

УДК 622.002.5.001.63(07) 
ББК 33-5-02я73 
Р248 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
Ю. Л. Крутский, кандидат технических наук, доцент кафедры химии и химической технологии НГТУ; 
Р. С. Привалихин, директор ООО «СКБ «Механика» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Р248 
 
Расчет и конструирование элементов оборудования : учеб. 
пособие / Е. А. Соловьев, Э. А. Петровский, О. А. Коленчуков, 
А. К. Данилов. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2019. – 186 с.  
ISBN 978-5-7638-3933-3 
 
Является частью программы подготовки бакалавров по дисциплине 
«Расчёт и конструирование элементов оборудования». Основной материал, 
изложенный в учебном пособии, даёт студентам полное представление о методах проектирования, расчётах на прочность конструктивных элементов 
технологического оборудования.  
Предназначено для студентов, обучающихся по программе подготовки 
бакалавров по направлению 15.03.02 «Технологические машины и оборудование». 
 
Электронный вариант издания см.: 
УДК 622.002.5.001.63(07) 
http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК 33-5-02я73 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-3933-3 
© Сибирский федеральный 
университет, 2019 

Оглавление 

3 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 
 
Введение ........................................................................................................  
7 
 
1. Основы проектирования .......................................................................  
9 
1.1. Проектирующие организации, цели и задачи курса ...........................  
9 
1.2. Цели и состав проектирования .............................................................  
9 
1.2.1. Цели проектирования ..................................................................  
9 
1.2.2. Состав проектирования ...............................................................  10 
1.3. Требования к проектируемому объекту ...............................................  10 
1.3.1. Технологические требования ......................................................  10 
1.3.2. Требования к работоспособности ..............................................  10 
1.3.3. Обеспечение технического уровня  и эффективности .............  11 
1.3.4. Экономические требования ........................................................  12 
1.3.5. Нормативно-техническая документация ...................................  12 
1.4. Этапы разработки изделий, состав технической документации .......  12 
1.4.1. Техническое задание (ТЗ) ...........................................................  13 
1.4.2. Техническое предложение (ТП) .................................................  13 
1.4.3. Эскизный проект (Э) ....................................................................  14 
1.4.4. Технический проект (Т) ..............................................................  14 
1.4.5. Рабочая конструкторская документация (РКД) ........................  15 
 
2. Общие принципы расчёта .....................................................................  18 
2.1. Моделирование объекта расчёта ..........................................................  18 
2.1.1. Реальный объект и расчётная схема ..........................................  18 
2.1.2. Нагрузки, силовые факторы .......................................................  19 
2.1.3. Внутренние силовые факторы ....................................................  20 
2.2. Основы напряжённого состояния .........................................................  21 
2.2.1. Напряжения и деформации .........................................................  21 
2.2.2. Закон Гука .....................................................................................  22 
2.2.3. Главные напряжения ...................................................................  23 
2.2.4. Обобщённый закон Гука .............................................................  24 
2.2.5. Эквивалентные напряжения .......................................................  25 
2.2.6. Гипотезы прочности ....................................................................  25 
2.3. Прочностные характеристики материалов ..........................................  27 
2.3.1. Основные прочностные характеристики материалов  
при статическом нагружении .....................................................  27 
2.3.2. Ползучесть материалов ...............................................................  30 
2.3.3. Прочность оборудования в условиях переменных нагрузок ....  31 
2.3.4. Факторы, влияющие на предел выносливости .........................  35 
2.3.5. Коэффициент запаса прочности. Допускаемые напряжения ....  40 

Оглавление 

4 

3. Конструкционные материалы ..............................................................  42 
3.1. Требования, предъявляемые к конструкционным материалам .........  42 
3.2. Характеристики материалов, влияющие на конструкцию  
машин и аппаратов .................................................................................  42 
3.2.1. Прочностные характеристики ....................................................  43 
3.2.2. Стойкостные характеристики .....................................................  44 
3.2.3. Характеристики, влияющие на технологичность  
изготовления ................................................................................  44 
3.2.4. Характеристики, определяющие область применения ............  45 
3.3. Чугуны и стали .......................................................................................  46 
3.3.1. Железо ...........................................................................................  46 
3.3.2. Стали .............................................................................................  46 
3.3.3. Легированные стали ....................................................................  47 
3.3.4. Чугуны ...........................................................................................  48 
3.4. Цветные металлы и сплавы ...................................................................  50 
3.4.1. Алюминий и его сплавы ..............................................................  50 
3.4.2. Магний и его сплавы ...................................................................  51 
3.4.3. Титан и его сплавы ......................................................................  52 
3.4.4. Медь и её сплавы .........................................................................  52 
3.4.5. Другие металлы и сплавы ...........................................................  53 
3.5. Неметаллические материалы ................................................................  54 
3.5.1. Пластмассы ...................................................................................  54 
3.5.2. Резина ............................................................................................  56 
3.5.3. Силикатные материалы ...............................................................  56 
3.6. Композиты ..............................................................................................  58 
3.6.1. Волокнистые композиционные материалы ...............................  58 
3.6.2. Дисперсные композиционные материалы .................................  60 
3.6.3. Слоистые пластики ......................................................................  60 
3.7. Термообработка и упрочнение материалов .........................................  61 
3.7.1. Термическая обработка ...............................................................  61 
3.7.2. Поверхностное упрочнение ........................................................  62 
 
4. Расчёт корпусов на прочность ..............................................................  63 
4.1. Общие положения ..................................................................................  63 
4.2. Прочность тонкостенных сосудов ........................................................  63 
4.2.1. Оболочки. Уравнение Лапласа ...................................................  63 
4.2.2. Расчёт обечаек при давлении изнутри .......................................  67 
4.2.3. Расчёт обечаек при давлении снаружи ......................................  70 
4.2.4. Цилиндрическая обечайка, нагруженная внешними силами ...  79 
 
5. Расчёт днищ и крышек ..........................................................................  83 
 

Оглавление 

5 

6. Аппараты высокого давления ..............................................................  92 
6.1. Толстостенные сосуды ...........................................................................  92 
6.2. Напряжения в толстостенных сосудах .................................................  93 
6.3. Определение толщины стенки ..............................................................  96 
6.4. Днища толстостенных сосудов .............................................................  98 
6.5. Термические напряжения в толстостенных сосудах ..........................  100 
6.6. Способы повышения несущей способности  
толстостенных цилиндров .....................................................................  103 
 
7. Испытания аппаратов ............................................................................  106 
 
8. Плотно-прочные разъёмные соединения ...........................................  108 
8.1. Виды плотно-прочных соединений ......................................................  108 
8.2. Фланцевые соединения ..........................................................................  109 
8.2.1. Общие сведения ...........................................................................  109 
8.2.2. Специальные типы фланцев .......................................................  110 
8.2.3. Геометрические характеристики  фланцевого соединения .....  111 
8.2.4. Прокладки фланцевых соединений ............................................  112 
8.2.5. Расчёт фланцевых соединений ...................................................  115 
 
9. Быстро вращающиеся элементы машин ...........................................  119 
9.1. Тонкий обод ............................................................................................  119 
9.2. Барабан центрифуги ...............................................................................  120 
9.3. Диск постоянной толщины....................................................................  122 
9.4. Диск равного сопротивления ................................................................  125 
 
10. Динамический расчёт элементов оборудования .............................  127 
10.1. Общие положения ................................................................................  127 
10.2. Основные понятия теории колебаний ................................................  127 
10.2.1. Свободные колебания с одной степенью свободы .................  128 
10.2.2. Продольные колебания стержня ..............................................  130 
10.2.3. Поперечные колебания балки ...................................................  132 
10.2.4. Крутильные колебания валов ...................................................  133 
10.2.5. Колебания маятника ..................................................................  135 
10.2.6. Затухание свободных колебаний ..............................................  136 
10.2.7. Вынужденные колебания ..........................................................  138 
10.2.8. Виброизоляция ...........................................................................  144 
10.2.9. Колебания валов .........................................................................  148 
10.2.10. Расчёт валов перемешивающих устройств ...........................  152 
11. Бункеры для сыпучих материалов ....................................................  157 
11.1. Свойства и характеристики сыпучих материалов ............................  157 
11.1.1. Гранулометрические характеристики ......................................  157 
11.1.2. Физические свойства сыпучих материалов ............................  158 
11.1.3. Механические свойства сыпучих материалов ........................  160 

Оглавление 

6 

11.2. Нагрузки на стенки бункеров ..............................................................  162 
11.2.1. Давление сыпучих материалов на стенки сосудов .................  162 
11.2.2. Усилия в стенках бункера .........................................................  164 
11.3. Истечение сыпучих материалов из отверстий сосудов ....................  165 
 
12. Расчёт колонных аппаратов при действии ветровых  
и сейсмических сил................................................................................  169 
12.1. Расчёт вертикальных аппаратов на действие ветровой нагрузки ...  169 
12.2. Расчётные усилия от сейсмических воздействий .............................  174 
12.3. Расчёт опор колонных аппаратов .......................................................  175 
 
Заключение ...................................................................................................  182 
 
Библиографический список ......................................................................  183 
 
 
 

Введение 

7 

ВВЕДЕНИЕ 

 
 
В пособии рассматриваются методология конструирования изделий 
(устройств, аппаратов, машин, механизмов, деталей), основы расчёта типовых элементов технологического оборудования на прочность, жесткость 
и устойчивость при статических и динамических нагрузках.  
Для успешного изучения дисциплины студенту необходимо знать 
основы курсов «Сопротивление материалов», «Материаловедение», «Химическое сопротивление и защита от коррозии», «Процессы и аппараты 
химической технологии», «Инженерная графика», «Применение прикладных программ в инженерных расчётах».  
Книга будет полезна для конструкторов-механиков при проектировании (разработке) машин и аппаратов, совершенствовании и модернизации технологического оборудования, разработке экспериментальных установок для научных и технических работ. 
В первой главе рассматриваются основные понятия и определения 
в области проектирования технологического оборудования, основные этапы конструирования.  
Во второй главе приводятся общие принципы расчёта элементов 
технологического оборудования. Рассматриваются основы теории напряжённого состояния, прочностные характеристики материалов. 
В третьей главе описаны основные характеристики конструкционных материалов, применяемых для изготовления деталей и узлов технологического оборудования. Приводится краткое описание видов термической 
обработки и поверхностного упрочнения. 
В четвёртой главе рассматривается методика расчёта на прочность 
корпусных деталей сосудов и аппаратов в виде обечаек цилиндрической 
формы при различных видах нагружения.  
В пятой главе приводится методика расчёта днищ и крышек аппаратов в различных модификациях. 
В шестой главе рассматриваются особенности расчёта толстостенных аппаратов высокого давления. 
В седьмой главе приводятся нормы испытаний аппаратов на прочность и герметичность. 
В восьмой главе изучаются плотно-прочные разъёмные соединения. 
Подробно рассматривается методика расчёта на прочность фланцевых соединений. 
В девятой главе рассматриваются методы расчётов быстровращающихся элементов машин. 

Введение 

8 

В десятой главе представлены методы динамического расчёта элементов оборудования. 
В одиннадцатой главе приведены сведения о сыпучих материалах. 
Дана методика расчёта на прочность бункеров для хранения сыпучих материалов. 
В двенадцатой главе рассматривается методика расчёта колонных 
аппаратов при действии ветровых и сейсмических нагрузок. 
 
 

1. Основы проектирования 

9 

1. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ  

1.1. Проектирующие организации,  
цели и задачи курса 

 
Проектирование основано на расчётах, которые проводятся по соответствующим зависимостям, формулам.  
Исследование физических явлений, разработку фундаментальных 
(общих, основных) теорий, закономерностей проводят академические научно-исследовательские институты, прямо входящие в состав Российской 
академии наук. Результаты этих исследований обычно представляют в виде системы общих дифференциальных или критериальных уравнений, мало пригодных для конкретных инженерных расчётов.  
На основе фундаментальных исследований РАН отраслевые научноисследовательские и конструкторские институты (отраслевые НИИ, 
обычно подчинённые министерствам отраслей) проводят исследования 
в приложении к задачам отрасли, разрабатывают отраслевые инженерные 
методики расчёта и проектирования. 
Специальные конструкторские и технологические бюро (СКБ, 
СТКБ, входящие в состав научно-производственных объединений, крупных фирм) занимаются разработкой, исследованием, испытанием экспериментальных, опытных, головных образцов, постановкой продукции на 
производство. 
Проектно-конструкторские и конструкторские бюро (ПКБ, КБ на 
выпускающих предприятиях) проводят доработку, привязку к технологиям 
конкретного производства, а также проектирование для собственных нужд 
производства. 
К сожалению, в настоящее время система отраслевых НИИ и «пояс 
внедрения» – системы СКБ и СТКБ – утрачены, что существенно затрудняет внедрение новых разработок в промышленность. 
 
 

1.2. Цели и состав проектирования 

1.2.1. Цели проектирования 

 
Проектирование – разработка документов, обеспечивающих возможность создания новых объектов. Основными задачами проектирования являются: 
 улучшение технико-экономических показателей (производительность, эффективность, экономичность и т. п.);