Основы проектирования технологического оборудования пищевых производств

 
 
 
 
 
В. А. Авроров 
 
 
 
 
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ  
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ  
ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ 
 
Учебное пособие 
 
2-е издание, переработанное и дополненное 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022 
1 

 
УДК 664 
ББК 36.81-5 
А21 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технического 
управления качеством ПензГТУ, 
заслуженный деятель науки и техники РФ В. В. Рыжаков; 
главный конструктор ОАО «Пензмаш» Н. В. Гуреев 
 
 
 
Авроров, В. А. 
А21  
Основы проектирования технологического оборудования пищевых 
производств : учебное пособие / В. А. Авроров. – 2-е изд. перераб. и доп. – 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. – 496 с. : ил., табл.   
ISBN 978-5-9729-1047-2 
 
Рассмотрены этапы разработки и постановки продукции на производство, 
экономические аспекты проектирования оборудования. Приведены конкретные 
примеры новых конструкций машин и механизмов, принципы общей и узловой 
компоновки оборудования, современные методы проектирования и оценки конструкций. Изложены основные сведения по кинематике и динамике машин, 
взаимозаменяемости, назначении рациональных допусков и посадок, технологичности конструкций. Рассмотрены вопросы расчета и конструирования корпусных деталей, валов, осей и других элементов технологического оборудования, возможности систем автоматизированного проектирования. 
Для студентов и аспирантов направления подготовки 15.03.02 «Технологические машины и оборудование».  
 
УДК 664 
ББК 36.81-5 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1047-2 
” Авроров В. А., 2022 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
От автора 
................................................................................................................... 7 
Предисловие ............................................................................................................. 8 
Введение .................................................................................................................. 11 
Глава 1. Классификация промышленной продукции,  
экономические аспекты и основные принципы конструирования 
............ 13 
1.1. Общая классификация промышленной продукции и систематизация  
пищевого оборудования ......................................................................................... 13 
1.2. Экономические аспекты проектирования нового оборудования 
................ 19 
1.3. Основные принципы и общие правила конструирования ........................... 26 
Условные обозначения ........................................................................................... 30 
Глоссарий ................................................................................................................. 30 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 32 
Глава 2. Основные этапы разработки и постановки продукции  
на производство ..................................................................................................... 33 
2.1. Виды работ при разработке и постановке продукции на производство 
..... 33 
2.2. Основные этапы создания новой техники ..................................................... 34 
2.3. Порядок разработки, согласования и утверждения технического  
задания 
...................................................................................................................... 37 
2.4. Модернизация, модифицирование и совершенствование продукции 
........ 42 
2.5. Основные сведения о единой системе конструкторской документации.... 43 
Глоссарий ................................................................................................................. 47 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 48 
Глава 3. Направления и задачи проектирования оборудования  
пищевых производств .......................................................................................... 49 
3.1. Свойства продуктов и типовые процессы пищевых производств .............. 49 
3.2. Классификация линий пищевых производств 
............................................... 53 
3.3. Основные сведения о технологическом потоке и его характеристиках 
..... 55 
3.4. Концепция и проблемы разработки машинных технологий ....................... 60 
Глоссарий ................................................................................................................. 62 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 63 
Глава 4. Основные сведения о современных методах проектирования  
технологического оборудования ........................................................................ 64 
4.1. Сведения о проектных методах и стратегиях проектирования 
................... 64 
4.2. Методы начального исследования и оценки проектных ситуаций 
............. 67 
4.3. Методы исследования структуры проектной проблемы 
.............................. 73 
Глоссарий ................................................................................................................. 77 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 78 
 
3 

Глава 5. Разработка конструктивно-технологических схем  
и компоновок технологического оборудования 
.............................................. 79 
5.1. Выбор схемы и разработка компоновок оборудования ............................... 79 
5.2. Разработка схем и проектирование некоторых видов оборудования  
пищевых производств  ............................................................................................ 93 
Условные обозначения ......................................................................................... 107 
Глоссарий ............................................................................................................... 107 
Контрольные вопросы 
........................................................................................... 108 
Глава 6. Использование типовых механизмов при проектировании 
технологического оборудования ...................................................................... 109 
6.1. Основные сведения о составе механических систем.................................. 109 
6.2. Основные виды передач и механизмов кинематических цепей 
................ 112 
6.3. Сведения о структурном анализе и синтезе механизмов 
........................... 125 
6.4. Направления автоматизации пищевых производств  ................................. 130 
Условные обозначения  ........................................................................................ 132 
Глоссарий ............................................................................................................... 133 
Контрольные вопросы 
........................................................................................... 135 
Глава 7. Синхронизация цикла работы машины и динамические  
воздействия на элементы оборудования ........................................................ 136 
7.1. Синхронизация движений рабочих органов машин 
................................... 136 
7.2. Учет динамических воздействий при проектировании механизмов  
машин ..................................................................................................................... 141 
7.3. Учет вибрации и механических колебаний при проектировании  
оборудования ......................................................................................................... 147 
Условные обозначения ......................................................................................... 156 
Глоссарий ............................................................................................................... 156 
Контрольные вопросы 
........................................................................................... 157 
Глава 8. Обеспечение эксплуатационной надежности  
при проектировании технологического  оборудования .............................. 158 
8.1. Показатели надежности и их обеспечение на стадии проектирования 
.... 158 
8.2. Основные положения теории прочности и ее применение  
при проектировании 
.............................................................................................. 176 
8.3. Основные понятия о несущей способности деталей и ее обеспечение  
на стадии проектирования 
.................................................................................... 193 
8.4. Обеспечение взаимозаменяемости деталей. Назначение допусков  
и посадок соединений и отдельных деталей  ..................................................... 211 
8.5. Проектирование рациональных конструктивных элементов деталей  
машин ..................................................................................................................... 232 
Условные обозначения ......................................................................................... 238 
Глоссарий ............................................................................................................... 239 
Контрольные вопросы 
........................................................................................... 243 
4 

Глава 9. Особенности конструирования отдельных видов узлов  
и деталей машин .................................................................................................. 245 
9.1. Особенности конструирования корпусных деталей  
.................................. 245 
9.2. Особенности конструирования поковок ...................................................... 256 
9.3. Особенности конструирования валов и осей .............................................. 258 
9.4. Проектирование передач в приводах оборудования  ................................. 276 
Условные обозначения ......................................................................................... 290 
Глоссарий  .............................................................................................................. 290 
Контрольные вопросы 
........................................................................................... 291 
Глава 10. Сведения о системе автоматического проектирования ............ 293 
10.1. Задачи интегрированной автоматизации производства 
........................... 293 
10.2. Использование САПР при создании технологического  
оборудования ......................................................................................................... 295 
10.3. Техпроцесс изготовления червячного колеса привода барабана  
сушильной установки ........................................................................................... 300 
10.4. Примеры применения при проектировании деталей программного  
обеспечения КОМПАС и MathCAD 
.................................................................... 308 
Глоссарий ............................................................................................................... 316 
Контрольные вопросы 
........................................................................................... 316 
Глава 11. Методы решения проектных задач ............................................... 318 
11.1. Виды и уровни задач .................................................................................... 318 
11.2. Практическое применение алгоритма решения изобретательских 
задач при поиске новых технических решений ................................................. 320 
Контрольные вопросы 
........................................................................................... 324 
Глава 12. Основы проектирования и элементы расчета сосудов ............. 325 
12.1. Проектирование цилиндрических обечаек сосудов  ................................ 325 
12.2. Проектирование элементов сосудов 
........................................................... 328 
Условные обозначения ......................................................................................... 337 
Контрольные вопросы 
........................................................................................... 338 
Глава 13. Особенности проектирования теплообменных устройств  
с перемешивающими элементами ................................................................... 339 
13.1. Особенности проектирования устройств теплообменных аппаратов .... 339 
13.2. Проектирование приводов и уплотнений перемешивающих  
устройств ................................................................................................................ 345 
13.3. Конструктивные разновидности мешалок и особенности их расчета 
.... 352 
13.4. Определение пусковой и рабочей мощности мешалок ............................ 360 
Условные обозначения ......................................................................................... 366 
Глоссарий ............................................................................................................... 367 
Контрольные вопросы 
........................................................................................... 368 
 
 
5 

Глава 14. Проектирование колонных устройств и аппаратов .................. 369 
14.1. Особенности проектирования колонных устройств тарельчатого  
типа ......................................................................................................................... 369 
14.2. Особенности проектирования насадочных струйчатых  
и разбрызгивающих колонн ................................................................................. 381 
14.3. Элементы гидравлического и прочностного расчета  
при проектировании колонн 
................................................................................. 386 
Условные обозначения ......................................................................................... 395 
Глоссарий ............................................................................................................... 395 
Контрольные вопросы 
........................................................................................... 396 
Глава 15. Основы проектирования теплообменных аппаратов 
................ 397 
15.1. Общие сведения и характеристики теплообменных аппаратов .............. 397 
15.2. Прочностные расчеты при проектировании теплообменников  
жесткого типа 
......................................................................................................... 404 
15.3. Проектный расчет трубных решеток ......................................................... 406 
15.4. Проектирование теплообменников жесткого типа с компенсатором  
на корпусе 
............................................................................................................... 411 
Условные обозначения ......................................................................................... 419 
Глоссарий ............................................................................................................... 419 
Контрольные вопросы 
........................................................................................... 419 
Глава 16. Проектирование и расчет измельчающих устройств ................ 421 
16.1. Особенности проектирования и элементы расчета измельчителей  
раздавливающего действия .................................................................................. 421 
16.2. Пути совершенствования шариковой мельницы для измельчения  
шоколадных суспензий 
......................................................................................... 430 
16.3. Особенности проектирования и элементы расчета измельчителей  
ударного действия  ................................................................................................ 438 
Условные обозначения ......................................................................................... 444 
Глоссарий ............................................................................................................... 445 
Контрольные вопросы 
........................................................................................... 445 
Глава 17. Разработка компоновки и проектирование механизмов  
формовочно-упаковочного автомата вязкоупругих и пластичных  
пищевых материалов 
.......................................................................................... 447 
17.1. Определение параметров проектирования формовочно-упаковочного  
автомата 
.................................................................................................................. 447 
17.2. Анализ и синтез механизмов фасовочно-упаковочного автомата .......... 449 
17.3. Результаты компоновочно-схемных решений отдельных механизмов  
автомата 
.................................................................................................................. 450 
17.4. Модернизация формовочно-упаковочного автомата  
модели ВРУ-1000................................................................................................... 464 
Контрольные вопросы 
........................................................................................... 466 
Приложение 1. Тесты 
.......................................................................................... 467 
6 

ОТ АВТОРА 
 
Автор выражает признательность издательству «Инфра-инженерия» о согласии выпустить данное издание по основам проектирования технологического оборудования для пищевых отраслей промышленности. 
Данное издание основывается на проверенных практикой базовых результатах и данных по конструированию типовых деталей и узлов для различного 
вида машин и аппаратов, используемых в разных отраслях промышленности, доказавших свою высокую рабоспособность и отраженных в в таких фундаментальных справочниках по проектированию, как «Справочник конструкторамашиностроителя» Анурьева В. И., «Основы конструирования» Орлова П. И., 
«Справочник металлиста» в 5 т. и др. 
При подготовке данного издания использовались также работы Джон- 
са К. Дж. по основам проектирования; Валентаса К. Дж, Ротштейна Э., Синг- 
ха Р. П. по пищевой инженерии, Альтшуллера Г. С. по теории решения изобретательских задач и других ученых и конструкторов. 
 Проектные разработки в ряде случаев дополняются числовыми расчетами оборудования и экспериментальной проверкой некоторых из них.  
Автор признателен проф. Ланщикову В. А. за представленные материалы 
для данного издания по расчету и основам проектирования тепловых аппаратов, используемых в пищевой промышленности; инженеру Николаеву В. С. по 
результатам проектирования фасовочно-упаковочных автоматов для упаковки 
различных видов вязкоупругих пищевых продуктов. 
Автор выражает надежду, что данное издание принесет некоторую пользу 
как специалистам в области проектирования оборудования для пищевых производств, так и студентам и молодым специалистам, склонным посвятить себя такому трудному, но благородному делу создания и совершенствования технологического оборудования, и побудит искать их новые нетравиальные технические решения. 
 Автор выражает благодарность творческому коллективу ПензГТУ, принимавшему активное участие в разработке конструктивно-технологических 
схем оборудования, его компоновок, создании экспериментальных образцов 
оборудования, их исследованию и получению новых технических решений: 
к.т.н. Лузгину Г. В., к.т.н. Авророву Г. В., к.т.н. Редченко М. А., магистрам Мурашкиной О. А., Сарафанкиной Е. А. 
 
      Доктор техн. наук В. А. Авроров. 
      Пенза, Россия 
 
7 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
В данном учебном пособии приведена классификация промышленной 
продукции и основные этапы разработки и постановки нового оборудования на 
производство; рассмотрены свойства продуктов и типовые процессы пищевых 
производств; изложены основные сведения о методах проектирования новой 
техники; рассмотрена методология разработки конструктивно-технологических 
схем и компоновок машин и аппаратов. Приведены схемы типовых передач и 
механизмов, используемых в приводах технологического оборудрования пищевых производств, рассмотрены вопросы учета динамических воздействий на 
испольнительные органы машин и вопросы обеспечения, взаимозаменяемости 
деталей, назначения рациональных допусков и посадок и эксплуатационной 
надежности на стадии проектирования новых образцов оборудования. Рассмотрены особенности конструирования корпусных деталей, валов и осей. 
Приведены примеры практическолго применения алгоритма решения 
изобретательских задач при поиске новых технических решений. 
Рассмотрены вопросы проектирования и инженерного расчета теплообменных устройств и аппаратов. 
Учебное пособие содержит 17 глав и дополняется контрольными тестами 
для проверки остаточных знаний. Каждая глава сопровождается условными 
обозначениями, глоссарием и контрольными вопросами. 
В первой главе приведена общая классификация промышленной продукции, рассмотрены экономические аспекты и основные принципы и правила 
конструцирования новой техники.  
Во второй главе рассмотрены основные этапы и виды работ по разработке и постановке промышленной продукции на произвродство. Приведен порядок разработки, согласования и утверждения технического задания на новую 
технику, ее последующей модернизвации, модифицирования и дальнейшего 
совершенствования; изложены основные сведения о единой системе конструкторской документации 
В третьей главе излагаются направления и задачи проектирования оборудованипя пищевых производств. Рассмотрены основные свойства пищевых 
продуктов и типовые процессы их обработки.  
Четвертая глава посвящена некоторым методам, используемым при 
проектировании новой техники, от начального исследования ситуации и структуры проектной проблемы до применения готовых стратегий проектирования. 
В пятой главе излагаются вопросы разработки и выбора конструктивнотехнологических схем оборудования и методике компоновок машин и аппаратов. 
8 

Шестая глава посвящена анализу механических систем и механизмам 
кинематических цепей, наиболее часто приеняемых в приводах технологического оборудования пищевых производств, а также структурному анализу и 
синтезу механизмов.  
В седьмой главе изложены вопросы синхронизации движений рабочих 
органов машин и рассмотрены вопросы учета динамических воздействий, вибрации и колебаний при проектировании оборудования.  
В восьмой главе рассмотрены вопросы обеспечения несущей способности 
деталей на стадии проектирования, основные положения теории прочности, вопросы обеспечения взаимозаменяемости деталей и назначения рациональных 
допусков и посадок соединений и отдельных элементов.  
Девятая глава посвящена особенностям конструирования корпусных деталей, поковок, валов и осей и передач в приводах технологического оборудования пищевых производств. 
В десятой и одиннадцатой главах излагаются некоторые сведения об использовании системы автоматизированного проектирования деталей и узлов 
технологического оборудования, а также видов и уровней инженерных задач и 
практического применения алгоритма решения таких задач при поиске новых 
технических решений.  
Двенадцатая–пятнадцатая главы посвящены основам проектирования и 
расчета сосудов, теплообменных аппаратов и колонных устройств, используемых в пищевой технологии. 
В шестнадцатой главе рассмотрены вопросы проектирования и расчета 
некоторых видов измельчителей и их элементов. 
Семнадцатая глава посвящена анализу и синтезу механизмов фасовочноупаковочного автомата для упаковки вязкоупругих пищевых продуктов. 
Учебное пособие рекомендуется для студентов высших учебных заведений по направлениям подготовки бакалавриата 15.03.02 – Технологические 
машины и оборудование, профиль «Машины и аппараты пищевых производств», и может быть полезно магистрантам по направлению подготовки 
15.04.02 и аспирантам по направлению подготовки 19.06.01 – Промышленная 
экология и биотехнологии, направленность подготовки – Процессы и аппараты 
пищевых производств, а также специалистам пищевых предприятий и предприятий машиностроения для пищевой промышленности.  
Изучение и освоение материала данного учебного пособия позволит студентам дополнительно повысить уровень своих компетенций: 
– в способности принимать участие в работах по расчету и проектированию деталей и узлов машиностроительных конструкций в соответствии с тех9 

ническими заданиями и использованием стандартных средств автоматизации 
проектирования.  
Студенты в разрезе данной компетенции будут знать методологию проектирования и инженерных расчетов деталей и механизмов, состав и требования 
технического задания; уметь проводить проектные и проверочные расчеты деталей машин и аппаратов, использовать в проектной работе средства автоматизации проектирования и владеть навыками проектирования новой техники; 
– в способности разрабатывать рабочую проектную и техническую документацию, оформлять законченные проектные работы с проверкой проектов 
стандартам, техническим условиям и другим нормативным документам. 
Студенты в соответствии с требованиями данной компетенции будут 
знать правила оформления законченных проектных работ, требования нормативно-технической документации в области проектирования; уметь разрабатывать рабочую и техническую документацию и оформлять законченные проектные работы; владеть навыками разработки рабочей конструкторской и технической документации; 
– в умении проводить патентные исследования с целью обеспечения патентной чистоты новых технических решений и их патентоспособности с определением технического уровня проектируемых изделий. 
Студенты после овладения данной компетенцией будут знать методологию проведения патентных исследований и составляющие оценки технического 
уровня проектируемых изделий, уметь оценивать патентную чистоту технических решений и их патентоспособность; владеть навыками оценки патентной 
чистоты и патентоспособности. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
10