Расчет и конструирование машин и аппаратов пищевых производств

 
 
 
 
А. Н. Остриков, В. Н. Василенко, В. В. Пойманов 
 
 
 
 
 
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ 
МАШИН И АППАРАТОВ 
ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ 
 
 
Учебник 
 
3-е издание, переработанное и дополненное 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 
 
 
1 

УДК 637/663/664 
ББК 36.81-5 
О-76 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор, генеральный директор  
АО «Воронежский научно-исследовательский институт комбикормовой  
промышленности» Афанасьев Валерий Андреевич; 
кандидат сельскохозяйственных наук, и. о. зав. кафедрой технологического 
оборудования, процессов перерабатывающих производств, механизации  
сельского хозяйства и безопасности жизнедеятельности Воронежского  
государственного аграрного университета им. императора Петра I  
Королькова Надежда Валентиновна 
 
 
Остриков, А. Н. 
О-76  
Расчет и конструирование машин и аппаратов пищевых производств : учебник / А. Н. Остриков, В. Н. Василенко, В. В. Пойманов. –  
3-е изд. перераб. и доп. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. – 
476 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1093-9 
 
Даны теоретические основы и методики расчетов наиболее распространенных в пищевой промышленности машин и аппаратов на прочность, жесткость и устойчивость. Представлен анализ состояния и динамики показателей 
качества работы технологического оборудования.  
Для студентов, обучающихся по направлениям «Технологические машины и оборудование», «Проектирование технологических машин и комплексов». 
Может представлять интерес для научных работников, проектировщиков, инженерно-технических работников пищевых предприятий и слушателей институтов повышения квалификации пищевых и перерабатывающих отраслей агропромышленного комплекса России. 
 
УДК 637/663/664 
ББК 36.81-5 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1093-9 
” Остриков А. Н., Василенко В. Н., Пойманов В. В., 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Предисловие..............................................................……...........…................ 
8 
Методические рекомендации......................................………….................... 
12 
Введение...........................................................................……….................... 
13 
Глава 1. Классификация и основы теории производительности  
технологического оборудования………………......................................... 
 
14 
Классификация технологического оборудования………………… 
14 
Основы теории производительности машин……………………… 
17 
Контрольные вопросы………………………………………………. 
21 
Глава 2. Основы методологии проектирования и конструирования 
технологического оборудования……......................................................... 
 
22 
Основные понятия и определения………………………………….. 
22 
Особенности процессов производства технологического  
оборудования пищевых производств………………………………. 
 
22 
Конструкционные материалы, применяемые  
в пищевом машиностроении………………………………………... 
 
26 
Механические свойства и характеристики материалов…………... 
47 
Прогнозирование конструкций машин…………………………….. 
63 
Основы системного анализа………………………………............... 
63 
Требования эксплуатации и производства,  
предъявляемые к конструкциям машин………………….………... 
 
65 
Основные принципы оптимального конструирования…………… 
66 
Контрольные вопросы………………………………………………. 
66 
Глава 3. Единая система конструкторской документации…............... 
68 
Область распространения стандартов ЕСКД……………………… 
68 
Виды изделий и их структура………………………………………. 
69 
Виды и комплектность конструкторских документов……………. 
72 
Стадии разработки конструкторской документации...…………… 
75 
Контрольные вопросы ……………………………………………… 
77 
Глава 4. Общие принципы конструирования  
технологического оборудования………………………………................. 
 
79 
Общие правила конструирования оборудования……….………… 
79 
Основные требования, предъявляемые к конструированию машин  
и аппаратов пищевых производств………………............................ 
 
82 
Ряды предпочтительных чисел……………………………............... 
86 
Материалоемкость и облегчение деталей и узлов………………… 
87 
Способы упрочнения материалов………………………….............. 
92 
Жесткость конструкции…………………………………….............. 
94 
Факторы, определяющие жесткость конструкции………............... 
94 
Конструктивные способы повышения жесткости……….………... 
96 
Контрольные вопросы…………………………………….…............ 
99 
Глава 5. Основы теории надежности машин……………….….............. 
100 
Основные понятия и термины теории надежности…….…............. 
100 
Показатели надежности……………………………………............... 102 
Физика отказов………………………………………….……............ 
103 
Общие зависимости теории надежности…………….…….............. 
104 
3 

Законы распределения в период износовых отказов………............ 107 
Надежность в период совместного действия внезапных 
и постепенных отказов………………………………………............. 
 
110 
Контрольные вопросы………………………………………............. 
112 
Глава 6. Расчет и конструирование аппаратов,  
работающих под давлением………………………………….…................. 
 
113 
Расчет пластин……………………………………………….............. 113 
Изгиб круглых пластин, нагруженных симметрично……............... 113 
Расчет круглых пластин, подвергаемых растяжению..……............. 115 
Расчет оболочек……………………………………………................ 117 
Безмоментная теория оболочек вращения………….………............ 117 
Изгиб цилиндрической оболочки при симметричном 
нагружении (моментная теория)……………………….……............ 
 
121 
Применение моментной теории к расчету сферических 
и конических оболочек………………………………………............ 
 
123 
Емкостные и теплообменные аппараты……………………............. 125 
Определение оптимальных размеров цилиндрического 
сосуда с плоским днищем………………………………..….............. 
 
126 
Определение толщины стенки тонкостенного цилиндрического 
аппарата, находящегося под внутренним давлением……………... 
 
127 
Укрепление отверстий в оболочках………………………................ 129 
Узлы сопряжения оболочек……………………………….……….... 131 
Надежность и долговечность емкостных  
и теплообменных аппаратов………………………..…..................... 
 
135 
Принцип линейного суммирования усталостных  
повреждений………………………………………….……................ 
 
137 
Срок службы аппарата в условиях ползучести……………………. 
137 
Расчет аппаратов на устойчивость…………………….……............. 139 
Фланцевые соединения………………………………….…............... 142 
Контрольные вопросы…………………………………..……............ 144 
Глава 7. Расчет и конструирование тепловой аппаратуры.….............. 146 
Тепловые взаимодействия……………………………….………….. 146 
Конструктивные способы уменьшения термических 
напряжений в стяжных соединениях…………………….…………. 
 
148 
Уменьшение тепловых напряжений………………………............... 152 
Температуронезависимое центрирование……………….………… 
157 
Контрольные вопросы…………………………………….…........... 
159 
Глава 8. Расчет оборудования для разделения жидких 
пищевых продуктов……………………………………………….............. 
 
160 
Роторные машины……………………………………………........... 
160 
Расчет цилиндрических роторов сепараторов  
И центрифуг на прочность………………………….…………......... 
 
162 
Особенности расчета перфорированных  
цилиндрических роторов………………………………….…........... 
 
164 
Расчет конической обечайки (ротора) центрифуги 
и сепаратора на прочность……………………………….…............ 
 
165 
Расчет сопряжений роторов центрифуг……………………............. 167 
4 

Цилиндроконические роторы центрифуг……………….................. 
171 
Оценка «трещиностойкости» конструкций роторов……................ 
174 
Контрольные вопросы…………………………………..…............... 
175 
Глава 9. Конструирование самоустанавливающихся  
механизмов…………………………………………….……….…................ 
 
177 
Механизмы, их структура и число степеней свободы…................. 
177 
Проверка механизмов на избыточные связи ………………............ 
184 
Определение классов кинематических пар без учета влияния  
зазоров на их подвижность……………………………..................... 
 
188 
Определение классов кинематических пар с учетом влияния  
зазоров на их подвижность…………………….………..................... 
 
194 
Выявление особо вредных избыточных связей  
по плоской или сферической схеме механизма……….…………… 
 
195 
Применение кинематических соединений  
в рациональных механизмах…………………..……………............. 
 
197 
Определение избыточных связей и подвижностей  
механизмов………………………………………………..…............. 
 
202 
Конструктивные решения принципа  
самоустанавливаемости………………………………..……………. 
 
207 
Контрольные вопросы………………………….…………………… 
213 
Глава 10. Расчет и конструирование ротационных машин………….. 
214 
Ротационные машины………………………………………............. 
214 
Расчет на прочность быстровращающихся дисков 
постоянной толщины……………………………….……….............. 
 
215 
Расчет на прочность быстровращающихся дисков 
сложного профиля……………………………………..……………. 
 
218 
Конструкция и геометрия ножа……………………….……............. 
220 
Расчет ножей на прочность………………………….……………… 
222 
Контрольные вопросы……………………….………………............ 
224 
Глава 11. Расчет и конструирование поршневых машин……............. 
225 
Поршневые машины…………………………………………............ 
225 
Расчет шатуна………………………………….…………….............. 230 
Расчет поршня компрессора…………………………..……............. 
235 
Контрольные вопросы……………………………….…………........ 
238 
Глава 12. Расчет оборудования для разделения сыпучих  
пищевых продуктов………………………………………….…….............. 
 
239 
Элементы прикладной теории колебаний……………….…............ 
239 
Свободные колебания………………………………….……............. 240 
Свободные колебания при наличии сил сопротивления 
жидкости…………………………………………………..…............. 
 
242 
Вынужденные колебания при отсутствии сил  
сопротивления……………………………………………….............. 
 
242 
Вынужденные колебания с учетом сил вязкостного  
сопротивления……………………………………………….............. 
 
243 
Колебания систем с несколькими степенями свободы…………… 
245 
Энергетический метод определения частоты  
собственных колебаний………………………….………………….. 
 
246 
5 

Критические угловые скорости при отсутствии сил 
сопротивления……………………………………….………............. 
 
247 
Критическая угловая скорость валов при наличии сил 
сопротивления……………………………………………..…............ 
 
249 
Влияние размеров ротора на критическую угловую 
скорость валов…………………………………………….…............. 
 
251 
Вибрационные машины………………………………..……............ 
252 
Расчет безударных вибрационных машин……………….…........... 
252 
Мощность, необходимая для поддержания вибрации…................. 
257 
Виброизоляция………………………………….……………............ 
259 
Способы виброзащиты…………………………………….…........... 
260 
Конструктивные методы борьбы с шумом и вибрациями………... 
264 
Расчет виброизоляции…………………………………….…............ 
265 
Жесткость виброизоляторов………………………….…….............. 
266 
Жесткость пружинных виброизоляторов…………….……............. 
267 
Расчет резинового виброизолятора…………………………............ 
267 
Контрольные вопросы………………………………………............. 
268 
Глава 13. Расчет и конструирование аппаратов  
с медленновращающимися рабочими органами……………..…............ 
 
270 
Аппараты с медленно вращающимися рабочими органами……… 270 
Методика расчета вращающихся барабанных аппаратов………… 271 
Расчет оборудования для прессования и формования……............. 
277 
Расчет перфорированного барабана шнековых прессов….............. 278 
Прочностной расчет шнека…………………………………............. 
281 
Производительность шнековых устройств…………….….............. 
283 
Контрольные вопросы………………………………….……............ 
284 
Глава 14. Расчет и конструирование исполнительных  
механизмов машин………………………………………………................ 
 
286 
Шарнирно-стержневые механизмы………………………............... 
286 
Кулачковые механизмы…………………………………….............. 
291 
Мальтийские механизмы……………………………….…………... 
295 
Планетарные механизмы………………………………….…............ 302 
Зубчатые механизмы прерывистого действия…………….............. 
305 
Храповые механизмы……………………………………….............. 
309 
Контрольные вопросы…………………………………….…............ 
315 
Глава 15. Расчет и конструирование транспортирующих 
машин………….………………………………………………….…............. 
 
316 
Классификация транспортирующего оборудования…….…........... 
316 
Ленточные конвейеры…………………………………….…............ 
317 
Цепные конвейеры……………………………………….….............. 329 
Элеваторы……………………………………………….……............ 
346 
Конвейеры без тягового органа…………………………….............. 
351 
Гравитационный транспорт……………………….…………........... 
356 
Контрольные вопросы………………………………….……............ 
357 
Глава 16. Основы триботехники…………………………..……............... 358 
Качество и свойства поверхностей трения……………….…............ 
361 
Физико-химические свойства поверхностей деталей…….............. 
365 
6 

Виды трения…………………………………………………............. 
368 
Механизм изнашивания металлических поверхностей…............... 
374 
Усталость при изнашивании металлических  
поверхностей…………………………………………….……........... 
 
377 
Конструктивные способы повышения износостойкости 
детали……………………………………………………....…............. 
 
382 
Технологические способы повышения долговечности 
трущихся деталей……………………………………………............. 
 
383 
Фреттинг-коррозия……………………………………….….............. 
387 
Смазывание деталей машин…………………………………............ 390 
Контрольные вопросы…………………………………….…............ 
394 
Глава 17. Основы мехатроники………………………………..…............ 
396 
Определения и терминология мехатроники……………….............. 396 
Принципы построения мехатронных систем…………….…........... 
398 
Уровни интеграции мехатронных систем……………….…............ 
400 
Интеграция и мехатронный подход к проектированию….............. 
401 
Мехатронные модули……………………………………….............. 
406 
Функция и структура мехатронного модуля………………............. 
409 
Синергетическая интеграция в мехатронных модулях……............ 
414 
Модули движения……………………………………………............ 
418 
Мехатронные модули движения……………………….……........... 
422 
Электродвигатели……………………………………….……........... 
430 
Преобразователи движения…………………………….……........... 
430 
Контрольные вопросы…………………………………….…............ 
431 
Глава 18. Методы и средства исследования машин  
и аппаратов…………………………..……..…............................................. 
 
432 
Вибрационная диагностика………………………………………..... 437 
Применение тензометрирования для определения  
действительных напряжений………………………………………... 
 
444 
Применение поляризационно-оптического метода 
определения действительных напряжений 
с использованием явления фотоупругости………………………… 
 
 
449 
Контрольные вопросы…………………………………….…............. 450 
Глава 19. Компьютерные технологии проектирования  
и конструирования………ююю………………………................................ 
 
452 
Классификация систем автоматизированного  
проектирования (САПР)…………………………………………….. 
 
452 
Математическое обеспечение САПР……………………………….. 454 
Техническое обеспечение САПР…………………………………… 456 
Информационное обеспечение САПР……………………………… 459 
Программные продукты САПР……………………………………... 461 
Контрольные вопросы…………………………………….…............. 470 
Заключение……………………………………………………….…............... 471 
Библиографический список…………………………………….…................ 472 
 
7 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Дисциплина «Расчет и конструирование машин и аппаратов пищевых производств» относится к части, формируемой участниками образовательных отношений, блока 1 для направлений подготовки «Технологические машины и 
оборудование» и «Проектирование технологических машин и комплексов». Создание и внедрение в промышленность современной, высокоэффективной техники, прогрессивной технологии и материалов, способствующей повышению 
производительности, улучшению условий работы, экономии материальных и 
трудовых ресурсов, а также направленных на охрану окружающей среды, является главной задачей развития машиностроения. 
Цель дисциплины – подготовка обучающихся к производственно-технологической, научно-исследовательской, проектно-конструкторской и организационно-управленческой видам профессиональной деятельности, связанной с 
оптимальным проектированием и конструированием современных, надежных, 
высокоэффективных машин и аппаратов, а также систематизация у обучающихся знаний, полученных в результате фундаментальной подготовки по математическим и общим естественнонаучным, общепрофессиональным и специальным дисциплинам, для решения инженерных задач, связанных с расчетом и 
конструирование технологического оборудования. 
Задачи дисциплины:  
– изучение методологии проектирования машин; определение основных 
направлений прогресса в машиностроении;  
– изучение основ теории производительности машин, основ квалиметрии и 
теории надежности;  
–  изучение методов расчета и конструирования машин и аппаратов пищевых производств для выбора наиболее рационального метода повышения эффективности машин, снижения материалоемкости, повышения долговечности и 
надежности оборудования; 
– поиск путей и разработка новых способов решения нестандартных производственных задач, связанных с конструированием пищевого технологического оборудования; 
– анализ состояния и динамики показателей качества работы технологического оборудования. 
Изучение его отдельных разделов включает сведения, излагаемые в материаловедении, технологических процессах в машиностроении, сопротивлении 
материалов, теоретической механике, теории механизмов и машин, деталях 
машин, технологическом оборудовании и т. д. 
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; 
8 

– снижение энергопотребления, удельной металлоемкости; 
– обеспечение экономичности в эксплуатации, надежности и безопасности 
конструкций машин. 
Реализация этих мероприятий можно осуществить как за счет использования новых конструкторских решений и автоматизированных методов расчета, 
так и за счет применения  перспективных материалов повышенной прочности, 
новых экономичных профилей проката и т. п. Применение методов оптимального проектирования технологического оборудования, основанных на использовании математического моделирования на ЭВМ, позволит в значительной 
степени автоматизировать процесс расчета и конструирования машин и выбрать наиболее оптимальный вариант предлагаемых решений. 
Требования к уровню освоения содержания дисциплины. В результате 
изучения дисциплины «Расчет и конструирование машин и аппаратов пищевых 
производств» и в соответствии с федеральным государственным образовательным стандартом высшего образования по направлениям «Технологические машины и оборудование» и «Проектирование технологических машин и комплексов» 
Обучающийся должен знать: 
– основные проблемы научно-технического развития техники пищевой 
промышленности; основные направления прогресса в машиностроении; 
– технологическое оборудование отрасли, его классификацию, устройство, 
особенности эксплуатации; проблемы улучшения качества машин; 
– принципы конструирования технологического оборудования и автоматизированных технологических линий пищевых производств; 
– статистические методы обработки экспериментальных данных для анализа эффективной работы технологического оборудования; 
– методы расчета машин и аппаратов на прочность, жесткость, устойчивость и колебания; 
– техническую документацию, необходимую при расчете и конструировании оборудования; 
– экспериментальные методы испытания машин и аппаратов; 
– принципы и правила конструирования с применением информационнокоммуникационных технологий и с учетом основных требований информационной безопасности; 
– основные понятия и показатели теории надежности, общие зависимости 
теории надежности; 
– методы и способы проведения патентных исследований, показатели технического уровня проектируемых изделий; 
– критерии выбора основных и вспомогательных материалов, способов реализации технологических процессов; 
– стандартные методы расчета при конструировании деталей и узлов изделий машиностроения. 
 
 
 
9 

Обучающийся должен уметь: 
– проводить теоретические и экспериментальные исследования в области 
технологического оборудования с использованием современных методов планирования эксперимента, средств вычислительной техники; 
– переходить от расчетной схемы к реальной конструкции и наоборот; 
– находить оптимальные и рациональные технические режимы работы 
оборудования; 
– выполнять основные расчеты и составлять необходимую техническую 
документацию, проектировать и конструировать технологическое оборудование отрасли; 
– совершенствовать и оптимизировать действующее технологическое оборудование машин на базе системного подхода к анализу качества сырья и требований к конечной продукции; 
– осуществлять технический контроль, разрабатывать техническую документацию по соблюдению режима работы оборудования; 
– выполнять стандартные испытания по определению физико-механических 
показателей металлов, диэлектрических материалов, используемых для покрытий поверхности рабочих органов; 
– проводить расчеты и конструирование типовых узлов технологического 
оборудования, находить пути модернизации оборудования с целью повышения 
качества изделий; 
– выполнять литературный обзор и патентный поиск на основе информационной и библиографической культуры с применением информационнокоммуникационных технологий и с учетом основных требований информационной безопасности; 
– определять качество конструкции машины и ее составляющих элементов, определять показатели надежности в различные периоды эксплуатации 
оборудования; 
– внедрять результаты исследований и разработок в области машиностроения; 
– разрабатывать рабочую, проектную и техническую документацию, 
оформлять законченные проектно-конструкторские работы; 
– проводить патентные исследования, определять показатели технического 
уровня проектируемых изделий; 
– применять прогрессивные методы эксплуатации технологического оборудования при изготовлении технологических машин. 
Обучающийся должен владеть: 
– методиками выбора основных и вспомогательных материалов и способов 
реализации основных технологических процессов и применения прогрессивных 
методов эксплуатации технологического оборудования при изготовлении изделий машиностроения; 
– численными методами расчета проектируемых машин и автоматизированных технологических линий, а также их узлов и деталей; 
10