Прикладная механика

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Казанский национальный исследовательский 
технологический университет 
А. Г. Замалиев, О. Р. Каратаев 
ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА
Учебное пособие 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2024 
1 

УДК 621.1.011(075) 
ББК 22.21я7  
З-26 
Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, проф. C. Н. Шарифуллин 
канд. техн. наук. Э. В. Шамсутдинов 
З-26 
Замалиев А. Г. 
Прикладная механика : учебное пособие / А. Г. Замалиев, О. Р. Каратаев; 
Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во 
КНИТУ, 2024. – 128 с. 
ISBN 978-5-7882-3491-5 
Рассмотрены особенности конструирования и последовательность расчета 
основных узлов химического аппарата с перемешивающим устройством. Представлены рекомендации по подбору комплектующих элементов химаппарата и их 
расчету. 
Предназначено для студентов направлений 18.03.01 «Химическая технология», 18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биологии», изучающих курс «Прикладная механика».  
Подготовлено на кафедре основ конструирования и прикладной механики. 
УДК 621.1.011(075) 
ББК 22.21я7 
ISBN 978-5-7882-3491-5 
© Замалиев А. Г., Каратаев О. Р., 2024 
© Казанский национальный исследовательский 
технологический университет, 2024 
2 

С О Д Е Р Ж А Н И Е
Введение ............................................................................................................................................... 
4 
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 
....................................................................................................................... 
5 
1.1. Классификация, основные характеристики процессов и аппаратов .................................... 
5 
1.2. Устройство химического аппарата .......................................................................................... 
6 
1.3. Нормативно-техническая документация 
................................................................................. 
8 
1.4. Выбор материалов для изготовления элементов аппарата 
.................................................. 
10 
2. ПОДБОР И РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ КОРПУСА АППАРАТА 
................................................. 
13 
2.1. Основные расчетные параметры 
............................................................................................ 
13 
2.2. Выбор размеров корпуса аппарата......................................................................................... 
14 
2.3. Расчет элементов корпуса аппарата 
....................................................................................... 
22 
2.4. Расчет цилиндрических обечаек ............................................................................................ 
24 
2.5. Расчет днища и крышки аппаратов 
........................................................................................ 
26 
2.6. Расчет элементов рубашки ..................................................................................................... 
28 
2.7. Расчет отъемных крышек 
........................................................................................................ 
29 
2.8. Фланцевые соединения ........................................................................................................... 
30 
2.9. Выбор штуцеров и люка ......................................................................................................... 
35 
2.10. Выбор опор аппаратов .......................................................................................................... 
42 
3. КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА .................... 
46 
3.1. Конструктивные схемы крепления валов перемешивающих устройств ........................... 
46 
3.2. Подбор основных элементов перемешивающего устройства 
............................................. 
48 
3.3. Разработка эскизного проекта химического аппарата ......................................................... 
70 
3.4. Проектный расчет и конструирование вала и подшипникового узла ................................ 
72 
3.5. Выполнение эскизного проекта перемешивающего устройства ........................................ 
80 
3.6. Проверочный расчет вала ....................................................................................................... 
81 
3.7. Проверочный расчет шпонок ................................................................................................. 
88 
3.8. Проверка пригодности подшипников 
.................................................................................... 
89 
4. ПРИМЕНЕНИЕ СВАРКИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ХИМИЧЕСКИХ
АППАРАТОВ 
..................................................................................................................................... 
93 
4.1. Структура и обозначение швов сварных соединений 
.......................................................... 
93 
4.2. Примеры условных обозначений  сварных швов 
................................................................. 
96 
5. СОДЕРЖАНИЕ И ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ
К РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЕ 
...................................................................................... 
99 
5.1. Оформление расчетно-пояснительной записки 
.................................................................... 
99 
5.2. Правила оформления графической части ........................................................................... 
100 
5.3. Обозначение конструкторской документации и составление спецификаций 
................. 
102 
5.4. Нанесение параметров позиций на сборочных чертежах 
.................................................. 
103 
Контрольные вопросы ..................................................................................................................... 
104 
Заключение ....................................................................................................................................... 
106 
Библиографический список............................................................................................................ 107 
Приложения 
...................................................................................................................................... 
108 
Приложение 1 
................................................................................................................................ 
108 
Приложение 2 
................................................................................................................................ 
115 
Приложение 3 
................................................................................................................................ 
120 
3 

В В Е Д Е Н И Е
Дисциплина «Прикладная механика» (ДГПМ – «Дополнительные главы прикладной механики») относится к числу общеинженерных 
курсов, в процессе изучения которых обучающиеся получают знания по 
разработке и расчету химических машин и аппаратов. 
В пособии рассматриваются основная методика и последовательность расчета химических аппаратов с механическими перемешивающими устройствами, работающих под давлением. 
Учебное пособие включает в себя пять глав. 
В первой главе отражены назначение, характеристики и конструкции химических аппаратов. 
Во второй главе рассматривается конструктивное оформление 
аппарата (согласно варианту задания) и расчет основных элементов его 
корпуса, который регламентируется техническими требованиями 
(надежность, безопасность и т. д.) и характеристиками процесса (свойства среды, температура и др.) 
Третья глава посвящена конструированию и расчету перемешивающего устройства и после проведения проверочных расчетов заканчивается разработкой эскизного проекта аппарата. 
В четвертой главе рассматриваются некоторые разновидности 
сварки, наиболее часто применяемые при изготовлении стальных химических аппаратов, структура и примеры условных обозначений сварных швов металлоконструкций. 
Пятая глава содержит основные требования, предъявляемые 
к расчетно-графической работе, формы текстовых документов, правила 
оформления графической части и конструкторской документации. 
В конце учебного пособия имеются приложения, содержащие характеристики крепежных изделий, их условные обозначения, пример 
оформления графической части, а также таблицы исходных данных для 
проектирования. 
4 

.  О Б Щ И Е  С В Е Д Е Н И Я  
1 . 1 .  К л а с с и ф и к а ц и я ,  о с н о в н ы е  х а р а к т е р и с т и к и  
п р о ц е с с о в  и  а п п а р а т о в  
Прикладная механика основывается на общих законах физики, 
химии и механики и является основой химической технологии. Знания, 
полученные при изучении дисциплины, позволяют проанализировать 
и выявить наиболее выгодные параметры процесса, а также разработать 
и рассчитать аппаратуру. Данная дисциплина относится к числу основных общеинженерных курсов, нацеленных на подготовку инженеровмехаников и инженеров-технологов, соответствующих современным 
требованиям. 
В зависимости от скорости и закономерностей, характеризующих 
протекание процессов химической технологии, их можно подразделить 
на пять групп. 
1. Гидромеханические процессы, которые связаны с законами 
гидродинамики (осаждение, фильтрование, перемешивание и др.). 
2. Тепловые процессы, скорость которых определяется законами 
теплопередачи (нагревание, выпаривание, охлаждение, конденсация и др.). 
3. Массообменные процессы, связанные с переходом веществ из 
одной фазы в другую (абсорбция, экстракция, адсорбция, ректификация и др.). 
4. Химические процессы, сопровождающиеся превращением веществ с изменением их химических свойств. 
5. Механические процессы, связанные с измельчением твердых 
веществ, сортировкой или смешением сыпучих материалов. 
Основными элементами любого химико-технологического процесса являются энергия, перерабатываемая среда и аппаратурное 
оформление, которые тесно связаны между собой. 
Согласно вышеприведенному разделению процессов и в зависимости от их особенностей все существующие химические аппараты 
можно классифицировать следующим образом: 
5
5 

1) гидромеханические (фильтры, отстойники циклоны, сепараторы и др.); 
2) тепловые (теплообменники, печи, конденсаторы, выпарные аппараты, холодильные машины и др.); 
3) массообменные или диффузионные (адсорберы, экстракторы, 
кристаллизаторы, сушилки, аппараты мембранного разделения); 
4) реакторы (аппараты для осуществления химических превращений); 
5) измельчающие и классифицирующие (дробилки, измельчители (дезинтеграторы, дисмембраторы), мельницы, грохоты, классификаторы, сепараторы). 
В данном пособии рассматриваются проектирование и расчет аппаратов, относящихся к четвертой группе, т. е. реакторов. 
Все объекты или изделия, в том числе и аппараты, выполняя заданные функции, должны обладать способностью сохранить значения основных параметров в пределах, установленных требованиями норм технической и технологической документации, т. е. работоспособностью. 
Обычно работоспособность оценивается следующими критериями: 
а) прочность – способность изделия выдерживать заданные 
нагрузки в течение срока службы; 
б) жесткость – способность изделия выдерживать заданные 
нагрузки без изменения формы и размера; 
в) стойкость – способность изделия сохранять работоспособное 
состояние при действии на него внешних воздействий (теплостойкость, 
вибростойкость, коррозионная стойкость). 
Кроме этого, аппараты, работающие под избыточным давлением, 
к которым относятся и реакторы, подлежат действию определенных 
правил и технических регламентов. Поэтому такие аппараты должны 
регистрироваться в органах Ростехнадзора и подвергаться испытаниям 
на прочность и герметичность. 
1 . 2 .  У с т р о й с т в о  х и м и ч е с к о г о  а п п а р а т а  
В химической технологии для интенсификации диффузионных, 
тепловых и химических процессов, а также для обеспечения их эффективного протекания нашли широкое применение аппараты с перемешивающими устройствами. 
6
6 

Схема типового химического аппарата с мешалкой представлена на рис. 1.1. 
10 
Данный аппарат состоит из двух основных узлов – корпуса и механизма перемешивания 
с 
приводом. 
Корпус 1 представляет собой 
цилиндрическую 
обечайку 
7 
Рис. 1.1. Схема конструкции 
типового химического аппарата 
с рубашкой 5 (дополнительной обечайкой), обеспечивающей необходимый температурный режим технологического процесса путем ввода 
в рубашку теплоносителя или 
хладагента, отъемной крышкой 2 и приварным днищем. 
Кроме этого, корпус аппарата 
снабжается штуцерами для 
загрузки исходных компонентов (3), выгрузки готовой продукции (4), установки приборов, ввода и вывода теплоносителя и др. Аппарат монтируют либо на опоры-стойки 6, 
либо на подвесные опорылампы 7.  
Привод механизма перемешивания, включающий в себя моторредуктор 10 или электродвигатель с другими видами механических передач, устанавливается на стойке 8. Стойка крепится к опоре привода 
9, приваренной к крышке аппарата. Муфта 11 служит для передачи крутящего момента, соединяя выходной вал привода с валом 12 мешалки 
13. В месте входа вала мешалки в крышку с целью герметизации аппарата предусматривается уплотнение 14. Несущими и опорными элементами вала являются подшипники, которые располагаются в подшипниковом узле 15, укрепленном в стойке. 
Рассмотренные узлы и детали являются общими для подобных 
аппаратов (рис. 1.2а, б). 
7
7 

 
а                                           б 
Рис. 1.2. Общий вид типовых химических аппаратов: 
а – с эллиптической крышкой, гладкой приварной рубашкой 
и с опорой на лапы; б – с плоской крышкой и с опорой на стойки 
1 . 3 .  Н о р м а т и в н о - т е х н и ч е с к а я  д о к у м е н т а ц и я  
При выполнении расчетно-графических работ следует руководствоваться действующей нормативно-технической документацией: техническими регламентами (ТР), межгосударственными (ГОСТ) и национальными (ГОСТ Р) стандартами, федеральными нормами и правилами, 
отраслевыми стандартами (ОСТ), альбомами типовых конструкций 
(АТК), руководящими документами (РД) и др. 
Так, ГОСТ 20680-2002 «Аппараты с механическими перемешивающими устройствами. Общие технические условия»: 
– классифицирует аппараты на типы в зависимости от формы 
днища и крышки и способа соединения крышки с корпусом (рис. 1.3):  
тип 0 – днище и крышка эллиптические, крышка отъемная; тип 1 – днище 
и крышка эллиптические, крышка приварена к корпусу; 2 – днище коническое, крышка эллиптическая отъемная; 3 – днище коническое, крышка 
эллиптическая, приварена к корпусу; 4 – днище эллиптическое, крышка 
плоская отъемная; 5 – днище эллиптическое, крышка плоская, приварена 
к корпусу; 6 – днище коническое, крышка плоская отъемная; 7 – днище 
коническое, крышка плоская, приварена к корпусу; 8 – днище плоское, 
крышка плоская отъемная; 9 – днище плоское, крышка плоская, приварена к корпусу; 
8
8 

 
Рис. 1.3. Классификация аппаратов с механическими 
перемешивающими устройствами 
– устанавливает варианты исполнения теплообменных устройств: 
тип 0 – без теплообменного устройства; 1 – с гладкой рубашкой; 2 – с рубашкой из полутруб; 3 – с рубашкой с вмятинами; 4 – с электронагревателем;  
– определяет типы применяемых мешалок: 01 – трехлопастная; 
07 – лопастная; 03 – турбинная; 10 – рамная.  
Конструкция и размеры самих мешалок, а также выполнение ступицы и способы крепления мешалки на валу определены в АТК 
24.201.17-90, а конструкция и размеры корпуса аппаратов стандартизованы по ГОСТ 9931-85.  
9
9 

Расчет элементов корпуса (обечаек, днищ, крышек) производится 
по ГОСТ 34233.1-2017. При конструировании аппарата необходимо стремиться к максимальному использованию стандартных и нормализованных элементов. Перечень рекомендуемой нормативно-технической литературы для отдельных составных частей химического аппарата можно 
продолжить. Ссылки на актуальную нормативно-техническую информацию приводятся в соответствующих разделах пособия. 
1 . 4 .  В ы б о р  м а т е р и а л о в  д л я  и з г о т о в л е н и я  
э л е м е н т о в  а п п а р а т а  
Химико-технологические процессы в аппаратах проводятся при 
различных давлениях (от вакуума до избыточного давления) и температурах (от –200 до +500 °С). При этом перерабатываемые вещества, содержащиеся в аппаратах, могут иметь различные степени химической активности при контакте с материалами, использованными при изготовлении деталей и узлов аппарата. Поэтому при выборе материалов для проектируемого аппарата следует учитывать особенности протекающего в нем технологического процесса, параметров и свойств рабочей среды, что обусловливает выполнение определенных требований, предъявляемых к ним: 
а) химическая и коррозионная стойкость к продуктам переработки с учетом давления и температуры процесса; 
б) механическая прочность и износостойкость, которые могут изменяться в зависимости от теплового режима; 
в) технологичность, учитывающая способность материалов хорошо свариваться, сохраняя прочностные характеристики и коррозионную стойкость. 
При изготовлении химических аппаратов в качестве конструкционных материалов чаще всего используют стали различных марок 
(углеродистые и легированные), цветные металлы и их сплавы. Также 
могут применяться чугун и неметаллические материалы, которые 
назначаются для каждого элемента аппарата отдельно после выполнения соответствующих исследований и расчетов. 
Подбор марки стали для корпуса аппарата (обечайки, днища, 
крышки) и других деталей осуществляем по табл. 1.1, где представлена 
коррозионная стойкость различных материалов в зависимости от 
свойств перерабатываемой среды. При выборе материалов с одинаковыми степенями стойкости следует отдавать предпочтение более дешевым материалам, соблюдая оптимальный баланс между стоимостью 
10
10