Основы расчета и конструирования машин и аппаратов перерабатывающих производств

ОСНОВЫ РАСЧЕТА

И КОНСТРУИРОВАНИЯ
МАШИН И АППАРАТОВ
ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ

ПРОИЗВОДСТВ

Москва

ИНФРА-М

201УЧЕБНИК

В.М. ЗИМНЯКОВ, А.А. КУРОЧКИН,
И.А. СПИЦЫН, В.А. ЧУГУНОВ

Рекомендован Учебно-методическим объединением вузов
Российской Федерации по агроинженерному образованию

в качестве учебника для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по направлению подготовки 35.03.06 

«Агроинженерия», профиль «Технологическое оборудование

для хранения и переработки сельскохозяйственной продукции»

(квалификация (степень) «бакалавр»)

УДК 631.36(075.8)
ББК 40.7я73
 
З62

 Зимняков В.М.

Основы расчета и конструирования машин и аппаратов перерабатывающих 

производств : учебник / В.М. Зимняков, А.А. Курочкин, И.А. Спицын, 
В.А. Чугунов. — М. : ИНФРА-М, 2019. — 360 с. — (Высшее образование: 
Бакалавриат). — www.dx.doi.org/10.12737/17664.
ISBN 978-5-16-010566-6 (print)
ISBN 978-5-16-102300-6 (online)

В учебнике изложены сведения об общих принципах проектирования 

и конструирования машин и аппаратов перерабатывающих производств. 
Приводится методика их технологических, энергетических, кинематических 
и прочностных расчетов. Даны рекомендации по конструированию базовых 
и оригинальных деталей и узлов оборудования для первичной переработки 
сельскохозяйственной продукции.

Учебник соответствует требованиям Федерального государственного 

образовательного стандарта высшего образования последнего поколения.

Предназначен для студентов высших сельскохозяйственных учебных 

заведений, обучающихся по направлению подготовки 35.03.06 «Агроинженерия», профиль «Технологическое оборудование для хранения и переработки 
сельскохозяйственной продукции» (квалификация (степень) «бакалавр»).

© Зимняков В.М., Курочкин А.А.,

Спицын И.А., Чугунов В.А., 2013, 2016 

ISBN 978-5-16-010566-6 (print)
ISBN 978-5-16-102300-6 (online)

Р е ц е н з е н т ы :
А.И. Купреенко — д-р техн. наук, профессор;
В.И. Чащинов — канд. техн. наук, доцент (Брянская государственная 
сельскохозяйственная академия);
В.А. Милюткин — д-р техн. наук, профессор (Самарская государственная сельскохозяйственная академия)

Подписано в печать 18.01.2019.

Формат 60×90 1/16. Бумага офсетная.

Печать цифровая. Усл. печ. л. 22,5. 

ППТ20. Заказ № 00000

ТК  327500-1016412-050216

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»

127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр.1

Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

 
     E-mail: books@infra-m.ru                 http://www.infra-m.ru

ФЗ 

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

З62

УДК 631.36(075.8)

ББК 40.7я73

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»

127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1

Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

В основу развития техники и технологий в переработке сельскохозяйственной продукции должен быть положен общий для перерабатывающей отрасли принцип комплексного использования сырья 
на пищевые, кормовые и технические цели. Такой принцип основан 
на замкнутых циклах его переработки и позволяет увеличить ассортимент вырабатываемой продукции и уменьшить экологическое давление отрасли на окружающу ю среду.

Реализация данной концепции на практике связана с техническим перевооружением крупных перерабатывающих предприятий, 
а также значительным повышением технического уровня оборудования, выпускаемого для малотоннажного производства. Одновременно с этим возникает потребность в новых инженерных подходах 
в перерабатывающей отрасли. На современном этапе уже не достаточно простого знания устройства технологического оборудования 
и умения поддерживать его в рабочем состоянии. Необходимы знания закономерностей изменения функционально-технологических 
свойств сырья на всех стадиях его переработки в зависимости от режимов работы машин и аппаратов, а также умение настраивать и 
контролировать параметры оборудования дтя обеспечения этих режимов.

Указанные задачи связаны с получением будущими инженерами знаний и навыков по расчету и конструированию машин и аппаратов перерабатывающих производств.

В связи с этим учебным планом подготовки студентов высших 
учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 
110800 -  Агроинжснсрия. профиль «Технологическое оборудование 
для хранения и переработки сельскохозяйственной продукции», квалификация (степень) -  «бакалавр», предусмотрено изучение дисциплины «Основы расчета и конструирования машин и аппаратов перерабатывающих производств». В рамках этой дисциплины освещаются научные основы создания и расчета современных машин и аппаратов, механизмов и устройств для перерабатывающих производств.

В результате изучения дисциплины студент должен:
знать общие принципы проектирования и конструирования 
машин и аппаратов перерабатывающих производств, методы технологических, энергетических, кинематических и прочностных расчетов оборудования по хранению и первичной переработке сельскохозяйственной продукции;

ВВЕДЕНИЕ

3

уметь конструировать специфические и базовые детали, а также узлы оборудования предприятий по хранению и первичной переработке 
сельскохозяйственной 
продукции, 
оценивать 
техникоэкономические показатели и технический уровень конструкторских 
разработок, при проектировании реализовывать результаты научных 
теоретических исследований на практике;

владеть навыками модернизации и конструирования технических средств для хранения и первичной переработки сельскохозяйственной продукции.

Процесс изучения дисциплины направлен на формирование 
следующих компетенции:

-  способности осуществлять сбор и анализ исходных данных 
для расчета и проектирования;

-  способности к обобщению, анализу, восприятию информации, 
постановке цели и выбору путей ес достижения;

-  готовности к участию в проектировании и конструировании 
машин и аппаратов перерабатывающих производств с учетом технологических, конструкторских, эксплуатационных, эстетических, экономических и управленческих параметров;

-  способности использовать информационные технологии и базы данных при проектировании и конструировании машин;

-  готовности к модернизации и констру ированию технических 
средств для хранения и первичной переработки сельскохозяйственной продукции;

-  готовности к участию в проектировании новой техники;
-  готовности к профессиональной эксплуатации машин и технологического обору дования для производства, хранения и первичной обработки сельскохозяйственной проду кции.

4

ГЛАВА 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЕКТИРОВАНИИ 

И КОНСТРУИРОВАНИИ МАШИН И АППАРАТОВ 

ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРОИЗВОДСТВ

1.1 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 перемещаемые предметы, а их преобразование состоит только в изменении 
положения.

В общем случае технологическая машина состоит из следующих частей: двигателя (двигательного механизма), передаточного и 
исполнительного механизмов. Кроме перечисленного, большинство 
технологических машин перерабатывающих производств дополнительно оснащаются питающим механизмом и выпу скным 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 индивидуальным

5

электродвигателем, и поэтом}' в данном случае имеет место преобразование электрической энергии в механическу ю.

В процессе развития двигательного механизма имели место такие этапы:

а) развитый трансмиссионный привод всех машин от одного 
центрального двигателя;

б) групповой электропривод однородных машин с развитой передаточной трансмиссией:

в) индивидуальный электропривод машины с передаточным 
механизмом ко всем исполнительным механизмам;

г) индивидуальный встроенный электропривод для каждого исполнительного механизма машины.

Последняя система является наиболее совершенной 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 звено, 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 заданном}’ технологическом}’ процессу. Во многих случаях процесс в машине осуществляется несколькими рабочими органами, каждый из ко6

торых 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 
(магнитные, электрические, температурные и т. д.), а также реакционные пространства (камеры), в которых создаются необходимые условия для воздействия на обрабатываемое сырье.

Исполнительные механизмы в значительной степени характеризуются условиями работы рабочих органов. Встречаются механизмы непрерывной работы; рабочие органы этих механизмов находятся 
в непосредственном контакте с обрабатываемым объектом в течение 
всего цикла движения механизма. Известны также периодически работающие механизмы, рабочие органы которых 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; холостое перемещение нс связано с технологическими условиями процесса. При констру ировании рабочих органов исполнительных механизмов необходимо учитывать различные режимы работы их в течение рабочего и холостого ходов.

Питающий механизм предназначен для непрерывной или периодической подачи сырья или исходного продукта в машину. Одновременно механизм может обеспечивать количественное дозирование (весовое или объемное) подаваемого сырья, в зависимости от изменения его физико-механических 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 механизмов:

а) установочными и регулирующими механизмами (для настройки работы машины);

б) механизмами управления (для пуска, остановки, контроля);

7

в) 
механизмами защиты и блокировки, которые должны предотвратить неправильные или несвоевременные включения или отключения отдельных механизмов. Они также предназначены для 
предохранения механизмов машины при аварии сопряженных машин или механизмов или несоответствии свойств изделий заданным 
показателям качества.

Движущиеся элементы машин соединяются с неподвижными 
с помощью опор и подвесок.

Для крепления и соединения отдельных элементов и механизмов машин слу жат корпус, станина, или рама.

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

1.2 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 прису щи 
свойства и особенности частного порядка. Эти свойства и особенности рассматриваются в соответству ющих 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. Ха- 
ратерным признаком аппарата является наличие реакционного 
прстранства или камеры. Для интенсификации процессов, выполняемых аппаратами, они могут быть снабжены дополнительными

8

механизмами. Кроме того, для работы аппаратов обычно обязательно 
наличие различных рабочих жидкостей (холодной и горячей воды), 
газа, пара, дыма и т. д., которые называются теплоносителями или 
хладагентами. Взаимодействие последних с обрабатываемым продуктом в аппарате может происходить прямым контактом или через 
разделяющу ю поверхность (стенку).

В машинах осуществляется механическое воздействие на продукт, в результате чего изменяется его форма, размеры и другие физико-механические 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.

Структура цикла работы машин и аппаратов является классификационным признаком при делении их на обору дование перио- 
дичского. полунепрерывного и непрерывного действия.

В первом типе оборудования продукт подвергается воздействию в течение определенного времени, после которого он выгружается. В оборудовании полунепрерывного (циклического) действия загрузка проду кта и воздействие на него осуществляются непрерывно в 
течение всего рабочего цикла, а выгрузка -  через определённые промежутки времени. В оборудовании непрерывного действия загрузка, 
обработка и выгру зка продукта осуществляются одновременно.

В процессе своей работы технологическое оборудование выполняет не только основные (измельчение, перемешивание, варка, и 
т. п ), но и 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 обору дованием без участия человека, если автомат обладает 
способностью производить логические операции и сам 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

9

вспомогательные, а также часть основных операций выполняются 
вручную.

В зависимости от сочетания технологического оборудования 
в производственном потоке различают отдельные единицы (выпоня- 
ют одну операцию): агрегаты (выполняют последовательно различные операции); комбинированное оборудование (выполняет закочен- 
ный цикл операций) и поточные автоматические линии (выполняют 
все технологические операции в непрерывном потоке).

Наконец, по функциональному признак)' 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 
назначению подробно изучается в курсах «Технологическое оборудование для переработки проду кции животноводства» и «Технологическое оборудование для переработки продукции растениеводства».

1.3 
ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 
И КОНСТРУИРОВАНИЯ МАШИН

При проектировании машин выделяют следующие, наиболее 
характерные, типовые, действия инженеров:

использование известного технического объекта с известными 
характеристиками;

выбор технического объекта с характеристиками, обеспечивающими осуществление заданного процесса;

создание нового технического объекта или его частей -  конструкции 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.

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.

10