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

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

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 конструктора-машиностроителя» Анурьева В. И., «Основы конструирования» Орлова П. И., «Справочник металлиста» в 5 т. и др.
      При подготовке данного издания использовались также работы Джонса К. Дж. по основам проектирования; Валентаса К. Дж, Ротштейна Э., Сингха 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 обо-рудованипя 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 тех

9

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

ВВЕДЕНИЕ


     Задачи, возникающие при проектировании и конструировании новой техники, заключаются в обеспечении наибольшего экономического эффекта при высоких эксплуатационных показателях и показателях назначения создаваемого оборудования.
     К главным показателям, характеризующим технический уровень машин, относятся производительность или пропускная способность, материало- и энергоемкость, надежность, эргономичность и безопасность обслуживания.
     Термин проектирование обычно относят к разработке общих и компоновочных схем технологического оборудования, поточных линий, участков, цехов, промышленных предприятий с необходимыми линиями коммуникаций. Конструирование является процессом более детальной проработки проектных задач с целью получения конструкторской и нормативно-технической документации, позволяющей воплотить полученные технические решения в реальное изделие.
     Проектирование и конструирование - это многостадийный процесс, включающий решение следующих вопросов:
     -       постановку проектной и конструкторской задачи с обоснованием принципов действия создаваемой машины и ее основных технико-экономических параметров;
     -       разработку технологической и конструктивной схем с компоновкой основных частей машины, способной удовлетворить требованиям эксплуатации;
     -      функционально-структурный и силовой анализ машины;
     -       определение оптимальной формы и пространственного расположения структурных элементов машины с установлением типоразмеров ее узлов и деталей;
     -       технологическую проработку вопросов изготовления, сборки узлов и монтажа машины;
     -       разработку комплекта конструкторской и нормативно-технической документации на машину;
     -       выполнение необходимых инженерных расчетов, подтверждающих или определяющих те или иные проектные решения и работоспособность машины в целом.
     Конечной целью создания новых технологий в сфере АПК и на их базе современного пищевого оборудования является сохранение здоровья населения страны. Решение этой проблемы затрагивает несколько этапов:
     -       определение потребности в том или ином виде пищевой продукции в целом по стране и конкретно по регионам;

11

      -      выбор, совершенствование или создание новой технологии для производства данной продукции;
      -      проектирование или модернизация технологического оборудования, реализующего созданную технологию;
      -      подготовка производства, выпуск оборудования и поставка его потребителям;
      -     расширенное производство пищевой продукции.
      Решение этой проблемы до полного насыщения рынка в зависимости от вида осваиваемой продукции может составлять значительный срок, от 5 до 10 лет. При этом, как показывает практика, процесс проектирования, испытаний и ввода в эксплуатацию нового оборудования может составлять от 80 до 90% всего времени. Сроки создания новой техники от проектирования до ввода в действие оборудования в современных условиях жесткой конкуренции и борьбы за рыночные ниши должны быть существенно сокращены. В противном случае нельзя будет добиться лидирующего положения на рынке.
      Поэтому в современных условиях главное значение приобретают потребительские качества, показатели назначения и высокой надежности проектируемой техники.

12

ГЛАВА 1


КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ ПРОДУКЦИИ, ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
И ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ

     1.1. Общая классификация промышленной продукции и систематизация пищевого оборудования.
     1.2. Экономические аспекты проектирования нового оборудования.
     1.3. Основные принципы и общие правила конструирования.
     Условные обозначения.
     Глоссарий.
     Контрольные вопросы.

1.1. Общая классификация промышленной продукции и систематизация пищевого оборудования

     Под промышленной продукцией понимается материализованный результат трудовой деятельности, обладающий полезными свойствами и предназначенный для использования потребителями в целях удовлетворения их потребностей.
     Промышленная продукция может быть разделена на два класса: расходуемая при использовании и расходующая свой ресурс. Первый класс продукции подразделяется на три группы: сырье и природное топливо (группа 1); материалы и продукты (группа 2); расходные изделия (группа 3) (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 - Промышленная продукция, класс I: а - группа 1: сырье и природное топливо, б - группа 2: материалы и продукты, в - группа 3: расходные изделия

13

     Второй класс делится на две группы:
     -  неремонтируемые изделия (группа 4);
     -  ремонтируемые изделия (группа 5).
     В группу 4 входят, например, полупроводниковые приборы, интегральные схемы, резисторы, подшипники, крепежные изделия и др. (рис. 1.2, а). Группу 5 составляет технологическое оборудование различных отраслей промышленности, автоматические и поточные линии, транспортные машины, измерительные приборы, средства автоматизации и роботизации и др. (рис. 1.2, б).


Рисунок 1.2 - Промышленная продукция, класс II:
а - группа 4: неремонтируемые изделия, б - группа 5: ремонтируемые изделия

     Продукция I класса расходуется по назначению в процессе использования, при этом происходит в большинстве случаев необратимый процесс переработки сырья, материалов и полуфабрикатов.
     При использовании по назначению продукции II класса происходит расход ее ресурса, при этом продукция используется до технического или морального износа.
     Приведенная классификация промышленной продукции применяется для выбора номенклатуры единичных показателей качества и определения ее области применения.
     Показатели качества промышленной продукции классифицируются по различным признакам (табл. 1.1)


14