Курочкин А.А., Зимняков В.М.

К93 Основы расчета и конструирования машин и аппаратов перерабатывающих производств / Под ред. А. А. Курочки-на. — М.: КолосС, 2006 — 320 с. — (Учебники и учебные по­собия для студентов высших учебных заведений). ISBN 5-9532-0303-9

Изложены сведения об общих принципах проектирования и конструи­рования машин и аппаратов перерабатывающих производстн. 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.

Для студентов высших сельскохозяйственных учебных заведений по специальности 110303 «Механизация переработки сельскохозяйственной продукции».

ISBN 5-9532-0303-9

Г л а в а 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 переме­щаемый предмет, а его преобразование состоит только в измене­нии положения.

В общем случае технологическая машина состоит из следую­щих механизмов: двигательного (двигателя), передаточного и ис­полнительного. Кроме перечисленного, большинство технологи­ческих машин перерабатывающих производств дополнительно ос­нащаются питающим механизмом и выпускным 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 отдельным элект­родвигателем, и поэтому в данном случае имеет место преобразо­вание электрической энергии в механическую.

Процесс развития двигательного механизма происходил по

следующим этапам:

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЕКТИРОВАНИИ И КОНСТРУИРО­
ВАНИИ МАШИН И АППАРАТОВ ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРОИЗ­
ВОДСТВ............................................................................................................................. 3

1.1. Структура машин и назначение их элементов............................................... 3

1.2. Классификация машин и аппаратов перерабатывающих производств.... 6

1.3. Этапы проектирования и конструирования машин...................................... 7

1.4. Единая система конструкторской документации............................................... 11

1.5. Компоновка оборудования................................................................................. 18

Глава 2. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫКОНСТРУИРОВАНИЯ МАШИН

И АППАРАТОВ ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРОИЗВОДСТВ (МАПП)............ 30

2.1. Основные методы и принципы конструирования........................................... 30

2.2. Задачи и общие правила конструирования МАПП........................................ 34

2.3. Предпочтительные числа и международные стандарты............................... 48

2.4. Материалоемкость и облегчение деталей и узлов........................................ 51

2.5. Пути повышения жесткости конструкции..................................................... 56

2.6. Использование системы автоматизированного проектирования................ 64

Глава 3. НАДЕЖНОСТЬ И РАБОТОСПОСОБНОСТЬ МАШИН

И АППАРАТОВ ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРОИЗВОДСТВ............................ 74

3.1. Основные понятия и термины.......................................................................... 74

3.2. Основные показатели работоспособности..................................................... 77

3.3. Основные пути повышения надежности МАПП.......................................... 80

3.4. Прогнозирование надежности машин и аппаратов в процессе их
создания............................................................................................................. 86

Глава 4. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ МАШИН ДЛЯ ПОДГО­
ТОВКИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ И ТАРЫК ОСНОВНЫМ ТЕХНО­
ЛОГИЧЕСКИМ ОПЕРАЦИЯМ................................................................................. 94

4.1. Расчет параметров машин для разделения сыпучих продуктов.................. 94

4.2. Основы расчета и конструирования машин для мойки плодов и
овощей.............................................................................................................. 104

4.3. Расчет машин для мойки тары....................................................................... ПО

Г л а в а 5. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СЕЛЬСКО­
ХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ......................................................................... 115

5.1. Расчет и конструирование центрифуг............................................................ 115

5.2. Расчет и конструирование сепараторов.......................................................... 123

5.3. Расчет и конструирование рабочих органов молотковых дробилок........... 146

5.4. Расчет и конструирование рабочих органов вальцовых машин.................. 154

5.5. Расчет и конструирование резательных устройств....................................... 162

5.6. Расчет рабочих органов смесителей............................................................... 171

 

5.7. Расчет тестомесильных машин....................................................................... 181

5.8. Основы расчета пульсационных машин........................................................ 187

5.9. Основы расчета и конструирования оборудования для обработки
сельскохозяйственной продукции давлением.............................................. 193

 

5.10. Основы расчета и конструирования вибрационных машин....................... 203

5.11. Расчет и конструирование устройств виброзащиты................................... 211

Глава 6. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙ­
СТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ..................................................................................... 216

6.1. Основные требования к материалам и конструкциям теплообменных

и выпарных аппаратов.................................................................................... 217

6.2. Расчет теплообменных аппаратов.................................................................. 218

6.3. Расчет выпарных аппаратов........................................................................... 226

6.4. Расчет цилиндрических корпусов вертикальных аппаратов и обечаек....... 229

6.5. Расчет автоклавов........................................................................................... 239

6.6. Расчет и конструирование фланцевых соединений....................................... 243

Глава 7. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ДОЗИРОВАНИЯ, ФАСОВКИ И УПАКОВКИ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ...................................................... 250

7.1. Требования, предъявляемые к оборудованию для дозирования

продуктов....................................................................................................... 250

7.2. Расчет оборудования для дозирования продуктов...................................... 252

7.3. Требования, предъявляемые к оборудованию для фасовки и упаковки
продуктов........................................................................................................ 259

7.4. Элементы расчета оборудования для фасовки и упаковки продуктов... 261

Глава 8. КОНСТРУИРОВАНИЕ САМОУСТАНАВЛИВАЮЩИХСЯ
МЕХАНИЗМОВ......................................................................................................... 274

Глава 9. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ
МЕХАНИЗМОВ.......................................................................................................... 282

Глава 10. СТАНДАРТИЗАЦИЯ, СЕРТИФИКАЦИЯ И МЕТРОЛОГИ­
ЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ
ПРОИЗВОДСТВ.......................................................................................................... 296

10.1. Стандартизация как средство управления качеством оборудования.... 296

10.2. Сертификация оборудования как средство подтверждения его
качества.................................................................................................................. 303

10.3. Метрологическое обеспечение расчета и проектирования оборудо­
вания...................................................................................................................... 307

Приложения................................................................................................................. 315

Литература................................................................................................................. 317

 

к точности измерений являются границы допускаемого интервала, в котором с заданной вероятностью Р должна находиться погреш­ность измерений.

Если граница симметрична, то перед их числовым значением ставятся знаки «+». Если заданное значение вероятности Р = 1, то в качестве требований к точности измерений используются преде­лы допускаемых значений погрешности измерений. При этом ве­роятность Р = 1 не указывается.

Ответственным этапом является оценивание погрешности из­мерений путем анализа возможных источников и составляющих погрешности измерений: методических составляющих (например, погрешности, возникающие при отборе и приготовлении проб), инструментальных составляющих (допустим, погрешности, вызы­ваемые ограниченной разрешающей способностью средства изме­рения); погрешности, вносимые оператором (субъективные по­грешности).

Контрольные вопросы и задания

1. Какие категории стандартов Вы знаете? 2. Каковы наиболее важные прин­ципы стандартизации? 3. Перечислите основные методы, применяемые в стандар­тизации. 4. Что понимается под унификацией машин и аппаратов перерабатываю­щих производств? 5. В чем сущность конструкторской и технологической унифи­кации? 6. Чем принципиально отличается добровольная сертификация от обязательной? 7. Что относится к основополагающим принципам сертификации? 8. Что понимается под термином «метрология»? 9. Какие метрологические свой­ства средств измерений (СИ) определяют их качество измерений? 10. Перечислите метрологические свойства средств измерений (СИ), определяющие область их применения.

 

ЛИТЕРАТУРА

Анурьев В. Н. Справочник конструктора-машиностроителя. Т. 1, 2, 3. — М.: Машиностроение, 1992.

КононюкА. В., БасанькоВ.А. Справочник конструктора оборудования пище­вых производств. — К.: Техника, 1981.

Лифиц И. М. Основы стандартизации, метрологии, сертификации: Учебник. — 2-е изд., испр. и доп. — М.: Юрайт-М, 2001.

Надежность и ремонт машин /В. В. Курчаткин, Н. Ф. Тельнов, К. А. Ачкасов и др.; Под ред. В. В. Курчаткина. — М.: Колос, 2000.

Наземные тягово-транспортные системы. Энциклопедия. Ред. совет: И. П. Ксеневич, В. А. Гоберман, Л. А. Гоберман; Под ред. И. П. Ксеневича, 2003.

Орлов П. И. Основы конструирования. В 2-х кн. Кн. 1, 2/Под ред. П. Н. Учаева. — М.: Машиностроение, 1988.

ОстриковА.Н., Парфенопуло М. Г., Шевцов А. А. Практикум по курсу «Техно­логическое оборудование». — Воронеж, 1999.

ОстриковА.Н., Абрамов О. В. Расчет и конструирование машин и аппаратов пищевых производств. Учебник для вузов. — СПб.: ГИОРД, 2003.

Практикум по основам расчета и конструирования машин и аппаратов перераба­тывающих производствI В. М. Зимняков, И. В. Назаров,. А. В. Удовкин и др.— Пенза: Пензенская ГСХА, 2003.

Проектирование механических передач / С. А. Чернавский, Г. А. Слесарев Б. С. Козинцов и др. — М.: Машиностроение, 1984.

Расчет и конструирование торгово-технологического оборудования/ Л. И. Гор­дон, Г. А. Корнюшко, И. И. Лангенбах и др. Под общей редакцией В. Н. Шувалова и С. В. Харламова. —Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1985.

Соколов А. Я. и др. Основы расчета и конструирования машин и автоматов пи­щевых производств. — М.: Машиностроение, 1969.

Соколов В. И. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов пище­вых производств: 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Колос, 1992.

Фрезергер А. Д. Автоматизация производства упаковочных материалов и тары для мясных и молочных продуктов. — М.: Агропромиздат, 1988.

Харламов С.В. Конструирование технологических машин и аппаратов.—Л.: Изд-во Ленингр. ун-та. 1974.

Харламов С.В. Конструирование технологических машин пищевых произ­водств. Учеб.пособие.—Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1979.

Харламов С.В. Практикум по расчету и конструированию машин и аппаратов пищевых производств: Учеб. пособие. —Л.: Агропромиздат, 1991.

Чернилевский Д. В. Детали машин. Проектирование приводов технологическо­го оборудования: Учебное пособие для студентов вузов. 2-е изд., исправл. — М.: Машиностроение, 2002.

Глава 6

РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ

•

На перерабатывающих производствах расходуется большое ко­личество тепловой энергии. Основой многих технологических процессов, применяемых в перерабатывающих производствах, яв­ляется нагревание или охлаждение продуктов. Для осуществления этих процессов на предприятиях применяют тепловые аппараты, различные по конструкции и назначению: теплообменники для нагревания жидкостей, выпарные установки, ректификационные и перегонные аппараты, пастеризаторы, стерилизаторы, автокла­вы, бланширователи, электрические тепловые аппараты, обжароч-ные и хлебопекарные печи.

В зависимости от способа передачи тепла все теплообменники могут быть разделены на две группы: поверхностные аппараты и аппараты смешения.

Конструктивно поверхностные теплообменные аппараты де­лятся на кожухотрубные, змеевиковые, пластинчатые и «труба в трубе».

В свою очередь кожухотрубные классифицируются на ап­параты:

• жесткого типа, т. е. с неподвижными приваренными трубны­
ми решетками;

• полужесткого типа с частичной компенсацией температурных
деформаций;

• нежесткого типа - с полной компенсацией температурных
деформаций элементов аппарата.

В зависимости от способа теплообмена поверхностные тепло­обменники делятся на рекуперативные и регенеративные. В реку­перативных теплообмен протекает между жидкостями через разде­ляющую их стенку. В регенеративных теплообменных аппаратах одна и та же поверхность омывается поочередно горячей и холод­ной жидкостями. В этих теплообменниках при протекании горя­чей жидкости тепло воспринимается и аккумулируется стенками или другим веществом, а при протекании холодной жидкости ак­кумулированное тепло передается холодной жидкости.

Наибольшее распространение получили рекуперативные теп-

лообменники. В этих аппаратах теплообменивающиеся вещества разделены стенкой, через которую передается тепло.

В аппаратах смешения оба вещества смешиваются между со­бой. Такие аппараты могут применяться в том случае, если техно­логические условия допускают подобное смешивание. Они явля­ются наиболее простыми по конструкции и выгодными по ис­пользованию тепла.

6.1. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ

и КОНСТРУКЦИЯМ ТЕПЛООБМЕННЫХ И ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ

В перерабатывающих производствах приходится нагревать про­дукты, различные по своему химическому составу. В большинстве случаев они имеют кислую или щелочную реакцию. При перера­ботке овощей и фруктов получаемые соки и другие продукты име­ют кислую реакцию, поэтому для этих продуктов теплообменники изготовляют из нержавеющей стали или других антикоррозийных металлов.

В кукурузно-крахмальном и паточном. производствах в каче­стве катализатора, ускоряющего технологический процесс, при­меняется серная или соляная кислота. Вследствие этого продукты производства получаются химически агрессивными по отноше­нию к металлам. Для подогревания таких продуктов аппаратуру следует изготовлять из кислотоупорного чугуна, нержавеющей стали, меди и ее сплавов.

В молочной промышленности детали теплообменной аппара­туры, соприкасающиеся с продуктом, в большинстве случаев изго­товляют из нержавеющей стали.

В свеклосахарном производстве диффузионный сок имеет сла­бокислую реакцию, а сатурационный сок — слабощелочную. Для этих продуктов теплообменники изготовляют из углеродистой стали.

На предприятиях перерабатывающей промышленности часто используется так называемый вторичный пар выпарных устано­вок. В нем содержатся воздух и другие неконденсирующиеся газы (например, аммиак), способные воздействовать на материал тру­бок и усилить их коррозию. Поэтому аппарат должен быть сконст­руирован таким образом, чтобы из его парового пространства можно было полностью удалять неконденсирующиеся газы.

Температурный режим работы теплообменника имеет очень
большое значение. Не только высокая температура, но и продол­
жительное нагревание продукта могут привести к его порче или
разложению ценных питательных веществ. Поэтому нагревание
должно происходить быстро при оптимальном температурном ре­
жиме.

В теплообменнике не должно быть зон, в которых бы продукт застаивался, пригорал или карамелизовался. По этой причине во многих случаях продукт перемещается через теплообменные аппа­раты с большой скоростью.

6.2. РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

В теплообменниках жесткого типа возникают температурные напряжения в корпусе и в трубках из-за разности температур их стенок. Это может нарушить плотность в местах развальцовки трубок и привести к проникновению продукта из межтрубного пространства в трубное (и наоборот). Такие теплообменники ре­комендуется применять в тех случаях, когда разность между тем­пературами теплоносителей не превышает 50 °С и когда по техно­логическим условиям не требуется чистить наружную поверхность трубок. Теплообменники жесткого типа просты по устройству, не­сложны в изготовлении и потому дешевле теплообменников неже­сткого и полужесткого типов; этим и объясняется их широкое рас­пространение.

Расчет основных конструктивных параметров теплообменного аппарата осуществляется после теплового расчета и поэтому кон­структору известны следующие показатели конструируемого изде­лия: площадь поверхности теплообмена, пропускная способность (производительность), скорость движения продукта, размеры труб, все теплофизические константы участвующих в теплообмене элементов, коэффициенты и другие параметры, характеризующие данный тепловой процесс.

Длина пучка труб для осуществления теплообменного процесса может быть представлена зависимостью

(6.1)

где F— площадь поверхности теплообмена, м²; V— пропускная способность пуч­ка труб, м³/с; d_в и dp — соответственно внутренний и расчетный диаметры трубы, м; v — скорость движения продукта в трубах пучка, м/с.

Число ходов в аппарате

(6.2)

где L — выбранная длина аппарата, м.

За расчетный диаметр принимают внутренний или наружный диаметр трубы в зависимости от того, по какой ее стороне коэф­фициент теплоотдачи меньше. При примерно равных условиях за расчетный принимают средний диаметр трубы.

218

Трубы в трубной решетке раз­мещают тремя способами: по сто­ронам правильных шестиуголь­ников (по вершинам равносто­ронних треугольников, рис. 6.1), по сторонам квадратов и по кон­центрическим окружностям.

Для получения компактного теплообменника с наименьшим размером в поперечном сечении; расстояние между осями труб
(шаг расположения труб) прини­
мают минимальным. Его значе­
ние зависит от способа крепле­
ния труб в решетке, самым рас­
пространенным из которых
является способ развальцовки.
пайка и заливка концов труб для медных труб..

Рис.6.1. Схема расположения труб по МЯГКИМ припоем применяется вершинам равносторонних треугольников

В случае вальцованных соединений с наружным диаметром труб более 19 мм минимальный шаг расположения труб получают по условию (6.3)

Причем ширина простенка (мм) должна быть, в свою очередь, связана условием

(6.4)

где d_н — наружный диаметр трубы, мм, l— принятый шаг расположения труб, мм.

Большее значение шага выбирают для труб меньшего диаметра.

Внутренний диаметр корпуса аппарата при расположении труб по сторонам правильных шестиугольников определяют по вы­ражению

(6.5)

где n_д — число труб, расположенных по диагоналям наибольшего шестиугольника.

Зная количество труб, расположенных на стороне наибольшего шестиугольника п_с, определяют количество труб, расположенных на его диагонали, а именно

(6.6) 219.

Общее количество труб в аппарате

(6.7)

Диаметр аппарата, найденный по выражению (6.5), округля­ется до ближайшего из рекомендованных унифицированных размеров.

Когда общее количество труб в аппарате превышает число 127, появляется возможность размещения дополнительного числа труб на шести сегментных площадках. Это количество труб составляет 10... 18 % от числа труб, размещенных в пределах наибольшего ше­стиугольника.

В многоходовых аппаратах необходимо предусмотреть распре­деление труб по ходам и устройство соответствующих перегородок в камерах. При этом общее количество труб в пределах данного диаметра трубной решетки уменьшится, так как часть плиты ока­жется занятой перегородками.

Чаще всего применяются хордовые (параллельные) и радиаль­ные перегородки.

При наличии перегородок внутренний диаметр аппарата опре­деляется зависимостью

(6.8)

где — коэффициент заполнения трубной решетки (для одноходовых аппаратов = 0,8.-0,9; для многоходовых— =0,6...0,8); —угол, образуемый централь­ными линиями трубных рядов, град.

При размещении труб по концентрическим окружностям коэф­фициент заполнения трубной решетки необходимо уменьшить на 5... 10 %, а при размещении по сторонам квадратов — на 15 %.

При конструировании многоходовых аппаратов необходимо вы­чертить трубную решетку в масштабе, нанести расположение пе­регородок в каждой камере, уточнить расположение труб и конст­руктивно определить окончательные размеры аппарата. На черте­же нужно указать общее количество труб, диаметр труб, длину аппарата и другие размеры.

Толщина трубной решетки может быть определена так же, как и толщина плоского днища, но с учетом ослабления ее отверстиями:

(6.9) s

где К— коэффициент закрепления (К~ 0,162); р — перепад давлений по сторонам трубной решетки, Па; [о_и] —допускаемое напряжение при изгибе, Па; —коэф­фициент ослабления трубной решетки отверстиями.

Коэффициент ослабления трубной решетки

(6.10)

Толщина трубной стальной решетки, исходя из надежной раз­вальцовки труб, должна быть больше, чем найденная по следую­щему выражению:

(6.11)

Кроме того, рекомендуется проверить ромбический участок трубной решетки на изгиб (см. рис. 6.1) по уравнению

(6.12)

где — среднее арифметическое сторон

(6.13)

Проверяют также прочность крепления труб в трубной решетке в зависимости от способа их закрепления по уравнениям: при развальцовке труб

(6.14)

при пайке или приварке труб

(6.15)

где —усилие, приходящееся на единицу длины периметра развальцовки, Н/м (должно быть меньше 4000...7000 Н/м в зависимости от количества пазов для раз­вальцовки); — суммарное усилие в трубах, —соответственно рас­четное и допускаемое напряжения среза в сварном или паяном шве, Па; — глу­бина пропайки или проварки, м.

Во время работы в трубах и корпусе аппарата возникают усилия и напряжения, обусловленные разностями давлений и температур в различных его зонах.

Осевую силу, стремящуюся оторвать одну часть аппарата от другой вследствие разности давлений внутри и вне аппарата, оп­ределяют по формуле

(6.16)

где — осевые силы в трубах и корпусе аппарата, возникающие от раз-

ности давлений, — давление рабочего тела в межтрубном пространстве, Па;

— давление продукта в трубном пространстве, Па.