Основы теории и расчета трафаретных печатных машин с ракелем валкового типа

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Актуальность исследования. Современный рынок полиграфических услуг характеризуется четким разделением на сегменты, в каждом из которых выпускается довольно узкий ассортимент полиграфической продукции. Согласно данным, приведенным в периодической литературе, самыми большими сегментами являются коммерческая печать и изготовление упаковки (36% и 27% соответственно). В тоже время среди тенденций современного полиграфического рынка можно отметить:

– увеличение доли дорогостоящей печатной продукции до 45 %;

– рост доли печатной продукции, изготовленной с помощью УФкрасок и лаков, до 10 % в год на ближайшие годы;

– увеличение сложности печатной продукции как способ противодействия высокой насыщенности рынка;

– рост производства красок для трафаретной печати на 4,4 % к 2010 г.

Перечисленные тенденции развития полиграфического рынка непосредственно связаны с трафаретной печатью. Трафаретный способ печати имеет традиционные ниши: печать на готовых изделиях, по текстилю, на сложных нетрадиционных поверхностях (от древесины до бетонных стен), радиоэлектроника, приборостроение и пр. По данным зарубежной печати рост доли трафаретной печати на рынке полиграфических услуг составляет 46 % в год. Количество закупаемых по экспорту трафаретных печатных машин стоит на четвертом месте после листовых офсетных, флексографских, рулонных офсетных печатных машин.

Кроме того, одним из направлений развития полиграфии является построение гибридных печатных линий с встроенными секциями трафаретной ротационной печати. Это позволяет получать необходимые свойства оттиска на больших тиражах с высокой скоростью, что наиболее востребовано при изготовлении этикеточной продукции, объёмы которой постоянно растут. Таким образом, данный способ печати обладает известными положительными качествами, которые позволяют ему развиваться и занимать значительную по объему часть рынка полиграфических услуг.

В то же время известны недостатки ТП, среди которых основные:

– низкая производительность трафаретных плоскопечатных машин, обусловленная наличием холостого хода ракельной каретки;

– большие геометрические искажения изображения на оттиске при использовании плоскопечатных машин изза деформации сетчатой основы трафаретной печатной формы (ТПФ), которые возникают вследствие трения между ракелем и сеткой, а также наличия технологического зазора между сеткой и запечатываемым материалом;

– невозможность использования в трафаретной ротационной печати печатных форм большого диаметра изза деформации, которая возникает при воздействии ракеля на формный цилиндр, что ограничивает формат запечатываемой поверхности.

Указанные недостатки сдерживают развитие трафаретной печати, обладающей уникальными технологическими и изобразительными возможностями. Таким образом, в условиях роста использования трафаретной печати в полиграфии и других отраслях промышленности, исследования, направленные на решение указанных проблем трафаретной печати, являются актуальными.

Цель диссертационной работы. Целью диссертационной работы является создание основ теории и расчета трафаретных печатных устройств с ракелем валкового типа. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи.

1. Разработка математической модели течения краски в рабочем слое ракельного механизма валкового типа.

2. Подтверждение работоспособности разработанной математической модели путем сравнения результатов натурных и вычислительных экспериментов.

3. Определение коэффициентов, входящих в разработанную модель, для возможности её применения за пределами диапазона параметров, учтенных при проведении натурных экспериментах.

Методы исследований. Исследования осуществлялись методом математического моделирования процесса течения жидкости в рабочем слое и экспериментальной проверки результатов расчетов. Расчет давления в рабочем слое выполняли с помощью разработанной модели при различных режимах течения. На основании полученной модели разработан компьютерный программный комплекс, включающий ряд программ для вычислительной системы MathCad 2000. С помощью программного комплекса был проведен вычислительный эксперимент по определению параметров течения. По результатам экспериментов были определены постоянные коэффициенты, применяемые в модели течения краски, которые позволяют применять разработанную модель вне пределов диапазона параметров течения, использованных в натурных экспериментах.

Натурный эксперимент, проведенный для определения работоспособности разработанной модели, проводили с помощью исследовательского комплекса, в которой входили: трафаретное лабораторное печатное устройство, электронный усилитель, цифровой осциллограф, компьютер с соответствующим программным обеспечением. Были проведены эксперименты по определению давления в рабочем слое жидкости при использовании красок, обладающих разными свойствами. Полученные результаты обрабатывались с помощью программы EXEL.

Также был проведен ряд экспериментов, необходимых для определения параметров течения в рабочем слое. В частности, разработан и изготовлен лабораторный стенд для определения деформации упругой покрышки валикракеля в зависимости от давления при использовании выбранных упругих материалов (резины и несколько типов фотополимеров). По результатам проведенных экспериментов с помощью теории обработки экспериментальных данных получены модели их деформации. Был изготовлен испытательный стенд и проведены эксперименты по определению давления, при котором краска начинает течь через сетчатую основу трафаретной печатной формы. Кроме того, были проведены опыты по определению работоспособности предложенных вариантов трафаретных печатных устройств с ракелем валкового типа.

Личный вклад соискателя. В рамках представленной работы автором самостоятельно получены следующие результаты.

1. Математическая модель течения краски в рабочем слое при использовании ракеля валкового типа.

2. Разработан комплекс компьютерных программ, в которых реализована математическая модель течения краски в рабочем слое.

3. Разработан и спроектирован лабораторный комплекс для проведения исследований по определению давления в рабочем слое краски при использовании ракеля валкового типа.

4. Разработаны и изготовлены лабораторные устройства для проведения испытаний по определению свойств материалов, применяемых в исследованиях.

5. Разработано техническое задание на разработку компьютерной программы решения уравнения Навье-Стокса, принято участие в программмировании и отладке программы.

6. Проведены вычислительные и натурные эксперименты по определению работоспособности предложенной математической модели течения краски в рабочем слое.

7. Предложены варианты трафаретного печатного устройства с ракелем валкового типа, защищенные патентами на полезную модель, проведены опыты по определению работоспособности указанных устройств.

8. Сделаны практические рекомендации по расчету и проектированию трафаретных печатных устройств с ракелем валкового типа.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Математическая модель течения жидкости в рабочем слое трафаретных печатных устройствах с ракелем валкового типа.

2. Результаты экспериментов по определению оптимальных параметров трафаретных печатных устройств с ракелем валкового типа.

3. Рекомендации по применению и расчету трафаретных печатных устройств с ракелем валкового типа, полученные с использованием компьютерных и натурных экспериментов.

4. Варианты трафаретных печатных устройств с ракелем валкового типа.

Научная новизна исследований. Научная новизна работы заключается в:

– аналитическом описании течения краски в рабочем слое трафаретного печатного устройства с ракелем валкового типа;

– разработке научно обоснованных рекомендаций по расчету и эксплуатации трафаретных печатающих устройств с ракелем валкового типа;

– определении диапазона применимости трафаретного печатающего устройства в зависимости от скорости движения ракельной каретки, диаметра валик-ракеля, скорости его вращения и плотности сетчатой основы трафаретной печатной формы.

Практическая значимость работы.

Практическая ценность работы заключается в получении результатов, позволяющих регулировать печатный процесс за счет изменения скорости движения ракельной каретки и скорости вращения валик-ракеля в зависимости от плотности краски. Полученные результаты предназначены для расчета, проектирования и эксплуатации трафаретных печатных устройств с ракелем валкового типа. Применение указанных печатных устройств позволит устранить причины, препятствующие её развитию и существенно расширить технологические возможности трафаретной печати. Кроме того, результаты работы могут применяться при исследовании увлажняющего аппарата непрерывного действия офсетной печатной машины.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертации обсуждались на Всесоюзном совещании по методам расчёта полиграфических машин-автоматов в г. Львове в 1987 г., на конференции «Научно-технический прогресс в полиграфии» в г. Москве в 1987 г., на первой всесоюзной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов Госкомиздата СССР «Научно-технический прогресс в книжном деле» в г. Москве в 1988 г., на первой заочной международной научной конференции «Проблемы современной полиграфии» в г. Омске в 2002 г., на IV Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» в г. Омске в 2002 г., на Межвузовской научно-практической конференции с международным участием в г. Омске в 2003 г., в сборниках различного уровня. В частности в сборниках, входящих в список ВАК, опубликовано 9 статей. Научная новизна предложенных технических решений подтверждается двумя патентами на изобретение и двумя па-тентами на полезную модель.

1. Перечень материалов, применяемых при изготовлении трафаретных печатных форм (ТПФ), способы изготовления ТПФ, как плоских, так и ротационных

Также приведены способы воздействия на краску, с помощью которых происходит продавливание краски через печатающие элементы на запечатываемый материал. Наиболее распространенным способом создания такого усилия является механическое воздействие на краску с помощью плоского или ротационного ракеля.

Проводится анализ способов изготовления ТПФ и формных материалов, на основании которого определено, что плоские трафаретные печатные формы, независимо от способа изготовления и применяемых формных материалов, при использовании плоского ракеля подвержены значительным деформациям в процессе печатания, которые ведут к графическим искажениям изображения на оттиске. Данное свойство не позволяет осуществлять печатание без холостого хода, что снижает скорость трафаретных плоскопечатных машин. В трафаретной ротационной печати, из-за наличия тянущих усилий со стороны плоского ракеля на печатную, форму ограничены габаритные размеры печатной формы. Указанные проблемы, мешающие развитию трафаретной печати, позволяет решить применение ракеля валкового типа. В настоящее время существуют трафаретные ротационные устройства с ракелем валкового типа, однако их применение ограничивается маловязкими красками и низкосортными бумагами.

Проведен обзор и анализ работ отечественных и зарубежных исследователей, касающихся изучения течения краски в трафаретном печатном процессе. Отмечено лишь несколько работ, посвященных ракелям валкового типа, которые носят в основном экспериментальный характер. Авторы этих работ моделируют течение краски непосредственно через сетчатую основу ТПФ, и не касаются течения краски в пространстве между ракелем валкового типа и поверхностью печатной формы. Все указанные работы проведены зарубежными исследователями. В нашей стране такие исследования не проводились.

В полиграфических печатных устройствах валковые системы известны давно, поэтому в диссертации приведен обзор работ, посвященных течению краски в красочных аппаратах машин офсетной и высокой печати. Среди указанных работ также отсутствуют исследования, посвященные течению краски в пространстве перед валиками.

Проведенный анализ научных исследований позволяет заключить, что: растёт интерес исследователей к гидродинамическим процессам, происходящим в рабочем слое трафаретных печатных устройств; существует необходимость разработки теории, позволяющей моделировать течение краски в рабочем слое при использовании ракеля валкового типа.

2. Процесс трафаретной печати с помощью ракеля валкового типа с точки зрения гидродинамики

Определена схема движения краски в рабочем слое при использовании ракеля валкового типа, обосновано рассмотрение плоского стационарного движения несжимаемой жидкости в рабочем слое. Так как краска является весьма вязкой жидкостью, то на первом этапе для моделирования течения в рабочем слое сначала применяли модель течения вязкой жидкости, которое описывается уравнением Навье-Стокса совместно с уравнением неразрывности:

где: u, v - составляющие скорости движения точки жидкости в направлении осей x, y соответственно, p - давление жидкости, µ - кинематическая вязкость жидкости и ее плотность. Неизвестными являются величины u, v, p.

Одним из наиболее распространенных методов решения двумерных уравнений Навье-Стокса является подход с использованием координат «вихрь - функция тока». В нем делают замену переменных, переходя от компонент скорости к завихренности и функции тока ш, которая определяется условием Коши-Римана: , и автоматически удовлетворяет уравнению неразрывности. Вихрь определяется соотношением: . С использованием новых независимых переменных, исходная система сводится к двум уравнениям:

, .

Рис. 1. Схема течения краски в рабочем слое: 1 - валик-ракель; 2, 3 - циркуляционные потоки; 4 - свободная граница рабочего слоя; 5 - поверхность качения

Несмотря на предположение о стационарности движения, обычно эти уравнения решают методом установления по времени, что обусловлено неустойчивостью решения без учета временной компоненты.



Рис. 2. Распределение поля скоростей на разных этапах расчета: 1 - участок границы валик-ракеля; 2 - поверхность качения; 3, 4 - вихри, направленные в противоположные стороны; 5, 6 - вихри, индуцированные

Граничные и начальные условия определяются следующим образом. На поверхности цилиндра 1 (рис. 1) и поверхности качения 5 задается скорость, равная скорости самих поверхностей и направленная по касательной к ним.

Для численного решения данной задачи была разработана компьютерная программа на языке программирования С++. Результатом работы программы являются две числовые матрицы, в которых указано распределение скоростей и давления в расчетном поле. На рис. 2 показано поле скоростей, которое изменяется в процессе расчета. На рисунке видно, что в первой четверти времени расчета появляются два вихревых потока, которые затем постепенно перемещаются: нижний - в сторону уменьшения зазора, верхний - в сторону свободной поверхности. Кроме того, на рис. 2 В и Г показаны вихри, которые появились с развитием течения. Эти вихри вращаются в сторону, противоположную движению поверхности цилиндра. На рис. 2 Г видно, что верхний вихрь переместился к свободной поверхности и практически диффундировал.



Рис. 3. Распределение давления в рабочем слое: 1 - участок границы валик-ракеля; 2 - поверхность качения; 3, 4, 5, 6 - области, соответствующие вихрям

На рис. 3 показано распределение давления в рабочем слое, соответствующее окончательному результату расчета (рис. 2 Г). По интенсивности окраски видно, что вихри 5 и 6 имеют довольно высокую интенсивность. Интенсивность вихря 4 на рисунке почти не определяется. В отсутствие модельного решения сложно понять, соответствует ли полученный результат реальному течению. Такой результат заставил провести углубленный сравнительный анализ моделей с использованием вязкой и идеальной жидкости, на основании которого для решения поставленной задачи была выбрана модель течения идеальной жидкости в качестве среды, заполняющей рабочий слой. Такое движение описывается уравнением Эйлера, которое необходимо решать совместно с уравнением неразрывности:

где: V - скорость; P - давление; с - плотность жидкости; F - массовые силы; t - время. Для случая плоского потенциального установившегося движения уравнение неразрывности приводится к уравнению Лапласа: Решением уравнения Лапласа является как комплексная функция w(z)=ц(x,y)+iш(x,y), называемая комплексным потенциалом течения, так и её слагаемые, потенциал скоростей и функция тока соответственно.

С учетом выражения для градиента потенциала скоростей, учитывая предположение об установившемся движении, и после преобразований уравнение Эйлера приводится к интегралу Бернулли:

,

где: U - потенциал массовых сил; ; A - некоторая постоянная величина. Поэтому, найдя комплексный потенциал течения, можно определить функцию тока и распределение скоростей в рабочем слое и далее, из интеграла Бернулли, распределение давления в рабочем слое.

Для построения сложного течения и определения комплексного потенциала использован принцип суперпозиции потоков, который оправдан линейностью уравнений для функции тока ш и потенциала скоростей ц. Рассматриваемое течение с учетом принятых допущений является установившимся потенциальным движением идеальной однородной несжимаемой жидкости. В этом случае константа А будет постоянна в любой точке жидкой массы. Для определения значения константы А сделано допущение, что в бесконечности поток жидкости, движущийся со скоростью , соприкасается с атмосферой. Тогда интеграл Бернулли примет вид:

,

где: Ратм - атмосферное давление; V? - скорость движения на бесконечности.

Давление в рабочем слое определяется в следующей последовательности:

- отыскивается комплексный потенциал плоского установившегося движения идеальной несжимаемой жидкости;

- находится функция тока разделением комплексного потенциала на действительную и мнимую части. Путем построения линий тока строится картина течения идеальной несжимаемой жидкости, осуществляется её анализ;

- дифференцированием комплексного потенциала находятся проекции скорости на оси координат, строится поле скоростей;

- подстановкой выражений для скорости в последнее из приведенных выражений отыскивается распределение давления в рабочем слое.

Таким образом, моделирование течения жидкости в рабочем слое сводится к отысканию комплексного потенциала этого течения.

Рис. 4. Схема течения жидкости в рабочем слое: 1 - цилиндр;2, 3 - вихри, индуцируемые цилиндром;4 - поступательный поток

Для моделирования движения валик-ракеля разработана расчетная схема (рис. 4), в которой, на вращающийся цилиндр 1 с неподвижным центром, слева направо, набегает и обтекает его плоский поступательный поток 4, имеющий на бесконечности скорость V?. Вихреобразование в невязкой жидкости невозможно, однако, моделируемое течение хорошо описывает реальный поток, если в модель заранее поместить вихревую нить (далее - вихрь). Результат численного решения уравнения Навье-Стокса позволил предположить существование двух вихревых течений в рабочем слое, поэтому перед цилиндром со стороны набегающего потока помещены вихри 2 и 3, которые соответствуют циркуляционным потокам в реальном течении.

Для моделирования течения жидкости относительно цилиндра использован плоский поступательный поток, с комплексным потенциалом , и диполь с комплексным потенциалом:

,

где - скорость потока на бесконечности, комплексная переменная и комплексная константа, определяющая сдвиг диполя относительно начала координат, соответственно.

Рис. 5. Построение обтекания поступательным потоком цилиндра: 1 - окружность радиуса r; 2 - линии тока; 3 - линия тока, совпадающая с осью координат

На рис. 5 А и Б показаны линии тока указанных течений. В результате сложения этих течений появляется линия тока, совпадающая с окружностью радиуса r (рис. 5 В). Полученное течение моделирует обтекание плоским поступательным потоком неподвижного цилиндра, имеющего радиус r.



Рис. 6. Построение обтекания поступательным потоком пары цилиндров: 1 - окружность радиуса r; 2 - линии тока; 3 - линия тока, совпадающая с осью координат

Кроме указанных течений используется вихрь (рис. 6 А), комплексный потенциал которого:

,

где G - действительная величина, определяющая интенсивность вихря. Для моделирования вращения цилиндра в его центр поместили вихрь, направление вращения которого соответствует вращению валик-ракеля, что показано на рис. 6 Б.

Моделирование плоскости качения осуществляется конформным отображением течения, расположенного в верхней полуплоскости, на нижнюю полуплоскость. На рис. 6 В показано обтекание поступательным потоком пары диполей, расположенных симметрично относительно горизонтальной оси, сов-падающей с координатной осью OX. Комплексный потенциал такого течения:

,

где - комплексная константа, сопряженная с . В результате отображения появилась линия тока 3, через которую отсутствует расход жидкости. Эта линия моделирует непроницаемую для жидкости поверхность, то есть плоскость, по которой катится цилиндр.

При попытке поместить в центры цилиндров вихри, было выяснено, что линии тока, имевшие вид окружности радиуса r, искажаются и не могут быть использованы для моделирования цилиндров (рис. 7 А).

Рис. 7. Построение течения с учетом отраженных вихрей: 1- цилиндр радиуса r; 2 - линии тока, не совпадающие с окружностями радиуса r; 3 - линия тока, моделирующая поверхность качения цилиндра; 4, 5 - система отраженных вихрей; 6 - вихрь, внешний по отношению к окружности радиуса r

Для восстановления формы линии тока до окружности радиуса r нужно отразить вихрь, который вызвал искажение линии, на внутренность этой окружности. Так как каждый из пары вихрей вызывает искажение линии тока, расположенной в противоположной полуплоскости, то такой вихрь должен быть отражен на внутренность окружности, относительно которой произошло искажение линии тока. Такие вихри называются отражёнными и определяются выражениями:

На рис. 7 Б показана окружность радиуса r и вихрь, расположенный за её пределами, а на рис. 7 В - течение, соответствующее сумме двух предыдущих. Это течение моделирует обтекание поступательным потоком пары вращающихся цилиндров.

Рис. 8. Линии тока для пары цилиндров с циркуляцией с прямыми и отраженными вихрями в поступательном потоке: 1 - цилиндры; 2, 3 - пары вихрей; 4, 5 - линии тока; 6, 7, 8, 9 - отраженные вихри

Из рисунка видно, что, после введения в поток системы отраженных вихрей, линии тока были восстановлены до окружности радиуса r. Введение в течение вихрей, индуцированных движением цилиндра, вызывает искажение окружностей, расположенных не только в одноименной полуплоскости, но и в противоположной. Для восстановления окружностей необходимо ввести в поток систему отраженных вихрей, расположенных как в одноименной, так и в противоположной полуплоскости.

Суммарное течение, моделирующее движение краски в рабочем слое, показано на рис. 8. На рисунке показаны линии тока 1 в виде окружностей радиуса r, вихри 2 и 3, индуцированные вращением цилиндра, системы отраженных вихрей 79, линии тока 4, обтекающие пару цилиндров. Таким образом, для построения модели течения краски в рабочем слое в трафаретном печатном устройстве с ракелем валкового типа необходимо:

– поместить диполь с поступательный поток, направленный параллельно горизонтальной оси, для получения обтекания поступательным потоком цилиндра;

– совместить с диполем вихрь для моделирования вращения цилиндра;

– конформно отобразить полученное течение с верхней полуплоскости на нижнюю относительно линии симметрии для моделирования плоскости качения цилиндра;

– ввести систему отраженных вихрей для восстановления линии тока в виде окружности радиуса r;

– ввести в поток вихри, индуцированные движением цилиндра;

– ввести в поток вихри, отраженные от вихрей, индуцированных движением цилиндра в одноименной полуплоскости;

– ввести в поток вихри, отраженные от вихрей, индуцированных движением цилиндра в противоположной полуплоскости.

Комплексный потенциал для всего потока определяется выражением:

(1)

где все слагаемые представляют собой комплексные потенциалы потоков, входящих в суммарный поток. Полный перечень выражений для комплексных потенциалов и функций тока приведен в приложении к диссертационной работе.



Рис. 9. Эволюция линий тока при изменении параметров течения: 1 - цилиндр; 2, 3 - пары вихрей; 4 - замкнутая линия тока

На рис. 9 показана эволюция линий тока при изменении циркуляции вокруг цилиндров 1 и интенсивности вихрей 2 и 3. На рисунке видно, как изменяется траектория движения жидкости и образуются циркуляционные потоки в области действия вихрей. Дифференцированием выражения (1) получили выражения для скорости потока.

Рис. 10. Фрагмент поля скоростей для пары цилиндров с циркуляцией, двух пар вихрей и системы отраженных вихрей в поступательном потоке: V?=130 мм/сек; r=45 мм; удельный вес жидкости 0,00128 г/мм3

Выражения для проекций скорости приведены в приложении диссерта-ционной работы. На рис. 10 показано поле скоростей, соответствующее тече-нию, рассчитанному для параметров, указанных в подрисуночной подписи.

Подставив выражения для скорости в выражение для интеграла Бернулли, получаем распределение давления по линии качения цилиндра. На рис. 11 показано давление на линии качения цилиндра в зависимости от положения индуцируемых вихрей. На рисунке видно, что изменением положения вихрей и их интенсивности можно изменять распределение и величину давления в зоне течения. В разработанной модели учитываются параметры жидкости (плотность, интенсивность индуцируемых вихрей), параметры течения (скорость поступательного потока, давление вне жидкости, количество жидкости в рабочем слое) и конструктивные параметры печатного устройства (радиус, скорость вращения цилиндра). Разработанная модель позволяет произвести оценку течения краски в рабочем слое в широком диапазоне параметров.

Рис. 11

3. Проведение вычислительных и натурных экспериментов

К средствам проведения вычислительных экспериментов относятся компьютерные программы для вычислительной системы MathCAD, последовательно рассчитывающие течение по параметрам, заданным заранее:

– расчет функции тока и линии тока (программа StreamLine);

– расчет скорости и поля скоростей (программа SpeedLine);

– расчет давления в течении и определение давления на линии качения валик-ракеля (программа PushLine). Тексты программ приведены в приложениях диссертационной работы.

Для проведения натурных экспериментов был разработан и изготовлен измерительный комплекс, в который входят: трафаретное лабораторное печатное устройство 1, усилитель электрического сигнала 8, цифровой запоминающий осциллограф 9, компьютер 10 (рис. 12).

Рис. 12. Экспериментальный комплекс для определения давления в рабочем слое краски при использовании ракеля валкового типа: 1 - трафаретное лабораторное печатное устройство; 2 - валик; 3 - упругая оболочка; 4 - плита; 5 - отверстие; 6 - рабочий слой краски; 7 - датчик давления; 8 - усилитель; 9 - осциллограф; 10 - компьютер

В трафаретном лабораторном печатном устройстве предусмотрено движение ракельной каретки со скоростью 148 мм/сек., 193 мм/сек., 232 мм/сек., и установка валик-ракелей двух диаметров: 37 и 47 мм. Для проведения натурных экспериментов применяли специально изготовленный усилитель электрического сигнала 8 и стандартный цифровой осциллограф PCS500 с программным пакетом PCLab2000.



Рис. 13. Зависимость относительной деформации от приложенной нагрузки для упругой покрышки, изготовленной из разных материалов: для резины толщиной 2 мм; для материала BASF толщиной 1,52 мм; для материала NSF толщиной 2,66 мм.

В качестве упругой покрышки валик-ракеля были выбраны формные материалы, широко применяемые в флексографской печати: фотополимерные материалы и резина. Для определения их упругих свойств было изготовлено устройство для определения зависимости деформации от нагрузки и проведены соответствующие опыты, результаты которых представлены на рис. 13.

Для определения давления, при котором краска начинает протекать через сетчатую основу ТПФ, были проведены эксперименты, результаты которых приведены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты экспериментов по определению давления начала течения краски через сетчатую основу печатной формы

№	Номер сетки	Давление начала течения краски через сетку, Па
1	4870	2,55*103
2	7734	3,37*103
3	9040	1,51*104
4	10040	3,43*104
5	12035	17,65*104
6	14035	41,68*104
7	16527	74,53*104

Кроме валик-ракеля с гладкой упругой покрышкой нами предложено два варианта трафаретных печатных устройств: с покрышкой, имеющей ячейки, равномерно распределенные на её поверхности и устройство с гладким валик-ракелем и предракелем (патент РФ на полезную модель № 60433, патент РФ на полезную модель № 70198).

Для получения изображения ячеек были разработаны программы на языке PostScript, позволяющие получить квадратные ячейки в ортогональной упаковке и шестиугольные ячейки в гексагональной упаковке. На фотополимерном материале ячейки были получены фотомеханическим способом, а на резине способом лазерного гравирования (рис. 14).

Рис. 14. Изображение ячеек, полученных на фотополимерном материале (А) и резине (Б)

Рис. 15. Распределение диссипативной функции по области течения: 1 - валик-ракель; 2, 3 - распределение диссипативной функции вокруг вихрей, индуцированных вращением валик-ракеля;4 - линия качения валик-ракеля; 5 - граница рабочего слоя; V?=13; r=4,5; G1= V?r; G2=0,4G1; G3=0,5G1, б= 600



Рис. 16. Механическая мощность, необходимая для преодоления вязкости краски в рабочем слое при плотности краски: 1 - с=0,00095г/мм3; 2 - с=0,0015 г/мм3; 3 - с=0,0019 г/мм3.

Рис. 17. Зависимость механической мощности от вязкости жидкости в рабочем слое для жидкости разного удельного веса при б=600

При расчете привода трафаретных печатных устройств с ракелем валкового типа необходимо учесть энергию, необходимую для преодоления сил вязкого трения в рабочем слое. Для определения этой энергии разработана программа DISSIP для вычислительной системы MathCAD, в которой учтена диссипативная функция (рис. 15). На рис. 16 и 17 показаны характеристики, полученные с помощью программы DISSIP, необходимые при расчете и проекти-ровании привода ракельной каретки для валикракеля длинной 100 мм.

Рис. 18. Схема печатного устройства с валик-ракелем, снабженным упругой покрышкой: 1 - направляющая; 2 - каретка; 3 - красочный ракель; 4 - печатная форма; 5 - валик-ракель; 6 - краска; 7 - запечатываемый материал; 8 - электромагнит; 9 - красочный ящик; 10 - печатный стол

Рис. 19. Схема печатного устройства с гладким валик-ракелем и предракелем: 1 - направляющая; 2 - каретка; 3 - печатная форма; 4 - валик ракель; 5 - гладкая упругая покрышка; 6, 7, 8, 9 - регулировочные винты; 10 - предракель; 11 - печатный стол; 12 - краска; 13 - запечатываемый материал

На рис. 18 и 19 схематично показаны предложенные варианты трафаретных устройств с валик-ракелем.

4. Результаты, полученные с помощью вычислительного и натурного эксперимента

На рис. 20 показан график давления, полученный с помощью измерительного комплекса для параметров течения, указанных на рисунке. Особенностями этого графика являются: несимметричность распределения давления и сдвиг максимума давления относительно вертикальной оси симметрии цилиндра. На графике можно определить: максимальное давление (5*103 Па); сдвиг максимума давления относительно вертикальной оси симметрии цилиндра (4 мм); расстояние, на котором происходит продавливание краски через сетчатую основу №76 (11 мм).

Рис. 20. Распределение давления в рабочем слое краски: 1 - валик-ракель; 2 - вертикальная ось симметрии валик-ракеля; 3 - ширина полосы контакта валик-ракеля и печатного стола; 4 - проекция точки максимального давления на горизонтальную ось; 5 - расстояние между максимумом давления и вертикальной осью валика; 6 - расстояние, на котором происходит продавливание краски через сетку

На рис. 21 показано распределение давления, рассчитанное с помощью вычислительного комплекса. Особенностью этого графика является наличие двух максимумов давления, что обусловлено влиянием вихрей, индуцированных движением цилиндра, что не соответствует экспериментальному графику. Для приведения этих графиков в соответствие предложено объединить два максимума на расчетном графике плавной кривой 5, как показано на рис. 21.

Рис. 21. Распределение давления, рассчитанное для: V?=148 мм/с; G1= 4V?r; G2= - 0,01G1; G3=0,05G1; d=37 мм; б=300; 1 - цилиндр;2 - пик давления, созданного индуцированными вихрями; 3 - давление, создаваемое между цилиндрами; 4 - расстояние, на котором происходит продавливание краски через сетку; 5 - кривая, объединяющая два максимума давления

Введение в течение системы прямых и отраженных вихрей, индуцированных вращением цилиндра, вызывает несимметричность расчетного графика давления. Предложено в этом случае учитывать величину смещения графика давления относительно вертикальной оси симметрии цилиндра, как половину расстояния между пиками давления 1 и 2. Значение несимметричности, соответствующее несимметричности, полученной опытным путем, получается при значении параметра б=300.

На рис. 22 АВ показаны линии тока, рассчитанные при параметрах, показанных на предыдущем рисунке. Из рис. 22 А можно заметить, что поступательный поток приходит из бесконечности, обтекает пару цилиндров 1 и уходит в бесконечность. На границе с цилиндрами 4 линии тока совпадают с окружностью радиуса r, что определяет условие непроницаемости границы потока. Кроме того, в потоке образуется замкнутая линия 4, которую можно рассматривать также как непроницаемую границу потока. Внутри линии 4 происходит вращение жидкости без выхода за её пределы. Такой результат хорошо совпадает с результатом, полученным другими исследователями опытным путем [ВанДайк М. Альбом течений жидкости и газа. - М.: Мир, 1986]. Также на рисунке можно отметить линию 3, которая моделирует линию качения цилиндра. Можно отметить, что вихри 2, индуцированные вращением цилиндра, мало влияют на течение в целом (рис. 22 А и Б), но оказывают большое влияние на распределение давления (рис. 21). Натурные и вычислительные эксперименты, подобные описанным выше, были проведены для разных скоростей ракельной каретки и диаметров валик-ракеля. В ходе проведения вы-числительного эксперимента выяснено, что значения интенсивности индуцированных вихрей подходят для всех проведенных вычислительных экспериментов и равняются G1 = 4V?r; G2= - 0,01G1; G3 = 0,05G1. Это позволяет сделать вывод о том, что разработанную модель течения краски можно применять при расчете давления в рабочем слое вне диапазона параметров, применяемых в натурном эксперименте.

Рис. 22. Фрагмент течения: 1 - цилиндры; 2 - индуцированные вихри; 3 - линия качения; 4 - линии тока, образующие замкнутое пространство;V?=148 мм/с; G1= 4V?r; G2=-0,01G1; G3=0,05G1; d=37 мм.

С помощью разработанной модели течения краски было рассчитано расстояние, на котором происходит протекание краски через сетку № 76 и проведен натурный эксперимент по определению этого расстояния. Последний показал хорошее совпадение расчетных и натурных результатов.

Были проведены эксперименты по определению влияния натиска на величину и характер распределения давления в рабочем слое. Было установлено, что повышение натиска в два раза не влияет на максимальную величину давления. При этом на графике давления появляется плато, которое возникает вследствие увеличения ширины полосы контакта между валик-ракелем и плоскостью качения (рис. 23). Показанный график в основании приблизительно на 5 мм шире, чем показанный на рис. 20 также по причине увеличения ширины полосы контакта. На графике видно, что максимальное давление составляет около 5,0*103 Па. Такое же давление было получено при скорости V=148 мм/с для валик-ракеля диаметром 37 мм и 47 мм, но при одинарном натиске. Середина графика давления смещена вперед по ходу движения валик-ракеля на величину около 4 мм, а расстояние, на котором происходит продавливание краски через сетку №76, составляет около 14 мм. Эти значения совпадают со значениями, по-лученными для одинарного натиска. Таким образом, максимальное давление в рабочем слое и расстояние, на котором происходит продавливание краски через сетку, не зависят от натиска, что позволяет регулировать его в широком диапазоне, добиваясь хорошего перехода краски на оттиск и не опасаясь раздавливания.

Кроме перечисленных, были проведены опыты по сравнению качественных характеристик оттисков, полученных с помощью плоского ракеля и с помощью предложенных нами трафаретных печатных устройств с ракелем валкового типа.

Результаты опытов показали, что:

– использование печатного устройства с валик-ракелем, имеющим упругую ячеистую покрышку, позволяет получить на оттисках меньшее растискивание, чем с помощью плоского ракеля;

– трафаретное печатное устройство с ракелем валкового типа и предракелем имеет способность к самоочищению примерно в 1,5 раза большую, чем устройство с плоским ракелем.

Рис. 23. Распределение давления в рабочем слое краски: 1 - контур валик-ракеля; 2 - вертикальная ось симметрии валик-ракеля; 3 - ширина полосы контакта валик-ракеля и печатного стола; 4 - точка максимального давления в рабочем слое; 5 - расстояние между максимумом давления и вертикальной осью валика

На основании проведенных экспериментов были сделаны рекомендации по применению материалов, применяемых в качестве упругой покрышки. В частности наиболее жесткий материал NSF фирмы Toyobo (Япония, модуль упругости Е=400 Н/мм2) рекомендован для печати на гладких поверхностях, имеющих минимальные микронеровности. Материал ACE фирмы BASF (Германия, модуль упругости Е = 120 Н/мм2), рекомендован для широкого круга материалов, а резину, имеющую модуль упругости Е = 70 Н/мм2 можно рекомендовать для печати на пористых, впитывающих материалах.

Разработанную модель течения краски в рабочем слое можно применять для изучения течения увлажняющего раствора в увлажняющем аппарате офсетной печатной машины. На рис. 24 показана схема такого увлажняющего аппарата и линии тока, полученные с помощью программы StreamLine, соответствующие показанной схеме. Особенностью такой схемы является возможность исследовать так называемый дельтаэффект, применяемый в подобных устройствах и возникающий при разной скорости вращения цилиндров. Моделирование дельтаэффекта возможно за счет придания разной интенсивности вихрям, расположенным в верхнем и нижнем цилиндрах, как показано на рис. 24.

Рис. 24. Увлажняющий аппарат офсетной печатной машины и линии тока при разных значениях интенсивности вихрей: 1, 2, 4 - валики; 3 - увлажняющий раствор; 5, 6 - вихри

Заключение

В результате проведенной работы сделаны следующие выводы.

1. Развитие трафаретной печати, которое продиктовано растущими требованиями рынка, может быть реализовано использованием ракелей валкового типа.

2. Для моделирования течения краски в рабочем слое в печатных устройствах с ракелем валкового типа использовалось два подхода: на основе модели течения вязкой и невязкой жидкости. Проведенный анализ возможностей обоих подходов позволили сделать выбор в пользу последнего.

3. Проведение вычислительных экспериментов на разработанном и изготовленном измерительном комплексе с использованием полученной математической модели на основе течения невязкой жидкости, позволил получить распределение давления в рабочем слое в зависимости от скорости движения ракельной каретки, диаметра валик-ракеля, скорости его вращения и плотности применяемой краски.

4. Сравнительный анализ результатов натурного и вычислительного эксперимента показал, что разработанная модель адекватно описывает реальный процесс течения краски в рабочем слое и её можно использовать для определения научно обоснованных параметров, применяемых при расчете и проектировании трафаретных печатных устройств с ракелем валкового типа.

5. Предложено два варианта трафаретного печатного устройства с ракелем валкового типа. Проведены эксперименты, доказывающие преимущества таких устройств перед устройством с плоским ракелем, и перспективность указанных устройств.

6. Разработанную модель течения краски в рабочем слое можно использовать для изучения течения увлажняющего раствора в увлажняющем аппарате офсетной печатной машины.

7. Вычислительный и измерительный комплексы и результаты, полученные с их помощью, с 2004 года применяются в учебном процессе в Омском государственном техническом университете при подготовке инженеров по специальности 261202 «Технология полиграфического производства». В частности вычислительный и измерительный комплексы используются в лекциионном курсе и лабораторном практикуме по дисциплине «Технология печатных процессов», в дисциплине УНИРС и в дипломном проектировании. Результаты, полученные с помощью указанных комплексов, используются в научной работе аспирантов.

8. Результаты представленной работы переданы к использованию в ГП «Омская областная типография», г. Омск, в ООО «Электрографмаш», г. Москва, в ЗАО Компания «Ютон», г. Омск, чем получены соответствующие акты внедрения.

Литература

1. Иванов А.Ю., Клейнер Л.А., Литунов С.Н. Анализ факторов, влияющих на точность трафаретной печати. Полиграфические машины-автоматы.: Межвуз. тематич. сб. науч. тр. - Омск: издво ОмПИ, 1985. - С. 8993.

2. Грибков А.В., Иванов А.Ю., Литунов С.Н. Особенности технологического процесса изготовления трафаретных печатных форм повышенной точности. Вопросы технологии полиграфического производства: Межвуз. тематич. сб. науч. тр. Омск: ОмПИ, 1985. - С. 2023.

3. Ганиев Д.Х., Климов Д.Ю., Щеглов С.А., Литунов С.Н., Клейнер Л.А. Контроль качества натяжения сетчатой основы трафаретных печатных форм. Вопросы технологии полиграфического производства.: Межвуз. тематич. сб. науч. тр. Омск: ОмПИ, 1985. - С. 147151.

4. Литунов С.Н. Технологические особенности изготовления трафаретных печатных форм на автоматизированных установках. Вопросы технологии воспроизведения изображений в полиграфии: Межвуз. сб. науч. тр. - Омск: издво ОмПИ, 1987. - С. 4042.

5. Литунов С.Н. Автоматизация формных процессов трафаретной печати. Научно-технический прогресс в полиграфии / Материалы конф. - М.: ВНИИ КПП, 1987. - С. 82.

6. Литунов С.Н. О механизации формных процессов трафаретной печати. Научно-технический прогресс в книжном деле / Первая всесоюзная научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов Госкомиздата СССР. Тез. докл. - М.: Книжная палата, 1988. - С. 38.

7. Щеглов С.А., Измайлова И.В., Литунов С.Н. Применение метода муаровых полос для нормализации процесса натяжения сетчатой основы трафаретной печатной формы. Вопросы технологии воспроизведения изображений в полиграфии: Межвуз. сб. науч. тр. - Омск: издво ОмПИ, 1989. - С. 6972.

8. Щеглов С.А., Литунов С.Н. Устройство трафаретной печати. Полиграфические машины-автоматы.: Межвуз. тематич. сб. науч. тр. Омск, 1990. - С. 8688.

9. Литунов С.Н., Щеглов С.А. Моделирование процесса растекания вязкой жидкости в узкой щели переменной толщины, М.: ГКЦИТ, ОФАП, 2002. №50200200440.

10. Литунов С.Н., Щеглов С.А. Использование гальванических трафаретных форм в радиоэлектронной промышленности. Визуальная культура: дизайн, реклама, полиграфия // Материалы междунар. науч. конф. - Омск, 2003. С. 7681.

11. Литунов С.Н., Щеглов С.А., Погодаев Д.В., Дубонос Г.А.. Использование гальванических трафаретных форм в радиоэлектронной промышленности // Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела, №3, 2003. С. 38.

12. Литунов С.Н., Чапак И. Трафаретный печатный станок для лабораторных исследований. Творчество молодых дизайн, реклама, полиграфия: Матер. II междунар. научнопрактич. конфер., Омск: издво ОмГТУ, 2004. С.316318.

13. Литунов С.Н. Факторы, влияющие на выбор направления рабочего хода ракеля в трафаретной печати. Омский науч. вестник. - № 4 (29), Омск: издво ОмГТУ, 2004. - С. 162163.

14. Литунов С.Н., Курдяев А.М. Определение параметров красочного слоя при печати по текстилю трафаретным способом. Творчество молодых дизайн, реклама, полиграфия: Матер. II междунар. Научно-практич. конфер., Омск: издво ОмГТУ, 2004. - С. 265267.

15. Литунов С.Н., Цыганенко В.Н., Щеглов С.А. Регулярная структура с ячейкой произвольной формы. М.: ГКЦИТ, ОФАП, 2004. - №50200400071.

16. Литунов С.Н., Цыганенко В.Н. Генератор рандомизированных структур с неправильными полигональными ячейками. М.: ГКЦИТ, ОФАП, 2005. - № 50200500740.

17. Литунов С.Н., Цыганенко В.Н. Нерегулярная сетка с ячейками правильной формы. М.: ГКЦИТ, ОФАП, 2005. № 50200500132.

18. Литунов С.Н., Филатов Д.С. К вопросу о ракельном механизме валкового типа, применяемом в трафаретной печати // Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела, №2, 2006. - С. 2228.

19. Литунов С.Н. Моделирование течения краски в ракельном механизме валкового типа трафаретных машин. Визуальная культура: дизайн, реклама, полиграфия/Материалы V междунар. научной конференции. - Омск: издво ОмГТУ, 2006. - С. 168174.

20. Литунов С.Н. Численный эксперимент по определению деформации ячеек ракельного механизма валикового типа. Омский науч. вест-ник. Омск: издво ОмГТУ, №2(35), 2006. - С. 139142.

21. Литунов С.Н. Исследование физико-механических свойств мате-риалов, применяемых при изготовлении валик-ракеля. Омский науч. вест-ник. Омск: издво ОмГТУ, №2 (35), 2006. - С. 142143.

22. Литунов С.Н. Исследование печатных возможностей ракельного механизма валкового типа в трафаретной печати. Труды Белорусского государственного технологического университета. Серия IX Издательское дело и полиграфия. Выпуск XIV. Минск: БГТУ, 2006. - С. 7882.

23. Литунов С.Н. О математической модели течения краски в красочном аппарате трафаретной машины. Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела. М.: МГУП, 2006. - №4. - С. 1325.

24. Литунов С.Н., Титов А.В. Экспериментальное определение давления в рабочем слое трафаретного печатного устройства с ракелем валко-вого типа. Омский науч. вестник. Омск: издво ОмГТУ, №8(44), 2006. - С. 155158.

25. Литунов С.Н., Юрков В.Ю. Трафаретная печатная форма. Патент РФ на изобретение 2285615, МПК В 41 С 1/14. Заявлено 28.02.2005. Опубл. 20.10.2006. Бюл. №29. - 2 с.; ил.

26. Литунов С.Н. Устройство для трафаретной печати. Патент РФ на полезную модель 60433. Заявка № 2005114539 от 13.05.2005.

27. Литунов С.Н. Расчет мощности привода красочного аппарата. Труды Белорусского государственного технологического университета. Серия IX Издательское дело и полиграфия. Выпуск XV. Минск: БГТУ, 2007. - С. 4548.

28. Литунов С.Н. Красочный аппарат для трафаретной печати. Патент на полезную модель № 70198. Заявка № 2006107089/12(007673) от 06.03.2006.

29. Колозова О.А., Канева О.Н., Литунов С.Н., Сосняков С.И. Вычислительный эксперимент по определению параметров течения вязкой жид-кости в трафаретном печатном устройстве с ракелем валкового типа. Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела. М.: МГУП, 2007. - №5. - С.1422.

30. Литунов С.Н., Задорожный В.Н., Штриплинг С.Л. К вопросу о проблеме муара при воспроизведении изображений печатными способами // Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела, 2007. - №1. - С. 3039.

31. Литунов С.Н. Методы расчета печатных аппаратов трафаретных машин. Монография. - Омск: издво ОмГТУ, 2007. - 232 с.

32. Литунов С.Н. Сравнительный анализ вычислительного и натурного эксперимента по определению параметров течения в рабочем слое. Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела. М.: МГУП, 2008. - №1. - С. 3748.

Размещено на Allbest.ru

...