Динамика накатного валика красочного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Динамика накатного валика красочного аппарата

Специальность 05.02.13. Машины, агрегаты и процессы

(печатные средства информации)

Федотов Евгений Владимирович

Москва - 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова» (МГУП имени Ивана Федорова) на кафедре «Печатного и послепечатного оборудования»

Научный руководитель:

Герценштейн Илья Шойлович кандидат технических наук, с.н.с. МГУП имени Ивана Федорова

Официальные оппоненты:

Бобров Владимир Иванович, доктор технических наук, МГУП имени Ивана Федорова, заведующий кафедрой «Технологии печатных и послепечатных процессов», профессор

Разинкин Евгений Владимирович, кандидата технических наук, начальника отдела технического и производственного анализа ОАО «Полиграфический комплекс «Пушкинская площадь»

Ведущая организация: ЗАО «НИИ Полиграфмаш»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Современное печатное оборудование работает на высоких скоростях, что вызывает большие динамические нагрузки на печатный и красочный аппараты, в частности на группу накатных валиков. Это приводит к такому дефекту печати как «полошение». Устранения данного дефекта трудоемко, требует большого количества времени, или же вынуждает работников типографий работать на меньших скоростях. Несмотря на ряд конструктивных решений, полностью избавиться от полошения не удается. Одной из причин появления полошения являются нарушения в работе накатных валиков красочного аппарата, которые малоизучены. Поэтому исследование динамических процессов взаимодействия пары формный цилиндр-накатной валик актуально, оно может открыть пути для устранения полошения еще на стадии проектирования новой техники.

Поставленная научная задача

Целью работы является устранение полошения оттиска, вызванного колебаниями валиков красочного аппарата.

Для достижения цели, поставленной в данной работе, необходимо:

- выявить зависимость неравномерности наката краски на форму от радиальных колебаний накатного валика;

- определить допустимое отклонение накатного валика от стационарного положения, соответствующего получению равномерного красочного слоя на оттиске;

- промоделировать радиальные колебания накатного валика;

- разработать методику расчета колебаний накатного валика с учетом таких параметров, как скорость работы печатной машины, ширина технологической выемки на формном цилиндре, модуль упругости резинового слоя на валике, длина валика, величина прижима валика к поверхности формного цилиндра, действие растира на валик, длина и диаметр цапф валика;

- разработать методику определения параметров колебательной системы, таких как коэффициент демпфирования, жесткость накатного валика, жесткость упругого слоя валика.

Решенные научно-практические задачи

Научная новизна работы состоит в следующем:

- определена зависимость неравномерности красочного слоя на оттиске от отклонениями накатного валика от стационарного уровня, соответствующего получению качественных оттисков;

- разработана модель, описывающая колебание накатного валика красочного аппарата;

- определена зависимость величины колебаний накатного валика от конструктивных параметров печатной машины, таких как скорость работы, жесткость сердечника и упругого слоя валика, коэффициент затухания колебаний валика, начальная деформация упругого слоя валика.

- выявлены параметры красочного аппарата (КА) при наиболее неблагоприятном режиме работы.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- выявленные значения максимально допустимого отклонения накатного валика от стационарного положения в зависимости от требований к равномерности оптической плотности оттиска позволяют сформулировать требования к жесткости накатных валиков и их крепления;

- получены зависимости отклонения (от стационарного уровня) накатного валика от скорости работы машины, конструктивных параметров сердечника валика, жесткости упругого резинового слоя, на основе которых показана степень влияния данных параметров на отклонение валика;

- разработанная динамическая модель позволяет учесть появление такого дефекта как «полошение» на этапе конструирования и своевременно принять меры по его устранению.

Реализация результатов исследования

Разработанные рекомендации используются при обучении студентов в рамках дисциплины «Расчет и конструирование печатного оборудования», при проведении занятий с магистрами по курсу «Конструирование и САПР печатного оборудования».

Апробация работы

была проведена на научных конференциях:

научно-технические конференции молодых ученых МГУП 2011-2013 гг.

Основные научные и практические результаты, выносимые на защиту:

методика экспериментального определения влияния колебаний накатного валика на перепад красочного слоя на печатной форме, позволившая установить зависимость между требованиями к равномерности оптической плотности на оттиске и допустимыми отклонениями накатного валика от стационарного положения;

динамическая модель накатного валика, позволяющая оценить изменения амплитуды колебания накатного валика после прохождения края технологической выемки в зависимости от жесткостных параметров валика и режима работы печатной машины;

результаты эксперимента по определению величины отклонений накатного валика, подтверждающие адекватность теоретической модели.

численное значение декремента затухания колебаний накатного валика, выявленное экспериментальным путем.

Публикации

По материалам данной диссертации опубликовано 3 печатные работы, в которых отражены основные направления и результаты проведенных исследований работы ПА, в том числе 2 статьи в ведущем отраслевом научном журнале "Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела".

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 116 страницах, поясняется 64 рисунками, 1 таблицей и имеет 5 приложений. Библиографический список включает 45 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы устранения брака в виде поперечного полошения из-за взаимодействия накатных валиков красочного аппарата с краем технологической выемки на формном цилиндре, рассматриваются цели и задачи исследований, формируются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проанализированы работы, посвященные колебаниям накатных валиков КА и их влиянию на качество печати. Рассмотрена проблема разделения красочных слоев в зоне контакта накатного валика и поверхности формы.

Проведенный обзор литературы позволил сформулировать основные задачи для создания методики расчета отклонения валика от положения, соответствующего получению равномерного красочного слоя на оттиске, обеспечивающего отсутствие полошения, а именно:

- установить экспериментально максимально допустимый уровень колебаний накатного валика. Данное требование должно вытекать из требований к максимально допустимому перепаду оптической плотности на оттиске, что ставит задачу нахождения зависимости «оптическая плотность оттиска - отклонение валика», так как данной зависимости в литературе нет;

- составить и провести исследование расчетной модели и сопоставить ее поведение с экспериментальными данными;

- разработать модель, описывающую радиальные колебания накатного валика при взаимодействии его с краями выемки формного цилиндра.

Во второй главе экспериментально определяется зависимость зависимости «оптическая плотность оттиска - отклонение валика», с помощью данной зависимости определяется максимально допустимое отклонение валика исходя из требований к равномерности оптической плотности на оттиске.

Определение влияния отклонения накатного валика на толщину красочного слоя на форме проводилось на раскатной установке к листовому пробопечатному устройству (далее ЛПУ).

На основе экспериментально полученных данных был построен график зависимости толщины красочного слоя h от величины отклонений накатного валика х (рис. 1). Эта зависимость в сочетании с зависимостью оптической плотности от толщины краски на накатном валике и оттиске, приведенной в монографии Л.А. Козаровицкого, позволяет оценить допустимую величину смещений накатного валика.

Рис. 1. Зависимость изменения толщины красочного слоя h от величины отклонений валика х

накатный валик красочный аппарат

Согласно стандарту ISO допустимое отклонение оптической плотности на оттиске отклонение ДD = 0,05; на графике такой допуск при плотности 1,3 D будет соответствовать интервалу Дh_оф = 0,04 мкм (рис. 2а). Перейдя на график зависимости толщины красочного слоя на форме от смещения валика (рис. 2б), получим, что Дh_ф = 0,08 мкм, что соответствует максимальной амплитуде колебания валика x_Д = 0,05 мм, а искомое значение максимально допустимого отклонения накатного валика от стационарного уровня равно x_max = 0,025мм.

а

б

Рис. 2. Определение максимально допустимого отклонения накатного валика а - определение максимально допустимого перепада толщины красочного слоя по зависимости оптической плотности оттиска от толщины слоя краски на офсетном цилиндре; б - нахождение максимально допустимого отклонения накатного валика по зависимости перепада толщины красочного слоя на форме от отклонения накатного валика от стационарного положения

В третьей главе рассмотрены радиальные смещения и колебания накатных валиков КА.

При контакте валика с формным цилиндром нагрузка прикладывается равномерно по всей длине валика, что делает наиболее существенной первую форму колебаний, соответствующую статическому прогибу. Поведение валика может быть описано с помощью одномассовой колебательной системы с сосредоточенными параметрами (рис. 3), состоящей из груза с массой валика и трёх пружин. Первая, с₀ - будет отображать жесткость стальной сердцевины валика на изгиб; вторая, с₂ - жесткость резинового слоя валика, работающего на сжатие в контакте с формным цилиндром, и с₃ - жесткость резинового слоя валика в контакте с растиром. Сумма жесткостей стальной сердцевины валика и его упругой оболочки при контакте с растиром может рассматриваться как приведенная жесткость c₁. Д обозначает величину деформации упругого резинового слоя без учета прогиба стального стержня при прохождении накатным валиком поверхности формного цилиндра.

а б

Рис. 3. Модель колебаний накатного валика а - с учетом взаимодействия с растиром; б - с учётом эквивалентной жесткости

Жесткость взаимодействия валика с растиром выразим как

.

Действие растира учтем, увеличив соответствующим образом жесткость стержня валика, приняв приведенную жесткость валика c₁ = c₀+c₃.

Спроектировав силы на линию, проходящую через центры формного цилиндра и валика, согласно второму закону Ньютона получим:

,

где m - масса накатного валика; c₁ - приведенная жесткость стального сердечника и упругого слоя под действием растира, c₂ - приведенная жесткость упругого слоя в контакте с формным цилиндром, b_ф, b_р - коэффициенты демпфирования относительных колебаний валика при контакте с формным цилиндром и растиром; х - отклонение валика от положения покоя.

Коэффициенты c₂ и b_ф, при прохождении выемки принимают нулевое значение.

Параметры стального сердечника валика

Жесткость эквивалентной пружины, учитывающая наличие цапф:

,

где b - длина рабочей части валика;

J_x - осевой момент инерции площади сечения валика;

J - осевой момент инерции площади сечения цапфы;

E - модуль упругости материала стержня,

- отношение осевых моментов инерции площадей сечения валика и цапф;

- отношение длины валика к длине цапфы.

Для валика с кольцевым сечением стержня осевой момент инерции

,

где - отношение внутреннего диаметра кольцевого сечения сердечника к внешнему.

Осевой момент инерции для цапф:

,

r - диаметр цапф.

Парметры упругого слоя валика

Жесткость упругого слоя валика определяется как отношение усилия его прижима к величине возникающей при этом деформации:

В этом выражении наибольшую трудность представляет определение величины модуля упругости резины E_рез. Для оценки модуля упругости резины используется эмпирическая связью между этим модулем и твердостью, полученной Г.М. Бартеньевым:

, где

- статический модуль, его размерность в формуле Г.М. Бартеньева [кг/см²];

H - твердость по Шору.

Характер нагрузок при прохождении выемки

Нагрузка при взаимодействии валика и формного цилиндра может рассматриваться как меняющаяся мгновенно (рис. 4а) только при большой скорости работы машины. Более близким к реальности является предположение о линейном законе нарастания усилия за время ф (рис. 4б), равном отношению ширины зоны контакта к окружной скорости формного цилиндра. Дальнейшее приближение к фактическому характеру нагружения может быть получено при учете характера нарастания нагрузки про вхождении края выемки в зону контакта формного цилиндра и накатного валика (рис. 4в).

Углы поворота формного цилиндра, соответствующие фазам взаимодействия накатного валика и формы, обозначим следующим образом: ц_g - угол, соответствующий половине выемки; ц_m - угол, соответствующий половине ширины зоны контакта; ц₁ - угол, соответствующий нарастанию усилия; ц₂ ?-?угол, соответствующий началу процесса прохождения накатным валиком поверхности формы; ц₃?-?угол, соответствующий окончанию прохождения валиком поверхности формы; ц₄?-?угол, соответствующий убыванию усилия натиска.

Край выемки войдет в контакт с валиком, когда формный цилиндр повернется на угол , возрастание усилия взаимодействия формного цилиндра и валика будет продолжаться, пока формный цилиндр не повернется на угол , как показано на рис. 4в.

а б в

Рис. 4. Изменение усилия прижима валика к формному цилиндру по углу поворота цилиндра

Спад усилия начнется, когда край выемки подойдет к зоне контакта, т. е. при угле и соответственно .

Общее усилие Q взаимодействия между накатным валиком и формным цилиндром (усилие прижима) пропорционально линейному усилию

Усилие прижима может быть выражено как .

Влияние скорости на отклонение валика

Наибольшее отклонение можно охарактеризовать коэффициентом динамичности:

,

где ф - длительность прохождения выемки через зону контакта, она зависит от длины выемки l и скорости печати Vp: ;

ф₁ - время спада усилия натиска при прохождении края выемки через зону контакта. Это время можно определить из выражения , где b - ширина зоны контакта, Vp - скорость печати;

k - частота собственных колебаний валика.

Рис. 5. Изменение коэффициента динамичности с изменением скорости при прохождении накатным валиком с собственной частотой 140Гц цилиндра диаметром 250 мм и длинной выемки 10 мм, шириной зоны контакта 5мм

Как видно из графика (рис. 5) в наиболее неблагоприятном случае максимальное значение коэффициента KD (если пренебречь затуханием) достигает 3. С увеличением скорости при малой длине выемки этот коэффициент стремится к 1, т. е. колебания исчезают, так как валик не успевает «провалиться» на участке выемки. При разгоне машины или при работе на промежуточных скоростях возможны зоны с повышенной амплитудой колебаний. Поэтому расчеты жесткости валика надо вести исходя из неблагоприятного сочетания его жесткостных параметров и скорости работы.

Упрощенный расчет отклонения валика при прохождении выемки

Смещения валика в момент взаимодействия его с краем технологической выемки можно описать уравнением свободно затухающих гармонических колебаний:

, где

A - амплитуда колебаний, равная начальному отклонению x₀;

m - масса валика;

д - коэффициент затухания колебаний.

Приведенный характер колебаний (рис. 6) соответствует режиму работы, при котором колебания валика успевают затухнуть за время прохождения выемки.

Рис. 6. Расчетный график колебания валика

Представленная динамическая модель позволяет оценить величину отклонений накатного валика по его основным конструктивным параметрам.

Численный расчет отклонения валика при прохождении поверхности формного цилиндра

Численные методы решения исходного дифференциального уравнения колебаний валика позволяют учесть нюансы изменения нагрузки. Решение дифференциального уравнения проводилось средствами программы Mathcad с использованием метода Бюлирша-Штоера (рис. 7).

Рис. 7. Колебания валика при взаимодействии с формным цилиндром

Влияние конструктивных параметров на отклонение накатного валика от стационарного уровня

Численные эксперименты на модели позволяют выявить связь отклонения накатного валика от стационарного уровня, толщины стенок стального сердечника валика и скорости работы печатной машины (рис. 8).

Рис. 8. Отклонения накатного валика от стационарного положения в зависимости от скорости работы машины и толщины стенок сердечника накатного валика

Также была оценена степень влияния прижима накатного валика к поверхности формы на отклонение валика от стационарного режима (рис. 9).

Рис. 9. Влияние прижима накатного валика к форме на отклонения накатного валика от стационарного положения

Модель позволила также оценить влияние конструктивных параметров цапф накатного валика на величину его максимального отклонения. Увеличение диаметра цапф накатного валика и уменьшение их длины приводит к несущественному увеличению суммарной жесткости стального сердечника накатного валика.

В четвертой главе описываются эксперименты по определению коэффициента затухания валика и измерению отклонения валика в ходе работы печатной машины для сравнения экспериментальных результатов с расчетными, также оценивается влияние скорости работы машины и зазоров в опорах на амплитуду колебаний валика.

Запись проводилась на машине Romayor 312, с использованием оптического способа измерения с помощью лазерного датчика (рис. 10).

а б

Рис. 10 Установка оптического датчика в печатной машине Romayor 312; а- схема; б - внешний вид

Колебания валика в ходе прохождения выемки на формном цилиндре и определение коэффициента затухания

Эксперимент показал, что численная модель прохождения накатным валиком поверхности формы в целом отражает фактическое поведение валика (рис. 11).

Рис 11. Смещения накатного валика при взаимодействии с формнным цилиндром; 1 - экспериментальный график, полученный на машине Romayor 312; 2 - теоретический график

Сопоставление колебаний валика, вызванных ударом о край технологической выемки с расчетным поведением валика (рис. 12), показывает, что результаты расчетов незначительно отличаются от данных эксперимента по величине амплитуды скачка и по периоду колебаний.

Рис. 12. Теоретический и экспериментальный графики смещений валика

Логарифмический декремент затухания d вычислялся по данным осциллограммы (рис. 13) смещений валика, по которой определялись период собственных колебаний T и амплитуды двух последовательных колебаний x_max1 и x_max2:

Коэффициент затухания при этом равен: Было получено, что d=1,34, а коэффициент затухания для валика машины Romayor: 1/с.

Влияние скорости работы машины на величину отклонения накатного валика

Сопоставление записи колебаний накатного валика при различных скоростях работы печатной машины с результатами численных экспериментов (рис. 13) показывает, что расхождение теоретического и экспериментальных зависимостей не превышает 50%.

Рис 13. График отклонения накатного валика на разных скоростях работы печатной машины; 1 - теоретическая зависимость (толщина стенки сердечника валика 1 мм); 2 -экспериментальная зависимость (толщина стенки 2 мм); 3 - теоретическая зависимость (толщина стенки сердечника валика 2 мм)

Влияние зазоров в опорах на уровень отклонения накатного валика

Экспериментальные и расчетные зависимости отклонения накатного валика от зазора в опорах (рис. 14) по характеру соответствовали расчетным. Расчет проводился по методике разработанной А.И. Кодинским и представленной в работе «Влияние люфта в опорах печатного аппарата на качество печати».

Рис. 14. Зависимость смещения валика от зазора в его опорах

В пятой главе представлена методика проверки конструкции валика на жесткость. Полученный расчетный результат отклонения накатного валика сравнивается с требованием к максимально допустимому отклонению валика (рис. 15).

Рис 15. Сопоставление максимально допустимого и расчетных значений колебаний валика

В заключении отмечено, что определена важная зависимость «перепад оптической плотности на оттиске - отклонение накатного валика», которая позволяет обосновано подходить к выбору конструктивных параметров накатных валиков исходя из требований к качеству печати. Отмечено, что разработанная модель позволяет на стадии проектирования печатного оборудования оценить отклонение валика и принять меры по его минимизации. В работе приведены три модели для расчета отклонения накатного валика от стационарного уровня: численная, позволяющая учесть сложный характер нарастания нагрузки, аналитическая, позволяющая выявить наиболее критичные режимы работы валика, упрощенная, позволяющая получить характер колебаний при больших скоростях работы и большой выемке формного цилиндра. Экспериментальная проверка показала адекватность разработанных моделей.

В ходе работы наглядно показано, что проблема колебаний накатных валиков с учетом повышения скорости работы печатных машин становится все более острой. Вместе с тем ряд вопросов требуют дальнейших исследований. В частности, недостаточно ясен механизм расщепление красочных слоев в зоне контакта, необходимо уточнение динамической модели.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Для высококачественной офсетной листовой печати, при которой допустимый перепад оптической плотности на оттиске равен 0,05 D, допускаемая величина размаха колебаний валика во время печати не должна превышать 0,025 мм.

2. При определении жесткости стального сердечника валика необходимо учитывать наличие цапф, в противном случае расхождение в расчетной и экспериментальной жесткостях достигает 50%.

3. Экспериментально найден логарифмический декремент затухания колебаний накатного валика, он равен 1,34, что позволяет определить коэффициент затухания для любой расчетной системы.

4. Наиболее существенный путь увеличения жесткости сердечника валика - увеличение толщины стенок, размеры цапф оказывают на жесткость меньшее влияние. Например, для валика малоформатной машины, увеличение толщины стенки стального сердечника накатного валика в 4 раза уменьшает отклонение валика в 2 раза, в то время как увеличение диаметра цапф и уменьшение их длины в 2 раза дает уменьшение отклонения накатного валика на величину менее 1 %.

5. Наиболее критичным является режим работы печатной машины, при котором время прохождения накатным валиком выемки равно полупериоду собственных колебаний валика, тогда отклонение накатного валика до 3 раз превышает статический прогиб.

6. Разработанная модель позволяет оценить не только величину отклонений валика, но и диапазоны скоростей машины соответствующие спокойной работе валика. Например, для малоформатной машины Romayor область спокойной работы простирается до скорости 8000 об/час. Данные получены с помощью численного эксперимента на модели, созданной в ходе работы над диссертацией. Модель позволяет оценить не только величину отклонений валика, но и диапазоны скоростей машины соответствующие спокойной работе валика.

7. Зависимость амплитуды колебаний валика от величины зазоров в его опорах, полученная экспериментально, имеет линейный характер, что подтвердило теоретические предпосылки.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Федотов Е. Влияние колебаний накатного валика на равномерность слоя краски на печатной форме. / Федотов Е.В. //Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела./ М.:МГУП, 2013. №1, С 29-36.

2. Федотов Е. Определение амплитуды колебаний накатного валика в красочном аппарате печатной машины. / Федотов Е.В. // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела./ М.:МГУП, 2013. №2, С 23-32.

3. Федотов Е. Влияние колебаний накатного валика на равномерность слоя краски на печатной форме//Вестник МГУП. -2012. -№6. С. 10-17.

Размещено на Allbest.ru

...