автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Динамика накатного валика красочного аппарата

На правах рукописи Федотов Евгений Владимирович Динамика накатного валика красочного аппарата

Специальность 05.02.13. Машины, агрегаты и процессы (печатные средства информации)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

З ОКТ 2013

Москва-2013

005534043

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет печаш имени Ивана Федорова» (МГУП имени Ивана Федорова) на кафедре «Печатное и послепечатное оборудование»

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 «НИИПолиграфмаш»

Защита диссертации состоится «24» октября 2013 г. в 1400 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.147.01 при МГУП имени Ивана Федорова по адресу 127550 Москва, ул. Прянишникова, д. 2а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУП имени Ивана Федорова.

Автореферат разослан ф_» 2013 г.

Ученый секретарь . /., Климова Е.Д.

диссертационного у

совета Д 212.147.01 ' : 5 (I \

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 мапоизучены. 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 Ц6 страницах, поясняется 64 рисунками, I 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 Ь 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. Козаровиц-кого, позволяет оценить допустимую величину смещений накатного валика.

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

Согласно стандарту ISO допустимое отклонение оптической плотности на оттиске отклонение AD = 0,05; на графике такой допуск при плотности 1,3 D будет соответствовать интервалу АЬоф = 0,04 мкм (рис. 2а). Перейдя на график зависимости толщины красочного слоя на форме от смещения валика (рис. 26), получим, что ДЬф = 0,08 мкм, что соответствует максимальной амплитуде колебания валика хд = 0,05 мм, а искомое значение максимально допустимого отклонения накатного валика от стационарного уровня равно Хтах = 0,025мм.

0 14

1

§ 1.2 &

с с к

і

і Ё

1 0 8 06 0.4 0.2 О

Р0+0,5дР

/

О О.бйВ

/

/

3=0,05

^=0,05^= 0,04

И,ФРГМ07

06 08 1 1.2 14 Толщина красочного слой, нш

О

5

о

X 3"

о о го

О- -

^ а) ■я 2 £ о. о

г

эе 5

г-е- ЛИ

0,08 0.09

(О

ж

ь С£ та

с

ф

о. 3 £=

0.01 0,02 0.03 0.04 0,05 0,06 0,07 б Отклонение накатного валика, мм

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 жестко-стей стальной сердцевины валика и его упругой оболочки при контакте с растиром может рассматриваться как приведенная жесткость с,. А обозначает величину деформации упругого резинового слоя без учета прогиба стального стержня при прохождении накатным вали-

Рис. 3. Модель колебаний накатного валика

а - с учетом взаимодействия с растиром; б - с учётом эквивалентной жесткости

Жесткость взаимодействия валика с растиром выразим как

АГ Ах

рост

Действие растира учтем, увеличив соответствующим образом жесткость стержня валика, приняв приведенную жесткость валика С1 = Со+Сз.

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

тх = -х-(с1+с2)-х(Ьф+Ьр), где т - масса накатного валика; ^ - приведенная жесткость стального сердечника и упругого слоя под действием растира, с2 - приведенная жесткость упругого слоя в контакте с формным цилиндром, Ьф, Ьр - коэффициенты демпфирования относительных колебаний валика при контакте с формным цилиндром и растиром; х - отклонение валика от положения покоя.

Коэффициенты С2 И Ьф, при прохождении выемки принимают нулевое значение.

Параметры стального сердечника валика

Жесткость эквивалентной пружины, учитывающая наличие

цапф:

С _ <3 _384 £ 7, _1_

С° у. Ьг ' 40 96 24*-

V V V ,

где Ъ - длина рабочей части валика; •Л- - осевой момент инерции площади сечения валика; 3- осевой момент инерции площади сечения цапфы; Е - модуль упругости материала стержня,

~ отношение осевых моментов инерции площадей сечения валика и цапф;

ц/=-Ьаи- - отношение длины валика к длине цапфы.

^цапф

Для валика с кольцевым сечением стержня осевой момент инерции

. _я--£>4-(1 -а4)

а

где а-— - отношение внутреннего диаметра кольцевого сечения сердечника к внешнему.

Осевой момент инерции для цапф:

г

4 '

г - диаметр цапф.

Парметры упругого слоя валика

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

_ р _ /2л/А/?-0,5-АЕрд _ 1-Е^ ^

Д И • Д /1

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

£„=0,26.// + ^ .где

Еа - статический модуль, его размерность в формуле Г.М.

Бартеньева [кг/см2];

Н - 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 т (рис. 46), 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: <р8 - угол, соответствующий половине выемки; фт - угол, соответствующий половине ширины зоны контакта; ф! - угол, соответствующий нарастанию усилия; ф2 - угол, соответствующий началу процесса прохождения накатным валиком поверхности формы; фз — угол, соответствующий окончанию прохождения валиком поверхности формы; ф4 - угол, соответствующий убыванию усилия натиска.

Край выемки войдет в контакт с валиком, когда формный

цилиндр повернется на угол ^ = ~<Рт, возрастание усилия взаимодействия формного цилиндра и валика будет продолжаться, пока

формный цилиндр не повернется на угол как показано

на рис. 4в.

а* а а|

л

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 ^зи соответственно

Общее усилие <3 взаимодействия между накатным валиком и формным цилиндром (усилие прижима) пропорционально линейному усилию

- Е-1-Я

- £•£•/?, ?Л „ 2\, Е-Ь-

О = —1.1(А™, - Л, Ур<р = ——

Усилие прижима может быть выражено как

о =1Е.±.ь-ь

З А

Влияние скорости на отклонение валика

Наибольшее отклонение можно охарактеризовать коэффициентом динамичности:

КО = -

к-т,

где т - длительность прохождения выемки через зону контакта, она зависит от длины выемки I и скорости печати Ур: г _ _!_ ;

Ур

Т1 - время спада усилия натиска при прохождении края выемки через зону контакта. Это время можно определить из выражения

Ь и

х, = —, где о - ширина зоны контакта, Ур - скорость печати;

к - частота собственных колебаний валика.

Е 5

У С

I 2.5

£ я

5 ЮХ») 2

fc -

3

X

Л 15

n

М ,1.02.

1

IxlO3 1x10' lxlO5

JxlO3. n ,9.6x10".

Скорость рабо1ы, об/час

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:

-Si

x(t) = -A e's' ■Sin

, где

А - амплитуда колебаний, равная начальному отклонению х<,; т - масса валика;

5 - коэффициент затухания колебаний.

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

Вр^.чя. с

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 Ма1Ьсас1 с использованием метода Бюлирша-Штоера (рис. 7).

3

2

X

О

Рис. 7. Колебания валика при взаимодействии с формным цилиндром

Время, с

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)._____

0,045

Скорость работы, об\час

-—-1 мм

-2 мм

- * 3 мм

-4 мм

■ максимально допустимое отклонение

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

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

О 0.04 0.! 0.15 о.г 0.25 0,5 0.35 О.* 0.« 0.5 Величина деформации упругого слс* валика с стационарном режиме, мм

|

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 Лотауог 312, с использованием оптического способа измерения с помощью лазерного датчика (рис. 10).

а б

Рис. 10 Установка оптического датчика в печатной машине И.о-тауог 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

формнным цилиндром; 1 - экспериментальный график, полученный на машине Яотауог 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.

Логарифмический декремент затухания с1 вычислялся по данным осциллограммы (рис. 13) смещений валика, по которой определялись период собственных колебаний Т и амплитуды двух последовательных колебаний хтах1 и хтах2:

сI = 1п(л'лю1) Коэффициент затухания при этом равен: § = ~

Было получено, что d=l,34, а коэффициент затухания для валика

машины 11отауог: ¿ = — = 180 Т

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%.

0,000

Скорость работы, об\час

Рис 13. График отклонения накатного валика на разных скоростях работы печатной машины; 1 - теоретическая зависимость (толщина стенки сердечника вапика 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».

Величина зазора, мм

— Расчентый график

Экспериментальный график

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).

0,03

0 025 і-•-----о---.-._„___- - -ті...

■0.01

—• ■ Теоретический График

-•-Мвксимзпьмое допустимое 3«вМЄК«Є ЯМПЛИТУДЫ КОЛвбЗНИЯ

__Время, с

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 О, 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 Яотауог 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 В ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендуемых ВАК:

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.

В других изданиях:

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

Подписано в печать 18.09.2013.Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать на ризографе. Усл. п. л. 1.28. Тираж 100 экз. Закач № 258. Отпечатано в УПИПК МГУП имени Ивана Федорова 127550, Москва, ул. Прянишникова. 2а

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕЧАТИ ИМЕНИ ИВАНА ФЕДОРОВА»

На правах рукописи

04201362399

Федотов Евгений Владимирович

Динамика накатного валика красочного аппарата

Специальность 05.02.13. Машины, агрегаты и процессы (Печатные средства информации)

Диссертация на соискании ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук старший научный сотрудник Герценштейн ИЛИ.

Москва 2013

Содержание

Введение.........................................................................................................................................4

Глава 1. Обзор литературы...........................................................................................................7

1.1. Полошение..........................................................................................................................7

1.2. Красочные аппараты........................................................................................................13

1.3. Поведение краски в зоне контакта накатного валика и формного цилиндра.............16

1.4. Колебания накатных валиков красочных аппаратов и методы расчета колебаний...23

1.5. Влияние колебаний накатного валика на оптическую плотность оттиска.................25

1.6. Влияние зазоров в опорах накатных валиков на качество печати...............................29

1.7. Выводы по главе и постановка задачи исследования...................................................32

Глава 2. Определение максимально допустимого отклонения накатного валика от стационарного положения..........................................................................................................34

2.1. Моделирование процесса переноса краски с накатного валика на поверхность формы.......................................................................................................................................35

2.1.1. Методика проведения эксперимента по моделированию переноса краски накатным валиком на форму..............................................................................................35

2.1.2. Методика измерения толщины слоя........................................................................40

2.1.2. Методика измерения смещений валика от стационарного положения................43

2.2. Порядок проведения эксперимента................................................................................44

2.3. Результаты эксперимента на пробопечатном устройстве............................................46

2.4. Нахождение максимально допустимого отклонения накатного валика от стационарного положения на основе требований к равномерности оптической плотности оттиска...................................................................................................................52

2.5. Выводы по главе...............................................................................................................57

3. Динамическая модель поведения накатного валика красочного аппарата........................58

3.1. Описание динамической модели накатного валика......................................................58

3.2 Определение параметров модели....................................................................................61

3.2.1. Параметры стального сердечника валика...............................................................61

3.2.2. Параметры упругого слоя валика............................................................................63

3.3. Характер нагрузок при прохождении выемки...........................................................67

3.4 Влияние скорости печати и ширины выемки на величину отклонения валика от стационарного положения......................................................................................................72

3.4.1. Методы расчета отклонения накатного валика от положения статического равновесия............................................................................................................................72

3.4.2. Численный метод расчета колебаний валика при прохождении им тела формного цилиндра.............................................................................................................73

3.4.3. Поведение накатного валика при мгновенном спаде и нарастании нагрузки.....77

3.4.4. Влияние характера изменения нагрузки.................................................................79

3.4.5. Упрощенная оценка размаха колебаний валика....................................................85

3.5. Влияние конструктивных параметров на отклонение накатного валика от стационарного уровня.............................................................................................................87

3.6. Выводы по главе...............................................................................................................90

4. Экспериментальное определение отклонений валика от стационарного положения......93

4.1. Методика проведения экспериментов............................................................................93

4.2. Настройка зоны контакта накатного валика и формного цилиндра............................98

4.3. Настройка регулируемого зазора..................................................................................100

4.4. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных.........................................100

4.4.1. Колебания валика в ходе прохождения выемки на формном цилиндре............100

4.4.2. Влияние скорости работы машины на отклонения накатного валика...............103

4.4.3. Влияние зазоров в опорах на уровень отклонения накатного валика от стационарного положения................................................................................................104

4.5. Выводы............................................................................................................................106

5. Методика оценки конструкции валика на жесткость........................................................108

5.1. Определение максимально допустимого отклонения накатного валика от стационарного уровня...........................................................................................................108

5.2. Определение жесткости валика.....................................................................................108

5.3. Коэффициент затухания.................................................................................................111

5.4. Определение начальной амплитуды колебаний..........................................................111

5.5. Упрощенный график расчетных колебаний накатного валика..................................111

5.6. Уточненный расчет отклонений валика от стационарного положения с учетом влияния скорости работы машины......................................................................................113

Выводы.......................................................................................................................................114

Заключение.................................................................................................................................115

Библиографический список......................................................................................................117

Приложение 1. Расчет смещения валика.................................................................................121

Приложение 2. Расчет влияния зазора в опорах валика на величину смещения валика. 124

Приложение 3. Расчет коэффициента динамичности............................................................126

Приложение 4. Работа со сканером в качестве сканирующего денситометра....................128

Приложение 5. Численный метод моделирования прохождения накатного валика тела формного цилиндра...................................................................................................................134

Введение

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.

Цель работы

Целью работы является выявление зависимости неравномерного наката краски на форму от радиальных колебаний накатного валика и определение параметров валика, при которых дефект печати будет сведен к минимуму.

Для достижения цели, поставленной в данной работе, необходимо:

- 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.

Научная новизна работы

Научная новизна работы состоит в следующем:

- определена зависимость между неравномерностью красочного слоя на оттиске и 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

- 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 накатного валика от стационарного уровня, от скорости работы машины, конструктивных параметров сердечника валика, жесткости упругого резинового слоя, на основе которых показа 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.

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 колебаний накатного валика, выявленное экспериментальным путем.

Глава 1. Обзор литературы

Поведение накатных валиков красочного аппарата влияет на равномерность красочного слоя, создаваемого на поверхности печатной формы и, в свою очередь, на равномерность оптической плотности на оттиске. Этот факт отмечают как работники типографий [13, 14, 42, 38], так и исследователи печатных процессов [39, 25, 11,7, 28, 15].

Неравномерный накат краски на поверхность формы, приводящий к браку печатной продукции, наиболее часто проявляется в виде так называемого «полошения».

1.1. Полошение

Термин «полошение» широко применим у печатников, им обозначают брак, который проявляется как чередование светлых и темных полос на оттиске, так могут называть как продольные полосы, так и поперечные. Наиболее наглядно «полошение» становится заметно при печати равномерно заполненных однотоновых изображений, так называемых «плашек».

Если полосы располагаются в направлении движения листа или ленты, то имеет место продольное полошение, если поперек, то поперечное. Такой тип полошения, в свою очередь, можно разделить на несколько вариантов. В одном из них полосы проявляются по всей длине оттиска с шагом, кратным шагу зубчатого зацепления колес. В другом случае полосы заметны на отдельных участках оттиска [28].

Продольные полосы могут появляться из-за неправильной настройки зональной подачи краски, деформации упругого слоя валиков из-за механических повреждений, загрязнения, неверного ухода за поверхностью валиков, что приводит к изменению их геометрии и физических свойств [39, 13, 14, 15,43].

Во всех крупных научных работах, посвященных проблемам, связанным с красочным аппаратом, отмечается, что неправильная настройка накатных валиков ведет к их колебаниям при прохождении края технологической выемки [39, 41, 42]. В.М. Бородин в статьях [7, 8] и наладчики печатных машин в трудах [13, 14, 15, 38] рассматривают широкий спектр причин возникновения полошения, в частности отмечая, что причиной появления дефекта может быть взаимодействие накатного валика и кромки технологической выемки на формном цилиндре. В.М. Бородин пишет, что неправильная настройка валиков ведет к появлению полошения даже на новых машинах.

Основные причины появления поперечных полос - неверная настройка прижима валиков красочного и увлажняющего аппаратов к поверхности формного цилиндра и к прилегающим растирам, взаимодействие накатных валиков красочного аппарата с краем технологической выемки на формном цилиндре, люфт в опорах валиков. Также может сказываться биение цилиндров, слабое натяжение печатной формы [39, 28, 13].

Рассмотрим проблемы, связанные с накатными валиками в красочных аппаратах, подробнее. Тот факт, что взаимодействие накатных валиков и края технологической выемки формного цилиндра приводит к дефектам при печати в виде полошения, отмечался не раз в различных статьях и изданиях, о чем говорилось ранее. Валик, прижатый к поверхности формного цилиндра, сначала «проваливается» в технологическую выемку, а затем взаимодействует с ее краем и далее с поверхностью формы, что приводит к неравномерности толщины накатываемого красочного слоя. Проектировщики печатного оборудования и инженеры предложили ряд решений для минимизации этого явления.

На листовых офсетных машинах технологическая выемка занимает от 15% до 20% от длины развертки цилиндра. Эта особенность формного цилиндра характеризуется коэффициентом использования окружности формного цилиндра - Кп.

Кп где Ьтах - наибольший размер листа в направлении его подачи;

тг£>п

£>п - диаметр печатного цилиндра [39]. Для листовых машин Кп лежит в диапазоне от 0,65 до 0,85, а для рулонных машин Кп равен 1,0, так как на них зазор технологической выемки сведен к минимуму. Чтобы уменьшить амплитуду колебаний валика, вызванных его силовым взаимодействием с краем технологической выемки, на листовых офсетных печатных машинах край технологической выемки делают с наклонным, закругленным профилем. В частности, такое решение можно увидеть на формных цилиндрах как отечественных (рис. 1.1), так и зарубежных машин.

Рис. 1.1. Крепление формы на формном цилиндре с закругленным профилем технологической выемки

В рулонных офсетных машинах зазор технологической выемки сведен к минимуму (там он составляет от 2 до 5 мм, в зависимости от модели) с помощью применения так называемой «узкощелевой» системы крепления формы [39]. Это снижает виброактивность печатного аппарата, что актуально для машин рулонной офсетной печати из-за более высоких скоростей работы по сравнению с машинами листовой офсетной печати. Например, рабочая щель замка фирмы КВА для закрепления формы (рис. 1.2), уменьшена до 2 мм [41].

Рис. 1.2. Вариант конструкции замка «узкощелевой» системы крепления и его размещение в теле цилиндра

Для максимально точной настройки прижима накатных валиков фирма Heidelberg оснастила свои печатные машины модулем автоматической проверки полосы контакта накатных валиков с печатной формой [30]. Программа данного модуля позволяет автоматически выставить прижим валика к растиру и форме, а затем отобразить на печатном листе полосы контакта. Полученные отпечатки полосы контакта сравнивают с шаблоном путем наложения его на оттиск, после чего оператор принимает решение о необходимости дальнейшей настройки прижима накатного валика. В целом, эта система позволяет точно и быстро подготовить машину к тиражу.

Решая проблему точной и быстрой настройки накатных валиков в машинах рулонной офсетной печати, фирма КВА разработала конструкцию пневматических опор-замков валиков, благодаря которой удалось автоматизировать процесс, добившись высокой скорости и точности настройки [41].

Обобщая и суммируя практический опыт наладчиков печатного оборудования, В.М. Бородин советует минимизировать степень прижатия валиков к печатной форме [7]. В свою очередь В.И. Штоляков и В.Н. Румянцев в учебнике, посвященном печатному оборудованию, отмечают, что излишне слабый прижим валика к растирам и форме ведет к непропечатке и полошению на оттиске. Отмечается, что необходимо устанавливать одинаковое давление в паре накатной валик - растир и накатной валик - форма. В случае если давление в одной из зон контакта накатного валика будет больше, чем в других, возможно появление полос на оттиске [39].

В этом же учебнике отмечается, что наличие зазоров в опорах накатных валиков напрямую ведет к полошению на оттиске вследствие прохождения �