автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.15, диссертация на тему:Влияние конструктивных и технологических факторов на работоспособность фрикционных самонакладов

На правах рукописи

Токмин Александр Валерьевич

Влияние конструктивных и технологических факторов на работоспособность фрикционных самонакладов

Специальность 05.02.15 - «Машины, агрегаты и процессы (полиграфическое производство)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2003

Работа выполнена в Московском государственном университете печати

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Бобров Владимир Иванович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Быстрое К.Н., кандидат технических наук, Быков А.В.

Ведущая организация - НИИ Полиграфмаш

Защита состоится « »_2003 г. в_часов на заседании

диссертационного совета Д 212.147.01 при Московском государственном университете печати по адресу: 127550 Москва, ул. Прянишникова, д. 2а.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Московского государственного университета печати

Автореферат разослан « »_2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Наумов В.А.

2®© 5-4

'715

Актуальность проблемы. Сегодня в России насчитывается очень большое количество частных полиграфических фирм. И с каждым годом их становится всё больше и больше.

Естественно, это ведёт к усилению рыночной конкуренции, что, безусловно, оказывает влияние на требования к качеству и себестоимости продукции. Следовательно, резко возрастают и технологические требования к появляющемуся полиграфическому оборудованию.

Как правило, большинство выпускаемых листовых полиграфических машин работают в автоматическом режиме, который обеспечивается использованием самонакладов. Качество продукции, полученной с помощью такого полиграфического оборудования, непосредственно связано с точностью работы л исто подаю щих систем. Поэтому, проведение научно-исследовательских работ в области самонакладов сегодня, позволит разрабатывать и производить в будущем более скоростное, более точное, более надежное или менее дорогостоящее оборудование. Такое, которое сможет обеспечить растущие потребности полиграфического рынка.

Сегодня в полиграфии используются в основном два типа самонакладов: пневматические и фрикционные. Несмотря на ярко выраженные достоинства пневматических самонакладов, в некоторых видах оборудования все же оправдано применение фрикционной подачи. Благодаря простоте и относительно низкой стоимости фрикционные самонаклады конкурируют с пневматическими в листоподборочных устройствах, фальцевальных машинах, малоформатных печатных машинах, листосчётных устройствах, множительной технике. Практика работы этих устройств показала, что надёжность и точность их работы существенно зависит как от свойств подаваемого материала, так и от конструкции самонаклада. Между тем, какие-либо рекомендации по выбору параметров самонаклада в научно-технической литературе либо отсутствуют, либо этих рекомендаций недостаточно. Конструирование фрикционных самонакладов, в основном, ведётся методом заимствований. Таким образом, научно-исследовательская работа в данной

области окажет существенную помощь при проектировании листоподающих систем с использованием фрикционной подачи листов.

Во-первых, такая работа позволит разработать методику расчета фрикционного самонаклада и выявить основные конструктивные параметры. Во-вторых, проведённые исследования помогут определить наилучшие условия подачи листа. В-третьих, с помощью этих исследований можно создать основу для расчета различных типов фрикционных самонакладов и определить направления дальнейших исследований. Кроме этого, появится возможность уточнить область применения фрикционных самонакладов и понять, в каких случаях применение фрикционных самонакладов не оправдано. Наконец, представленная работа может руководителям полиграфических предприятий помочь при выборе оборудования, в котором используется фрикционная подача. Поэтому проблема проектирования листоподающих систем с использованием фрикционной подачи листов является актуальной и необходимой.

Цели и задачи работы. В представленной работе преследуются следующие цели. Основная цель работы заключается в определении возможностей фрикционных самонакладов и уточнении области их применения. Дополнительной целью диссертации является разработка методики расчета конкретного фрикционного самонаклада, которая может стать основой для исследований других конструкций самонакладов.

Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи: произведен патентный поиск конструкций фрикционных самонакладов; выявлены основные факторы, влияющие на работоспособность самонакладов; выбрана конструкция самонаклада для теоретического исследования; создана теоретическая модель отделения только одного листа от стопы на основании фундаментальных законов физики; разработана вероятностная модель отделения листов фрикционным самонакладом; спроектирован и создан макет для измерения коэффициентов трения между листами; спроектирован и создан макет для проверки адекватности теоретической модели самонаклада;

разработана имитационная модель отделения листов фрикционным самона-

. • и , '

кладом; произведена статистическая обработка экспериментальных данных и получены значения коэффициентов трения; построены зависимости, позволяющие определить влияние основных факторов на вероятность отделения только одного листа; определены сорта бумаги, которые не рекомендуется использовать для фрикционной подачи. ) Объект и предмет исследования. Объектом исследования является

фрикционные самонаклады для отделения и подачи бумажных листов. ( Предметом исследования является безотказность работы фрикционного

' самонаклада.

Научная новизна. В настоящей работе сделана попытка описать реальную физическую ситуацию надежности отделения листов от стопы с помощью математического аппарата. Надежность работы какой-либо системы непосредственно связана с вероятностью безотказной работы.

Ранее, для определения степени и характера влияния того или иного фактора нужно было создать ряд макетов или использовать ряд оборудования, в котором изменялся бы только исследуемый фактор. При этом вероятность отказа определяется опытным путем с помощью экспериментов и последующей обработкой данных. В данной работе, на примере фрикционных самонакладов, степень и характер влияния того или иного фактора определены аналитически. Что дало возможность получить некоторые рекомендации для области разработки и проектирования фрикционных листоподающих систем учитывая реальные физические величины (коэффициенты трения, дисперсия коэффициентов трения, величины, связанные с конструктивными особенностями самонаклада).

В данной работе проводились эксперименты для выявления реальных значений коэффициентов трения между листами, закона распределения данной случайной величины.

Практическая ценность работы. Практическая ценность работы заключается в следующем: Люди, занимающиеся созданием, проектированием, разработкой или выбором листоподающих систем, могут использовать представленные основные выводы для своей работы, с целью выбора опта-

мапьных параметров фрикционного самонаклада. На основании представленной работы можно определить технологические возможности оборудования, в котором применяется фрикционная подача. В данной работе разработан метод, по аналогии с которым возможно исследовать функционирование каких-либо других систем. Разработанная аналитическая модель может быть использована при проектировании фрикционного самонаклада для подачи немелованных бумаг.Полученные экспериментальные данные могут быть использованы в последующих научно-исследовательских работах.

Апробация работы. Апробация данной работы была произведена посредством участия в научных конференциях. Были опубликованы следующие статьи:

• «Теоретические основы точности работы фрикционных самонакладов»;

• «Экспериментальное определение коэффициентов трения между листами»;

• «Влияние некоторых факторов на вероятность отделения только одного листа»;

Положения, выносимые на защиту.

1. Вероятностная аналитическая модель отделения листов фрикционным самонакладом

2. Совокупность зависимостей влияния технологических и конструктивных факторов на работоспособность фрикционных самонакладов.

3. Совокупность зависимостей коэффициента трения покоя для различных бумаг от переменных нагрузок.

4. Статистическая имитационная модель отделения листов во фрикционном самонакладе.

5. Рекомендации по расчету и проектированию фрикционных самонакладов.

Структура и краткое содержание работы. Работа состоит из введения, шести глав, списка литературы, приложений, изложена на 158 страни-

цах, с учётом 59 рисунков, 33 таблиц, 16 алгоритмов МаЛсас! и 13 приложений.

В первой главе диссертации разработана классификация существующих типов фрикционных самонакладов и приведены схемы построения некоторых из них. Описание этих схем позволило выявить достоинства и недостатки каждого из представленных самонакладов. Здесь же приведен список I оборудования, в котором применяется фрикционная подача листов и даны

( характеристики этих машин.

Вторая глава посвящена выбору схемы самонаклада ддя дальнейших исследований. Здесь выявлены основные дефекты работы самонакладов: неподача листа, подача листа не по циклу (пропуск листа, отставание по фазе), подача двойного листа (множественная подача), неточность положения листа (перекос).

Исходя из этих недостатков, были выделены основные функции самонакладов: подача листа, отсутствие множественной подачи листа, отсутствие перекоса листа, подача листа на заданное расстояние за заданное время.

На данном этапе выявлены факторы, влияние которых должно было определено в результате исследований. Эти факторы представлены на рис. 1.

Факторы

Количество отстоя в стопе!

Рис. 1. Классификация факторов, влияющих на работоспособность самонаклада

Безусловно, первоочередной задачей являлось нахождение области качественной подачи с отсутствием дефектов пропуска (неподачи) листа и множественной подачи. Для того чтобы установить влияние конструктивных и технологических факторов на работоспособность фрикционных самонакладов на первом этапе была создана детерминированная теоретическая модель, отражающая физическую ситуацию отделения листов. Здесь были учтены различные факторы в виде конкретных физических величин. Поскольку при создании математических моделей самонаклада были использованы величины коэффициентов трения, которые являются переменными величинами и могут принимать различные значения, то одной из задач стала задача составления вероятностной аналитической модели отделения и подачи листов.

Таким образом, задачей работы стало определение взаимосвязи основных параметров самонаклада (сила прижима, масса листа, коэффициенты трения и т. д.), с помощью которой можно будет характеризовать работоспособность самонаклада.

Чтобы выявить влияние конструктивных и технологических факторов на работоспособность фрикционных самонакладов, в первую очередь разработана теоретическая модель отделения листов от стопы. Это помогло понять физические процессы, происходящие при отделении листов и сделать предварительные выводы, определить наиболее важные параметры самонаклада, влияющие на отделение листов. Такая характеристика самонаклада как работоспособность непосредственно связана с вероятностью безотказной работы. Поэтому следующей задачей было нахождение вероятности подачи только одного листа.

При решении поставленных задач не обойтись без некоторых экспериментальных данных. Поэтому в этой главе сформулированы основные задачи для проведения экспериментов. С помощью первых серий экспериментов были получены численные значения коэффициентов трения (коэффициентов трения между фрикционным материалом и бумагой, коэффициентов трения между листами) при различных условиях. Следующие эксперименты были посвящены исследованию фрикционного самонаклада с использованием

имитационной статистической модели (численные эксперименты с использованием ЭВМ). Еще одна серия экспериментов была посвящена проверке адекватности теоретической модели. Для этого была создана модель фрикционного самонаклада с верхним расположением подающего ролика.

В третьей главе разработана детерминированная теоретическая модель фрикционной подачи, с помощью которой выведены формулы и расчётные зависимости, позволившие подойти к решению вопросов о неподаче листа и вопросов о множественной подаче. Кроме того, здесь проведён расчет самонаклада с наклонным стапелем и обоснованы условия работы самонаклада при отсутствии таких дефектов, как неподача и подача двойных листов. Для того чтобы отразить влияние наклона стопы, теоретическую модель была дополнена и получено выражения с учетом угла наклона стопы.

Ниже приведена расчетная формула и зависимость, позволяющая увидеть влияние коэффициентов трения на максимальное значение прижимающей силы ролика, при которой происходит отделение только одного листа.

2 • — • cos(a) - cos(a) +

Р /1 /l

mg 1 - А.

f\

где Р - усилие прижима ролика к стопе; /] - коэффициент трения между первым и вторым листом; fa- коэффициент трения между вторым и третьим листом; а - угол наклона стапеля.

В этой же главе дополнительно разработана вероятностная аналитическая модель фрикционной подачи. С помощью такой модели может быть определена: вероятность отделения только одного листа, вероятность отделения одновременно нескольких листов, вероятность неподачи листа, вероятность подачи только одного листа с учетом ускорения этого листа.

Вероятность отделения только одного листа может вычисляться по формуле: />(С1) = Р(АХ)~ Р(Аг)-Р(А2)Р(А3);

ч2

P(A¡) = j—t 0*

°°1 „ 2

(Р- f-(P+mgcosa)f i -та\ -wg-sin а-х) {Рог/ )2+((/>+mg-cosa)cryj )2]

dx,

q^^(P (7f)2+((P + mg cosa) af])2 -4lñ\

где

ч2

(Pf-

00 1

р(А2)= ¡—е

о?

P+2mgcosa)-f 2 -та\ -mg sin а-х)

2 ■ (Раf)2+((P+2mgcosa)aу2 )2 ]

dx,

где q = yj(P-af)2 + ((Р + 2mg ■ cosa) • оу2 )2 -Ля ;

((P+mg cosa) fi -(P+2mgcosa)• /2 -mg sraa-x)2

Р(АЪ) ' t 2^{P+mg eosа) (гд У +((P+2mgcosa)afj Y 3 0*

dx

где q - tJ((P + mg • eos а) -суд)2 + ((P + 2 mg ■ cosa) • cry2 )2 • -Jbr ;

сту - среднее квадратичное отклонение коэффициентов трения.

На основании вероятностных характеристик могут быть сделаны выводы о работоспособности самонаклада. С помощью этой модели удалось наглядно изобразить влияние тех или иных факторов на работоспособность фрикционного самонаклада. Ниже приведены графики, которые отражают

влияние наиболее существенных факторов на вероятность отделения и подачи только одного листа (рис. 2 - 5).

График на рис.2, показывает, что для достижения 99,7% вероятности подачи только одного листа нужно, чтобы коэффициент трения фрикционного ролика превышал некоторое определённое значение. При этом возможно существование диапазона с такими значениями силы прижима ролика, в котором вероятность подачи только одного листа максимальна.

Рис. 2. Зависимость вероятности подачи только одного листа от силы прижима ролика к стопе при различных величинах коэффициента трения фрикционного материала

I р

' Рис. 3. Зависимость вероятности подачи только одного листа от силы прижима ролика

^ к стопе при различных коэффициентах трения между листами

На первый взгляд может показаться, что при уменьшении коэффициента трения между листами надежность отделения листов должна повысится, тем не менее, анализируя график на рис. 3 можно сделать следующий вывод. При достаточно малых значениях коэффициентах трения между листами величина прижимающего усилия находится в очень узком диапазоне значений. По этому при данных условиях вероятность надежной работы падает.

Однако если коэффициент трения фрикционного материала с бумагой остается постоянным, а коэффициенты трения между листами принимают существенные значения, то существует риск вообще не достигнуть требуемой вероятности отделения только одного листа.

На рис. 4. представлены зависимости вероятности отделения только одного листа от прижимающего усилия ролика при различных значениях среднего квадратичного отклонения коэффициентов трения между листами.

о!| =0 005

Рис. 4. Зависимость вероятности подачи только одного листа от силы прижима ролика при различных значениях среднего квадратичного отклонения коэффициентов трения

между листами.

После рассмотрения данных трафиков было сделано два основных вывода. Во-первых, существуют такие значения дисперсии коэффициентов трения между листами, при которых надежная работа самонаклада невозможна. Во-вторых, увеличение среднего квадратичного отклонения коэффициентов трения между листами приводит к резкому снижению вероятности отделения только одного листа. На рис. 5. представлена зависимость вероятности подачи только одного листа от прижимающего усилия при различных углах >

I

наклона стопы. Отмечено, что наиболее сильное влияние оказывает угол 1

наклона стопы. Из этих зависимостей видно, что при увеличении угла наклона стопы улучшаются условия отделения только одного листа. Даже небольшое увеличение угла наклона стопы благоприятно сказывается на процессе отделения только одного листа. При этом оптимальный угол наклона стопы находится в пределах 60о-80°. Изменение угла наклона в пределах этого диапазона практически не оказывают влияние на отделение только одного листа. С помощью вышеприведенных графиков было наглядно при-

ведено влияние различных факторов на основную функцию, выполняемую самонакладами, а именно на отделение верхнего листа без множественной подачи. а7 = 70

Рис. 5. Зависимость вероятности подачи только одного листа от силы прижима ролика при различных значениях угла наклона стопы

Далее в третьей главе приводятся основные результаты теоретических исследований. Для некоторых типов бумаги существует такая область значений усилия прижима ролика, где со 100% вероятностью будет происходил, отделение только одного листа. Дисперсия коэффициентов трения ролика влияет на процесс отделения только при близких значениях коэффициента трения ролика и коэффициента трения между листами. Слишком малые значения коэффициентов трения между листами значительно уменьшают вероятность безотказной работы самонаклада. Дисперсия коэффициентов трения между листами оказывает наибольшее влияние на работоспособность самонаклада. Оптимальное значение угла наклона стопы находится в пределах 60° - 80°. Ускорение выводимого листа не оказывает существенного влияния на вероятность отделения только одного листа.

На основ&нии вышеизложенного был составлен список факторов в порядке уменьшения степени их влияния на работоспособность фрикционного самонаклада: угол наклона стопы; усилие прижима ролика; дисперсия коэффициентов трения между листами (не оказывает влияния только при чрезмерно малых значениях); коэффициент трения между листами (влияет на выбор усилия прижима и на минимальное значение коэффициента трения

ролика); дисперсия коэффициентов трения между роликом и бумагой (оказывает влияние, если коэффициент трения ролика отличается от коэффициента трения между листами менее чем на 30%);минимальное ускорение листа практически не влияет на вероятность отделения только одного листа, однако определяет производительность самонаклада; масса листа может влиять лишь косвенным образом (например, влияние на коэффициент трения и дисперсию между листами).

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям. Вначале этой главы приведены доводы, которые определяют необходимость проведения экспериментов. Затем описывается макеты и аппаратура. Здесь приводятся конструкция макета для измерения коэффициента трения и макета фрикционного самонаклада с необходимыми пояснениями принципа действия этих устройств. Кроме того, в этой главе описывается имитационная модель фрикционной подачи.

Для проведения экспериментов была предложена следующая программа измерений для каждого вида бумаги: измерение коэффициента трения между двумя конкретными листами при отсутствии дополнительной нагрузки; измерение коэффициента трения между двумя конкретными листами при различной дополнительной нагрузке в несколько раз превышающей массу листа; измерение коэффициента трения между листами в стопе бумаги при создании дополнительной нагрузки; измерение коэффициентов трения фрикционного материала с различными бумагами; измерение силы, прижимающей подающий ролик, при отсутствии множественной подачи.

Первые два этапа программы необходимы для определения зависимости коэффициента трения от дополнительной нагрузки на стопу бумаги. На третьем этапе достаточно провести только одну серию измерений. При этом, воспользовавшись предыдущими экспериментами предполагаем, что зависимость коэффициента трения от нагрузки будет такой же, как и для двух листов. Пятый и шестой этапы необходимы для накопления экспериментальных данных, с которыми сравниваются расчётные значения.

Следующая глава посвящена проведению экспериментов. Здесь рассказывается о том, как проводились эксперименты, какие изменялись параметры, как обрабатывались результаты экспериментов. Основную часть этой главы составляют статистические расчёты, с помощью которых удалось получить закон распределения, средние значения и доверительный интервал для экспериментально определяемых величин. В таблице 1. представлены значения коэффициентов трения для различных бумаг. Кроме этого оказалось, что коэффициенты трения распределены по нормальному закону.

Таблица 1. Статистические данные для различных бумаг.

Бумага Доп. нагрузка 3.o fcp. finax. frnin.

GALERI ART матовая 7,89 mg 0,015 0,045 0,4 0,45 0,36

MAXMAGQ gloss 7,78 mg 0,018 0,055 0,43 0,48 0,37

NOPACOAT gloss ll,7mg 0,018 0,054 0,43 0,49 0,38

KYMLUXOFSET 10 mg 0,03 0,09 0,61 0,72 0,54

Также в этом разделе построены зависимости для проверки адекватности вероятностной аналитической модели.

Пятая глава посвящена анализу результатов проведённой работы. Здесь выполнена проверка адекватности детерминированной модели, которая заключалась в сравнении расчётной величины прижимающего усилия фрикционного ролика со значениями, полученными экспериментально. С помощью разработанной статистической теории расчета, которая была проверена с помощью имитационной модели, удалось определить основные : факторы, влияющие на работоспособность фрикционного самонаклада,

л, Ниже (рис. 6.) представлена классификация этих факторов в зависимости

от степени их влияния.

С помощью имитационной модели был построен график отказов, представляющий собой экспоненту. Поэтому отказы, возникающие при работе фрикционного самонаклада, могут быть описаны простейшей моделью. Экспериментальные данные, полученные при измерениях коэффициентов трения бумаг, могут быть использованы в будущих научно-

исследовательских работах, посвященных исследованиям фрикционных самонакладов.

Рис. 6. Классификация факторов

В этой же главе предлагаются направления дальнейших исследований. Во-первых, необходима работа, посвящённая исследованиям коэффициента трения между листами для большинства видов бумаг и форматов используемых в полиграфии. Во-вторых, могли бы быть очень полезными исследования, по определению зависимости коэффициентов трения между листами от скорости. В-третьих, должны быть проведены исследования, касающиеся поиска или создания фрикционных материалов с наибольшим значением коэффициента трения и наилучшими эксплуатационными характеристиками. В-четвёртых, нужна научно-исследовательская работа, цель которой заключалась бы в создании обобщенной теоретической основы для расчёта фрикционных самонакладов. В-пятых, могут быть проведены исследования с учётом динамики подачи листов фрикционным самонакладом с определением его временных характеристик. И, наконец, может быть выполнена работа по созданию и исследованию фрикционного самонаклада для каскадной подачи листов.

Таким образом, в заключение проведённой работы по исследованию качества работы фрикционных самонакладов можно сказать, что в результате

данной работы было поставлено больше вопросов, чем найдено ответов. Однако намеченные здесь направления дальнейших исследований дают надежду на появление новой методики расчёта фрикционных самонакладов, которая будет подходить для любой бумаги используемой в полиграфии. В заключение работы приведён список использованной литературы и ' приложения. В приложениях приведены используемые программы и данные

| экспериментальных исследований в виде таблиц, графиков и гистограмм.

^ По теме диссертации были опубликованы следующие статьи:

1. Герцениггейн И.Ш.,Токмин А.В.Теоретические основы точности работы фрикционных самонакладов: Сб. науч. тр. - М.: МГУГТ, 1999. / 0,2 п.л.

2. Бобров В.И. Токмин A.B. Имитационная модель процесса отделения листов в фрикционном самонакладе // Изв. вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела,- 2002. -№3. / 0,3 пл.

3. Токмин A.B. Классификация фрикционных самонакладов // Печатные и переплетные машины: Межвед. сб. науч. тр.,- М.: МГУП, 2002. /0,15 пл.

4. Токмин A.B. Экспериментальное определение коэффициентов трения между листами // Науч. техн. конф. профессорско-преподавательского состава МГУП. - М.: МГУП, 2000. / ОД пл.

5. Токмин A.B., Бобров В.И. Оценка вероятности отделения листов от стопы в фрикционном самонакладе // Печатные и переплетные машины:

J Межвед. сб. науч. тр.,- М.: МГУП, 2002. / 0,3 пл.

I 6. Токмин A.B. Разработка детерминированной модели отделения лис-

^ тов от стопы в фрикционном самонакладе // Проблемы современной поли-

графии: Материалы I заочной Междунар. науч. конф..- Омск: ОГТУ, 2002. /0,3 пл.

7. Токмин A.B. Проблема классификации фрикционных самонакладов и некоторые схемы построения // Изв. вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела. - 2002. - №4. / 0,25 пл.

Подписано в печать 27.10.03. Формат 60x84/16. Объем 1,0 пл. Тираж 100 экз. Заказ № 471/402

Московский государственный университет печати. 127550, Москва, ул. Прянишникова, 2а. Отпечатано в ИГПС МГУП.

~Î7Î>T

р1713 б

Список характерных обозначений.

Введение

1. Состояние и проблемы создания надежных фрикционных самонакладов.

1.1. Классификация фрикционных самонакладов.

1.2. Схемы построения фрикционных самонакладов.

1.3. Примеры использования фрикционных самонакладов в полиграфии.

1.4. Исследования силы трения.

2. Постановка задачи.

2.1. Выбор конструкции фрикционного самонаклада.

2.2. Определение направления дальнейшей работы

2.3. Выводы по главе.

4. 3. Теоретическая часть.

3.1. Разработка аналитической модели процесса отделения листа •

3.1.1. Разработка детерминированной модели процесса отделения листов.

3.1.2. Решение задачи о неподаче листа.

3.1.3. Решение вопроса множественной подачи.

3.1.4. Влияние наклона стапеля на процесс отделения листа.

3.1.5. Условие работы самонаклада без подачи двойного листа • • •

3.2. Разработка вероятностной модели подачи только одного листа.

3.2.1. Описание физики процесса отделения только одного листа ■

3.2.2. Анализ дерева отказов при подаче листа.

3.2.3. Разработка статистической имитационной модели процесса разборки стопы фрикционным самонакладом.

4. Экспериментальная часть.

4.1. Необходимость проведения экспериментов

4.2. Описание макета и аппаратуры.

4.3. Режимы проведения экспериментов.

4.3.1. Измеряемые параметры.

4.3.2. Программа эксперимента.

4.4. Методика проведения экспериментов.

4.4.3. Эксперименты с имитационной моделью.

4.5. Методика обработки экспериментальных данных.

5. Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований

5.1. Проверка адекватности детерминированной модели отделения листа от стопы.

5.2. Проверка адекватности вероятностной аналитической модели

5.3. Выводы по главе.

6. Рекомендации и направления дальнейших исследований.

Актуальность проблемы

Не для кого не секрет, что сегодня в России насчитывается очень большое количество частных полиграфических фирм. И с каждым годом их становится всё больше и больше.

Естественно, это ведёт к усилению рыночной конкуренции, что, безусловно, оказывает влияние на требования к качеству и себестоимости продукции. Следовательно, резко возрастают и технологические требования к появляющемуся полиграфическому оборудованию.

Как правило, большинство выпускаемых листовых полиграфических машин работают в автоматическом режиме, который обеспечивается использованием самонакладов. Качество продукции, полученной с помощью такого полиграфического оборудования, непосредственно связано с надежностью работы листоподающих систем.

Поэтому, проведение научно-исследовательских работ в области надежности самонакладов сегодня, позволит разрабатывать и производить в будущем более скоростное, более надежное, менее дорогостоящее оборудование, которое сможет обеспечить растущие потребности полиграфического рынка.

Сегодня в полиграфии используются в основном два типа самонакладов: пневматические и фрикционные. Несмотря на ярко выраженные достоинства пневматических самонакладов, в некоторых видах оборудования все же оправдано применение фрикционной подачи. Благодаря простоте и относительно низкой стоимости фрикционные самонаклады конкурируют с пневматическими в листоподборочных устройствах, фальцевальных машинах, малоформатных печатных машинах, листосчётных устройствах, множительной технике.

Практика работы этих устройств показала, что надёжность и точность их работы существенно зависит как от свойств подаваемого материала, так и от конструкции самонаклада.

Между тем, какие-либо рекомендации по выбору параметров самонаклада в научно-технической литературе либо отсутствуют, либо этих рекомендаций недостаточно. Конструирование фрикционных самонакладов, в основном, ведётся методом заимствований.

Таким образом, научно-исследовательская работа в данной области окажет существенную помощь при проектировании листоподающих систем с использованием фрикционной подачи листов.

Во-первых, такая работа позволит разработать методику расчета фрикционного самонаклада и выявить его основные конструктивные параметры.

Во-вторых, проведённые исследования помогут определить наилучшие условия подачи листа.

В-третьих, с помощью этих исследований можно создать теоретическую основу для расчета различных типов фрикционных самонакладов и определить направления дальнейших исследований.

Кроме этого, появится возможность уточнить область применения фрикционных самонакладов и понять, в каких случаях применение фрикционных самонакладов не оправдано.

Наконец, представленная работа может быть полезна руководителям полиграфических предприятий при выборе оборудования, в котором используется фрикционная подача.

Поэтому такая работа является актуальной и необходимой.

Цели и задачи работы

Цель работы заключается в определении технологических возможностей фрикционных самонакладов, уточнении области их применения, разработка методики расчета конкретного фрикционного самонаклада, которая может стать основой для исследований других конструкций самонакладов.

Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:

• произведен патентный поиск конструкций фрикционных самонакладов;

• выявлены основные факторы, влияющие на работоспособность самонакладов;

• выбрана конструкция самонаклада для теоретического исследования;

• создана теоретическая модель отделения только одного листа от стопы на основании фундаментальных законов физики;

• разработана вероятностная модель отделения листов фрикционным самонакладом;

• спроектирован и создан макет для измерения коэффициентов трения между листами;

• спроектирован и создан макет для проверки адекватности теоретической модели самонаклада;

• разработана имитационная модель отделения листов фрикционным самонакладом;

• произведена статистическая обработка экспериментальных данных и получены значения коэффициентов трения;

• построены зависимости, позволяющие определить влияние основных факторов на вероятность отделения только одного листа;

• определены сорта бумаги, которые не рекомендуется использовать для фрикционной подачи.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования является фрикционные самонаклады для отделения и подачи бумажных листов.

Предметом исследования является безотказность работы фрикционного самонаклада.

Научная новизна

В настоящей работе сделана попытка описать реальную физическую ситуацию надежности отделения листов от стопы с помощью математического аппарата. Надежность работы какой-либо системы непосредственно связана с вероятностью безотказной работы.

Ранее, для определения степени и характера влияния того или иного фактора нужно было создать ряд макетов или использовать ряд оборудования, в котором изменялся бы только исследуемый фактор. При этом вероятность отказа определяется опытным путем с помощью экспериментов и последующей обработкой данных.

В данной работе, на примере фрикционных самонакладов, степень и характер влияния того или иного фактора определены аналитически. Что дало возможность получить некоторые рекомендации для области разработки и проектирования фрикционных листоподающих систем учитывая реальные физические величины (коэффициенты трения, дисперсия коэффициентов трения, величины, связанные с конструктивными особенностями самонаклада).

В данной работе проводились эксперименты для выявления реальных значений коэффициентов трения между листами, закона распределения данной случайной величины.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Люди, занимающиеся созданием, проектированием, разработкой или выбором листоподающих систем, могут использовать представленные основные выводы для своей работы, с целью выбора оптимальных параметров фркционного самонаклада.

2. На основании представленной работы можно определить технологические возможности оборудования, в котором применяется фрикционная подача.

3. В данной работе разработан метод, по аналогии с которым возможно исследовать функционирование каких-либо других систем.

4. Полученные экспериментальные данные могут быть использованы в последующих научно-исследовательских работах.

Апробация работы

Апробация данной работы была произведена посредством участия в научных конференциях. Были опубликованы следующие статьи:

• «Теоретические основы точности работы фрикционных самонакладов»;

• «Экспериментальное определение коэффициентов трения между листами»;

• «Влияние некоторых факторов на вероятность отделения только одного листа»;

Публикации

По теме диссертации были опубликованы шесть научных статей:

• «Классификация фрикционных самонакладов»;

• «Экспериментальное определение коэффициентов трения между листами»;

• «Оценка вероятности отделения листов от стопы в фрикционном самонакладе»;

• «Имитационная модель процесса отделения листов в фрикционном самонакладе»;

• «Разработка детерминированной модели отделения листов от стопы в фрикционном самонакладе»

• «Проблема классификации фрикционных самонакладов и некоторые схемы построения».

Структура и краткое содержание работы

Работа состоит из введения, шести глав, списка литературы, приложений, изложена на 158 страницах, с учётом 59 рисунков, 33 таблиц, 16 алгоритмов Mathcad и 13 приложений.

В первой главе диссертации разработана классификация существующих типов фрикционных самонакладов и приведены схемы построения некоторых из них. Описание этих схем позволяет выявить достоинства и недостатки каждого из представленных самонакладов.

Вторая глава посвящена выбору схемы самонаклада для дальнейших исследований. Здесь выявлены основные дефекты работы самонакладов, выявлены параметры, влияние которых должно быть определено в результате исследований. Поставлены основные задачи.

В третьей главе разработана теоретическая модель фрикционного самонаклада, с помощью которой выведены формулы и расчётные зависимости, позволившие подойти к решению вопросов о неподаче листа и вопросов о множественной подаче.

Кроме того, здесь проведён расчет самонаклада с наклонным стапелем и обоснованы условия работы самонаклада при отсутствии таких дефектов, как неподача и подача двойных листов.

В этой главе дополнительно разработана статистическая модель фрикционной подачи. С помощью этой модели удалось наглядно изобразить влияние тех или иных факторов на работоспособность фрикционного самонаклада.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям. Вначале этой главы приведены доводы, которые определяют необходимость проведения экспериментов.

Затем описывается макеты и аппаратура. Здесь приводятся конструкция макета для измерения коэффициента трения и макета фрикционного самонаклада с необходимыми пояснениями принципа действия этих устройств. Кроме того, в этой главе описывается имитационная модель фрикционной подачи.

Пятая глава посвящена проведению экспериментов. Здесь рассказывается о том, как проводились эксперименты, какие изменялись параметры, как обрабатывались результаты экспериментов.

Основную часть этой главы составляют статистические расчёты, с помощью которых удалось получить средние значения и доверительный интервал для экспериментально определяемых величин. Кроме того, в этом разделе построены зависимости для проверки адекватности статистической модели.

Шестая глава посвящена анализу результатов проведённой работы. Здесь выполнена проверка адекватности теоретической модели, которая заключается в сравнении расчётной величины прижимающего усилия фрикционного ролика со значениями, полученными экспериментально.

В этой же главе предлагаются направления дальнейших исследований. В заключение работы даны общие выводы и приведён список использованной литературы и приложения.

Положения, выносимые на защиту

1. Вероятностная аналитическая модель отделения листов фрикционным самонакладом

2. Совокупность зависимостей влияния технологических и конструктивных факторов на работоспособность фрикционных самонакладов.

3. Совокупность зависимостей коэффициента трения покоя для различных бумаг от переменных нагрузок.

4. Статистическая имитационная модель отделения листов во фрикционном самонакладе.

5. Рекомендации по расчету и проектированию фрикционных самонакладов.

5.3. Выводы по главе

В результате проведения проверки адекватности детерминированной и вероятностной аналитической модели были сделаны основные выводы.

1. Разработанные теории подтверждаются практически только для бумаги КУМЬиХ ОР8ЕТ 80 (г/м2), которая является немелованной бумагой с высоким значением коэффициента трения между листами.

2. Наиболее простой и результативный способ повышения надежности самонаклада это создание положительного угла наклона стопы.

3. Для оценки надежности работы фрикционного самонаклада может использоваться вероятностная аналитическая модель, которая дает возможность определить влияние того или иного фактора на вероятность отделения только одного листа.

4. Для определения оптимального значения усилия прижима ролика может быть использована детерминированная модель, при этом достаточен доверительный интервал ± 1,5 • сг.

6. Рекомендации и направления дальнейших исследований

В результате проведённой работы была выдвинута теория расчёта фрикционного самонаклада с верхним расположением подающего ролика, которая была экспериментально подтверждена для бумаги КУМЬИХ ОБЗЕТ 80 (г/м2).

Для мелованных бумаг эта теория расчёта неприменима. Для этих бумаг нужно изменить конструкцию самонаклада, ввести корректировку в теоретическую модель. Это изменение заключается в создании дополнительной нагрузки, воздействующей на заднюю кромку листа. При этом могут быть использованы основные положения разработанной теории.

С помощью разработанной статистической теории расчета, которая была проверена с помощью имитационной модели, удалось определить основные факторы, влияющие на работоспособность фрикционного самонаклада. К этим факторам относятся:

1. угол наклона стопы;

2. усилие прижима ролика;

3. дисперсия коэффициентов трения между листами (не оказывает влияния только при чрезмерно малых значениях);

4. коэффициент трения между листами (влияет на выбор усилия прижима и на минимальное значение коэффициента трения ролика);

5. дисперсия коэффициентов трения между роликом и бумагой (оказывает влияние, если коэффициент трения ролика отличается от коэффициента трения между листами менее чем на 30%);

6. минимальное ускорение листа практически не влияет на вероятность отделения только одного листа, однако определяет производительность самонаклада;

7. масса листа может влиять лишь косвенным образом (например, влияние на коэффициент трения и дисперсию между листами).

Ниже (рис. 59.) представлена классификация этих факторов в зависимости от степени их влияния:

Рис. 59. Классификация факторов

С помощью имитационной модели был построен график отказов, представляющий собой экспоненту. Поэтому отказы, возникающие при работе фрикционного самонаклада, могут быть описаны простейшей моделью.

Экспериментальные данные, полученные при измерениях коэффициентов трения бумаг, могут быть использованы в будущих научно-исследовательских работах, посвящённых исследованиям фрикционных самонакладов.

Проведённая работа позволяет определить некоторые направления дальнейших исследований.

Во-первых, необходима работа, посвящённая исследованиям коэффициента трения между листами для большинства видов бумаг и форматов используемых в полиграфии.

Во-вторых, могли бы быть очень полезными исследования, по определению зависимости коэффициентов трения между листами от скорости.

В-третьих, должны быть проведены исследования, касающиеся поиска или создания фрикционных материалов с наибольшим значением коэффициента трения и наилучшими эксплуатационными характеристиками.

В-четвёртых, нужна научно-исследовательская работа, цель которой заключалась бы в создании обобщенной теоретической основы для расчёта фрикционных самонакладов.

В-пятых, могут быть проведены исследования с учётом динамики подачи листов фрикционным самонакладом с определением его временных характеристик.

И, наконец, может быть выполнена работа по созданию и исследованию фрикционного самонаклада для каскадной подачи листов.

Таким образом, в заключение проведённой работы по исследованию качества работы фрикционных самонакладов можно сказать, что в результате данной работы было поставлено больше вопросов, чем найдено ответов. Однако намеченные здесь направления дальнейших исследований дают надежду на появление новой методики расчёта фрикционных самонакладов, которая будет подходить для любой бумаги используемой в полиграфии.

1. Eitle W., Hoffman К. Устройство для поштучной подачи тонких бумажных листов: Описание изобретения к авторскому свидетельству №1947095 Германия, заявлено 25.04.77 №2013229/21, опубликовано 7.12.78, Бюллетень №63.

2. Grünecktr A., Kinkeldey Н. Устройство для подачи листов из нижней части стопы: Описание изобретения к авторскому свидетельству №1947095 Германия, заявлено 15.07.85 №4562819/21, опубликовано 18.10.79, Бюллетень №53.

3. Schaumburg К., Thoenes D Устройство для отделения листов: Описание изобретения к авторскому свидетельству №1947095 Германия, заявлено 11.09.85 №4562902/21, опубликовано 3.03.87, Бюллетень №35.

4. Schneider Adolf Устройство для отделения листов от стопы: Описание изобретения к авторскому свидетельству №953762 Германия, заявлено 23.01.74 №1135417/21, опубликовано 15.04.76, Бюллетень №7.

5. Август Хойер (Канада) и Рональд Марк Некула (США) Устройство для поштучного отделения и подачи листов из стопы: Описание изобретения к авторскому свидетельству №563907 СССР, заявлено 18.06.74 №2034581/12, опубликовано 30.06.77, Бюллетень №24.

6. Аинбиндер С.Б., Тюнина Э.Л., Введение в теорию трения полимеров: Рига 1978.

7. Алексеев В.И., Фефелин A.A. Антонникова Н.В. Устройство для поштучной выдачи листов из стопы: Описание изобретения к авторскому свидетельству №2033960 Россия, заявлено 02.11.89 №(21)92003475/12, опубликовано 30.04.91, Бюллетень №12.

8. Головчинер Г.Л. Устройство для отделения нижнего листа бумаги от косо расположенной кипы листов: Описание изобретения к авторскому свидетельству №242181 СССР, заявлено 14.11.67 №1134765/29-33, опубликовано 25.04.69, Бюллетень №15.

9. Грушевский B.C., Смирнов В.А., Корягин В.Г. Устройство для отделения листов от стопы: Описание изобретения к авторскому свидетельству №0330868 Россия, заявлено 25.03.76 №5052250/12, опубликовано 27.02.78, Бюллетень №6.11

10. Ю.Диксон Дж., Проектирование систем: изобретательство, анализ и принятие решений. М.: Мир, 1969.7

11. Зависимость между шероховатостью и гладкостью бумаги: МФ пер. 25

12. Захаров И.В., Власов В.В. Листоподающее устройство: Описание изобретения к авторскому свидетельству №640941 СССР, заявлено 22.11.76 №(21)2423167/28-12, опубликовано 10.01.79, Бюллетень №1.4

13. Кремер Н.Ш. Теория вероятностей и математическая статистика: Учебник для вузов. М.:ЮНИТИ-ДАНА, 2001. - 543 с.28

14. Печатное оборудование / Митрофанов В.П., Тюрин A.A., Бирбраер Е.Г. и др. М.: МГУП, 1999. 2150 трении на поверхности бумаги и чередовании между сцеплением и скольжением: МФ пер. 23

15. Оборудование для оперативной полиграфии ведущих мировых производителей: Материалы выставки ПОЛИГРАФИНТЕР-99./ Творческий коллектив фирмы «НИССА». М.: 1999.6

16. П.Пергамент Д.А., Брошюровочно-переплётное оборудование. М.: МПИ, 1990.1

17. Раувилаз Э.Ю., Шморгун А.Г. Устройство для подачи листового материала из стопы: Описание изобретения к авторскому свидетельству №1207968 СССР /, заявлено 10.08.84 №3778727/28-12, опубликовано 30.01.86, Бюллетень №4.18

18. Румянцев В.Н. Исследование листовыводных устройств листовых печатных машин: дис. . к.т.н.: МГУП10

19. Сычев Г.В., Юсков A.B. Устройство для поштучной выдачи листов из стопы: Описание изобретения к авторскому свидетельству №2250678 Россия,заявлено 03.06.85 №3903858/28-13, опубликовано 30.09.87, Бюллетень №36.15

20. Устройство для отделения листов от стопы: Описание изобретения к авторскому свидетельству №602447 СССР, заявлено 01.04.75 №2153526/12, опубликовано 19.03.78, Бюллетень №14./ Савошенко Ж .Я., Сургаков Л.Н., Трунов В.Г. и др. 19

21. Фрейзер Д. Пуннет, Дональд В. Тейтс, Чарльз X. Шмидт (младший) (США) Устройство для подачи листового материала: Описание изобретения к авторскому свидетельству №663293 СССР, заявлено 07.12.72 №2543513/12, опубликовано 15.05.79, Бюллетень №18. 20

22. Элмер Лерой Боб Крекер (США) Устройство для отделения листа бумаги от стопы листов: Описание изобретения к авторскому свидетельству №242181 СССР, заявлено 30.10.74 №2072688/28-12, опубликовано 25.11.77, Бюллетень №43.13

23. Яворский Б.М., Детлаф A.A. Справочник по физике. М.: Наука, 1964.8

24. Янкин Л.Н., Пискорский Г.А. Устройство для отделения листового материала от стопы: Описание изобретения к авторскому свидетельству №622733 СССР, заявлено 24.01.77 №(21)2445986/28-12, опубликовано 20.07.78, Бюллетень №33.