Влияние колебания цилиндров печатного аппарата на качество печати
На правах рукописи
Шараф Альджебаай Ламис
ВЛИЯНИЕ КОЛЕБАНИЯ ЦИЛИНДРОВ ПЕЧАТНОГО АППАРАТА НА КАЧЕСТВО ПЕЧАТИ
Специальность 05.02.13. Машины, агрегаты и процессы
(печатные средства информации)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2011г.
Работа выполнена на кафедре «Печатного и послепечатного оборудования»
ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова»
Научный руководитель: кандидат технических наук, старший научный сотрудник
Герценштейн Илья Шойлович
Официальные оппоненты – Доктор технических наук, профессор
Роев Борис Алексеевич
Кандидат технических наук
Разинкин Евгений Владимерович
Ведущая организация – ЗАО НИИПолиграфмаш.
Защита диссертации состоится «20» декабря 2011 г. в 14.00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.147.01 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова» по адресу 127550 Москва, ул. Прянишникова, д. 2а.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета печати.
Автореферат разослан «___» ________ 2011 г.
Ученый секретарь Климова Е.Д.
диссертационного
совета Д 212.147.01
Общая характеристика работы
Актуальность темы
Печать на высоких скоростях сопровождается значительными динамическими нагрузками в печатных аппаратах печатных машин. Эти нагрузки вызывают колебания цилиндров печатного аппарата, провоцирующие различные недостатки печатной продукции, среди которых часто встречается такой дефект, как «полошение». Этот дефект неоднократно отмечался при испытаниях новой техники, а борьба с ним приводила к многомесячной задержке пуска машин в эксплуатацию. Существующие исследования не позволяют гарантировать отсутствие полошения во вновь проектируемых машинах, так как не учитывают ряда факторов процесса создания натиска. Поэтому моделирование колебательного процесса и его влияния на качество продукции сохраняет свою актуальность на этапе проектирования новой техники, предотвращая появление неудачных конструкций.
Цель работы
Целью работы является выявление зависимости «полошения» от радиальных колебаний цилиндров печатного аппарата и определение параметров печатного аппарата, при которых дефект печати сводится к минимуму.
Для достижения цели, поставленной в данной работе, необходимо:
– определить величину диапазона допустимой деформации декеля в зависимости от заданных перепадов оптической плотности оттиска, и определить допускаемую величину амплитуды колебаний цилиндров печатного аппарата;
– промоделировать радиальные колебания цилиндров печатного аппарата, в частности определить характер нарастания и спада силы натиска, и сопоставить результате моделирования с экспериментальными данными;
– разработать методику оценки параметров реальной колебательной системы (жесткость цилиндров, декеля, и рассеивания энергии).
Научная новизна работы
Научная новизна данной работы состоит в следующем:
- выявлена зависимость неравномерности оптической плотности печатных оттисков от неравномерности натиска цилиндров ПА;
- разработаны модели, описывающие колебания цилиндров ПА (модель 2-цилиндровой печатной секции, модель 3-цилиндровой печатной секции);
- описана зависимость амплитуды колебания цилиндров от таких параметров машины, как скорость работы и жесткость цилиндров, коэффициент затухания колебаний цилиндров ПА, жесткость и деформация декеля;
- выявлен режим наиболее неблагоприятных параметров ПА.
Практическая ценность
- выявленные значения допустимой деформации цилиндров офсетной печатной пары в зависимости от требований к равномерности оптической плотности оттиска позволяют сформулировать требования к жесткости цилиндров разрабатываемых печатных аппаратов;
- разработанные в данной работе динамические модели позволяют спрогнозировать появление полошения 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 2008–2010 гг.
Основные научные и практические результаты, выносимые на защиту:
- методика экспериментального определения связи деформации декеля с перепадом оптической плотности печатных оттисков и численные значения диапазона допустимой нестабильности применительно к офсетной печати;
- модель, описывающая колебания цилиндров ПА (модель 2-цилиндровой печатной секции, модель 3-цилиндровой печатной секции);
- методика экспериментального определения амплитуды колебаний цилиндров печатного аппарата;
- экспериментально определенные значения коэффициента демпфирования.
Публикации
По материалам данной диссертации опубликовано 4 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, четырёх глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 104 страницах, поясняется 44 рисунками, 7 таблицами и имеет 4 приложения. Библиографический список включает 30 наименований.
Краткое содержание работы
Во введении
обоснована актуальность темы, рассматриваются цели и задачи исследований, формируются основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе
проанализированы работы, посвященные колебаниям цилиндров ПА и их влиянию на качество печати.
Проведенный обзор литературы позволил сформулировать основные задачи исследования: для создания методики расчета основных параметров печатного аппарата, обеспечивающих отсутствие «полошения», необходимо определить допускаемую величину амплитуды колебаний цилиндров ПА; определить зависимость нарастания и спада силы натиска во времени; оценить жесткость цилиндров, декеля; оценить рассеивание энергии при колебаниях; составить и провести исследование расчетной модели и сопоставить ее поведение с экспериментальными данными.
Во второй главе
оценивается допустимая амплитуда колебаний цилиндров ПА.
Такую оценку можно провести двумя способами: по результатам исследований влияния давления на оптическую плотность оттиска и непосредственно, промоделировав изменение натиска во время печатного процесса.
Опыты на лабораторных печатных устройствах сталкиваются с рядом трудностей: отсутствием форм с растром, нестабильностью красочного слоя. В то же время результаты оценки допустимого диапазона деформации декеля получаются не очень наглядными, так как собственно полошения не видно. Поэтому для получения зависимости оптической плотности от отклонений деформации декеля был применен способ моделирования полошения изменением толщины декеля
Эксперимент проводился на машине PM GTO 52, в которой устанавливалась заранее подготовленная печатная форма (рис. 1) с полями разной относительной величины растровой точки (от 10 до 100%). Печать проводилась голубой краской. После приладки машины было получено несколько оттисков для того, чтобы убедиться в отсутствии дефектов на оттиске.
Затем под декель офсетного цилиндра вдоль образующей цилиндра помещались полоски разной толщины (от 0,01 до 0,17 мм) шириной около 20 мм из жесткого материала, после чего вновь были получено несколько оттисков. После нескольких серий печати все полоски были убраны и были получены еще несколько оттисков при состоянии печатного аппарата, соответствующем первоначальному.
Местное утолщение увеличивало деформацию декеля, что проявлялось на оттиске в виде полос (рис. 1, позиции 2, 4, 6).
Рис. 1. Расположение полосок на офсетном цилиндре (слева) и мест измерения на оттиске (справа)
На полученных оттисках измерялись оптические плотности полей в 7 точках (точки с 1 по 7). Точки 2, 4 и 6 соответствовали участкам офсетной резины, под которыми располагались полоски.
Приращение оптической плотности вычислялось как разница в оптической плотности в области расположения полоски и полусуммы оптических плотностей соседних областей, что компенсирует нестабильность общей подачи краски на оттиск и нестабильность оптической плотности в направлении подачи бумаги, например из-за влияния осевого раската.
Вычисленный перепад оптической плотности зависит не только от дополнительной деформации декеля (определяемой толщиной полоски), но и от заполнения растрового поля (рис. 2а).
а б
Рис. 2. Приращение оптической плотности оттиска в зависимости от заполнения растра (а) и дополнительной деформации декеля (б)
С увеличением дополнительной деформации декеля растет, естественно, и приращение оптической плотности (рис. 2б).
Линейная аппроксимация зависимости (рис. 2а) приращения оптической плотности от приращения деформации декеля, позволяет найти коэффициент пропорциональности между этими величинами (рис. 3а). Результаты эксперимента показывают, что наиболее чувствительными к перепаду деформации декеля в офсетной печати являются 80-процентные растровые поля (рис. 3б). Для них изменение деформации натиска на 0,01 мм вызывает изменение оптической плотности на 0,013 D.
а б
Рис. 3. Перепад оптической плотности в зависимости от дополнительной деформации декеля (а) и усредненный коэффициент чувствительности при различном заполнении растра (б)
Полученные зависимости позволяют обоснованно назначить точность изготовления цилиндров печатного аппарата, ограничения на их деформацию и колебания.
Например, с учетом того, что человеческий глаз замечает перепад оптической плотности 0,03–0,04 D, можно сделать вывод, что отклонения деформации декеля не должны превышать 0,02–0,03 мм.
Практическую пользу может принести и вывод о наиболее чувствительных к неравномерности деформации растровых полях. Большие площади равномерной оптической плотности лучше выполнять плашкой или растром малой плотности, избегая 80% растровых полей как наиболее чувствительных к перепадам деформации декеля. С другой стороны, при испытаниях машин при покупке или после ремонта имеет смысл получить оттиски именно с таких 80-процентных растровых полей: на них легче выявить дефекты печатной машины.
В третьей главе
рассмотрены радиальные смещения и колебания цилиндров печатной пары.
Рассматриваются не только причины «полошения», но и влияние на амплитуду колебаний цилиндров ПА таких параметров, как деформация декеля, скорость работы, ширина выемки, коэффициент затухания (коэффициент демпфирования).
Анализ процесса прохождения края выемки через зону печатного контакта позволил установить на участке входа в контакт (рис. 4, угол 1–2) зависимость нагрузки в зоне печатного контакта от угла поворота цилиндров печатного аппарата, деформации и жесткости декеля
,
где E – модуль упругости материала декеля, L, R – длина и радиус цилиндра; – расчетная деформация декеля;, m – текущий и граничный углы поворота цилиндра, – толщина декеля.
Рис. 4. Изменение усилия натиска по углу поворота цилиндров
С учетом жесткости цилиндров можно оценить взаимовлияние нагрузок в зонах контакта офсетный – формный и офсетный – печатный цилиндры при прохождении выемки (рис. 5).
Рис. 5. Усилия и деформации в печатных парах
а – деформации при взаимодействии двух цилиндров; б – деформации при взаимодействии трех цилиндров печатного аппарата
Неравномерность перепада давления при прохождении выемки второго печатного контакта зависит также и от угла взаимного расположения осей цилиндров печатного аппарата. Проведенный анализ показал, что для того, чтобы на оттиске не были бы заметны колебания оптической плотности изображения, должно выполняться условие:
, где c1 – жесткость шеек; сд –условная жесткость декеля.
При наиболее неблагоприятном расположении цилиндров во избежание полошения необходимо, чтобы отношение жесткости цилиндров к условно жесткости декеля было не менее 20.
Расчет колебаний в 2-цилиндровой печатной секции
велся в предположении, что податливость цилиндров сосредоточена в цапфах. Это позволяет представить печатный аппарат из двух цилиндров (рис. 6а) в виде двухмассовой системы (рис. 6б).
Рис. 6. Динамическая модель поперечных колебаний цилиндров ПА.
Математическая модель такой системы описывается двумя уравнениями
Численное решение этой системы производилось в программе MathCad. Соответствующий оператор имеет вид
Характер получаемого решения зависит от скорости вращения цилиндров моделируемого аппарата, относительной величины выемки, жесткости цилиндров и декеля, степени демпфирования.
Рис. 7. Упругие деформации цилиндров в процессе печати
В наиболее распространенных офсетных машинах применяется 3 и более цилиндров.
Модель, состоящая из трех цилиндров, рассматривалась в работах Е.В. Разинкина и Б.А. Роева, однако в них предполагалось, что центры цилиндров располагаются на одной прямой, что не соответствует схемам реальных машин.
а б
Рис. 8. Схема офсетного печатного аппарата (а) и его динамическая модель (б)
Уточненная модель (рис. 8) позволяет перейти к математической модели, которая с учетом принятых обозначений деформации цилиндров в радиальном направлении будет описываться системой уравнений
Численное решение этой системы (рис. 9), проведенное по той же методике, что и для 2-массовой системы, показало влияние прохождения выемки в одной из зон контакта на деформации декеля в другой зоне.
Рис. 9. Изменение прогиба цилиндров и межосевого расстояния во времени
y0 – прогиб первого (формного) цилиндра; y21 – прогиб второго (офсетного) цилиндра в направлении первого, y23 – прогиб второго цилиндра в направлении третьего (печатного);
Влияние скорости печати и ширины выемки на амплитуду колебаний
Численный способ определения амплитуды колебаний не вскрывает тенденций протекания процесса, поэтому была сделана попытка приближенной аналитической оценки влияния различных параметров на амплитуду колебаний.
Качественно амплитуду колебаний можно оценить по коэффициенту динамичности (отношению максимальной деформации к статическому прогибу). Этот коэффициент (без учета затухания) можно оценить выражением
где k – частота собственных колебаний цилиндра; 1 – время спада (и нарастания) нагрузки; – время прохождения выемки.
При большой скорости работы машины, когда время нарастания нагрузки меньше периода собственных колебаний, коэффициент динамичности можно оценить выражением 
, где 
, l – длина выемки (по дуге); Vp – скорость печати; h – коэффициент затухания.
Рис. 10. Зависимость коэффициента динамичности от параметров k1 и k
Из приведенных на рис. 10 графиков видно, что коэффициент динамичности стремится к 1 и при больших скоростях (из-за того, что на выемке деформации не успевают существенно снизиться), и при малых (из-за малого темпа нарастания нагрузки). Этот коэффициент достигает максимума, когда время прохождения выемки кратно нечетному числу полупериода колебаний, и при неблагоприятном наборе параметров отклонения цилиндра могут в 3 раза превысить статический прогиб Q/c.
Увеличение коэффициента затухания ведет к уменьшению максимума коэффициента К, изменение длины выемки – к смещению этого максимума.
Результаты моделирования прогибов цилиндров печатного аппарата объясняют причины возникновения полос на оттиске и позволяют обосновать требования к жесткости этих цилиндров.
В четвертой главе
описываются эксперименты по определению параметров колебательной системы и измерению амплитуды колебаний в печатной машине.
Определение одного из важнейших параметров – изгибной жесткости цилиндров – методами сопротивления материалов затрудняется сложной формой этих цилиндров; более эффективным оказался метод конечных элементов. Для апробации этого метода его результаты сопоставлены с данными экспериментального измерения деформации цилиндра.
При экспериментальном определении прогиба печатного цилиндра деформация измерялись индикаторами часового типа в трех точках, нагрузка создавалась гидравлическим нагружателем.
Показатели индикаторов фиксировались при изменении усилия нагружателя от 500 до 3000 кг. Процесс измерений повторялся несколько раз.
Зависимости деформации от нагрузки приведены на рис. 11, на котором по горизонтали отложена нагрузка в кгс, по вертикали – деформации (в мм) цилиндра по краям и в середине.
Рис. 11. Деформация цилиндра
1 – по середине; 2 – со стороны привода; 3 – со стороны обслуживания
Как видно из рис. 11, прогиб тела цилиндра существенно больше прогиба цапф и деформации подшипников. По граям цилиндра процесс нагрузка – разгрузка носит гистерезисный характер, что, видимо, обусловлено трением в опорах. В середине цилиндра гистерезис менее заметен и зависимость деформаций от усилия имеет линейный характер. Усредненная характеристика, показана на рис. 11 прямой, позволяет по отношению максимального усилия к деформации, им вызванной, получить условную жесткость
Деформации, полученные в результате моделирования, представлены на (рис. 12), из которого видно, что прогиб цилиндра незначительно (не более 20%) меняется с изменением угла поворота цилиндра относительно места контакта.
а б
Рис. 12. Определение прогибов цилиндра методом конечного элемента
а – (слева и вверху) при приложении нагрузки в месте выемки; б (снизу и справа) – в противоположной от выемки стороне
Экспериментально оцененная жесткость оказалась выше расчетной на 20%, что можно объяснить недостаточной точностью измерения размеров поперечного сечения цилиндра.
Экспериментальное определение смещений цилиндра в динамике проводилось для формного цилиндра машины Romayor 314. Усилие печати устанавливалось за счет изменения толщины прокладок под офсетную резину.
Измерения смещений проводились пропорциональными бесконтактными индуктивными датчиками фирмы Baumer с аналоговым выходом, а также лазерным измерителем OD OD5-85W20 фирмы Sick. Сигнал датчиков фиксировался с помощью комплекса фирмы National Instruments и програмного обеспечения к нему LabView.
Так как выемка формного цилиндра машины Romayor велика (по углу достигает 140°), зафиксировать прохождение обоих краев выемки одним датчиком не представлялось возможным, поэтому датчики были смещены пор углу поворота цилиндра так, что один фиксировал начало печати, а второй окончание печати (рис. 13).
Рис. 13. Схема размещения индуктивных датчиков и ожидаемая осциллограмма их сигналов формного цилиндра
При сравнительно небольшой скорости машины (рис. 14) на осциллограммах четко прослеживаются моменты начала и окончания печатного контакта в паре формный–офсетный цилиндры.
Рис. 14. Осциллограмма смещений формного цилиндра при скорости работы 3600 об/ч
Колебания цилиндра становятся хорошо заметны при сопоставлении показаний датчика на большой и малой скорости. На рис. 15 показаны фрагменты осциллограммы, соответствующие окончанию печати, отсутствию натиска и началу печати.
а б
Рис. 15. Фрагмент осциллограммы сигналов датчиков положения формного цилиндра а – при скорости 7,2 тыс. об/час, б – при скорости 18 тыс. об/час
Чтобы отделить погрешности геометрической формы от смещений при колебаниях, были совмещены осциллограммы сигналах датчиков на большой и малой скоростях (рис. 16).
Рис. 16. Совмещенная осциллограмма смещения формного цилиндра Цифры выше оси показывают текущее время осциллограммы на малой скорости работы машины, а цифры под осью относятся к большой скорости работы машины.
Собственно колебания могут быть выделены как разность в этих сигналах (рис. 17б).
Осциллограммы колебаний формного цилиндра позволяют оценить логарифмический декремент в колебательной системе формный – офсетный цилиндры, составивший 0,7 на выемке и 0,8 в печатном контакте.
Числовая модель 2-массовой системы при этих значениях дает следующую картину (рис. 17а):
Рис. 17. Радиальные колебания формного цилиндра машины Romayor
а – по результатам численного моделирования; б – по скорректированным результатам эксперимента
Как видно из рис. 17, расчетные смещения соответствуют экспериментально определенным, хотя статические деформации при расчете оказались больше зафиксированных в эксперименте.
В заключении
отмечено, что определены параметры печатного аппарата, при которых возможны неблагоприятные режимы, сопровождающиеся полошением оттиска. Вместе с тем ряд вопросов требуют дальнейших исследований. В частности, надо определить допустимые перепады оптической плотности при различном периоде неравномерности, а также для продукции разного назначения.
Общие выводы по работе
Одна из причин полошения – деформации цилиндров печатного аппарата под действием натиска. Возникающие при этом радиальные колебания цилиндров ведут к изменению межосевого расстояния, изменению деформации декеля, изменению давления печати и как следствие, нарушению равномерности оптической плотности оттиска.
Допустимая величина нестабильности деформации декеля, как показали проведенные исследования, для качественной офсетной печати не должна превышать 0,02 мм.
Допустимая величина отклонения цилиндров от статического положения не должна превышать 0,01мм.
В офсетном печатном аппарате возможно взаимовлияние усилий натиска при прохождении выемок в контактных зонах офсетный–печатный и офсетный–формный цилиндры. Чтобы такое влияние не проявилось в виде неравномерности оптической плотности оттиска, необходимо, чтобы расчетная деформация декеля, изгибная жесткость цилиндров c1 и условная жесткость декеля сд отвечали соотношению
, где – угол между линиями, соединяющими центр офсетного цилиндра с формным и печатным.
Амплитуда колебаний, возникающих после прохождения выемки, существенно зависит от характера нарастания усилия печати. Зависимость усилия печати Q от угла поворота может быть описана выражением:
,
где E – модуль упругости материала декеля; L, R – длина и радиус цилиндра; – расчетная деформация декеля;, m – текущий и граничный углы поворота цилиндра, – толщина декеля.
Для оценки амплитуды колебаний цилиндров составлена математическая модель для 2- и 3-массовой систем с учетом таких факторов, как закон изменения нагрузки при прохождении выемки через зону контакта, разницы в жесткости и коэффициентах демпфирования на участке печати и при прохождении выемки через зону печатного контакта. Для такой сложной модели эффективен способ численного решения, алгоритм которого составлен с использованием возможностей системы MathCad.
Качественно амплитуду колебаний можно оценить по коэффициенту динамичности (отношению максимальной деформации к статическому прогибу). Этот коэффициент (без учета затухания) можно оценить выражением:
где k – частота собственных колебаний цилиндра; 1 – время спада (и нарастания) нагрузки; – время прохождения выемки.
При большой скорости работы машины, когда время нарастания нагрузки меньше периода собственных колебаний, коэффициент динамичности можно оценить выражением 
, где 
, l – длина выемки (по дуге); Vp – скорость печати; h – коэффициент затухания.
При неблагоприятном наборе параметров отклонения цилиндра могут в 3 раза превысить статический прогиб.
Соответствие деформации цилиндров, определенной в ходе экспериментов, и расчетов подтверждает возможности использования метода конечных элементов для оценки жесткости цилиндров.
На основании экспериментов, логарифмический декремент может быть определен как 0,7 на участке прохождения выемки и 0,8 на участке печати.
На основе данного исследования разработан порядок расчета проектируемого печатного аппарата на отсутствие поперечных колебаний цилиндров.
Основные публикации по теме диссертации
В ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендуемых ВАК:
1. Альджебаай Ламис. Нестабильность давления печати при прохождении краев выемок цилиндров ПА через зону печати./ Герценштейн И.Ш., Суслов М.В., Альджебаай Ламис. //Известия ВУЗов. Проблемы полиграфии и издательского дела./ М.:МГУП, 2010. №6, С 47–51.
2. Альджебаай Ламис. Деформация цилиндров печатного аппарата при прохождении выемок. //Известия ВУЗов. Проблемы полиграфии и издательского дела./ М.:МГУП. №1, 2011. С 52–58.
В других изданиях:
3. Альджебаай Ламис. Колебания цилиндров 3-цилиндрового печатного аппарата при прохождении выемок. //Международная научно-техническая конференция молодых ученых./ Вестник молодых ученых С-Петербургого государственного университета технологии и дизайна. Сборник научных трудов часть 1.С-Петербург: 2011.
4. Альджебаай Ламис. Влияние нестабильности натиска на равномерность оптической плотности оттиска. // Полиграфия / М.: 2011. №1, С 54–57.
