Основы теории и расчета трафаретных печатных машин с ракелем валкового типа

Вид материала

Содержание

Быстров Константин Николаевич
Перов Виктор Александрович
Пономарев Юрий Валентинович
Северо-Западный институт печати
Цель диссертационной работы.
Методы исследований.
Личный вклад соискателя.
Практическая значимость работы
Апробация работы
Структура диссертации
2. Основное содержание работы
В первой главе
Во второй главе
U – потен–циал массовых сил; ; A
В третьей главе
В четвертой главе
4. Публикации по теме диссертации

Подобный материал:

На правах рукописи

ЛИТУНОВ СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТА

ТРАФАРЕТНЫХ ПЕЧАТНЫХ МАШИН

С РАКЕЛЕМ ВАЛКОВОГО ТИПА

специальность 05.02.13 – Машины,

агрегаты и процессы (печатные средства информации)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва – 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный университет печати» на кафедре печатного и послепечатного оборудования

Научный консультант – доктор физико-математических наук, профессор

Быстров Константин Николаевич

Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор

Могинов Рафис Гаптраусович,

Московский государственный

университет печати, г. Москва

доктор технических наук, профессор

Перов Виктор Александрович,

Московский государственный университет природообустройства, г. Москва

доктор технических наук, старший научный сотрудник,

Пономарев Юрий Валентинович,

ООО «Н.Т. Граф», г. Москва

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет дизайна и рекламы»,

Северо-Западный институт печати,

г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится «27» мая 2008 г.

в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.147.01

при Московском государственном университете печати (МГУП)

по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, 2а

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУП

Автореферат разослан «……..» …………………. 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.147.01 Е.Д. Климова

1. Общая характеристика работы

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

увеличение доли дорогостоящей печатной продукции до 45 %;
рост доли печатной продукции, изготовленной с помощью УФ-красок и лаков, до 10 % в год на ближайшие годы;
увеличение сложности печатной продукции как способ противодейст–вия высокой насыщенности рынка;
рост производства красок для трафаретной печати на 4,4 % к 2010 г.

Перечисленные тенденции развития полиграфического рынка непосред–ственно связаны с трафаретной печатью. Трафаретный способ печати имеет традиционные ниши: печать на готовых изделиях, по текстилю, на сложных нетрадиционных поверхностях (от древесины до бетонных стен), радио–электроника, приборостроение и пр. По данным зарубежной печати рост доли трафаретной печати на рынке полиграфических услуг составляет 4-6 % в год. Количество закупаемых по экспорту трафаретных печатных машин стоит на четвертом месте после листовых офсетных, флексографских, рулонных офсет–ных печатных машин.

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

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

низкая производительность трафаретных плоскопечатных машин, обусловленная наличием холостого хода ракельной каретки;
большие геометрические искажения изображения на оттиске при ис–пользовании плоскопечатных машин из-за деформации сетчатой основы трафа–ретной печатной формы (ТПФ), которые возникают вследствие трения между ракелем и сеткой, а также наличия технологического зазора между сеткой и за–печатываемым материалом;
невозможность использования в трафаретной ротационной печати печатных форм большого диаметра из-за деформации, которая возникает при воздействии ракеля на формный цилиндр, что ограничивает формат запечаты–ваемой поверхности.

Указанные недостатки сдерживают развитие трафаретной печати, облада–ющей уникальными технологическими и изобразительными возможностями. Таким образом, в условиях роста использования трафаретной печати в полигра–фии и других отраслях промышленности, исследования, направленные на реше–ние указанных проблем трафаретной печати, являются актуальными.

Цель диссертационной работы. Целью диссертационной работы явля–ется создание основ теории и расчета трафаретных печатных устройств с ра–келем валкового типа. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи.

Разработка математической модели течения краски в рабочем слое ра–кельного механизма валкового типа.
Подтверждение работоспособности разработанной математической мо–дели путем сравнения результатов натурных и вычислительных экспериментов.
Определение коэффициентов, входящих в разработанную модель, для возможности её применения за пределами диапазона параметров, учтенных при проведении натурных экспериментах.

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

Натурный эксперимент, проведенный для определения работоспособнос–ти разработаной модели, проводили с помощью исследовательского комплек–са, в которой входили: трафаретное лабораторное печатное устройство, элек–тронный усилитель, цифровой осциллограф, компьютер с соответствующим программным обеспечением. Были проведены эксперименты по определению давления в рабочем слое жидкости при использовании красок, обладающих раз–ными свойствами. Полученные результаты обрабатывались с помощью прог–раммы EXEL.

Также был проведен ряд экспериментов, необходимых для определения параметров течения в рабочем слое. В частности, разработан и изготовлен лабораторный стенд для определения деформации упругой покрышки валик-ракеля в зависимости от давления при использовании выбранных упругих мате–риалов (резины и несколько типов фотополимеров). По результатам проведен–ных экспериментов с помощью теории обработки экспериментальных данных получены модели их деформации. Был изготовлен испытательный стенд и проведены эксперименты по определению давления, при котором краска начи–нает течь через сетчатую основу трафаретной печатной формы. Кроме того, бы–ли проведены опыты по определению работоспособности предложенных вари–антов трафаретных печатных устройств с ракелем валкового типа.

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

Математическая модель течения краски в рабочем слое при использо–вании ракеля валкового типа.
Разработан комплекс компьютерных программ, в которых реализована математическая модель течения краски в рабочем слое.
Разработан и спроектирован лабораторный комплекс для проведения исследований по определению давления в рабочем слое краски при использ–овании ракеля валкового типа.
Разработаны и изготовлены лабораторные устройства для проведения испытаний по определению свойств материалов, применяемых в исследованиях.
Разработано техническое задание на разработку компьютерной прог–рамммы решения уравнения Навье-Стокса, принято участие в программми–ровании и отладке программы.
Проведены вычислительные и натурные эксперименты по определению работоспособности предложенной математической модели течения краски в рабочем слое.
Предложены варианты трафаретного печатного устройства с ракелем валкового типа, защищенные патентами на полезную модель, проведены опыты по определению работоспособности указанных устройств.
Сделаны практические рекомендации по расчету и проектированию трафаретных печатных устройств с ракелем валкового типа.

Основные положения, выносимые на защиту.

Математическая модель течения жидкости в рабочем слое трафаретных печатных устройствах с ракелем валкового типа.
Результаты экспериментов по определению оптимальных параметров трафаретных печатных устройств с ракелем валкового типа.
Рекомендации по применению и расчету трафаретных печатных ус–тройств с ракелем валкового типа, полученные с использованием компьютер–ных и натурных экспериментов.
Варианты трафаретных печатных устройств с ракелем валкового типа.

Научная новизна исследований. Научная новизна работы заключается в:

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

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

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

Практическая значимость работы

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

Апробация работы

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

Структура диссертации.

Диссертационная работа содержит введение, четыре главы, заключение, список использованных источников и приложения. В основной текст включено 4 таблицы, 130 рисунков. В приложении приведены математические зависимости, полученные в работе и применяемые при моделировании течения, тексты компьютерных программ, результаты, полученные с помощью лабораторных установок. Полный объем исследования, включая приложения, составляет 324 страницы.

2. Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы исследо–вания, определяются основные направления диссертационной работы, цели и задачи диссертации, объект и предмет исследования, степень новизны и прак–тическая значимость работы. В частности, подробно рассмотрены области при–менения трафаретной печати, определены её основные преимущества и недос–татки. Среди преимуществ основными являются разнообразие запечатываемых материалов, а также толщина красочного слоя на оттиске. Однако недостатки, присущие этому способу, сдерживали его развитие.

В первой главе приводится перечень материалов, применяемых при из–готовлении трафаретных печатных форм (ТПФ), перечисляются способы изго–товления ТПФ, как плоских, так и ротационных. Также приведены способы воз–действия на краску, с помощью которых происходит продавливание краски че–рез печатающие элементы на запечатываемый материал. Наиболее распростра–ненным способом создания такого усилия является механическое воздействие на краску с помощью плоского или ротационного ракеля.

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

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

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

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

Во второй главе рассмотрен процесс трафаретной печати с помощью ракеля валкового типа с точки зрения гидродинамики. Определена схема дви–жения краски в рабочем слое при использовании ракеля валкового типа, обос–новано рассмотрение плоского стационарного движения несжимаемой жидкос–ти в рабочем слое. Так как краска является весьма вязкой жидкостью, то на первом этапе для моделирования течения в рабочем слое сначала применяли модель течения вязкой жидкости, которое описывается уравнением Навье-Стокса совместно с уравнением неразрывности:

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

Одним из наиболее распространенных методов решения двумерных уравнений Навье-Стокса является подход с использованием координат «вихрь – функция тока». В нем делают замену переменных, переходя от компонент ско–рости к завихренности

и функции тока ψ, которая определяется условием Коши-Римана:

, и автоматически удовлетворяет уравнению неразрывности. Вихрь определяется соотношением:

. С использова–нием новых независимых переменных, исходная система сводится к двум урав–нениям:

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

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

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

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

где: V – скорость; P – давление; ρ – плотность жидкости; F – массовые силы; t – время. Для случая плоского потенциального установившегося движения уравнение неразрывности приводится к уравнению Лапласа:

Решением уравнения Лапласа является как комплексная функция w(z)=φ(x,y)+iψ(x,y), называемая комплексным потенциалом течения, так и её слагаемые, потенциал скоростей и функция тока соответственно.

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

, где: U – потен–циал массовых сил;

; A – некоторая постоянная величина. Поэтому, найдя комплексный потенциал течения, можно определить функцию тока и распределение скоростей в рабочем слое и далее, из интеграла Бернулли, рас–пределение давления в рабочем слое.

Для построения сложного течения и определения комплексного потен–циала использован принцип суперпозиции потоков, который оправдан линей–ностью уравнений для функции тока ψ и потенциала скоростей φ. Рассмат–риваемое течение с учетом принятых допущений является установившимся по–тенциальным движением идеальной однородной несжимаемой жидкости. В этом случае константа А будет постоянна в любой точке жидкой массы. Для определения значения константы А сделано допущение, что в бесконечности поток жидкости, движущийся со скоростью

, соприкасается с атмосферой. Тогда интеграл Бернулли примет вид:

, где: Р_атм – атмос–ферное давление; V_∞– скорость движения на бесконечности.

Давление в рабочем слое определяется в следующей последовательности:

– отыскивается комплексный потенциал плоского установившегося дви–жения идеальной несжимаемой жидкости;

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

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

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

Т

аким образом, моделирование течения жидкости в рабочем слое сводит–ся к отысканию комплексного потенциала этого течения.

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

Для моделирования течения жидкости относительно цилиндра использо–ван плоский поступательный поток, с комплексным потенциалом

, и диполь с комплексным потенциалом

, где

– скорость потока на бесконечности, комплексная переменная и комплексная константа, опреде–ляющая сдвиг диполя относительно начала координат, соответственно.

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

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

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

Моделирование плоскости качения осуществляется конформным отобра–жением течения, расположенного в верхней полуплоскости, на нижнюю полу–плоскость. На рис. 6 В показано обтекание поступательным потоком пары ди–полей, расположенных симметрично относительно горизонтальной оси, сов–падающей с координатной осью OX. Комплексный потенциал такого течения

, где

– комплексная константа, сопряженная с

. В результате отображения появилась линия тока 3, через которую отсут–ствует расход жидкости. Эта линия моделирует непроницаемую для жидкости поверхность, то есть плоскость, по которой катится цилиндр.

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

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

а рис. 7 Б показана окружность радиуса r и вихрь, расположенный за её пределами, а на рис. 7 В – течение, соответствующее сумме двух предыдущих. Это течение моделирует обтекание поступательным потоком пары вращающихся цилиндров. Из рисунка видно, что, после введения в поток сис–темы отраженных вихрей, линии тока были восстановлены до окружности радиуса r. Введение в течение вихрей, индуцированных движением цилиндра, вызывает искажение окружностей, расположенных не только в одноименной полуплоскости, но и в противоположной. Для восстановления окружностей необходимо ввести в поток систему отраженных вихрей, расположенных как в одноименной, так и в противоположной полуплоскости.

Суммарное течение, моделирующее движение краски в рабочем слое, показано на рис. 8. На рисунке показаны линии тока 1 в виде окружностей ра–диуса r, вихри 2 и 3, индуцированные вращением цилиндра, системы отра–женных вихрей 7-9, линии тока 4, обтекающие пару цилиндров. Таким образом, для построения модели течения краски в рабочем слое в трафаретном печатном устройстве с ракелем валкового типа необходимо:

поместить диполь с поступательный поток, направленный параллельно горизонтальной оси, для получения обтекания поступательным потоком цилин–дра;
совместить с диполем вихрь для моделирования вращения цилиндра;
конформно отобразить полученное течение с верхней полуплоскости на нижнюю относительно линии симметрии для моделирования плоскости качения цилиндра;
ввести систему отраженных вихрей для восстановления линии тока в виде окружности радиуса r;
ввести в поток вихри, индуцированные движением цилиндра;
ввести в поток вихри, отраженные от вихрей, индуцированных движе–нием цилиндра в одноименной полуплоскости;
ввести в поток вихри, отраженные от вихрей, индуцированных движе–нием цилиндра в противоположной полуплоскости.

Комплексный потенциал для всего потока определяется выражением:

(1)

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

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

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

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

В третьей главе описывается проведение вычислительных и натурных экспериментов. К средствам проведения вычислительных экспериментов отно–сятся компьютерные программы для вычислительной системы MathCAD, пос–ледовательно рассчитывающие течение по параметрам, заданным заранее:

расчет функции тока и линии тока (программа StreamLine);
расчет скорости и поля скоростей (программа SpeedLine);
расчет давления в течении и определение давления на линии качения валик-ракеля (программа PushLine). Тексты программ приведены в приложе–ниях диссертационной работы.

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

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

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

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

Таблица 1

Результаты экспериментов по определению давления

начала течения краски через сетчатую основу печатной формы

№	Номер сетки	Давление начала течения краски через сетку, Па
1	48-70	2,55*10³
2	77-34	3,37*10³
3	90-40	1,51*10⁴
4	100-40	3,43*10⁴
5	120-35	17,65*10⁴
6	140-35	41,68*10⁴
7	165-27	74,53*10⁴

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

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

При расчете привода трафаретных печатных устройств с ракелем валко–вого типа необходимо учесть энергию, необходимую для преодоления сил вяз–кого трения в рабочем слое. Для определения этой энергии разработана прог–рамма DISSIP для вычислительной системы MathCAD, в которой учтена дис–сипативная функция (рис. 15). На рис. 16 и 17 показаны характеристики, полу–ченные с помощью программы DISSIP, необходимые при расчете и проекти–ровании привода ракельной каретки для валик-ракеля длинной 100 мм.

На рис. 18 и 19 схематично показаны предложенные варианты трафарет–ных устройств с валик-ракелем.

В четвертой главе сравнивали результаты, полученные с помощью вы–числительного и натурного эксперимента, и делали вывод о работоспособ–ности предложенной математической модели. На рис. 20 показан график давления, полученный с помощью измерительного комплекса для параметров течения, указанных на рисунке. Особенностями этого графика являются: несим–метричность распределения давления и сдвиг максимума давления относитель–но вертикальной оси симметрии цилиндра. На графике можно определить: мак–симальное давление (5*10³ Па); сдвиг максимума давления относительно верти–кальной оси симметрии цилиндра (4 мм); расстояние, на котором происходит продавливание краски через сетчатую основу №76 (11 мм).

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

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

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

С помощью разработанной модели течения краски было рассчитано рас–стояние, на котором происходит протекание краски через сетку № 76 и про–веден натурный эксперимент по определению этого расстояния. Последний по–казал хорошее совпадение расчетных и натурных результатов.

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

Кроме перечисленных, были проведены опыты по сравнению качест–венных характеристик оттисков, полученных с помощью плоского ракеля и с помощью предложенных нами трафаретных печатных устройств с ракелем вал–кового типа. Результаты опытов показали, что:

использование печатного устройства с валик-ракелем, имеющим упру–гую ячеистую покрышку, позволяет получить на оттисках меньшее растис–кивание, чем с помощью плоского ракеля;
трафаретное печатное устройство с ракелем валкового типа и предра–келем имеет способность к самоочищению примерно в 1,5 раза большую, чем устройство с плоским ракелем.

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

Разработанную модель течения краски в рабочем слое можно применять для изучения течения увлажняющего раствора в увлажняющем аппарате офсет–ной печатной машины. На рис. 24 показана схема такого увлажняющего аппа–рата и линии тока, полученные с помощью программы StreamLine, соответ–ствующие показанной схеме. Особенностью такой схемы является возможность исследовать так называемый дельта-эффект, применяемый в подобных устрой–ствах и возникающий при разной скорости вращения цилиндров. Моделиро–вание дельта-эффекта возможно за счет придания разной интенсивности вих–рям, расположенным в верхнем и нижнем цилиндрах, как показано на рис. 24.

В результате проведенной работы сделаны следующие выводы.

Развитие трафаретной печати, которое продиктовано растущими требо–ваниями рынка, может быть реализовано использованием ракелей валкового типа.
Для моделирования течения краски в рабочем слое в печатных устрой–ствах с ракелем валкового типа использовалось два подхода: на основе модели течения вязкой и невязкой жидкости. Проведенный анализ возможностей обоих подходов позволили сделать выбор в пользу последнего.
Проведение вычислительных экспериментов на разработанном и изго–товленном измерительном комплексе с использованием полученной математи–ческой модели на основе течения невязкой жидкости, позволил получить распределение давления в рабочем слое в зависимости от скорости движения ракельной каретки, диаметра валик-ракеля, скорости его вращения и плотности применяемой краски.
Сравнительный анализ результатов натурного и вычислительного эксперимента показал, что разработанная модель адекватно описывает реаль–ный процесс течения краски в рабочем слое и её можно использовать для определения научно обоснованных параметров, применяемых при расчете и проектировании трафаретных печатных устройств с ракелем валкового типа.
Преложено два варианта трафаретного печатного устройства с ракелем валкового типа. Проведены эксперименты, доказывающие преимущества таких устройств перед устройством с плоским ракелем, и перспективность указанных устройств.
Разработанную модель течения краски в рабочем слое можно исполь–зовать для изучения течения увлажняющего раствора в увлажняющем аппарате офсетной печатной машины.
Вычислительный и измерительный комплексы и результаты, получен–ные с их помощью, с 2004 года применяются в учебном процессе в Омском го–сударственном техническом университете при подготовке инженеров по специальности 261202 «Технология полиграфического производства». В част–ности вычислительный и измерительный комплексы используются в лекции–онном курсе и лабораторном практикуме по дисциплине «Технология печатных процессов», в дисциплине УНИРС и в дипломном проектировании. Результаты, полученные с помощью указанных комплексов, используются в научной работе аспирантов.
Результаты представленной работы переданы к использованию в ГП «Омская областная типография», г. Омск, в ООО «Электрографмаш», г. Москва, в ЗАО Компания «Ютон», г. Омск, чем получены соответствующие акты внедрения.

4. Публикации по теме диссертации

Иванов А.Ю., Клейнер Л.А., Литунов С.Н. Анализ факторов, влияю–щих на точность трафаретной печати. Полиграфические машины-автоматы.: Межвуз. тематич. сб. науч. тр. – Омск: изд-во ОмПИ, 1985. – С. 89-93.
Грибков А.В., Иванов А.Ю., Литунов С.Н. Особенности технологи–ческого процесса изготовления трафаретных печатных форм повышенной точ–ности. Вопросы технологии полиграфического производства: Межвуз. тематич. сб. науч. тр. Омск: ОмПИ, 1985. – С. 20-23.
Ганиев Д.Х., Климов Д.Ю., Щеглов С.А., Литунов С.Н., Клейнер Л.А. Контроль качества натяжения сетчатой основы трафаретных печатных форм. Вопросы технологии полиграфического производства.: Межвуз. тематич. сб. науч. тр. Омск: ОмПИ, 1985. – С. 147-151.
Литунов С.Н. Технологические особенности изготовления трафарет–ных печатных форм на автоматизированных установках. Вопросы технологии воспроизведения изображений в полиграфии.: Межвуз. сб. науч. тр. – Омск: изд-во ОмПИ, 1987. – С. 40-42.
Литунов С.Н. Автоматизация формных процессов трафаретной печати. Научно-технический прогресс в полиграфии / Материалы конф. – М.: ВНИИ КПП, 1987. – С. 82.
Литунов С.Н. О механизации формных процессов трафаретной печати. Научно-технический прогресс в книжном деле / Первая всесоюзная научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов Госкомиздата СССР. Тез. докл. – М.: Книжная палата, 1988. – С. 38.
Щеглов С.А., Измайлова И.В., Литунов С.Н. Применение метода муа–ровых полос для нормализации процесса натяжения сетчатой основы трафа–ретной печатной формы. Вопросы технологии воспроизведения изображений в полиграфии.: Межвуз. сб. науч. тр. – Омск: изд-во ОмПИ, 1989. – С. 69-72.
Щеглов С.А., Литунов С.Н. Устройство трафаретной печати. Полигра–фические машины-автоматы.: Межвуз. тематич. сб. науч. тр. Омск, 1990. – С. 86-88.
Литунов С.Н., Щеглов С.А. Моделирование процесса растекания вяз–кой жидкости в узкой щели переменной толщины, М.: ГКЦИТ, ОФАП, 2002.  №50200200440.
Литунов С.Н., Щеглов С.А. Использование гальванических трафа–ретных форм в радиоэлектронной промышленности. Визуальная культура: ди–зайн, реклама, полиграфия // Материалы междунар. науч. конф. – Омск, 2003. С. 76-81.
Литунов С.Н., Щеглов С.А., Погодаев Д.В., Дубонос Г.А.. Использование гальванических трафаретных форм в радиоэлектронной промышленности // Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела, №3, 2003. С. 3-8.
Литунов С.Н., Чапак И. Трафаретный печатный станок для лаборатор–ных исследований. Творчество молодых дизайн, реклама, полиграфия: Матер. II междунар. научно-практич. конфер., Омск: изд-во ОмГТУ, 2004.- С.316-318.
Литунов С.Н. Факторы, влияющие на выбор направления рабочего хо–да ракеля в трафаретной печати. Омский науч. вестник. – № 4 (29), Омск: изд-во ОмГТУ, 2004. – С. 162-163.
Литунов С.Н., Курдяев А.М. Определение параметров красочного слоя при печати по текстилю трафаретным способом. Творчество молодых дизайн, реклама, полиграфия: Матер. II междунар. научно-практич. конфер., Омск: изд-во ОмГТУ, 2004. – С. 265-267.
Литунов С.Н., Цыганенко В.Н., Щеглов С.А. Регулярная структура с ячейкой произвольной формы. М.: ГКЦИТ, ОФАП, 2004. – №50200400071.
Литунов С.Н., Цыганенко В.Н. Генератор рандомизированных струк–тур с неправильными полигональными ячейками. М.: ГКЦИТ, ОФАП, 2005. – № 50200500740.
Литунов С.Н., Цыганенко В.Н. Нерегулярная сетка с ячейками пра–вильной формы. М.: ГКЦИТ, ОФАП, 2005. - № 50200500132.
Литунов С.Н. К вопросу о развитии трафаретной печатной техники. Технологiя i технiка друкарства. Збiрник наукових праць. Киiв, Киiвський поли–технiчний iтститут. Випуск 3-4 (9-10), 2005. – С. 28-32.
Литунов С.Н., Филатов Д.С. К вопросу о ракельном механизме валкового типа, применяемом в трафаретной печати // Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела, №2, 2006. – С. 22-28.
Литунов С.Н. Моделирование течения краски в ракельном механизме валкового типа трафаретных машин. Визуальная культура: дизайн, реклама, полиграфия/Материалы V междунар. научной конференции. – Омск: изд-во ОмГТУ, 2006. – С. 168-174.
Литунов С.Н. Численный эксперимент по определению дефор–мации ячеек ракельного механизма валикового типа. Омский науч. вест–ник. Омск: изд-во ОмГТУ, №2(35), 2006. – С. 139-142.
Литунов С.Н. Исследование физико-механических свойств мате–риалов, применяемых при изготовлении валик-ракеля. Омский науч. вест–ник. Омск: изд-во ОмГТУ, №2 (35), 2006. – С. 142-143.
Литунов С.Н. Исследование печатных возможностей ракельного меха–низма валкового типа в трафаретной печати. Труды Белорусского государствен–ного технологического университета. Серия IX Издательское дело и полигра–фия. Выпуск XIV. Минск: БГТУ, 2006. – С. 78-82.
Литунов С.Н. О математической модели течения краски в кра–сочном аппарате трафаретной машины. Известия вузов. Проблемы поли–графии и издательского дела. М.: МГУП, 2006. – №4. – С. 13-25.
Литунов С.Н., Титов А.В. Экспериментальное определение давле–ния в рабочем слое трафаретного печатного устройства с ракелем валко–вого типа. Омский науч. вестник. Омск: изд-во ОмГТУ, №8(44), 2006. – С. 155-158.
Литунов С.Н., Юрков В.Ю. Трафаретная печатная форма. Патент РФ на изобретение 2285615, МПК В 41 С 1/14. Заявлено 28.02.2005. Опубл. 20.10.2006. Бюл. №29. – 2 с.; ил.
Литунов С.Н. Устройство для трафаретной печати. Патент РФ на по–лезную модель 60433. Заявка № 2005114539 от 13.05.2005.
Литунов С.Н. Расчет мощности привода красочного аппарата. Труды Белорусского государственного технологического университета. Серия IX Из–дательское дело и полиграфия. Выпуск XV. Минск: БГТУ, 2007. – С. 45-48.
Литунов С.Н. Красочный аппарат для трафаретной печати. Патент на полезную модель № 70198. Заявка № 2006107089/12(007673) от 06.03.2006.
Колозова О.А., Канева О.Н., Литунов С.Н., Сосняков С.И. Вычис–лительный эксперимент по определению параметров течения вязкой жид–кости в трафаретном печатном устройстве с ракелем валкового типа. Из–вестия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела. М.: МГУП, 2007. – №5. – С.14-22.
Литунов С.Н., Задорожный В.Н., Штриплинг С.Л. К вопросу о проблеме муара при воспроизведении изображений печатными способами // Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела, 2007. – №1. – С. 30-39.
Литунов С.Н. Методы расчета печатных аппаратов трафаретных ма–шин. Монография. – Омск: изд-во ОмГТУ, 2007. – 232 с.
Литунов С.Н. Сравнительный анализ вычислительного и натур–ного эксперимента по определению параметров течения в рабочем слое. Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела. М.: МГУП, 2008. – №1. – С. 37-48.

Blog

Основы теории и расчета трафаретных печатных машин с ракелем валкового типа

Содержание