Основи теорії і проектування фальцювально-різальних та приймально-вивідних пристроїв рулонних друкарських машин

Размещено на http://www.allbest.ru

УКРАЇНСЬКА АКАДЕМІЯ ДРУКАРСТВА

Автореферат дисертації на здобуття наукового

ступеня доктора технічних наук

Спеціальність 05.05.01 - машини і процеси

поліграфічного виробництва

Основи теорії і проектування фальцювально-різальних та приймально-вивідних пристроїв рулонних друкарських машин

Дідич Володимир Петрович

Львів - 1998

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Українській академії друкарства Міністерства освіти України

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Малащенко Володимир Олександрович, Державний університет “Львівська політехніка”, професор кафедри деталей машин;

- доктор технічних наук, доцент Сеньківський Всеволод Миколайович, Українська акдемія друкарства, завідувач кафедри прикладної математики;

- доктор технічних наук, професор Силенко Петро Миколайович, Московський державний технічний університет друку (Російська Федерація), професор кафедри теоретичної і прикладної механіки.

Провідна установа Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, видавничо-поліграфічний факультет, Міністерство освіти України, м.Київ

Захист відбудеться 06 квітня 1999 р. о 14⁰⁰ год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д35.101.01 в Українській академії друкарства. 290020, м. Львів-20, вул. Підголоско, 19.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Української академії друкарства. 290006, м.Львів-6, вул.Підвальна, 17.

Автореферат розісланий 03 березня 1999 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Огірко І.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. До складу фальцювально-різального та вивідного пристроїв (ФРВП) входить формувальна (ФГ), тягнучо-перфорувальна (ТПГ) і циліндрова (ЦГ) групи, а також фальцювальний аппарат другого поздовжнього згину (ФА2ПЗ) та приймально-вивідний пристрій (ПВП). З них достатньо дослідженою є формувальна група. Щодо решти частин ФРВП необхідно вказати на відсутність не лише аналітичних досліджень геометричних, кінематичних і динамічних параметрів на різних етапах технологічного процесу фальцювання і виведення зошитів.

Еволюція розвитку рулонних друкарських машин (РДМ) склалася так, що другорядний з технологічних міркувань ФРВП поступово привертає все більше уваги не лише проектантів, але й експлуатаційників. Це пояснюється наявністю в ФА нечисленних для РДМ циклових механізмів, які лімітують продуктивність роботи машин. Для її підвищення в машинах, що призначені для роботи на швидкостях друкування понад 10 м/с, ФА мають збільшені габарити, інколи вони не менші від друкарських секцій. Власне така суперечлива тенденція максималізації габаритів ФА на даному етапі розвитку РДМ є домінуючою.

Оцінюючи існуючу в області розрахунків і проектування ФРВП ситуацію загалом зазначимо, що у відповідних науково-дослідних установах і спеціальних конструкторських бюро поліграфічного машинобудування колишнього СРСР робилися спорадичні, майже безуспішні,спроби створити методику розрахунків лише геометричної схеми ЦГ. Інформація про відповідні методики фірм, які спеціалізуються на виробництві РДМ, є закритою. Тому розробка теоретичних основ і методики розрахунку цих систем є вельми актуальною проблемою

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Потреба у вирішенні вказаних проблем в Україні виникла у зв`язку з рішенням в 1993 р. Держкомвидавом України про створення проекту базової моделі вітчизняної рулонної друкарської машини ДВР-62, фальцювальний апарат якої, як і ряд інших важливіших частин, доручено розробити спеціалістам кафедри поліграфічних машин Української академії друкарства (тема 199-93), де накопичено значний досвід теоретичних і експериментальних досліджень поліграфічних машин, у тому числі й фальцювальних апаратів РДМ. Крім того, про важливість досліджень у вказаному напрямку свідчать договори Українського поліграфічного інституту ім.Івана Федорова (УПІ ім. Ів.Федорова) 02-77 та 161-84 з Всесоюзним науково-дослідним інститутом поліграфічного машинобудування (ВНДІполіграфмаш) та 177-90 з Рибінським спеціальним конструкторським бюро поліграфічного машинобудування Рибінське СКБ ПМ).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка теорії та методики розрахунку і проектування ФРВП на основі комплексного дослідження існуючих тут проблем. Для досягнення поставленої мети розв`зані такі задачі: оцінка існуючого стану з теорії розрахунку і практики проектування ФРВП; визначення дії сил на паперове полотно (ПП) і зошит під час обробки їх в ФРВП; дослідження умови виконання технологічних операцій в ФРВП; виконання оптимізаційного синтезу геометричної схеми ЦГ; проведення комплексного дослідження механіки циклових механізмів в ФРВП; розробка теорії розрахунку і методики проектування всіх груп ФРВП; обгрунтування перспектив розвитку ФРВП.

Наукова новизна одержаних результатів : розроблено основи теорії для розрахунків і проектування геометричних схем циліндрової групи ФРВП ударного і клапанного типів; вперше аналітичним шляхом розкрито механізм дії сил на полотно, аркуш та зошит, виявлено головні з них, розроблені рекомендації та засоби для стабілізації процесів обробки та транспортування цих напівфабрикатів в ФРВП, у тому числі в ТПГ, ЦГ, ФА2ПЗ і ПВП; вперше розроблено науково обгрунтовану методику визначення кінематичних параметрів пружка переднього поля аркуша під час поперечного фальцювання в ЦГ, показано шляхи зменшення надмірних прискорень і вироблені рекомендації з вибору оптимальної геометричної схеми групи; дослідно-експериментальним шляхом і аналітичними дослідженнями розкрито закономірності і причини інтенсивного зношування пазових кулачків циклових механізмів ЦГ; за результатами проведених досліджень розроблено нові технічні рішення, реалізація яких підвищує продуктивність праці і покращує якість зошитів (збільшення експлуатаційних швидкостей, усунення отворів від голок тощо).

Практичне значення одержаних результатів. Реалізація результатів досліджень провадилася як при модернізації нового вироблюваного устаткування і експлуатованого в друкарнях, так і під час проектування нових машин. Зокрема: на всіх рулонних друкарських машинах Рибінського заводу поліграфічних машин (Росія), що оснащені ФА сталого формату, починаючи від 1983 р. встановлюють пристрої поперечного відсікання аркушів від паперового полотна, які створені за участю автора і захищені АС СРСР N941216; в багатьох друкарнях використовується розроблена за участю автора технологія реставрування зношених пазових кулачків механізму приводу проколювальних голок; розроблений за участю автора приймально-вивідний пристрій використано при проектуванні багатоцільового базового комплексу МБК-168 в Рибінському СКБ ПМ; розроблена автором методика розрахунків і проектування ФРПВ ефективно використана при створенні машини ДВР-62.

Особистий внесок здобувача. Роботи, пов`язані з дослідженнями ФА РДМ в рамках госпдоговірної тематики переважно з ВНДІполіграфмаш виконувалися на кафедрі поліграфічних машин УПІ ім.Ів.Федорова в період від 1977 р. до 1990 р. До 1982 р автор працював виконавцем, в подальшому - керівником тем. Від 1990 р. аналітичні дослідження процесів і механіки ФРВП проводилися в межах держбюджетних, не забезпечених фінансуванням, тем автором одноосібно. Особиста участь автора в дослідженнях за кожен календарний рік відображена у вигляді дольового внеску у відповідних звітах, публікаціях і авторських свідоцтвах на винаходи. В переважній більшості публікацій і винаходів авторові належить ідея, теоретичне обгрунтування, розробка математичних моделей та формулювання висновків.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи в період 1980 - 1998 рр. доповідалися автором щорічно на звітних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Української академії друкарства (УПІ ім.Ів.Федорова), наукових семінарах кафедр поліграфічних машин академії та НТУУ КПІ (1998р.), науково-технічних радах відділів друкарського устаткування ВНДІполіграфмаш (1983 - 1990 рр.) та рулонних друкарських машин Рибінського СКБ ПМ (1990, 1991 рр.), вченій раді Українського науково-дослідного інституту поліграфічної промисловості ім.Т.Шевченка (1994 р.), Всесоюзній нараді з методів розрахунку поліграфічних машин-автоматів (1987, 1991 рр.), міжнародній конференції в НТУУ КПІ (1998 р.), фаховому та науковому семінарах в УАД (1998 р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано монографію, 15 статей в наукових збірниках та журналах (з них 8 - одноосібно), 9 депоновано, випущено два регіональні інформаційні бюлетені про досвід впровадження і створювану ефективність від наукових розробок, опубліковано 7 тез доповідей на конференціях різних рівнів, зміст яких не розкритий в подальших статтях. Зроблено 16 винаходів, пов`язаних із темою дисертації.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, шести розділів, списку використаних джерел та додатків. Повний обсяг дисертації: 383 стор.,з них ілюстрації - 83 стор., додатки - 18 стор., список використаних джерел - 16 стор. (170 найменувань).

Основний зміст роботи

У першому розділі роботи "Сучасний стан теорії розрахунку і практики проектування фальцювально-різальних та приймально-вивідних пристроїв рулонних друкарських машин" зроблено аналіз основних існуючих схеми будови і роботи ФРВП та його головних механізмів як в історичному контексті, так і на прикладах сучасних конструкцій досліджуваних вузлів сучасних РДМ. фальцювальний різальний друкарська машина

Наведено результати аналізу досліджень ФРВП і методів їх розрахунків. Зазначено, що кількість та глибина наукових досліджень в області цих пристроїв не відповідають зростаючому впливу ФРВП на продуктивність роботи РДМ.

Показано, що глибина досліджень складових частин ФРВП є різною. Зокрема, існуюча методика розрахунків геометричної схеми і конструкції елементів формувальної груп, створена завдяки зусиллям О.О.Тюріна та В.І.Мажорова, тривалий час успішно використовується в практиці проектування цього вузла. З цих причин у даній роботі формувальна група не розглядається.

Більшої уваги розгляданим у роботі питанням приділено в об`ємній монографії-посібнику В.Т.Бушунова, виданій майже 40 років тому. Проте через недостатньо глибокий підхід і значний часовий проміжок наведені там методичні матеріали не знаходять використання.

З-посеред інших структурних частин ФРВП: ТПГ, ЦГ, ФА2ПЗ та ПВП - найбільшу увагу дослідники приділяли механізмові відсікання аркушів від паперового полотна (циліндрова група). Тут відомими є роботи Рибінського СКБ ПМ та Української академії друкарства. Зокрема, в дисертаційній роботі Ю.П.Рака, з-поміж інших важливих наробок, було вперше встановлено силові фактори, які супроводжуть процес відсікання аркушів у виробничих умовах на агрегаті мод. ГАУ. Результати цих експериментальних досліджень дозволили по-новому оцінити ступінь впливу механізму відсікання на стан динаміки ФРА і розробити заходи щодо його мінімізації.

Інша структурна частина ФРВП - приймально-вивідний пристрій - став об`єктом комплексних досліджень у роботі І.І.Регея, виконаній під керівництвом автора. Необхідність проведення досліджень у цьому напрямку диктувалася потребою підвищення точності викладування зошитів на вивідний транспортер для забезпечення умов сумісної експлуатації РДМ з транспортером із поштучним транспортуванням екземплярів. У цій роботі вперше виявлено існування ділянок стрибкоподібного гальмування швидкості зошитів, розроблено методи і засоби для переходу до плавного руху зошитів, а також принципово нові технічні рішення засобів виведення продукції із РДМ.

Решта частин ФРВП - ТПГ та ФА2ПЗ - поки що не потрапляли в поле зору дослідників, хоча їх вплив на хід технологічного процесу виготовлення зошитів (особливо другого з них) із збільшенням експлуатаційних швидкостей зростає. Далі в розділі показано, що оскільки глибина проведених досліджень є недостатньою для розробки методик розрахунків складових частин ФРВП, то основним інструментарієм при його проектуванні є метод аналогій. На базі виконаного критичного аналізу стану конструкцій, роботи та досліджень ФРВП сформульовано наукову проблему - необхідність створення теорії його розрахунків - і на її основі розробку методики проектування ФРВП. Для досягнення цієї мети сформульовано конкретні задачі дослідження.

У другому розділі "Аналітичні дослідження механіки процесів транспортування паперового полотна в тягнучо-перфорувальній групі" висвітлено питання розрахунків геометрії будови, кінематики транспортування та, супроводжуваних виконувані в ТПГ процеси, силових факторів.

До складу ТПГ входять одна або дві пари тягнучих валиків (ТВ), пристрої для поздовжнього та поперечного перфорування, а також пристрої для поздовжнього розрізування і бігування ПП.

Тягнучі валики є основним елементом ТПГ. Із техноголічних міркувань їхнім поверхням слід надавати лінійної швидкості, дещо більшої від швидкості друкування V_др

V _тв = V _др (1 + ) (1 + ₁), (1)

де - коефіцієнт, який враховує прирощування швидкості поверхонь ТВ щодо папероведучого циліндра, розташованого над формувачем; ₁ -коефіцієнт, що враховує збільшення швидкості поверхні папероведучого циліндра щодо швидкості друкування.

Кожна пара ТВ являє собою "жорсткий" циліндр та "еластичний" диск шириною 15...20 мм. "Жорстким" валикам завжди надають примусового руху. При наявності в ТПГ двох пар ТВ їх геометричні та кінематичні характеристики мають бути ідентичними.

Реалізувати умову (1) в механізмі з примусовим приводом "еластичного" ТВ можна лише у випадку, коли діаметр тіла "жорсткого" ТВ перевищуватиме діаметр ділильного кола зубчастого колеса привода цього ТВ, тобто d _ж > d _дж .Оскільки d _дж = d _де , то в зоні контакту ТВ неминуче виникає відносне ковзання, яке стає причиною зношування еластичної поверхні. На основі аналізу геометрії та кінематики механізму ТВ з при мусовим приводом "еластичного" ТВ запропоновано вирази для визначення їхніх діаметрів та міжцентрової відстані:

d _ж = d _дж (1 + ₁) (1 + ) - t _пп, (2)

d _е = d _дж (1 + ) + t _пп , (3)

a _w = d _дж (1 + ) + t _пп - z _m , (4)

де t _пп - товщина оброблюваного ПП,

z _m - максимальна деформація еластичної поверхні відповідного ТВ у зоні контакту.

Через інтенсивне зношування еластичної поверхні рекомендовано в ТПГ машин, призначених для обробки ПП об`ємом до 6-ти стор., не примусового приводу. В роботі розроблено методику визначення діаметра d_дж , показано доцільність використання значень коефіцієнтів збільшення швидкості у межах = 0,04...0,1 % 0 і ₁ = 1,5...2,0 %.

Проведено силовий аналіз механізму ТВ. Показано, що найбільшим з-посеред зусиль, які виникають при його роботі, є тягнуче зусилля, необхідне для якісного транспортування ПП. Крутні моменти на валу "жорсткого" ТВ від обтискування фальця, взаємного обкочування валиків, сил тертя тощо, є вторинними щодо моменту, необхідного для натягування ПП.

Розроблено методику силового аналізу і визначення потужності, необхідної для привода ТВ.

Показано, що цей механізм є головним, з-поміж інших механізмів ФРВП, споживачем потужності.

Принцип роботи механізму поперечного перфорування багато в чому збігається із найбільш дослідженим механізмом поперечного відсікання аркушів. Показано, що оскільки марзанний циліндр цього механізму є мірилом кроку поперечних перфорацій, то його діаметр

d _мц = L _в /2. (5)

де L _в - довжина відсіченого аркуша.

Інші геометричні параметри цього механізму: діаметр ножового циліндра, міжцентрова відстань та відстань від центра ножового циліндра до пружка перфорувального ножа:

d _нц = L _в / - 2 , (6)

a _w = 3L _в /(4) і l_н = L _в /(2) + h , (7)

де = 3 мм - величина щілини між поверхнями марзанного і ножовогоциліндрів;

h = 2,5 мм - глибина заходження леза перфорувального ножа в марзан.

Оцінку величин зусиль, які виникають при поперечному перфоруванні ПП, рекомендовано проводити через сумарне зусилля перфорування

P _сум = p _сум b _ппk _пп , (8)

де p _сум - погонне зусилля відсікання, є функцією кількості оброблюваних паперових стрічок, визначається із відповідного, збудованого за експериментальними даними, графіка;

b _пп - ширина ПП після поздовжнього фальцювання;

k _пп = 0,85...0,88 - коефіцієнт ефективної довжини перфорувального ножа.

Сила P _сум є основною для розрахунків деталей механізму на міцність і величини споживаної потужності.

З-поміж поздовжнього розрізування , перфорування та обігування ПП найбільш енергомісткою є бігування. Показано, що оскільки бігувальні ролики встановлюють поміж двох пар тягнучих валиків, то зусилля бігування створює незначне додаткове натягування ПП.

За матеріалами досліджень, викладених у другому розділі роботи, складено методику розрахунків геометричної схеми, кінематики і енергосилових параметрів ТПГ, яку подано у додатках до дисертації.

У найбільшому за об`ємом третьому розділі роботи під назвою "Дослідження механіки процесів в циліндровій групі фальцювально-різального апарата" розглянуто питання, пов`язані із: геометрією циліндрової групи (ЦГ); транспортуванням спочатку аркуша, а потім і зошита; процесами фальцювання аркушів в ударному і клапанному апаратах; динамікою використовуваних в ЦГ циклових механізмів тощо.

Важливе місце в роботі посідає створення методики визначення діаметр і вциліндрі в Ц Г. Для вирішення цієї задачі спочатку було проведено силовий аналіз процесу транспортування переднього поля ПП подавальним циліндром. За допомогою експерименту виявлено, що проколювальні голки неспроможні, через недостатню міцність паперу, натягувати ПП із зусиллям, створюваним ТВ. На цій основі зроблено висновок про необхідність надання робочій поверхні подавального циліндра (ПЦ) такої швидкості, яка б не перевищувала швидкість транспортування ПП тягнучими валиками.

Із цих міркувань теоретичний діаметр ПЦ встановлюється через довжину розгортки його робочої поверхні, а розрахунковий діаметр визначається із врахуванням довжини відсіченого аркуша L _в, номінальної товщини t_пп оброблюваного ПП і товщини повітряного прошарку між окремими стрічками

D _пц = L _в b/ - (t _пп + ) , (9)

де b - кількість відсічених аркушів, які можна розташувати на поверхні ПЦ.

Такий підхід до визначення діаметра ПЦ передбачає транспортування нейтрального шару ПП номінальної товщини із швидкістю друкування. Збільшення товщини (t _пп+) проти номінальної викликає незначне зростання його натягування.

Для визначення діаметра відсічного циліндра (ВЦ) доцільно скористатися виразом

D _вц = L _в a/ - (t + 2) , (10)

де a - кількість відсічених аркушів, які можна розмістити на розгортці теоретичної поверхні ВЦ;

- щілина між поверхнями ВЦ і ПЦ, величина її не регламентується.

Важливими у конструюванні вузла є встановлення діаметра кола, яке описує пружок відсічного ножа, величина його перевищення над тілом ВЦ, а також міжцентрова відстань між ВЦ і ПЦ:

D _пн = L _в a/ + 2h + t _пп , (11)

h _н = h + t _пп +, (12)

L = 0,5 (L _в (a + b)/ - 2t _пп -) , (13)

де h = 2,5 мм - величина заглиблення пружка відсічного ножа в марзан, робоча площина якого співпадає з поверхнею ПЦ.

За наведеною вище методикою вже можна збудувати циліндрову групу ударного ФРА. Для клапанного ФРА діаметр фальцювального циліндра (ФЦ)

D _фц = c (L _в / + q) , (14)

де c - кількість відсічених аркушів, які можна розмістити на теоретичній поверхні ФЦ;

q = 1 мм - емпірична величина, яка забезпечує приріст інтервалу між зошитом і аркушем в зоні ПЦ - ФЦ.

Величину щілини між ФЦ і ПЦ подано у формі

= t _зош + k , (15)

де t _зош = t _пп - для максимальної товщини зошита ФРА з підбором, або t _зош = t _п - для ФРА без підбору;

k = 0,22 мм - емпірична величина, деякий запас.

Співставлення розрахунків за формулами (9)...(15) із фактичними розмірами елементів ЦГ машин типу ПОК-84, ПОК-75 та ПОГ-168 дає збіжні результати.

В роботі наведено рекомендації щодо взаємного розташування циліндрів, а також прив`язки ЦГ до ТПГ та ФРВП.

Зокрема, одержано залежності, які дозволяють у простій формі визначати координати фальцювальних валиків, центра відсічного циліндра та нижньої паритя гнучких валиків ударного ФРА. Для цього було розв`язано декілька складних геометричних задач, в основу яких покладено результати дослідження геометричних параметрів і кінематики процесу фальцювання в циліндровому ударному ФРА. Розроблена за результатами цих досліджень методика геометричного синтезу апарата у зручній для користувача формі подана у додаткові.

Результати досліджень процесів у ЦГ і відповідних механізмах подано у технологічній послідовності. Зокрема, значну увагу в роботі приділено механізмові відсікання аркушів. Аналітичні дослідженнях згадуваної роботи Ю.П.Рака стосовно до механізму відсікання лише заторкнули коло проблем, які виникають при виконанні цього процесу. Зокрема, розглянуті там поперечні та крутильні коливання мас ВЦ та ПЦ є наслідком імпульсної дії комплексу сил, проте не пояснюють природи їх виникнення. В експериментальній частині цієї роботи лише зареєстровано факт виникнення зусиль, які значно перевищують технологічно необхідні для здійснення процесу відсікання. З метою розкриття суті процесу нами проведено додаткову обробку частини результатів вказаних експериментальних досліджень стосовно до механізму відсікання з підпружиненими притискними планками, зроблено силовий аналіз. Встановлено переважальне значення технологічних сил, які визначалися сумою

p _сум = p _відс + p _пр = 0,806 n ^1,2 , (16)

де p _відс - зусилля т.зв."чистого" відсікання;

p _пр - зусилля затискання ПП, необхідне для якісного відсікання;

n - кількість одночасно оброблюваних паперових стрічок.

Показано, що сумарне зусилля у механізмі відсікання при обробці максимального об`єму ПП (для умов агрегата мод. ГАУ) 16 стор. та шириною b _пп = 0,42 м складає P _сум = p_сум b_пп = 1,5 кН. Таке розрахункове зусилля є значно меншим від зареєстрованого експериментально. На підставі цього зроблено висновок про відсутність у правильно налагодженому механізмі відсікання джерел виникнення надмірних навантажень. Такі навантаження можуть бути наслідком удару неточно виготовлених і неприпрацьованих деталей механізму, зокрема, притискних планок, марзана тощо.

Підтвердженням такому висновкові слугують експерименти з використанням у механізмі відсікання пінополіуретанових притискних планок: хоча технологічні навантаження від власне відсікання тут залишаються сталими, проте сумарна сила в механізмі істотно зменшується. Крім того, на основі викладеного щодо вузла відсікання, зроблено узагальнений висновок про необхідність переходу від системи із миттєвим відсіканням аркушів і притаманих йому стрибкоподібних технологічних навантажень до систем із розтягненим у часі процесом.

Розглянуто особливості кінематики і силових факторів планетарного механізму привода фальцювального ножа (ФН). Пружок ФН у таких механізмах рухається за траєкторією трипелюсткової гіпоциклоїди.

Силовий аналіз дії пружка ФН на оброблюваний аркуш показав, що рівнодійна сил, що створені ножем під час подачі аркуша поміж фальцювальні валики (ФВ), спрямована не у потрібному напрямку, а на ФВ, який розташований з боку подачі аркуша.

Крім того, геометричний та кінематичний аналізи процесу показали, що хвостова частина фальцьованого аркуша до початку його схоплення фальцювальними валиками рухається із більшою швидкістю, ніж транспортована ножем частина. Внаслідок цього хвостова частина, яка перебуває поміж поверхнею ПЦ та обмежувальними напрямними, зазнає поздовжньої деформації у вигляді гофрування.

Це, а також наявність відносного ковзання леза ФН щодо аркуша під час його виходу за межі ПЦ, дає підстави для постановки питання про необхідність коректування траєкторії руху пружка ножа. Автором зроблено декілька винаходів, призначених для досягнення вказаної мети.

Теоретичним кістяком дисертаційної роботи є розроблена методика визначення прискорень переднього поля відсіченого аркуша у процесі поперечного фальцювання стосовно до ФА ударного і клапанного типів, яка базується на математичному моделюванні цього процесу. Якраз прискорення викликають появу напружень в аркуші і вони стають руйнівними для паперу при значеннях прискорень понад 1000 м/сек².

Оскільки прискорення аркуша є функцією зміни швидкості обертання та радіуса циліндра, яким транспортується цей аркуш, то проектувальники, намагаючись досягти найбільшої продуктивності, для мініміцації прискорень ідуть шляхом збільшення діаметрів циліндрів фальцювального апарата. Зокрема, якщо донедавна використовували співвідношення діаметрів ВЦ, ПЦ та ФЦ як 1:2:1, 2:3:2 тощо, то в сучасних машинах їх збільшують до 2:5:5 і навіть до 4:5:7. Власне такою є тенденція розвитку ФА на сучасному етапі.

В основу математичного моделювання процесу фальцювання покладено встановлення геометричної зміни положення пружка переднього поля аркуша від кута повертання одного із циліндрів ФА на ділянках ймовірних максимумів прискорень. Кінематичні характеристики процесу одержані шляхом диференціюванням біжучих значень одержаних кутових переміщень переднього поля аркуша щодо поверхні ПЦ за кутом повертання останнього.

Стосовно до ЦГ ударного ФА дослідження кінематичних характеристик проводили на двох фазах транспортування аркуша: фальцювальним ножем і фальцювальними валиками.

Біжучі значення інваріантів швидкостей і прискорень переднього пружка аркуша стосовно до умов використовуваної в багатьох газетних машинах і агрегатах довжини відсікання L _в = 0,594 м показані у формі графіків на рис.1. Вихід пружка ножа за межі ПЦ відбувається на куті = 333,7^o. На графіку нанесені також припустимі значення інваріантів тангенціального прискорення [ ].

Особливу увагу привертають ці прискорення на початку фальцювання, коли інваріант , а це свідчить про надзвичайно несприятливі, для міцності аркуша, умови фальцювання. Крім того, як видно з графіків, розрахункові значення інваріантів тангенціальних прискорень аркуша лише в межах = 341,5 ^o ...349,5 ^o є рівними або менши ми від їхніх припустимих значень, на решту ділянках вони є більшими від припустимих.

На цій основі зроблено висновок про недоцільність застосування існуючих схем будови ударних ФРА в сучасних швидкісних РДМ. Областю їх використання можуть бути, через відпрацьованість конструкції і умов експлуатації, газетні машини із швидкістю роботи до 25 000 об/год.

З точки зору поставленої задачі явища, які супроводжують поперечне фальцювання у клапанному апараті, умовно можна розділити на два етапи: власне процес фальцювання та перехід передньої частини аркуша з подавального циліндра на фальцювальний. Перший етап охоплює період часу, на протязі якого фальцювальний ніж подавального циліндра проштовхує фальцьований аркуш поміж клапанами фальцювального циліндра і далі, включно з їхнім закриванням, схоплюванням і обтискуванням фальця. На другому етапі відбувається реверсування переднього поля аркуша, яке супроводжується його прискоренням. Нижче послідовно розглянута геометрія і кінематика виконавчих органів та характерних ділянок аркуша для двох етапів.

У процесі поперечного фальцювання аркуша A ( рис.2) пружок його переднього поля (точка С ) спочатку транспортується за допомогою проколювальних голок, встановлених, з можливістю рухатися, на ПЦ, а після фальцювання ножами і клапанами, встановленими на фальцювальному циліндрові ФЦ, проколювальні голки занурюються у ПЦ і ведучими щодо аркуша стають клапани. При цьому точка С аркуша рухається спочатку в напрямку за годинниковою стрілкою щодо центра О ₁, потім під дією клапанів ковзає по поверхні ПЦ , а далі займає відносно центра О₁ певне положення з координатами, які визначаються: жорсткістю паперу, швидкістю роботи, об`ємом зошита, конфігурацією обмежувальних пристроїв і т.і.

Тут зроблено припущення про постійність перебування точки C на поверхні ПЦ до моменту, доки відстань між точкою D та поверхнею ПЦ не стане більшою довжини половини відсікання аркуша L _в. Це припущення має під собою певні основи, оскільки, наприклад, опір повітря переміщенню фальцьованого аркуша може сприяти розміщенню передньої частини аркуша у вигляді як прямої лінії , так і кривої. У наведеному нижче дослідженні кінематики процесу фальцювання прийнято перший варіант. Не враховано також, через незначний вплив на кінцевий результат, величини схоплювання фальця клапанами.

Метою досліджень було встановлення характеру зміни та величин прискорень, які виникають при реверсуванні точки C ( рис.2), яка на лежить ділянці переднього поля аркуша Для цього встановлено зміну кута , який є полярною координатою точки С щодо осі O ₁, від кута повертання фальцювального циліндра ФЦ , тобто = f( ) 0. Кут мож на виразити cумою = + + , де - кут, який визначає положення поперечного фальця на ФЦ стосовно до центра ПЦ ; - кут, який лежить напроти найкоротшої відстані між точками D і B для даного кута , до того ж кут <DBO₁ є прямим, оскільки лінія DB є дотичною до поверхні ПЦ у точці B; - кут, який визначається довжиною дуги BC . Довжину відрізка D-B-C можна прийняти рівним половині довжини відсіченого аркуша (помилка від такого спрощення не перевищує 3 %).

Позначивши r_пц /r_фц = i, (1 + i) = I та (1 - cos ) = D одержимо сумарний кут

(17)

Перша похідна від виразу (17) за кутом є інваріантом кутової швидкості руху точки C щодо поверхні ПЦ , а друга - кутового прискорення:

(18)

За результатами параметричних досліджень функцій = f(i, f ), ` = f(i, ) та " = f(i, ) збудовано серію графіків, у яких параметри b і c (причому i = b/c) як цілі числа змінювали у діапазоні b = 2...7 і c = 2...7 . Частина з них показана на рис.3. Тут для деяких фіксованих значень параметрів b і c показано характер зміни похідної " , яка є інваріантом прискорення точки С (див.рис .2).

Оскільки критерієм швидкісних можливостей машини прийнято максимуми прискорень фальцьованого аркуша, то за допомогою наведеного на рис.4 графіка функції " _max = f(b,c) для користувача зручно знайти такі співвідношення i = b/c , при яких інваріантні значення прискорень будуть знаходитися в прийнятливих межах. З врахуванням введених позначень розрахункові значення прискорень переднього поля фальцьованого аркуша можна визначити з виразу

(19)

Встановлено величини прискорень різних ділянок аркуша за період його перебування в циліндровій групі, виявлено з-поміж них максимальні і розроблено шляхи їх мінімізації. Встановлено, що найбільші прискорення виникають на ділянці переднього поля і вони не менш ніж у два рази перевищують доцентрові прискорення. Показано, що зменшити прискорення переднього поля можна як збільшенням діаметра ПЦ, так і цілеспрямованим підбором співвідношень b і c .

Побічним доказом виникнення у вказаній зоні значних прискорень і породжених ними напружень в оброблюваному аркуші є накопичення паперового пилу на розташованих обабіч нерухомих деталях клапанного фальцювального апарата.

Метою дослідження динаміки кулачкових механізмів є встановлення характеру та величин навантажень, які виникають у цих механізмах, необхідних для виявлення характеру динаміки пристроїв, а також оцінка впливу цих навантажень на якість функціювання виконавчих органів.

Потреба в знаннях особливостей динаміки циклових механізмів диктується не лише незадовільними експлуатаційними показниками одних (з пазовим кулачком), але й намаганням спрогнозувати коливний процес в інших механізмах (пристрої з демпферами) на етапі їхнього проектування.

Силовий аналіз механізму з нерухомим пазовим кулачком проколювальних голок стосовно до умов агрегата мод. ГАУ виявив, що переважальною є сила інерції. Ця обставина була врахована при дослідженні коливного процесу в механізмі. Необхідна для цього динамічна модель механізму з нерухомим пазовим кулачком показана на рис.5. Після переходу від коливного руху до, більш зручного, поступального (рис.6) складені та розв`язані відповідні диференціальні рівняння на різних фазах переміщень.

Зокрема встановлено, що коливання проходять на власній частоті системи, а збудником коливань є знакозмінне інерційне навантаження, характер і величина якого відповідає прийнятому законові періодичного руху на кулачку. Після закінчення контакту, наприклад, з ближнім профілем ролик масою m під дією сил інерції P _ін , вибираючи зазор, переходить до контакту із дальнім профілем. Оскільки величина зазору a є відносно невеликою, а швидкість руху ролика під час переходу є максимальною, то його тривалість можна визначити, вважаючи рух рівномірним, через t _заз = a/V або

(20)

де B - константа піка швидкостей закону руху;

b - довжина коромисла.

Для даної системи t _заз = 2,05 x 10 ^-5 с , а це свідчить про виникнення удару. Таким чином, після контакту ролика з дальнім профілем на ділянці вибігу фази віддалення на ролик діє сила інерції, яка притискає ролик до цього профілю, і ударна реакція з боку дальнього профілю кулачка, яка спрямована у протилежний бік. Співвідношення цих сил і визначає місце контакту ролика із відповідним профілем. Диференціальне рівняння руху на цій фазі

(21)

загальний розв`язок якого

(22)

При роботі машини в усталеному режимі в місцях ударянь ролика до профілів кулачків на останніх слід очікувати зношування. При цьому крок ліній центра ролика t _р (див.рис.5) визначається періодом власних коливань системи і швидкістю руху ролика: t _р = V T _вл , де V ₁ l. Крок між місцями контакту на однойменних профілях T _р приблизно однаковий і складає T _р = 2t _р . При роботі на різних режимах характер зношування кулачка може бути не упорядкованим. Наприклад, при роботі агрегата мод. ГАУ здебільшого на швидкості 18 000 об/год крок T _р = 30 мм .

Розглянуто обертовий рух ролика в пазові кулачка. Показано, що внаслідок ударно-коливного стану в механізмі цей рух також має знакозмінний характер. Причому, оскільки нормальні щодо кулачка сили на коромислі, необхідні для притискання ролика до кулачка, відсутні, то зроблено висновок про існування передумов для ковзання ролика щодо поверхонь кулачків, а це приводить, при наявності у зоні контакту паперового пилу, до інтенсивного стирання цих поверхонь.

Зроблено аналіз впливу в`язкопружних демпферів у деяких кінематичних парах кулачкових механізмів ЦГ на активність коливних процесів. Показано, що цей вплив є незначним.

У розділі подано опис низки зроблених, у співавторстві або самостійно, винаходів, які стосуються будови і роботи циліндрової групи, циклових механізмів, показані можливості і ефективність від їхнього використання.

У четвертому розділі "Експериментальні дослідження основних циклових механізмів циліндрової групи" викладено у стислій формі методику і результати таких досліджень стосовно до механізмів відсікання аркушів та проколювальних голок. Необхідність постановки таких досліджень диктувалася суто виробничими потребами, адже експлуатаційні показники цих механізмів у швидкісних газетних агрегатах відзначалися низьким рівнем.

Для дослідження причин низьких надійності та довговічності вузла поперечного відсікання аркушів було розроблено два стенди, на яких спочатку в статичних, а потім у динамічних умовах проводився відбір і випробування таких механізмів, які б забезпечили не лише усунення вказаних недоліків, але й створення мінімальних зусиль відсікання аркушів та зниження рівня шуму в районі ФРА. Відібрані за результатами стендових досліджень механізми відсікання згодом випробовувалися у виробничих умовах на агрегаті ГАУ.

За результатами комплексних досліджень було розроблено механізм відсікання аркушів, який забезпечує якісне відсікання ПП у всьому діапазоні досліджуваних товщин, до того ж циклічна витривалість його складає не менше 187...280 млн. циклів навантажень, а це, при швидкості роботи 18 тис.об/год, забезпечує надійну роботу на протязі 2...3 років. Паралельно з цим спостерігається покращення силових параметрів процесу, а також зниження загального рівня шуму в районі ФА.

Надійність та довговічність окремих деталей і механізм у проколювальних голок в цілому газетних машин і агрегатів типів ГАУ, ПВГ-84, ПОГ-90 та інших з приводним пазовим кулачком є невисокими. Це проявляється через поломки окремих деталей механізму, порушення ходу технологічного процесу, вимушені зупинки і зрив терміну друкування тиражу. Тому завданням цієї частини роботи було виявлення причин прискоренного зношування механізму проколювальних голок з метою розробки рекомендацій на його вдосконалення.

Розроблено швидкісний багатопозиційний стенд для дослідження механізму проколювальних голок, у якому, через певну кількість циклів навантаження, проводився контроль динамічного стану механізму шляхом тензометрування крутних моментів на його валу. При цьому стан зношених поверхонь кулачків контролювався за допомогою спеціального вимірювального пристрою. Одержувана інформація реєструвалася, відповідно, на фото- та діаграмному папері осцилографа та самописця. Типові осцилограми запису вказаних моментів для різних швидкостей роботи (в об/год) показані на рис.7. На одній з них пунктирною лінією показана теоретична зміна моменту від сил інерції мас механізму.

Обробка осцилограм та профілограм дозволила зробити певні узагальнення: 1. при незначному зношуванню перехід ролика від одного профіля кулачка до іншого відбувається лише на кутах наближення та віддалення під дією сил інерції; 2. після (0,8...2,0)x10 ⁶ циклів навантаження на профілях кулачка на ділянці зміни знаку інерційного навантаження утворюється ямка, котра є наслідком удару ролика до профілю кулачка після його відриву від протилежного профілю; 3. після (3,0...4,0)x10 ⁶ циклів навантаження на зовнішньому і внутрішньому профілях утворюється ряд ямок , глибина яких спадає у напрямку руху ролика з віддаленням від центру зародження; 4. в подальшому зношування робочих поверхонь кулачка поширюється як в радіальному напрямку, шляхом заглиблення ямок, так і в тангенціальному, тобто утворенням чергових ямок спочатку на фазовому куті віддалення, а згодом і на куті верхнього вистоювання.

На цій основі було зроблено висновок про недоцільність використання в швидкісних механізмах ФРА пазових кулачків.

П`ятий розділ має назву "Аналітичні дослідження механіки процесів у фальцювальному апараті другого поздовжнього згину". Метою досліджень у цьому розділі є розробка рекомендацій на проектування основних параметрів таких пристроїв: транспортера зошитів, механізмів фальцювального ножа і фальцювальних валиків.

Зроблено порівняльний аналіз геометрії та кінематики механізмів ФН з кривошипно-повзунним, планетарним і кривошипно-коромисловим приводами. За результатами цих досліджень збудовані діаграми зміни швидкостей та прискорень пружка ножа, аналіз яких показує, що найнесприятливіші умови фальцювання є в ФА2ПЗ із планетарним ме ханізмом. Значно менші прискорення притаманні двом іншим механізмам.

Вперше складено технологограму процесу фальцювання в ФА2ПЗ, дослідження якої дали підстави для встановлення величин фазових кутів робочого ходу ФН. На її основі зроблено висновок про необхідність подальших, більш глибоких досліджень механіки процесів ФА2ПЗ.

На основі проведених досліджень і аналізу існуючих конструкцій розроблено методику геометричного синтезу ФА2ПЗ, яка передбачає можливість визначення всіх параметрів механізму привода ФН, координат центрів кривошипного вала і фальцювальних валиків щодо площини робочого стола, а також їхнього діаметра.

Стосовно до механізму з планетарним приводом ФН вихідними даними у цих розрахунках є довжина відсіченого аркуша та встановлене із технологограми значення фазового кута його робочого ходу, наприклад

(23)

де r _в.min - мінімальний радіус водила;

h ₂ - сумарна товщина паперу і тасьом на столі ФА2ПЗ;

_рх= 2t _Б /T_ц - встановлений із технологограми кут повертання вала водила механізму під час робочого ходу ФН;

t _Б - відносна тривалість фази робочого ходу;

T_ц = L _в /V _др - тривалість циклу.

За відомим радіусом r_в визначаються інші параметри ФА2ПЗ. Діаметри ФВ запропоновано визначати як d _фв = L _в /c _ус , де c _ус = 5,5...6,0 - коефіцієнт. Для механізмів з кривошипно-повзунним приводом запропоновано із діаграми знаходити відносну довжину шатуна l і відповідний їй інваріант S _нб.рх.i , із технологограми - кут _рх , співвідношення

(24)

а потім і радіус кривошипа r _кр та решту параметрів механізму.

Доведено, що частота обертання ФВ повинна бути у два рази більшою від частоти обертання кривошипного вала. Показано, що відносну тривалість фази виведення зошита із стола ФА2ПЗ можна подати як

(25)

де u = _фв / ₁ 0- передаточне відношення зубчастого зв`язку між привідним валом ФН і ФВ.

Для проектувальника наведено графік функції k_в` = f(L<sub>в</sub>,B,u) , яким можна скористатися для ущільнення технологограми скороченням тривалості фази t <sub>в</sub>`.

За результатами досліджень розроблено наведену у додаткові до дисертації методику синтезу ФА2ПЗ.

У заключному, шостому розділі , "Дослідження механіки процесів виведення зошитів" показано, що за час перебування зошитів в приймальновивідному пристрої (ПВП) їхня швидкість один, або декілька разів стрибкоподібно зменшується від швидкості друкування V _др до швидкості руху на вивідному транспортері V _тр (рис.8). При цьому коефіцієнт зменшення швидкості зошита k _шв = V _др /V _тр може бути у широкому діапазоні: k _шв = 7,5...20,0, причому часто такі перепади швидкостей зустрічаються в машинах, призначених для одного виду продукції (наприклад, газет).

Загальну об`єктивну характеристику роботі ПВП можна представити через показники точності викладування зошитів на вивідний транспортер: крок , перекіс і бокове зміщення. Конкретні припустимі значення кожного з них призначають, виходячи із необхідності забезпечення сумісної експлуатації РДМ із пристроями для подальшої обробки зошитів (газетні транспортери з каскадним транспортуванням екземплярів, транспортери з поштучною подачою зошитів, лічильно-комплектувальні та приймально-вивідні пристрої тощо). Точне викладування зошитів є передумовою збільшення продуктивності такого комплексу.

Оскільки зазначені показники є інтегральною оцінкою якості роботи ПВП, то слід очікувати, що кожне із вказаних відхилень має джерело виникнення. Тому при виявленні причин неточного викладування продукції процес проведення зошитів в ПВП диференційовано на окремі, логічно окреслені ділянки і на кожній із них досліджено механіку процесу. Користуючись діаграмами зміни швидкості руху зошита (V = f(t) , див.рис.8), можна умовно виділити такі ділянки: від початку виходу зошита із ФА до входу у викладувач - ділянка транспортування; транспортування зошитів викладувачем; викладування зошитів на вивідний транспортер; переміщення зошитів, складаних у каскадний потік, вивідним транспортером.

Крім означеного, в цьому розділі подано методику і результати досліджень точності викладування газет в діючих газетних агрегатах, у тому числі і із використанням розроблених за участю автора пристосуваннями для підвищення точності викладування газет. Описано також методику і результати досліджень ПВП за допомогою швидкісної кінозйомки.

Аналіз процесу подачі зошитів від фальцювального пристрою до викладувача проведено для ПВП з гальмом і без нього. Показано, що на цій ділянці в пристроях без гальма відсутні збурення, спроможні змінити траєкторію руху зошита чи його положення в просторі. Проте зіткнення зошита, який рухається на швидкості друкування, з викладувачем, швидкість руху якого значно менша, може спричинити такі деформації зошита, які в подальшому важко піддаються усуненню.

Із цих міркувань доцільно використовувати гальмівні пристрої. Показано, що в існуючих пристроях процес гальмування має стрибкоподібний характер, а це може спричиняти, при недосить ретельному налагоджуванні, перекіси зошитів. Автором розроблено декілька альтернативних вивідних пристроїв.

Досліджено механік у транспортування зошитів викладувачем. Силовий аналіз процесу не виявив дестабілізуючих, щодо руху зошитів, факторів. Зроблено кінематичний аналіз процесу зіштовхування зошитів у викладувачах із різною конфігурацією пер та зіштовхувальних упорів. Зокрема, розглянута кінематика викладування зошитів у пристроях з перами, окресленими дугами одного або двох радіусів, перами з прямолінійними ділянками тощо. Виведено аналітичні залежності для визначення швидкості зіштовхування зошита до поверхні прямо- і криволінійного нерухомих упорів, обертового гладенького і зубчастого упорів. Показано, що у ПВП всіх відомих конструкцій і на ділянці зіштовхування зошитів на вивідний транспортер їхня швидкість змінюється стрибкоподібно.

Для усунення цього недоліку нами розроблено пристрій з криволінійним нерухомим зіштовхувачем, який у парі з дугоподібними перами, описаної радісом певної величини, забезпечує плавний перехід зошитів на вивідний транспортер. Зокрема, швидкість фальця зошита у такому пристрої подано у формі

V _фк = Vтр + b _{к в} П , (26)

де b _к - позиційний інваріант подібності швидкостей;

П - стала величина, що має розмірність довжини.

Оскільки при V _фк = V _ф.max = V _в інваріант b _к = B , то

П= (27)

де i = _тр / _в - передаточне відношення кінематичного зв`язку між валами викладувача і вивідного транспортера;

R _тр - радіус привідного шківа вивідного (тасьмового) транспортера.

Характер зміни швидкостей, визначений за (26), показаний на ділянках викладування (рис.8) пунктирними лініями. Розроблено методику розрахунку криволінійного упора та рекомендації щодо його встановлення.

Сформульовано аналітичні підходи щодо розподілу загального коефіцієнта зменшення швидкості зошита на різних ділянках ПВП. Розкрито можливості синтезування окремих пристроїв: гальмівного, викладувача і зіштовхувального упора - за визначеними значеннями складових частин вказаного коефіцієнта гальмування.

Загальний коефіцієнт зменшення швидкості зошитів, який визначається, наприклад, відношенням кроку зошитів на ФЦ (клапанний ФА) або ПЦ (ударний ФА) до кроку зошитів на вивідному транспортері, може бути поданим у вигляді добутку

k _шв = k ₁ k ₂ k ₃ , (28)

де k ₁ , k ₂ і k ₃ - коефіцієнти зменшення швидкості зошита, відповідно:

k ₁ = t _ф /t _гальм (див.рис.8) - гальмівним пристроєм;

k ₂ = t _гальм /t _в - викладувачем;

k ₃ = t _в /t _тр - при викладуванні.

Такий підхід до синтезування ПВП є принципово новим. Зокрема, вперше складено методику визначення кількості первикладувача, яка базується, окрім згаданого коефіцієнта гальмування зошитів, на деяких узагальнених конструктивних параметрах пристрою. Подано рекомендації щодо вибору решти важливих геометричних параметрів викладувача.

У підрозділі "Дослідження точності викладування зошитів" обгрунтовано необхідність постановки таких досліджень, описано пристрої, за допомогою яких проводили вимірювання, наведено методику статистичної обробки одержаних замірів та результати дослідження точності викладування газет в агрегатах мод. ГАУ, Ro-170 та ПОГ-168. Зокрема, такі дослідження ставили за мету оцінити можливість сумісної роботи газетних агрегатів перелічених моделей із транспортером з поштучним транспортуванням екземплярів ПТГ-40.