Экспериментальное определение давления в рабочем слое трафаретного печатного устройства с ракелем валкового типа Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 655.227

С. Н. ЛИТУНОВ А. В. ТИТОВ

Омский государственный технический университет

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ В РАБОЧЕМ СЛОЕ ТРАФАРЕТНОГО ПЕЧАТНОГО УСТРОЙСТВА С РАКЕЛЕМ ВАЛКОВОГО ТИПА_

Проводится экспериментальное определение давления в зоне течения в разрабатываемом трафаретном печатном устройстве. Описывается макет лабораторной установки, рассматриваются полученные результаты. Следующим шагом в разработке данного устройства является сравнение экспериментальных результатов с расчетными, полученными с помощью математической модели.

Трафаретные печатные устройства с ракелем валкового типа имеют существенные преимущества перед традиционными. Нами предложено устройство с указанным ракелем [1]. Для моделирования процесса течения жидкости в рабочем слое краски разработана математическая модель с использованием теории конформных отображений (2].

Для экспериментального подтверждения работоспособности предложенной математической модели разработана экспериментальная установка, которая включает макет разрабатываемого устройства и измерительный комплекс (рис. 1).

Давление определяется в отверстии, расположенном на печатном столе, который представляет собой стальную плиту толщиной 5 мм. Со стороны ракеля отверстие остается открытым. С нижней стороны отверстие закрыто тензодатчиком. Отверстие заполнено жидкостью. При движении валика 1 в отверстии 4 развивается гидродинамическое давление, которое регистрируется тензодатчиком 6. Сигнал обрабатывается усилителем 7 и затем специальной программой в компьютере 8.

Фотография макета разрабатываемого устройства показана на рис. 2. Привод валика с упругой оболочкой осуществляется от электродвигателя 4.

Общий вид экспериментальной установки показан на рис. 3. В нее входят: макет разрабатываемого устройства, усилитель, компьютер, программный пакет ЬаЬ2000, цифровой запоминающий осциллограф РС5500, комплекс для тарировки усилителя — капиллярная трубка, установленная на штативе, мультиметр.

Изменение давления в рабочем слое фиксируется с помощью тензодатчика, схема установки которого показана на рис. 4. В стальной плите 1 просверлено отверстие 3 диаметром 1,5 мм. Для повышения уровня сигнала, снимаемого с тензодатчика 2, необходимо, чтобы работал весь его активный элемент. Для этого с оборотной стороны плиты диаметр отверстия увеличен до 5 мм. Тензодатчик приклеен с оборотной стороны плиты и герметично закрывает отверстие 3.

Отверстие 3 заполнено рабочей жидкостью. При накатывании валика 4 на рабочий слой жидкости 5 в отверстии 3 будет возникать гидродинамическое

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для определения давления в рабочем слое краски при использовании ракеля валкового типа: 1 - валик; 2 - упругая оболочка; 3 - плита; 4 - отверстие; 5 - рабочий слой краски; 6 — тензодатчик; 7 - усилитель; 8 - осциллограф; 9 - компьютер

Рис. 2. Макет разрабатываемого устройства; 1 - валик с упругой оболочкой 2; 3 - плита; 4 - электродвигатель

"hi

S I

о I

I!

о

a

Рис. 3. Лабораторная установка для определения гидродинамического давления: 1 - каретка с валик-ракелем;

2 - металлическая плита с отверстием;

3 - усилитель сигнала; 4 - мультиметр;

5 - установка для тарирования; 6 - цифровой осциллограф; 7 - компьютер

давление, которое будет деформировать тензодат-чик. За счет деформации будет меняться электрическое сопротивление активной части тензодатчика. Поскольку сигнал с тензодатчика требует усиления, был изготовлен усилитель, принципиальная схема которого показана на рис. 5.

В данной схеме применена мостовая схема включения тензодатчика. Стабилизатор напряжения STB задает положительное стабилизированное напряжение (+ 5V) моста. Для работы необходимо зафиксировать в точке А виртуальный ноль посредством транзистора VT1 и операционного усилителя U1. При изменении сопротивления тензодатчика в точке В относительно точки А будет регистрироваться сигнал, Для получения в точке В уровня сигнала, достаточного для его дальнейшего исследования, используются три каскада на операционных усилителях U2, U3, U4 с коэффициентами усиления х120, х47, х10 соответственно. С целью минимизации погрешности усиления применяется неинверсная схема включения операционных усилителей U3, U4, U5. Для точной установки ноля используется балансировочный резистор Rfi. Для питания использовались две батареи типа 6F22S (9V, крона). Самой токоемкой частью схемы являются элементы схемы STB, U1, R1, Т , VT1 первого каскада. Для экономии ресурса батареи ток в цепи первого каскада был уменьшен в 2 раза посредством включения балластных сопротивлений R2, R3. Коэффициент усиления прибора рассчитывается по следующей формуле:

Ку =КГК2,..КП,

где К — суммарный коэффициент усиления, К, ... Ки — коэффициенты усиления на 1-м... n-м каскадах. В нашем случае он равен: Ку = 120х 47х 10 =56 400.

Усилитель тарировали следующим образом. Капиллярную трубку 1 (рис. 6) устанавливали вертикально нижним концом в отверстие в плите 2 таким образом, чтобы трубка с отверстием в плите образовывали единую полость. Затем в капиллярную трубку 1 заливали точно измеренное количество воды (10 мл). При этом тензодатчик, приклеенный с нижней стороны отверстия, поддействием веса воды деформировался. В этом состоянии тензодатчика измерительный мост усилителя балансировали (устанавливали на ноль выходной сигнал) при помощи мульти-

Рис. 4. Схема установки тензодатчика: 1 - стальная плита; 2 - тензодатчик; 3 - металлическая плита; 4 - валик; 5 - рабочий слой жидкости

L7850 STB

OUT 1

, t9V +9V

-J4, U4[sl OUT 2

№ Iff

QJL 47k

10k

Рис. 5. Схема усилителя: STB - стабилизатор напряжения; VT1 - транзистор; OUT1, 2 - выводные клеммы; U1 - УД708; U2 - OPA177GP; U3 - OP 07СР; U4 - УД708 —— - установка ноля

Рис. 6. Тарирование тензодатчика: 1 - капилляр; 2 - плита с отверстием;

3 - усилитель; 4 - мультиметр;

3 - цифровой запоминающий осциллограф РС5500

метра 4. Это состояние тензодатчика принимали за начало отсчета. После получения графиков распределения давления с использованием краски значения давления пересчитывали с учетом плотности краски.

Усиленный сигнал фиксировался цифровым запоминающим осциллографом РСЭ500. Результат в виде графика отображался на экране компьютера с использованием программного пакета РС ЬаЬ2000.

OsaRoscope

SpediuinAnaly;« | Tiamient Recotdei | function Geneialoi | Circuit Analy

Coupling

Position AC I f ОС JjNDJ

Coupling

AC I П>С~ GNP! Position :

: Level

EdgePr >-|

Рис. 7. График распределения давления для одного из вариантов эксперимента

I

I

Рис. 8. Распределение гидродинамического давления под валиком: диаметр валика 30 мм (ш = 41об/мин); 1 - положительный импульс давления; 2 - отрицательный импульс давления; 3 - валик

Рис. 9. Распределение гидродинамического давления под валиком: диаметр валика 35 мм (ш = 37об/мин); 1 - положительный импульс давления; 2 - отрицательный импульс давления; 3 - валик

Рис. 10. Распределение гидродинамического давления под валиком: диаметр валика 43 мм (ю = 29 об/мин); 1 - положительный импульс давления; 2 - отрицательный импульс давления; 3 - валик

На рис. 7 показан пример полученного графика для одного из вариантов проведенного эксперимента. Далее с помощью пакета PC Lab2000 можно проводить обработку полученных результатов.

При проведении экспериментов основным варьируемым параметром являлась скорость вращения валика. На поверхности валика была закреплена упругая оболочка, изготовленная из материала АСЕ, BASF (Германия), толщиной 1,7 мм (120 Н/мм2), широко применяемого во флексографской печати.

В качестве рабочей жидкости применяли пласти-зольную краску, основными преимуществами которой являются плотность, близкая к плотности большинства трафаретных красок (0,95 г/см1), и способность не высыхать в обычных условиях. Опыты для каждого набора параметров повторяли три раза. Графики, типичные для каждого набора значений, показаны на рис. 8-10. На график для наглядности наложен контур валика. Стрелкой показано направление движения валика.

14185

-1 0 1 Расстояние, мм

Рис. 11. Распределение давления в зоне течения в зависимости от скорости качения валика: 1-41 об./мин.; 2-37 об./мин.; 3-29 об./мин.

На рисунках видно, что над отверстием появляется положительный импульс давления с четко определенным максимумом. За положительным импульсом находится отрицательный импульс.

Появление отрицательного импульса объясняется тем, что позади валика происходит разрыв красочного слоя, в результате которого в отверстии 3 (рис. 4) появляется отрицательное давление. Наличие отрицательного давления за валиком является в нашем случае положительным явлением, так как в результате этого появляется так называемое самоотлипание печатной формы от запечатываемого материала. Самоотлипание позволяет снизить до минимума (в некоторых случаях до нуля) технологический зазор между печатной формой и запечатываемым материалом, что ведет к уменьшению геометрических искажений изображения на оттиске.

На рис. 11 показано изменение давления в зоне течения краски в зависимости от скорости качения валика. Результаты полученных значений обработаны в программе Ехе1

На рис. 11 максимальное значение на графике давления соответствует 14 185,5 Па (0,14 атм). На рисунке видно, что имеет место некоторая асимметрия распределения давления относительно вертикальной оси, — график направлен выпуклостью в сторону движения валика. Это связано, вероятно, с тем, что перед валиком имеет место циркуляционное движение жидкости. В зоне течения скорость в точке попорота замедляется В результате согласно интегралу Бернулли растет давление в рабочем слое в I пространстве перед валиком. Можно предположить, I !

к X

е <

о.

£ <

О с

о! <

ш < \

О | Ы I

и I

£ !

5 ! <

п

что указанная выпуклость на графике связана именно с этим явлением. График распределения давления [2], полученный расчетным путем с помощью разработанной математической модели, также имеет подобную асимметрию, что связано именно с циркуляцией жидкости и замедлением течения в точке разворота потоков.

Следующим шагом в разработке математической модели, позволяющей моделировать работу трафаретного печатного устройства, является сравнение расчетных графиков и результатов, полученных опытным путем.

Библиографический список

1. Литунов С.Н. Устройство для трафаретной печати. Патент на полезную модель №60433 от 27.01.2007.

2. Литунов С.Н. О математической модели течения краски в красочном аппарате машин трафаретной печати // Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела. — 2006. - №4. - С. 13-25.

ЛИТУНОВ Сергей Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Дизайн, реклама и технология полиграфического производства». ТИТОВ Андрей Владимирович, аспирант кафедры «Дизайн, реклама и технология полиграфического производства».

Статья поступила в редакцию 09.10.06. © Литунов С.Н., Титов A.B.