CC BY
10
УДК 681.62.063.5
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-8-245-249
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НАГРУЗОК НА ДЕФОРМАЦИЮ 3D МОДЕЛИ
ПЕЧАТНОГО ВАЛА
Л.Б. Серкова, Л.Г. Варепо
В статье представлена 3D модель печатного вала. Рассмотрено влияние нагрузок от давления печати и системы захватов на деформацию печатного вала. Представлены результаты анализа моделей с помощью метода конечных элементов, отмечено, какие из возможных нагрузок оказывают большее влияние на работу оборудования.
Ключевые слова: деформация, моделирование, печатный цилиндр, метод конечных элементов.
Важным аспектом в современном машиностроении является применение новейших методов при проектировании и эксплуатации оборудования. Одними из основных методов исследования в настоящее время являются моделирование, компьютерная диагностика и автоматизация процессов расчёта и оценки работоспособности, что в свою очередь позволяет повысить эффективность проведенных научных исследований. Это позволяет проводить виртуальные эксперименты с большей точностью, относительно работы, выполненной человеком.
Процесс нагружения печатного цилиндра с помощью компьютерного моделирования было рассмотрено в ранее выполненных работах [9-10, 13], однако, в них рассмотрено восприятие валом нагрузок только от давления печати, но не рассмотрено влияние системы захватов на деформацию вала. Также к недостаткам нужно отнести то, что валы представлены сплошным телом или с ребрами жёсткости без учёта выреза сектора вала, из-за чего сложно оценить реальные деформации, возникающие на валу. Виртуальные исследования применяют в различных областях машиностроения, в том числе и полиграфии [1-6], они являются эффективным методом по проведению экспериментов, направленных на изучение деформационных свойств изучаемого объекта, в зависимости от характера его нагружения, что позволит минимизировать ошибки на этапе проектирования машины и рассмотреть возможность ее использования в реальных условиях. Самым распространенным методом компьютерного моделирования является применение программного обеспечения с использованием метода конечных элементов (МКЭ) [7]. Для разбиения сетки 3D модели используются трехмерные конечные элементы, самым распространенным из них является тетраэдр [8]. Перспективным является изучение возникающих деформаций от действия давления печати и системы захватов с помощью разработки трехмерной модели наиболее близкой к реально существующим печатным валам с применением компьютерного моделирования.
Целью работы является исследование деформационных особенностей печатного цилиндра от действия таких сил как давления печати и усилие зажима листа бумаги системой захватов. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
выбрать программное обеспечение, позволяющее производить данный расчет;
разработать трёхмерную модель печатного вала с рубашкой;
провести виртуальный эксперимент;
оценить полученные результаты.
Для исследования различных типов нагружения трехмерной модели использовалась система прочностного анализа APM FEM КОМПАС-3D. В основе данного программного продукта лежит метод конечных элементов. Основным преимуществом данного метода является возможность его использования для изучения объектов име-
ющих различную форму и различный материал, а также возможность проведения различных исследований на одной и той же модели. Преимуществами использования системы прочностного анализа APM FEM для КОМПАС-3D является простота и лёгкость использования программного обеспечения, возможность напрямую работать с геометрической моделью, т.к. имеется единое ядро и интерфейс КОМПАС-3D, что в свою очередь снижает вероятность возникновения ошибок.
Первым этапом исследования является разработка модели. На базе основных известных размеров была разработана трехмерная модель (рис. 1) печатного цилиндра с рубашкой (материал Сталь 30), габаритными размерами которой являются: общая длина (включая цапфы) 950 мм; длина цилиндра 750 мм; диаметр цилиндра 220 мм; диаметр цапф 40 мм;
толщина рубашки печатного цилиндра 0,3 мм.
а б
Рис. 1. Детали конструкции: а — конструкция печатного цилиндра; б — конструкция рубашки
Следующим этапом выполнено сопряжение двух деталей по поверхности соприкосновения, а также закрепление цапф печатного вала, после чего производится разбиение модели на конечные элементы. Каждая модель была автоматически разбита на конечные элементы.
В таблице представлены характеристики разбиения: максимальная сторона конечного элемента, коэффициент сгущения на поверхности (определяет размер последующих элементов относительно размера предыдущего) и коэффициент разряжения в объеме (показывает увеличение или уменьшение стороны конечного элемента при выполнении операции генерации сетки), которые одинаковы для обоих случаев нагруже-ния.
Параметры и результаты разбиения
Наименование Значение
Модель 1 Модель 2
Максимальная длина стороны элемента [мм] 5 5
Максимальный коэффициент сгущения на поверхности 1 1
Коэффициент разрежения в объеме 1.5 1.5
Количество конечных элементов 410009 410162
Количество узлов 128091 128120
Большую роль на качество процесса печати оказывает надежность технологического процесса [11, 12], т.к. процесс прохождения бумажного листа через печатный вал и взаимодействие его с печатной краской должны обеспечивать получение каче-
ственного изображения, четкого и насыщенного. Поэтому важно отметить давление печати, при котором бумажный лист находится в зоне контакта, которое рассмотрено на рис. 2. В данном случае, согласно раннее выполненным исследованиям [9, 13], принимаем значение нагрузки равное 4,3 кН, при этом деформации, которые возникают в печатном цилиндре не должны превышать 0,01 - 0,02 мм, согласно [13].
Анализ результатов моделирования (рис. 2) показал, что максимальные суммарные перемещения равны 0,01049 мм, что с запасом входит в допустимый диапазон (0,01-0,02 мм). Также, максимальная нагрузка приходится на середину вала, что вполне логично, т.к. вал симметричен, и нагрузка распределена равномерно по всей длине. В случае если нагрузка будет иметь смещение, то это опасно возникновением повышенных линейных перемещений
Наряду с нагрузкой, возникающей от действия давления печати, на печатный цилиндр также действует нагрузка от системы захватов, возникающая при захватывании бумажного листа на цилиндр. Нагружение исследуемой модели осуществляется в соответствии [9, 10] и принимается давление, равное 40...60 Н. В работе это значение было принято максимальным.
Также принято допущение, что нагрузка приложена сплошной линией, без выделения площади отдельных захватов, т.к. их большое количество с одинаковым небольшим расстоянием между ними (рис. 3).
Рис. 3. Приложение нагрузки 247
FJ4 АПМ
О0002232 9 99930» 9 9992941 9 9002719 О 9092« О 99924Т4 9 9002211 0 0002133 0 0002МТ 9 9991891
0 9091М«
09001401 9 9091243 9 99910» 3 227*4» 5
7 711*003 *
•
з
1
9
Рис. 4. Суммарные линейные перемещения от системы захватов
При одинаковом приложении нагрузки по всей длине детали (рис. 4), максимальные суммарные линейные перемещения возникают по центру линии нагружения. Максимальные суммарные перемещения равны 0,0003252 мм, что с большим запасом входит в допустимый диапазон. Минимальные нагрузки наблюдаются к центру цилиндра. В случае, если нагрузка от системы захватов будет распределяться не равномерно, то будет иметь место смещение максимальных суммарных перемещений в сторону одной из цапф, что повлечет наибольшее нагружение одной из сторон и повысит вероятность выхода из строя одного из узлов.
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
1. Каждая из нагрузок, действующая по отдельности, оставляет большой запас по допустимым деформациям и не оказывают значимого влияния на работу цилиндра и на печатный процесс в целом.
2. При изучении влияния давления печати на деформацию печатного цилиндра было отмечено, что при равномерно распределенной по длине нагрузке имеют место максимальные перемещения в центре нагружаемой области. Это в свою очередь говорит о неравномерности распределения давления печати по всей длине листа, а также о том, что при увеличении нагружения наблюдается неравномерность распределения давления, а как следствие снижается качество отпечатываемой продукции.
Список литературы
1. Lundstrom J., Verikas A. Assessing print quality by machine in offset colour printing // Knowledge-Based Systems. Vol. 37, 2013. P. 70-79.
2. Verikas A., Lundstrom J., Bacauskiene M., Gelzinis A. Advances in computational intelligence-based print quality assessment and control in offset colour printing // Expert Systems with Applications. Vol. 38, 2011. P. 13441-13447.
3. Serkova L.B., Varepo L.G., Panichkin A.V., Kolozova O.A., Glukhov V.I., Belyaev P.S. Geometric modeling of sheet trans-fer process from grippers to grippers // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1546. Р. 012043-1 - 012043-7. DOI: 10.1088/ 1742-6596/1546/1/012043.
4. Серкова Л.Б., Варепо Л.Г. Исследование деформационных характеристик конструкции печатного цилиндра // Известия Тульского государственного университета: технические науки. 2020. Вып. 5. С. 498-504.
5. Куликов Г.Б., Быков А.В. Использование методов компьютерной диагностики для определения технического состояния подшипников качения полиграфических машин // Известия высших учебных заведений. проблемы полиграфии и издательского дела. 2002. №2. С. 30-35.
6. Lohith Reddy S., Rajanikanth K., Praveen Kumar A., Ponraj sankar L. Finite element investigations on the transverse crashworthiness performance of stiffened cylindrical tubular elements // Materials Today: proceedings. Vol. 27. Part 2. 2020. P. 1934-1938.
7. Маковкин Г.А., Лихачева С.Ю. Применение МКЭ к решению задач механики деформируемого твердого тела. Учебное пособие. Часть 1. Н.Новгород: Изд-во ННГАСУ, 2012. 71 с.
8. Yu Hou, Xi Wang Measurement of load distribution in a cylindrical roller bearing with an instrumented housing: Finite element validation and experimental study // Tribology International. Vol. 155, March 2021, 106785.
9. Семенов А.А. Моделирование деформаций печатного цилиндра машины формата А1 // Вестник Московского государственного университета печати. 2012. С. 94-96.
10. Гуляев С.А., Герценштейн И.Ш., Суслов М.В. Диапазон допустимых деформаций цилиндров печатного аппарата // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2010. №4. С. 41-47.
11. Голуб Н.С., Кулак М.И. Теоретическая оценка надежности технологии офсетных печатных процессов // Труды БГТУ. Серия 4. 2017. №1. С. 5-13.
12. Алиев Э.А. Влияние прогиба офсетного цилиндра на качество листовой офсетной печати / Э.А. Алиев, С.Х. Керимов, Ш.В. Исмаилова // European research. 2017. №1. С. 20-25.
13. Суслов М.В. Оценка влияния элементов конструкции на деформации цилиндров печатной пары: дис. ... кандидата технических наук: 05.02.13 / Моск. гос. ун-т печати. М., 2010. 98 с.
Серкова Любовь Борисовна, аспирант, lubashka_2010@,mail.ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Варепо Лариса Григорьевна, д-р техн. наук, профессор, larisavarepo@yandex.ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет
ESTIMATION OF THE INFLUENCE OF LOADS ON DEFORMATION OF THE PRINT
ROLLER OF A 3D MODEL
L.B. Serkova, L.G. Varepo
The article presents a 3D model of the printing roll. The influence of loads from the pressure of the press and the gripping system on the deformation of the printing roll is considered. The results of the analysis of models using the finite element method are presented, it is noted which of the possible loads have a greater impact on the operation of the equipment.
Key words: deformation, modeling, impression cylinder, finite element method.
Serkova Lyubov Borisovna, postgraduate, lubashka_2010@mail.ru, Russia, Omsk, Omsk state technical University,
Varepo Larisa Grigorievna, doctor of technical science, professor, larisava-repo@yandex.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University
