Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Выпуск книг по требованию: оборудование, перспективы развития и проблемы 9
1.1 Книжное производство. Современное состояние и направления развития 9
1.1.1 Книжный рынок России. Особенности и новые технологии производства 9
1.1.2 Организация производства и требования к оборудованию 12
1.2 Анализ оборудование для выпуска книг по требованию 13
1.3 Отгибка фальцев корешка книжного блока 22
1.3.1 Технология отгибки фальцев 22
1.3.2 Оценка качества блоков после отгибки фальцев 26
1.3.3 Способы отгибки фальцев 29
1.3.4 Выбор способа отгибки фальцев для производства книг по требованию 39
1.4 Выводы по главе 39
Глава 2 Разработка способа отгибки фальцев вибрирующими пуансонами 43
2.1 Постановка цели и задач исследования 43
2.2 Требования к разрабатываемому способу 43
2.3. Деформационные свойства книжных блоков 45
2.4 Механика процесса отгибки фальцев 48
2.5 Факторы, влияющие на результат отгибки 54
2.6 Виброударная обработка 56
2.7 Выбор и обоснование способа отгибки фальцев 59
2.8 Выводы по главе 65
Глава 3 Экспериментальная оценка способа отгибки фальцев вибрирующими пуансонами 68
3.1 Планирование эксперимента 68
3.1.1 Постановка цели и задач эксперимента 68
3.1.2 Параметры качества отгибки фальцев и методика их оценки 69
3.1.3 Лабораторное оборудование 69
3.1.4 Методика проведения эксперимента 73
3.1.5 Методика получения и обработки данных 78
3.2 Экспериментальные данные и их обсуждение 81
3.2.1 Эксперимент с единичной тетрадью 81
3.2.2 Эксперимент с книжным блоком 84
3.3 Выводы по главе 86
Глава 4 Подбор оптимальных параметров отгибки фальцев 88
4.1 Особенности подбора оптимальных параметров отгибки фальцев 88
4.2 Расчетная модель листа бумаги 89
4.3 Расчетная модель тетради 102
4.4 Расчетная модель книжного блока 110
4.5 Выводы по главе 118
Заключение 119
Список сокращений и условных обозначений 123
Список литературы
- Книжный рынок России. Особенности и новые технологии производства
- Требования к разрабатываемому способу
- Методика получения и обработки данных
- Расчетная модель тетради
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Концепция организации произ
водства «Книга по требованию» в настоящий момент стала одним из са
мых перспективных направлений развития книжного рынка, однако её
реализация сопряжена с трудностями переналадки оборудования при вы
пуске книг малыми тиражами или от одного экземпляра. Особенно труд
ным является выпуск книг в переплете, что связано с необходимостью
обеспечения для изданий высокого уровня качества при разумной себесто
имости экземпляра, что недостижимо при ручном производстве ввиду осо
бенностей технологического процесса, включающего большое число опе
раций. При этом использование классического брошюровочно-
переплетного оборудования (БПО) является неэффективным при малоти
ражном производстве из-за сложной системы наладки на тираж и формат
ных особенностей цифровой печати, что является актуальной проблемой,
решением которой стала задача приспособления классического БПО под
выпуск книг от одного экземпляра. В рамках данной задачи наиболее про
блемными являются операции повышения качества готовой продукции,
однако предположение об отказе от их выполнения лишает весь процесс
выпуска книг по требованию смысла, т.к. в данном случае книга является
не только источником информации, но и эксклюзивным продуктом с вы
сокими эксплуатационными характеристиками. Особенно сложно выпол
няема операция отгибки фальцев, что связано с необходимостью замены
рабочего инструмента при изменении толщины блока.
Проблема приспособления переплетного оборудования под новые условия книжного рынка не осталось незамеченной среди основных европейских фирм-производителей, которые представили большое количество новинок в сегменте «Книга по требованию» за последние 5 лет. В результате чего современное БПО способно производить книги малыми тиражами или в единичном экземпляре без остановки производственной линии лишь в случае выпуска изданий постоянного формата с разной толщиной блока и прямым профилем корешка, который не всегда отвечает высоким требованиям качества и не обеспечивает долгий срок службы книги. При этом проблема выпуска книг в переплете с грибообразным профилем корешка малыми тиражами или в единичном экземпляре в условиях поточного производства остается открытой.
Степень разработанности темы. Исследованию отгибки фальцев посвящены работы Воробьева Д.В., Купцовой О.Б., Хведчина Ю.И. и пр., содержащие общие сведения о технологической операции. Вопросы оптимизации известных способов отгибки и разработки новых рассмотрены в трудах Коцаря Ю.Н., Либкинда В.Б. и Хмылко В.Ф., в авторских свидетельствах и патентах Боброва В.И., Брейдо М.И., Коцаря Ю.Н., фирмы Kolbus, Sheridan и пр. Рассмотрение отгибки фальцев с точки зрения проблемы выпуска малыми тиражами и в единичном экземпляре проводится впервые.
Концепция «Книга по требованию» является предметом многих работ по анализу развития книжного рынка и современным бизнес-моделям организации производства. Среди отечественных работ можно выделить ежегодные доклады Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям и Российской книжной палаты, среди зарубежных, например, книгу Шерберна К., а так же большое количество публикаций в отраслевых отечественных и зарубежных журналах. При этом вопросу приспособления классического БПО под выпуск книг от одного экземпляра посвящены лишь публикации представительств зарубежных фирм-производителей послепечатного оборудования, содержащие факты успешного осуществления той или иной технологической операции выпускаемым ими оборудованием в рамках концепции «Книга по требованию».
Цели и задачи работы. Цель работы — разработка нового способа отгибки фальцев, обеспечивающего выпуск книг в переплете с грибообразным профилем корешка от одного экземпляра в условиях поточного производства в рамках концепции «Книга по требованию».
Для достижения цели решаются следующие задачи:
определение требований к способу отгибки фальцев с точки зрения выпуска книг по требованию;
определение принципа воздействия на корешок, вида воздействующего инструмента, его геометрических особенностей и расположения относительно корешка книжного блока;
формулировка способа отгибки фальцев;
экспериментальное исследование работоспособности предложенного способа и разработка опытного лабораторного стенда;
подбор оптимальных параметров для разработанного способа.
Научная новизна. В работе впервые рассмотрена проблема выпуска книг с грибообразным профилем корешка малыми тиражами или в единичном экземпляре в режиме поточного производства без остановки производственной линии.
Автором предложен новый способ отгибки фальцев вибрирующими пуансонами, решающий проблему выпуска книг в рамках концепции «Книга по требованию». Оригинальность предложенного способа подтверждена Патентом № 2 552 760.
Проведено экспериментальное исследование работоспособности нового способа отгибки фальцев, для чего разработан опытный лабораторный стенд.
Разработана методика подбора оптимальных параметров отгибки фальцев на основе предложенной физико-математической модели книжного блока в системе автоматизированного проектирования и расчета APM WinMachine.
Практическая значимость работы. Предложенный способ отгибки фальцев может быть использован для устройства отгибки фальцев корешка блока, способного осуществлять обработку блоков переменного формата в режиме поточного производства без остановки производственной линии.
Разработанный опытный лабораторный стенд может быть использован в учебном процессе Университета печати для исследования деформаций полуфабрикатов книг и прочих переплетных материалов под действием виброударных нагрузок.
Разработанные расчетные модели листа бумаги, тетради и книжного блока в системе автоматизированного проектирования и расчета APM WinMachine могут быть использованы для широкого круга исследований при решении задач брошюровочно-переплетного производства.
Методология и методы исследования. Объект исследования — операция отгибки фальцев корешка книжного блока. Предмет исследования — безвыстойный способ отгибки фальцев вибрирующими пуансонами. При решении поставленных задач использовались методы физико-математического моделирования, численные методы, метод конечных элементов, метод оптической микроскопии, современная система автоматизированного проектирования и расчета APM WinMachine.
Личный вклад соискателя. Основные результаты и положения, выносимые на защиту, получены лично автором.
Положения, выносимые на защиту:
-
способ безвыстойной отгибки фальцев вибрирующими пуансонами, которые избирательно воздействуют на каждую отдельную тетрадь книжного блока;
-
результаты экспериментальных исследований работоспособности способа отгибки фальцев вибрирующими пуансонами;
-
методика подбора оптимальных параметров отгибки фальцев и расчетная модель деформаций книжного блока.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность положений, выводов и результатов обеспечивается корректностью постановки задач, всесторонним анализом работ в области книгоиздания, материаловедения, брошюровочно-переплетных процессов и оборудования, проведением патентного поиска, получением патента на изобретение, применением методов физико-математического моделирования, численных методов, современной системы автоматизированного проектирования и расчета, а также публикацией результатов исследований и их обсуждениями на конференциях.
Содержание отдельных разделов диссертации было представлено и обсуждалось: на научной конференции молодых ученых и аспирантов МГУП имени Ивана Федорова, Москва, апрель 2015 г; на заседаниях кафедры Полиграфических машин и оборудования МГУП имени Ивана Федорова, 2012-2015 гг.
По теме диссертации опубликованы 5 статей: 3 — в ведущих отечественных рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК, общим объемом 2,19 усл. печ. л., 1 — патент на изобретение, и 1— в других изданиях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка использованной литературы (119 источников). Объём диссертации составляет 132 страницы, включая 63 рисунка, 14 таблиц и 21 формулу. В приложении приведены результаты исследований, патент на изобретение.
Книжный рынок России. Особенности и новые технологии производства
Актуальные тенденции российского книжного рынка, в частности, сохранение годового числа названий выпускаемых книг, уменьшение размера среднего тиража и повышение требований к качеству, определяют бизнес-стратегию развития книжного производства, имеющую в своей основе разнонаправленные базовые принципы [75]. В первом случае производство ориентировано на крупнотиражный сектор рынка полиграфических работ, где экономическая эффективность достигается масштабом производства за счет высокого технического развития, во втором — на малотиражный сектор, где эффективность достигается за счет оптимизации производственных процессов и сокращения затрат. В данной ситуации производство книг большими тиражами сосредоточено в специализированных полиграфических комбинатах и структурах, число которых ограниченно и вряд ли будет расти в условиях «падающего» рынка. При этом увеличение доли малотиражных книг создает условия для роста числа небольших книжных типографий. Важным фактором для развития таких предприятий в России стало освоение успешной западной бизнес-стратегии организации производства с использованием цифровых печатных процессов и концептуального принципа «Print-on-Demand» (POD) — печать по требованию [41, 74, 75, 76, 85, 28, 72]. Печать по требованию — это совокупность новейших технологических решений и бизнес процессов, позволяющих осуществлять производство той продукции, которая требуется заказчику, в нужном количестве и в нужное время, а также только в пунктах, где это наиболее целесообразно [75, 106].
В настоящее время тема POD живо интересует участников издательско-полиграфического рынка и стала одним из направлений его развития, ведь по статистке Российской книжной палаты только в 2013 г. по технологии POD было выпущено более 120 тыс. наименований книг [47].
Основные требования, предъявляемые к оборудованию для производства книг — это минимизация времени переналадки, высокий уровень автоматизации, технологическая гибкость, хорошая производительность и достойное качество готовой продукции. Под гибкостью подразумевается возможность выполнения оборудованием разных задач в рамках одной технологической операции, например, осуществлять скрепление разного количества листов (тетрадей) каждый последующий рабочий цикл. Предприятие должно быть оснащено оборудованием, позволяющим в ограниченные сроки выпускать качественные книги небольшими тиражами при разумной стоимости производства. Это стимулировало производителей оборудования для изготовления книг, основываясь на альтернативных общепринятым методах выпуска и реализации продукции POD и «Self-publishing», понимаемые как «печать по требованию» и самопубликация (в России оба метода обычно объединяют под понятием «издание по технологии POD) [85, c. 13], заняться разработкой и выпуском печатного и брошюровочно-переплетного оборудования на основании концепции «Книга по требованию» (Book-on-demand, BOD), цель которой — производство книг в твердом переплете от одного экземпляра без остановки машины [11].
При всей перспективности производства книг по требованию, с отечественной литературе отсутствуют работы, содержащие анализ существующего оборудования, приспособленного под данную задачу. При этом известно, что не все технологические операции могут быть одинаково легко и качественно выполнены в условиях малых тиражей. Рассмотрим подробно данный вопрос и выявим наиболее сложные операции.
Эффективность предприятий, работающих по принципу BOD, во многом зависит от правильности выстраивания производственных процессов и применяемого оборудования. Перечень применяемых станков будет индивидуален для каждого конкретного производства, так как зависит от множества факторов: тип печатной машины (листовая или рулонная), формат печати, вид скрепления блока, тип обложки или переплета, месячный объем выпуска книг и пр. С точки зрения организации рабочего потока оборудование можно разделить по количеству выполняемых технологических операций:
До настоящего времени в условиях мелкотиражного производства рациональным выбором было использование полуавтоматического оборудования в сочетании с ручным трудом при выполнении некоторых редких операций (например, в случае необходимости приклейки закладки). На таком принципе работы построено большинство типографий, работающих в сегменте оперативной полиграфии, в том числе, занимающихся выпуском книг по требованию. Однако такой принцип работы, помимо ограничения производительности, обеспечивает не всегда должное качество готового продукта ввиду следующих причин: ручные настройки оборудования затрудняют повторяемость параметров качества от одного тиража к другому; ручная транспортировка полуфабрикатов от одной единицы оборудования к другой снижает точность выполнения операций; качество выполнения технологической операции сильно зависит от квалификации оператора. Учитывая при этом недостаток технологического оборудования, который часто сушествует в типографиях, использующих полуавтоматическое пооперационное оборудование, при производстве книг зачастую возникает нарушение тех 15 нологического процесса. При этом, в погоне за скоростью, книги, как правило, выпускаются по упрощенной схеме производства с минимальным числом операций по обработке блока. Например, нередки случаи вставки блока без форзацев в переплетную крышку, отсутствие корешкового материала и пр. Все это сказывается на качестве готовой книги, ухудшая не только ее потребительские свойства, но и внешний вид. Поэтому наиболее качественный продукт при его низкой себестоимости можно получить только при работе на автоматических поточных книжных линиях [26].
Данные линии обеспечивают полную обработку книжного блока с высочайшим уровнем качества, а сквозной технологический поток и многоуровневые системы контроля качества гарантируют безупречное качество каждой выпущенной книги. Высокий уровень автоматизации позволяет сократить время изготовления издания и сэкономить средства на заработной плате операторов за счет уменьшения их штата [63]. До недавнего времени поточные линии позволяли производить книги только большими тиражами, т.е. данная технология была доступна только для сегмента офсетной печати. Однако новые «цифровые» решения повысили гибкость таких линий и свели к минимуму временные затраты на переналадку, что позволило использовать данные линии совместно с системами цифровой печати для выпуска книги малыми тиражами.
Развитие направления выпуска книг в соответствии с концепцией POD не осталось незамеченным среди основных европейских производителей полиграфического оборудования, ведь классическое послепечатное оборудование в новых условиях стало неспособно эффективно решать поставленные перед ним производственные задачи [109]. Рассмотрим наиболее интересные решения в сегменте БПО для производства книг по требованию, представленные на ведущих международных выставках, таких как Drupa 2012, Hunkeler innovations days 2013 и 2015, Ipex 2014 и пр.
Требования к разрабатываемому способу
На основе анализа операции отгибки фальцев, проведенного в п. 1.3, перечислим основные требования, предъявляемые к способу отгибки фальцев, отвечающему принципу концепции «Книга по требованию»: 1) угол отгиба крайних тетрадей блока а должен составлять 30-45; 2) высота отгибки фальцев ho (величина отгиба крайних тетрадей) должна быть равна толщине картонных сторонок переплетной крышки с допуском +1 мм и составляет ho = 0,9–3,4 мм (см. Рисунок 5); 3) длина отгибаемой части крайних тетрадей А должна иметь размер А = 3– 5 мм; 4) профиль корешка обработанного блока должен являться дугой окружности или быть близким к ней; 4) корешок книжного блока должен иметь симметричную форму; 5) фальцы тетрадей каждой половины блока должны быть одинаково отогнуты в направлении от центра к краям блока; 6) в книжном блоке не должно быть расколов и поврежденных тетрадей; 7) воздействие на корешок должен осуществлять универсальный рабочий инструмент, способный работать в необходимом диапазоне форматов книжных блоков; 8) способ отгибки фальцев должен предполагать использование механизма, способного к переналадке на формат книжного блока без остановки машины. Производительность
На основе анализа производительности современных поточных книжных линий, проведенного в п. 1.2, установлено, что максимальная скорость работы в настоящее время достигает 70 ц/мин (4200 книг в час).
В п. 1.1 установлено, что самая «быстрая» в настоящее время рулонная ЦПМ Kodak Prosper 1000 Plus со скоростью работы до 300 м/мин при печати книги объемом, например, 320 полос может произвести 818 экз./ч для формата А4 и около 2000 экз./ч формата А5. Исходя из этого в рамках задачи производства изданий по требованию производительность поточной книжной линии, в том числе и устройства отгибки фальцев, свыше 35 ц/мин (2100 книг в час) является избыточной. Данное значение (35 ц/мин) соответствует производительности «средне-скоростных» современных поточных книжных линий и может быть установлено как значение максимальной производительности способа отгибки фальцев при производстве книг по требованию.
Книжный блок на этапе операции отгибки фальцев имеет сложную конструкцию, в составе основе которой лежит группа сфальцованных тетрадей, скрепленных между собой нитками, с нанесенным на корешковую зону клеевым слоем, поверх которого расположен окантовочный материал. Так как целью выполнения обработки блока в данной технологической операции является отгибка фальцев тетрадей корешка книжного блока, очевидно, что конечный результат более всего зависит от механических свойств бумаги.
Печатная бумага и все переплетные материалы являются органическими веществами и обладают анизотропными свойствами, что связано с технологией машинного отлива. Современная теория деформирования [20, c. 19] рассматривает четыре вида деформации — упругую єу, высокоэластическую єв, вынужденную высокоэластическую євв и пластическую єп, сумма которых определят полную деформацию тела є по формуле 8: є = єу + єв+євв+ єп (8)
Перечисленные виды деформаций возникают в определенном порядке в процессе нагружения деформируемого тела и в разной степени изменяют его размеры и определяют конечный результат силового воздействия. Известно также понятие относительной деформации еотн (%), определяемое по формуле 9: отн=[{1о-1д)/1о]-100 (9) где 1о — размер тела до деформирования, м; 1ц — размер тела после (или в момент) деформирования, м. Для оценки качества отгибки фальцев важен конечный результат деформации тетрадей блока, который можно выразить через понятие абсолютной остаточной деформации єос в единицах длины — мкм, мм или см, состоящей из вынужденной высокоэластичной и пластической деформации [20, c. 20].
Особенностью деформационных свойств бумаги является их анизотропность, т.е. неоднородность по машинному, поперечному направлениям и толщине ввиду особенностей ориентации и расположения волокон при изготовлении бумаги. По этой причине известно, что с целью сокращения потери прочности бумаги при фальцовке и последующей обработке раскрой материала следует делать долевым: машинное направление должно быть вдоль корешка [20, c. 26]. При этом пористое строение бумаги делает её чувствительной к изменению влажности, что приводит к различным остаточным деформациям при одинаковых величинах нагрузок.
Деформационные свойства книжного блока во многом определяются свойствами бумаги. Однако немаловажную роль играют и конструктивные особенности книжного блока. В работе В.Б. Либкинда [56, стр. 74] рассмотрено влияние на деформационные свойства блоков следующих факторов: 1) толщина блока; 2) величина выхода крайних тетрадей блока из губок тисков, т.е. длина отгибаемой части; 3) степень кругления блока; 4) число сгибов тетрадей; 5) сорт бумаги; 6) влажность корешка; 7) плотность шитья блоков. Проведенные эксперименты [56] позволяют сделать следующие выводы: 1) с ростом толщины блока требуемый начальный угол отгиба увеличивается, т.е. с ростом толщины блоки становятся более упругими; 2) длина отгибаемой части или величина выхода крайних тетрадей из губок тисков не оказывает существенного влияния на требуемый начальный угол отгиба, величина деформаций крайних тетрадей должна изменяться прямо пропорционально изменению величины выхода крайних тетрадей из губок тисков; 3) с увеличением степени кругления блок уплотняется, корешок становится более жестким, растут напряжения в клеевом слое за счет сдвига тетрадей при круглении — все эти факторы приводят к ухудшению условий отгибки фальцев; 4) число сгибов тетрадей (16-ти или 32-х страничные) практически не оказывает влияния на условия отгибки фальцев, поэтому анализ данного фактора не включен в данную работу; 5) свойства бумаги, в частности, масса ее квадратного метра, оказывает существенное влияние на деформационные свойства тетрадей: чем плотнее бумага — тем менее упругими становятся тетради, при этом остаточный угол отгиба может изменяться незначительно. Анализ влияния свойств бумаги является важной задачей, однако выходит за рамки данной работы; 6) при увеличении влажности бумаги до определенного предела условия отгибки фальцев будут улучшаться. Значительное увеличение влажности приводит к снижению сопротивления бумаги деформации и к потере её упругих свойств, т.е. к ухудшению условий отгибки фальцев. Данное положение требует уточнения в рамках дополнительного исследования бумаг, не включенного в данную работу; 7) проведение оценки влияния плотности шитья блока на условия отгибки фальцев весьма затруднительно, так как данный фактор существенно зависит от технического состояния каждой отдельной ниткошвейной машины. При этом важно оценить влиянии механических свойств ниток на результат отгибки. Данный вопрос достаточно сложный и требует проведения отдельных исследований, которые выходят за рамки данной работы.
Методика получения и обработки данных
При способе многократного повторного нагружения 1а часть цикла нагрузки и разгрузки, соответствующего однократному нагружению, повторяется друг за другом. После снятия нагрузки первого цикла, т.е. полного исчезновения упругой деформации, цикл нагрузки и разгрузки повторяется, при этом достигнутая в повторном нагружении относительная деформация увеличивается по сравнению с предыдущим циклом. Данный вариант нагружения может быть осуществлен для отгибки фальцев при использовании в качестве привода рабочего инструмента вибратора направленного действия. Отличием способа многократного повторного нагружения 1б является осуществление нагружения на повторных циклах при постоянной величине относительной деформации.
При способе нагружения 2 с выдержкой под постоянным давлением полная относительная деформация возрастает. Процесс разгрузки сопровождается исчезновением упругой деформации, после чего с течением времени происходит частичное восстановление размеров деформированного корешка. Рассматриваемый способ нагрузки может быть осуществлен при использовании пневматического или гидравлического приводов инструмента отгибки фальцев с поступательным перемещением.
С точки зрения производительности привод рабочего инструмента должен использовать способ нагружения, обеспечивающий максимальную остаточную деформацию. Учитывая предполагаемый безвыстойный характер движения блока при обработке и положительные результаты эксперимента по виброударной отгибке фальцев в работе Коцаря Ю.Н. [49] для привода рабочего инструмента отгибки фальцев предпочтителен выбор способа многократного повторного нагру-жения, который может быть осуществлен при использовании вибратора направленного действия.
Удар как механическое явление характеризуется двумя основными параметрами. Во-первых, быстротой свершения: за очень малое с точки зрения механики время (порядка долей миллисекунд) скорость точек механической системы резко изменяется. Во-вторых, быстрым возникновением и, естественно, исчезновением ударных сил, настолько больших, что во время удара все силы, кроме этих, можно просто не принимать во внимание. Быстротечность и сила удара определяются жестокостью контактирующих тел [50, c. 3].
Виброударные процессы. Большие силы, возникающие при соударении твердых тел, используются в технике для создания интенсивных воздействий на обрабатываемые материалы и среды. Удар вызывает в соударяющихся телах сложные динамические (волновые) процессы, которые и определяют результат его действия. Соударяющиеся системы после одного или, некоторого числа ударов могут перейти в другое состояние или разрушиться. Назначение большинства традиционных машин ударного действия состоит в организации соударений, в результате которых обрабатываемые материалы и среды претерпевают с точки зрения механики достаточно радикальные изменения.
Для большей эффективности машины ударного действия организованы так, что удары следуют систематически, например через равные промежутки времени Т1. Возможный вид графического изображения силового воздействия F(t) на обрабатываемую среду показан на Рисунке 20, где Т1 — периодическая последовательность импульсных функций. Возрастающая ветвь каждого «импульса» соответствует нагрузочному акту удара, убывающая — разгрузочному. Время отличия «импульсов» от нуля и есть время удара, которое изменяется для реальных технических систем в диапазоне 10-3–10-5 с. Систематические удары, конечно, не обязательно должны следовать периодически и (или) изображаться на графике столь просто; возможны и другие случаи [50, c. 3].
Рисунок 20 — Возможный вид графического изображения силового ударного воздействия на обрабатываемую среду: F — величина воздействия; t — время; Т1 — периодическая последовательность импульсных функций
Особенности проектирования рабочих органов вибрационных машин. Рабочий орган вибрационной машины является узлом, который непосредственно передает вибрационное воздействие вызванное вибровозбудителями, обрабатываемой среде или объекту. Форма и размеры рабочего органа определяются главным образом характером выполняемого машиной технологического процесса и заданной производительностью. В общем случае рабочий орган представляет собой плоскую (деки концентрационных столов, сепараторов) или пространственную (коробы грохотов лотки конвейеров и питателей) металлоконструкции, либо массивное тело (бойки ударно вибрационных машин и т. п. ) произвольной формы [16, с. 142].
Основным требованием к конструкциям рабочих органов вибрационных машин (помимо чисто технологических) являются достаточная жесткость и уровень выносливости.
Обычно необходимая жесткость рабочего органа достигается правильным выбором геометрических форм и размеров элементов, введением в конструкцию специальных элементов жесткости ребер, окантовок, поясов, распорок. Число разъемных соединений должно быть по возможности минимальным.
Для обеспечения нужной выносливости рабочих органов необходимо по возможности избегать силовых и геометрических концентраторов напряжений. С этой же точки зрения рекомендуется ограничить и применение сварки.
С точки зрения технологии отгибки фальцев параметры инструмента должны определяться из следующих условий: 1. Получение за один проход максимально возможного для данного блока начального угла отгиба, увеличение которого, соответственно, увеличивает и остаточный угол, что уменьшает требуемое число проходов блока или воздействующих инструментов. 2. Получение максимально возможных для данного блока обжимных усилий.
Особенности проектирования приводных устройств. Выбор типа вибровозбудителя, лежащего в основе приводного устройства вибрационной машины является важной конструкторской задачей, для решения которой должны быть известны если не оптимальные, то хотя бы приемлемые характер и параметры колебаний, обеспечивающие нормальное протекание процесса отгибки фальцев.
Среди вибровозбудителей известны следующие типы: центробежный, электромагнитный, электродинамический, кинематический, принудительный гидрав 59 лический и пневматический. Каждый тип вибровозбудителя имеет свои достоинства и недостатки, определяющие сферу его рационального применения.
Учитывая, что вопрос о применении вибрации для отгибки фальцев ставится практически впервые, то процессу проектирования вибрационной машины должны предшествовать теоретические исследования проектируемого вибрационного процесса, экспериментальные технологические исследования на опытных лабораторных стендах, а затем на промышленных установках и стендах. Данный порядок работ позволяет установить характер колебаний, включая сведения о пиковых значениях ускорений, форме колебаний рабочего органа, и параметры колебания рабочего органа, такие как период колебаний и размах перемещения.
Расчетная модель тетради
Учитывая, что каждый сорт бумаги отличается механическими характеристиками, вопрос испытания бумаг является важным для создания их расчетных моделей, между тем выходит за рамки данного исследования.
Таким образом проведенные эксперименты позволили получить данные по основным характеристикам (масса м , толщина, плотность, модуль упругости) бумаги марки «Офсетная» и обоснованно создать модель, отражающую качественный характер её деформаций под действием собственного веса. Разработанная методика оценки характеристик и моделирования позволяет проводить подобный анализ для бумаги любого сорта при выполнении ряда рекомендаций:
Использование систем автоматизированного проектирования для построения физико-математической модели бумажного листа возможно при определении механических свойств бумаги (модуль упругости, модуль сдвига, коэффициент Пуассона, предел прочности на растяжение, плотность и толщина) и справедливо только для испытываемых образцов, что обусловлено широким разбросом указанных параметров от партии к партии в связи с особенностями структуры бумаги;
Результаты моделирования и расчета по методу конечных элементов справедливы для полосок с длиной свободной части до 50 мм.
Физико-математические модели тетради: а - пластинчатая простая; б - пластинчатая составная; в - твердотельная простая; г - твердотельная составная
Исходя из информации в п. 1.3 погонное давление на тетрадь принято равным 5 Н/мм, при моделировании учтен характер нагружения, связанный со сложным движением колодки (Рисунок 47 а), так нагрузка F, действующая на тетради под углом в процессе отгибки состоит из отгибающего Т и отжимного Р усилий (Рисунок 47 б). Данный угол имеет практический интерес с точки зрения качества отгибки фальцев, однако работ по его исследованию найти не удалось.
В процессе моделирования выявлено, что сборная твердотельная модель имеет большую размерность (порядка 176.000 степеней свободы), вследствие чего значительно увеличивается время расчета и требования к вычислительным мощностям, а значит её использование в практических целях будет затруднено, особенно при изменении страничности тетради и количества тетрадей в блоке. Почти в два раза меньше размерность модели пластинчатой составной – порядка 96,000 элементов, что так же приводит к увеличению времени расчета.
Высокую сложность представляет оценка полученных результатов с точки зрения поведения реального объекта. Так при нагружении тетради по корешку происходит деформация всех фальцев тетради. Однако составные модели показали деформации только внешнего элемента (имитирующего внешние страницы тетради), что не соответствует реальности.
Из книги Замрия А.А. [27] известно, что использование пластинчатых элементов допускается в случае расчета моделей, толщина которых в десять раз меньше максимального линейного размера и отсутствует сдвиг в плоскостях, проходящих через нормаль к пластине. Толщина моделируемой тетради составляет 1,3 мм. В рассматриваемой модели предполагается, что тетрадь сформирована из пластины с одним сгибом, таким образом её толщина равна половине от общей толщины тетради, т.е. 0,65 мм. Максимальный линейный размер равен 100 мм (длина тетради), таким образом, получаем, что с точки зрения размерности задачи использование пластинчатой модели допускается. Кроме того при нагружении реального объекта происходит не только изгиб, но и сжатие, что приводит к сдвиговым деформациям, отсутствующим у данной модели, и это несоответствие является основной причиной отказа от неё. Общий вид визуализации деформации простой пластинчатой модели представлен на Рисунке 48.
По результатам моделирования тетради (Таблица 13) следует отметить разницу в деформации. В первом случае разница связана с различным построением и граничными условиями в твердотельных и пластинчатых элементах, во втором — увеличением жесткости модели. Рассмотренные модели показали низкую точ 105 ность полученных значений, что связано с ограничениями описания механических объекта при моделировании бумаги (см. п. 4.1).
Между тем при моделировании следует учесть, что тетради в книжном блоке прошиваются нитями и склеиваются по корешку. Прошивка тетрадей позволяет говорить о совместных перемещениях отдельных листов тетради в процессе отгибки фальцев, поэтому в качестве основной выбрана простая твердотельная модель, адекватно отражающая качественный характер происходящих явлений. Конечно, вопрос моделирования поведения тетради при нагружении нельзя считать закрытым — выбранная модель требует значительного числа уточнений, но её можно использовать для приблизительной оценки деформаций тетрадей в процессе отгибки фальцев и проведения исследований по влиянию технологических факторов на качество отгибки.
Для исследования механики отгибки фальцев единичной тетради проведено моделирование с изменением следующих параметров: угла приложения нагрузки ; площади действия нагрузки S и величины нагружения.
Исследование зависимости деформации тетради от угла приложения нагрузки проведено на моделях с приложением нагрузки по линии и по площадке (Рисунок 49). В обоих случаях вектор действующей силы F направлен к центру корешка тетради под углом а относительно горизонтальной оси X.
Полученные зависимости (Рисунок 51) показывают незначительную разницу в величине деформаций, а так же нелинейное увеличение деформации при изменении угла приложения нагрузки, что вызвано снижением жесткости тетради в поперечном сечении. Практическая ценность заключается в возможности выбора оптимального угла нагружения в зависимости от требуемой величины отгибки корешка тетради.
Проведенный анализ показал, что деформации тетрадей при направлении нагрузки к центру фальца значительно выше (Рисунок 52), что можно объяснить касательным действием нагрузки во втором случае. Следовательно, при проектировании оборудования для отгибки следует стремиться к расположению инструментов таким образом, чтобы они действовали по направлению к центру фальца тетради и имели соответствующую регулировку для перехода с формата на формат.