УКРАЇНСЬКА АКАДЕМІЯ ДРУКАРСТВА

На правах рукопису

Топольницький

Петро Володимирович

УДК 686.12.056

Наукові основи безвистійного обрізування

книжково-журнальних блоків:

технологія і устаткування

05.05.01 – машини і процеси поліграфічного виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Львів - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українській академії друкарства Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Полюдов Олександр Миколайович,

Українська академія друкарства,

професор кафедри поліграфічних машин

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Мервінський Роман Іванович, Українська академія друкарства,

завідувач кафедри охорони праці та екології (м. Львів);

доктор технічних наук, професор

Кузьо Ігор Володимирович,

Національний університет “Львівська політехніка”,

завідувач кафедри теоретичної механіки (м. Львів);

доктор технічних наук, професор

Бобров Володимир Іванович,

Московський державний університет друку (Російська Федерація), завідувач кафедри технології післядрукарських процесів

і пакувального виробництва (м. Москва).

Провідна установа: Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, видавничо-поліграфічний факультет,

Міністерство освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться 30 вересня 2003 р. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.101.01 в Українській академії друкарства (вул. Підголоско, 19, м.Львів, 79020, Україна), ауд.101 о 14.00 год.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Української академії друкарства (вул. Підвальна, 17, м. Львів,)

Автореферат розісланий ”29” серпня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Жидецький В.Ц.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Для операції обрізування книжково-журнальних блоків (КЖБ) з трьох боків в існуючому устаткуванні (триножові машини) вітчизняного і зарубіжного виробництва характерні вистоювання (зупинки) напівфабрикатів під час виконання технологічного процесу, значні технологічні та динамічні навантаження, які істотно звужують швидкісні можливості машин: їхні технічні швидкості не перевищують 100 ц/хв. Для досягнення необхідної продуктивності триножових машин обрізування блоків проводять пачками (привертками) висотою до 100 мм, при цьому до складу машин вводять додаткові пристрої для формування і, після обрізування, для розформовування пачок. До того ж збільшення висоти пачки супроводжується зниженням точності обрізування.

На сучасному етапі розвитку брошурувально-палітурного устаткування альтернативою вважають введення до складу високопродуктивних автоматизованих потокових ліній двох чи навіть трьох, встановлених паралельно, триножових машин і додаткових засобів для розгалуження потоку блоків, автоматичного формування пачок перед обрізуванням тощо.

Така тенденція розвитку устаткування породила нову концепцію: створення засобів для безвистійного обрізування книжково-журнальних блоків з трьох боків. Відомі дослідження, проведені як вітчизняними так і закордонними науковцями, стосувалися переважно досліджень безвистійного способу обрізування блоків дисковими різальними інструментами. Проте методологія, базована на вказаному способі, через різні причини (обмежена товщина блока, незадовільна якість обрізування тощо) не вирішила проблеми швидкісного обрізування блоків.

На цій основі сформульовано важливу науково-прикладну проблему в галузі поліграфічних технологій і машинобудування – розроблення концептуальних засад і науково обґрунтованих технологічних і механічних параметрів, необхідних для створення устаткування для швидкісного безвистійного обрізування багатолезовим різальним інструментом (БРІ) книжково-журнальних блоків у вигляді операційних машин або різальних секцій потокових ліній..

Таким чином, задача дослідження є актуальною проблемою, оскільки її вирішення передбачає істотне підвищення продуктивності праці, суттєве скорочення виробничої площі та енерговитрат.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Починаючи з 1981 р. дослідження та розробка безвистійного способу обрізування книжкових блоків БРІ проводилася в межах планів бюджетних науково-дослідних робіт кафедри поліграфічних машин УПІ ім.Ів.Федорова. Результати цих досліджень стали підставою для укладення госпдоговору із Всесоюзним науково-дослідним інститутом поліграфічного машинобудування (ВНДІполіграфмаш), м.Москва, теми №85-85...90. Згодом, в 1991...93 рр., роботи були продовжені в рамках розробки технічного проекту машини для безвистійного обрізування блоків з Ходорівським СКБ та заводом поліграфмашин (Львівська обл.), а від 1995 до 2000 р.- доопрацювання засобів безвистійного обрізування блоків БРІ до промислового впровадження (теми №105-95...99 із заводом поліграфічних машин фірми "Muller Martini", Швейцарія, м.Фельбен). Ступінь участі автора у виконанні госпдоговірних робіт зазначена окремо у кожному звіті. У більшості з них здобувач був відповідальним виконавцем.

Проведені дослідження узгоджуються з Державною програмою розвитку національного книгодрукування і преси України, затвердженою Указом Президента України № 58/95 від 28 лютого 1995 р.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є наукове обґрунтування машинної технології, створення наукової бази для проектування БРІ та устаткування безвистійного обрізування КЖБ.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

1. провести аналіз наукових досліджень безвистійних способів обрізування КЖБ і обґрунтувати розроблення нового типу устаткування; 2. виявити ступінь і закономірності впливу конструкції БРІ на силові та якісні показники процесу обрізування КЖБ. Оптимізувати геометричні параметри БРІ; 3. розробити метод автоматизованого проектування (МАП) БРІ; 4. аналітичними та експериментальними засобами розкрити динамічний стан транспортувальної системи і оцінити ступінь його впливу на процес різання; 5. аналітичним і експериментальним шляхами дослідити механіку процесу обрізування блоків і на цій основі здійснити оцінку сил, що діють на транспортувальну систему під час обрізування блоків; 6. провести порівняльний аналіз впливу виду транспортувального засобу на точність і якість обрізування блоків. Розробити адаптовану до БРІ систему транспортування блоків; 7. розробити та дослідити засіб для зміни напрямку руху блока; 8. провести промислове випробування модуля для безвистійного обрізування блоків, оснащеного БРІ; 9. оцінити можливість використання БРІ для інших технологічних операцій; 10. виявити сферу доцільного застосування альтернативного способу обрізування блоків інструментом, крайка леза якого коливається з ультразвуковою частотою.

Об'єктом дослідження є технологічний процес безвистійного обрізування блоків і явища, які його супроводжують.

Предметом дослідження є метод автоматизованого проектування БРІ, система для транспортування та зміни напрямку руху блоків із збереженням їх орієнтації у просторі, технологічні параметри процесу обрізування блоків.

Методи дослідження. Дослідження виконані на основі раціонального поєднання теоретичних, із використанням математичного та комп’ютерного моделювання, експериментальних випробувань на стендах і дослідних зразках машин.

Вимірювання силових параметрів процесу безвистійного обрізування КЖБ проведене методом тензометрування. Зусилля затискування блоків визначалося непрямим способом (шляхом установлення деформації блока, яка відповідає заданому зусиллю). Точність і якість обрізування блоків визначалися шляхом мікрофотографування, вимірювання спеціальними пристроями та візуально. Аналітичні дослідження проводилися на ПК з використанням системи AutoCad 2000, системи символьної математики MathCAD 2001 та електронних таблиць Excel.

Частина практичних результатів отримана методами математичного і комп’ютерного моделювання процесів функціонування різальних і транспортувальних вузлів машини на ПК.

Результати аналітичних досліджень перевірялися експериментально. Зіставлення результатів аналітичних і експериментальних досліджень підтверджує адекватність розроблених моделей і принципів.

Наукова новизна одержаних результатів:

- шляхом узагальнення широкого масиву даних, отриманих експериментально, виявлено оптимізовані (з умови мінімізації технологічних зусиль і досягнення якісного обрізування КЖБ) конструкція та параметри БРІ, які покладено у основу розробленого методу його автоматизованого проектування;

- складено та досліджено динамічну та відповідну їй математичну моделі процесу обрізування блоків за допомогою БРІ, на основі чого вперше встановлено характер зміни та величини технологічних зусиль на різних етапах обрізування блоків, що обґрунтовує вихідні дані для проектування транспортувального органа машини;

- виявлено пульсуючий характер пружних коливань ланок транспортувальної системи блоків на основі зубчастих пасів, розкрито механізм їх впливу на технологічні зусилля та накреслені шляхи їх мінімізації;

- розроблено методи оптимізаційного синтезу і проектування запропонованого і розробленого (на основі результату порівняльного аналізу) засобу для зміни напрямку транспортування блока із збереженням його орієнтації у просторі;

- розроблено технологічний процес та пристрій для обрі-зування переду “англійської” брошури;

- оптимізовано параметри різального інструменту та технологічного процесу альтернативного способу безвистійного обрізування КЖБ інструментом, крайка леза якого коливається з ультразвуковою частотою, на підставі чого визначено сферу ефективного застосування способу.

Практичне значення одержаних результатів полягає, насамперед, у тому, що використання устаткування для безвистійного обрізування блоків за допомогою БРІ створює передумови для підвищення продуктивності праці у 3...7 разів (при поштучному обрізуванні, залежно від формату та умов подачі блоків у машину). Розроблено методи автоматизованого проектування БРІ та транспортувальної системи машини для безвистійного обрізування КЖБ.

Використання цих результатів здійснюється:

- через впровадження розроблених за результатами теоретичних і експериментальних досліджень методів проектування нового устаткування для обрізування КЖБ;

- шляхом використання розроблених за результатами досліджень засобів транспортування та секцій обрізування у дослідному зразку машини БРБ 120 для безвистійного обрізування КЖБ (виготовлена Ходорівським заводом ПМ машина демонструвалася на міжнародній виставці "Поліграфія-93", м. Київ) та секції обрізування книжкових блоків з двох боків (виготовлена в 1997 р. на заводі поліграфічних машин фірми "Muller Martini" м. Фельбен, Швейцарія). Ступінь реалізації одержаних результатів та їх ефективність підтверджена наведеним у Додатку А.1.1 актом виробничих випробувань.

Окрім цього, результати досліджень використовуються у навчальному процесі студентів спеціальностей 7.090224 "Поліграфічні машини і автоматизовані комплекси" та 7.090223 “Машини і технологія пакування”.

Особистий внесок здобувача. Основні результати теоретичних та експериментальних досліджень, які містяться в дисертації, отримані автором особисто.

У спільних теоретичних розробках [7, 9, 11, 20, 24, 31] автору належить формулювання задач досліджень, обґрунтування методології та способу їх розв’язку, складання динамічної та математичної моделей процесу обрізування книжкових блоків багатолезовим інструментом, створення розрахункових схем для визначення динамічних навантажень на елементи системи транспортування та зміни напрямку руху книжково-журнальних блоків.

Під час виконання прикладних досліджень [6, 8, 13, 23, 26, 44 - 46] автор формував програми експериментальних і лабораторних випробувань, брав безпосередню участь у проектуванні, розробленні конструкторсько-технологічної документації та виготовленні і доведенні дослідних пристроїв, а також проводив випробовування та опрацьовував отримані результати.

В роботі [30] автор формулював задачі та методологію теоретичних і експериментальних досліджень деформації пасово-роликового транспортера книжкових блоків, опрацьовував результати досліджень.

У винахідницьких працях [49 - 52] автор брав безпосередню участь у постановці, принциповому розв’язку задач, генеруванні ідей, конструюванні, виготовленні та випробуваннях експериментальних пристроїв.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи, починаючи з 1983 р., щорічно доповідалися автором на звітних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу УАД (Українська академія друкарства; до 1994 р.- УПІ ім. Ів.Федорова) та наукових семінарах кафедри поліграфічних машин УАД, науково-технічній раді відділу брошурувально-палітурних машин ВНДІполіграфмаш (м.Москва, 1989 р.), Всесоюзній нараді з методів розрахунку поліграфічних машин-автоматів (м. Львів, 1991 р.), науково-практичному семінарі-ярмарку "Совершенствование технологии и оборудования для разрезки стоп бумаги и обрезки книжных блоков" (м.Ромни, 1992 р.), науково-технічній раді СКБ заводу поліграфічних машин (м.Ходорів, 1993 р.), 3-му та 5-му міжнародних симпозіумах українських інженерів-механіків у Львові (1997, 2001 рр.), конференції “Новітні технології пакування” (Національний університет “Львівська політехніка”, 2002 р.), науково-технічній раді відділу перспективи Фельбенського заводу поліграфічних машин фірми "Мuller Martini" (Швейцарія, 1995...1998 рр.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 52 наукових праць: 33 статті в наукових збірниках та журналах (з них 30 - у фахових виданнях, 21 - одноосібно), тези 15 (12 - одноосібно) доповідей на конференціях різних рівнів. За темою дисертації отримано 1 Європатент , 1 патент України і два А.с. СССР.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації 385 с., з них: ілюстрації - 43 с., додатки – 20 с., список використаних джерел (200 найменувань) – 19 с.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито стан наукового завдання, обґрунтовано актуальність роботи, визначено мету та задачі дослідження, показано наукову новизну матеріалів роботи, описано структуру дисертації.

У першому розділі проаналізовано наукові праці вчених Альтшуля Є.А., Акатьєва Д.Ф., Грушевського В.С., Мордовіна Б.М., Пергамента Д.А., Полюдова О.М., Тюріна А.А, Крабіша К. та ін., практичні розробки у розрізі існуючого устаткування для різання стосів паперу та обрізування КЖБ з трьох боків: розглянуто сучасний стан і тенденції розвитку. Проведено критичний аналіз існуючих способів безвистійного обрізування КЖБ та інструментів для їх реалізації. Показано, що існуюче устаткування для обрізування КЖБ з трьох боків не забезпечує необхідну швидкодію, поставлену вимогами сьогодення. Розкрито суть способу безвистійного обрізування КЖБ багатолезовим різальним інструментом (БРІ). Книжковий блок 1 (рис.1) транспортером 2 подається в зону закріплених на плитах 3 основного 4 і допоміжного 5 БРІ. Технологічно необхідне зусилля затискування блоків забезпечується транспортером 2.

Конструкція БРІ передбачає обрізування блока (від його початку і до кінця) кожним лезом на певну глибину h, яка залежить від геометричних параметрів БРІ і суттєво впливає на силу різання. Леза допоміжного 5 БРІ забезпечують якісне дорізування максимально віддаленої від основного БРІ частини (підошви) блока, товщина якої наближено дорівнює 1,5…3 мм.

Рис.1. Принципова схема пристрою для безвистійного обрізування

блоків багатолезовим різальним інструментом

Проаналізовано сучасні транспортувальні засоби для зміни напрямку пере-міщення КЖБ. Виявлено, що сьогодні не існує засобів для зміни напрямку переміщення блоків із збереженням їх орієнтації у просторі, які можуть забезпечити надійність роботи при максимально досягнутій сьогодні швидкості руху блоків 2,5 м/с.

Розглянуто фізико-механічні властивості паперу, які суттєво впливають на силові показники процесу обрізування.

На основі аналізу літературних джерел і потреб виробництва сформульовані основні задачі, які підлягали вирішенню.

У другому розділі розглянуто особливості технологічного процесу безвистійного обрізування книжкових блоків БРІ, конструктивні особливості БРІ, розроблено рекомендації щодо вибору конструкції БРІ з урахуванням фізико-механічних властивостей паперу, з якого виготовлені книжкові блоки та згідно поставлених вимог щодо точності та якості обрізування. Змінюючи геометричні параметри як лез, так і БРІ у цілому можна з високою вірогідністю забезпечувати необхідні силові та якісні показники процесу обрізування КЖБ.

Теоретично визначені основні геометричні параметри фасонного БРІ, глибина різання лезами фасонного БРІ на ділянках врізування та дорізування. Результати розрахунків дійсних кутів різання ?р залежно від глибини різання h лезом при змінюваних куті ? атаки леза (кут між крайкою леза та напрямком руху блока) та радіусі R закруглення вершини леза наведені на рис. 2.

Рис.2. Залежність дійсних кутів різання ?р від глибини h різання

при змінюваних ? (а) і R (б)

З графіків (рис.2,а) видно, що зміна кута атаки ? леза у межах 15 ...20 не впливає на величину дійсних кутів різання (на криволінійній ділянці леза). Криволінійні ділянки ліній функцій ?р = f(h, в) ?а ?р = f(h, R) відповідають різанню закругленою крайкою леза, а прямі - прямолінійною крайкою. Збільшення радіуса закруглення вершини леза R з 2 до 8,5 мм (рис.2,б) супроводжується збільшенням плавності зростання дійсних кутів різання при глибині різання h = 0,13...0,5 мм, що сприяє плавній зміні дійсних кутів різання від прямолінійної до закругленої ділянки леза і позитивно впливає на силові та, особливо, якісні показники процесу обрізування.

Розроблено метод автоматизованого проектування БРІ. Проектування ведеться згідно програм, складених з урахуванням вироблених автором рекомендацій щодо геометричних параметрів БРІ.

На рис. 3 наведена блок-схема алгоритму проектування складаного з окремих ножів БРІ лінійної або фасонної конструкцій. Критеріями оцінки вибору профілю кривої (“закон” розташування вершин лез), на якій розміщені вершини лез фасонного БРІ є: – поступове збільшення глибини різання (від 0 до 0,5 мм) лезами на ділянці врізування і, відповідно, поступове зменшення на ділянці дорізування; – максимальна глибина різання окремими лезами 0,6 мм; – довжина ділянки врізування (дорізування) повинна забезпечити розміщення 5…7 ножів. Аналіз кривих, на яких розміщуються вершини лез БРІ показав, що найбільш прийнятною є крива, яка описується функцією ЗПР, описаного безперервною функцією і умовно позначається „ОП0,1”.

-

Рис.3. Блок-схема алгоритму проектування багатолезового

різального інструмента

Розроблений метод проектування дозволяє оперативно виконати: розрахунок БРІ заданої конструкцій (лінійної, фасонної тощо); графічні побудови робочого креслення ножа БРІ, збірного креслення БРІ; шаблону для виставлення вершин лез складаного БРІ (наприклад, по кривій) при їх закріпленні на монтажній плиті.

Дослідження характеру затуплення (зношування) БРІ та його різальної здатності дозволили визначити основні фактори, що впливають на інтенсивність затуплення лез (складові сили різання , сили тертя паперу по крайці та бічних площинах леза під час обрізування блока, сил тертя, що виникають при “підійманні” відрізаної частини блока тощо), максимальний радіус (R=26 мкм) закруглення крайки леза, при якому якість обрізування задовільна.

Розроблені рекомендації щодо вибору умов подачі блоків у різальну секцію дозволяють здійснити доцільний з огляду на силові показники процесу обрізування вибір умови подачі (суцільним потоком або з певним кроком) залежно від від геометричних розмірів книжкових блоків.

Третій розділ роботи присвячений аналітичним дослідженням транспортувальних систем різних типів, метою яких є вибір транспортувальної системи, максимально адаптованої до умов обрізування книжкових блоків БРІ. Крім цього, у розділі розглянуто питання вибору пристрою для зміни напрямку переміщення книжкових блоків.

Для розрахунку сил різання процес обрізування книжкового блока (рис. 4) умовно розділено на п’ять характерних ділянок, черговість яких може змінюватись залежно від конструкції БРІ та способу подавання блока у зону обрізування (корінцем вперед або, навпаки, – назад):

- на ділянці 1 відбувається поступове врізування багатолезового інструменту в блок (характеризується збільшенням сил різання та тертя на протязі часу T1 , залежно від швидкості транспортування та формату блока);

- ділянка 2 характеризується більш інтенсивними зростанням сили різання

під час обрізування проклеєного корінця блока (більш жорсткого порівняно з основною частиною блока) за час Т2 ;

- ділянка 3 - зона стабільного різання ( кількість лез, одночасно задіяних у процесі обрізування на протязі часу Т3 – стала);

- ділянка 4 - зона дорізування (в процесі різання задіяні леза основного і допоміжного БРІ), характерне деяке збільшення сили різання протягом часу Т4 ;

- ділянка 5 - зона виходу різального інструмента з блока (поступове зменшення сили різання за час Т5 ).

Рис. 4. Характер зміни сили різання під час обрізування блока

Загальний час різання

, (1)

де = x + x5 - загальна довжина технологічної зони машини, яка містить:

х = х0 + х1 + х2 + х3 +х4 – сталу складову (залежить від параметрів БРІ);

х5 - змінну складову (залежить від товщини і формату блоків);

Vтр - швидкість транспортування блоків.

Використовуючи системи символьної математики “Mathcad 2001”, електронні таблиці “Excel” та накопичені експериментальні дані, аналітично визначені загальні сили різання під час обрізування різних за форматом і товщиною книжкових блоків при заданих параметрах БРІ. Розрахунки сил різання проводилися для блоків, виготовлених з трьох видів паперу, які суттєво відрізняються за фізико-механічними властивостями: крейдованого, офсетного та газетного.

Сила від обрізування книжкового блока на усіх ділянках

P = f(P (t)) , (2)

де t – біжуче значення часу, на протязі якого обрізується книжковий блок;

P (t) – сила опору транспортуванню блока

P (t) =Pгор + Pвер f2 + Pлоб f1 , (3)

де Pгор , Pвер і Pлоб – відповідно горизонтальна, вертикальна та лобова складові сили різання ;

f1 , f2 – коефіцієнти тертя книжкового блока, відповідно, по площинах лез БРІ і пасів по напрямних.

Необхідне зусилля транспортування розраховується по максимальному значенню сили Р max.

Технологічно необхідне для якісного і точного обрізування зусилля затискування книжкового блока

Fзат = Fтр max / f3 ,

де f3 – коефіцієнт тертя між блоком і пасами транспортера.

Тоді загальне зусилля транспортування Fтр = Fтр + Fзат f2 .

У роботі розглянуто три типи транспортувальних систем: “пас на роликах”, “пас на напрямних” та “пас на напрямних з пневмопіддувом”. Розрахунки системи “пас на роликах”, а згодом і експериментальні дослідження показали недоцільність (з огляду на якість і точність обрізування блоків) її використання через надмірний прогин плоского паса у міжроликовий простір і виникнення ефекту кругління блока. Встановлено зміну величини прогину паса залежно від діаметрів роликів і товщини оброблюваних блоків.

У транспортувальній системі “пас на напрямних” використано зубчасті паси, які гладкими боками затискують блоки, а протилежними – ковзають по нерухомих напрямних з антифрикційним покриттям. Експериментальні дослідження виявили надмірне нагрівання пасів і напрямних внаслідок тертя.

Вказаний недолік вдалося усунути в зарекомендованій до використання транспортувальній системі “пас на напрямних з пневмопіддувом”, показаній на рис. 5. Пас 1 ковзає по напрямній 2 з отворами, через які подається під тиском повітря. Пас 1 і напрямна 2 покриті шаром антифрикційного матеріалу 4. Для забезпечення надійного зчеплення паса з блоком гладкий бік паса покритий шаром матеріалу 5 з підвищеними фрикційними властивостями.

Під час проведення затиснутих блоків транспортером через різальну секцію обидва паси зазнають змінних за величиною деформацій розтягування.

Рис. 5. Схема конструкції напрямної паса з пневмопіддувом

У роботі досліджено вплив динамічних навантажень під час обрізування книжкових блоків на вимушені поздовжні коливання натягування транспортувальних пасів, пульсацію швидкості транспортування блоків і споживану потужність. Розглянуто усталений режим роботи машини для обрізування книжкових блоків, при якому блоки в технологічну зону машини подаються з кроком 500 мм (у переважній більшості сучасних потокових ліній крок переміщення блоків визначається кроком кареток і становить 500 мм). При цьому під час обрізування на робочій вітці транспортера одночасно можуть знаходитися три блоки.

Схема робочої вітки транспортера із затиснутими книжковими блоками зображена на рис. 6. Схема відображає розташування книжкових блоків у так званий початковий момент часу (момент часу, з якого програма починає виконувати обчислення).

Рис. 6. Схема розміщення блоків на робочій вітці транспортера

У цей момент книжковий блок 1 знаходиться в зоні стабільного різання (кількість лез, задіяних у обрізуванні – постійна); книжковий блок 2 – у зоні врізування лез БРІ в книжковий блок (кількість лез і зусилля різання при переміщенні блока зростають); книжковий блок 3 – у зоні транспортування до виконання операції обрізування. БРІ довжиною S встановлений на відстані 500 мм від веденого шківа транспортувальної системи. Відстань від веденого шківа до центра маси відповідно третього, другого і першого блоків – х 1 … 3 ; відстань від веденого шківа до третього блока – l1 ; відстані між блоками – l2 і l3 ; відстань між шківами пасового транспортера – L.

Динамічна модель вітки показана на рис. 7 у вигляді дискретної механічної системи з трьома ступенями вільності, де mi (i = 1, 2, 3) – маси книжкових блоків; сі , і (і=1, 2, 3, 4) – відповідно, коефіцієнти жорсткості і коефіцієнти дисипації пружних ланок (транспортера); Рі (і = 1, 2, 3) – технологічні навантаження; хі (і = 1, 2, 3) – координати руху блоків.

Рис. 7. Динамічна модель для розрахунку навантажень на елементи

системи транспортування

Зміна сили різання Р від відстані у між центром маси блока і лівим кінцем робочої вітки транспортера показана на рис. 8. Коефіцієнт тертя пасів по напрямних за наявності пневмопіддуву становить k1 = 0,01, а за відсутності пневмопіддуву – k1 = 0,15. Його значення знайдене під час проведення експериментальних досліджень дослідного зразка машини на заводі фірми “Мюллер Мартіні”. Під час проведення динамічних розрахунків системи транспортування книжкових блоків силами тертя нехтуємо, оскільки вони є неістотними у порівнянні з силами різання.

Внутрішні сили пружних ланок механічної системи визначаємо як

, (4)

де і = 1, 2, 3, 4; – сили пружності; – сили дисипації, при цьому ?i ; хi – відповідно, відносні деформації ділянок транспортерів і їх похідні за часом; с0 , 0 – коефіцієнт жорсткості і коефіцієнт дисипації частини вітки одиничної довжини.

Рис. 8. Схема для визначення відстані від осі веденого шківа до

центра маси блока

Відносні деформації ділянок робочої вітки транспортерів:

; ;

; , (5)

де v0 – стала колова швидкість шківів транспортера; l2 , l3 – відстані між першим і другим та другим і третім блоками; l10 , l40 – початкові довжини збіжної та набіжної ділянок паса.

Диференціюючи функції (5) за часом, отримуємо

, (6)

де i – швидкості переміщення книжкових блоків (i = 1, 2, 3).

Із залежностей (4)-(6) визначаємо внутрішні сили Fі (де і = 1, 2, 3, 4) для ділянок робочих віток транспортерів

. (7)

Рівняння руху трьох одночасно обрізуваних книжкових блоків записуємо у вигляді

, (8)

де Рі = fі(x) – зусилля різання (і = 1, 2, 3).

З урахуванням (7) систему диференціальних рівнянь (8) подаємо як

, (9)

де X – матриця-колонка невідомих,

;

– матриця-колонка правих частин,

,

причому

;

;

.

Початкові умови інтегрування системи рівнянь (9) визначаємо, припускаючи, що механічна система при t = 0 здійснює усталений рух.

За розробленою методикою досліджено динамічні процеси у системі транспортування книжкових блоків, визначено зусилля та швидкості транспортування, що виникають під час обрізування одночасно 3-х блоків, які переміщуються з кроком 500 мм. Проаналізовано характер зміни крутного моменту на привідному валі та потужності, споживаної електроприводом машини. При цьому зусилля транспортування у ведучих ланках транспортера визначено на ділянках між ведучим шківом і 1-им блоком, 1-им і 2-им блоками, 2-им і 3-ім блоками та після 3-го блока. Одночасно визначено зміну швидкості транспортування блоків в процесі обрізування.

Розрахунки проводилися з урахуванням геометричних розмірів технологічної зони секції обрізування, формату блоків та кроку їх переміщення. При цьому враховувалися сили, що виникають під час обрізування блоків одночасно з двох боків (головки та хвостика).

З рис. 9 видно, що на зусилля транспортування (тягове зусилля) у ведучій ланці (між ведучим шківом і 1-им блоком) впливають, окрім сили, що виникає під час обрізування 1-го блока також і сили, що виникають під час обрізування 2 і 3-го блоків. Цим пояснюється деяке збільшення зусилля транспортування на ділянці а–б. Пульсуючий характер зусилля транспортування обумовлюється конструкцією БРІ (кожне наступне лезо починає приймати участь у обрізуванні через певний проміжок часу) та наявністю власних коливань пасового транспортера.

При дальшому переміщенні блоків (ділянка б–в) спостерігається зростання зусилля транспортування. В цей час, одночасно з початком обрізування 1-го блока лезами додаткового БРІ (сили різання – збільшуються), основний БРІ врізується у проклеєний корінець 2-го блока. Беручи до уваги незначну товщину шару клею (0,1 ... 0,5 мм), процес відбувається за незначний проміжок часу, що призводить до додаткового збудження коливань.

Ділянка графіка в–г відображає вихід 1-го блока із зони обрізування та вплив на ведучу ланку сил різання під час обрізування 2-го блока, який перебуває в цей час у зоні стабільного різання (кількість лез, задіяних у обрізуванні – постійна).

Ділянка графіка г-д характеризує величину зусилля транспортування 1-го блока (обрізаного) до повного виведення із машини. У цей час 2-ий книжковий блок ще перебуває в зоні стабільного різання, а 3-ій блок тільки починає обрізуватися БРІ. Цим пояснюється відносна стабілізація зусиль транспортування.

Рис. 9. Зміна зусилля транспортування у ведучій ланці під час обрізування (на ділянці між ведучим шківом і першим блоком)

Ділянка графіка д–е відображує вплив на зусилля транспортування збільшення сил різання внаслідок одночасного початку задіювання лез додаткового РІ (2-ий блок) та врізування основного РІ у проклеєний корінець 3-го блока. Відносне зменшення зусилля транспортування (ділянки графіка г–д–е–є) відбувається внаслідок того, що ведуча ланка транспортера при виходженні із зони обрізування та дальшому транспортуванні першого блока “віддає” свою енергію, що пояснюється пружними властивостями пасового транспортера (попередньо розтягнутий в результаті дії сил різання, пас після розвантаження від дії сил різання, скорочується і “допомагає” переборювати технологічне зусилля).

Швидкість транспортування під час обрізування одночасно 3-х блоків (рис.10) має коливний характер стосовно номінального значення, до того ж частота коливань швидкості відповідає частоті коливань зусилля транспортування.

Характер зміни величин моменту на головному валі аналогічні характеру зміни зусилля транспортування.

Дослідження коливного процесу системи транспортування блоків за допомогою описаної у роботі математичної моделі дозволяє: вперше аналітичним шляхом оцінити характер та величину навантажень на систему транспортування у цілому; змоделювати поведінку транспортувальної системи при різних силових і швидкісних режимах роботи; розробити (з огляду на якість і точність обрізування) рекомендації щодо вибору параметрів системи транспортування, необхідних для проектування конкретного устаткування.

Рис. 10. Швидкість транспортування першого блока під час обрізування

Значної уваги в розділі приділено вибору і методиці розрахунку розроблених пристроїв (рис. 11) для зміни напрямку переміщення книжкових блоків із збереженням їх орієнтації у просторі. За результатами порівняльного критеріального аналізу запропоновано пристрій на основі однобічних зубчастих пасів (рис. 11, в), який працює наступним чином. Після виведення блока 1 із першої різальної секції (напрямок переміщення вказаний стрілкою) він перехоплюється спочатку проміжковим транспортером 2 і далі затискувачами каретки 3, яка закріплена на зубчасто-пасових транспортерах 4 та 5. Каретка 3 змінює напрямок переміщення на 90о, а зафіксований в каретці блок 1 перехоплюється проміжковим транспортером 6, який вводить блок у транспортувальну систему другої різальної секції.

Рис.11. Схеми пристроїв для зміни напрямку руху блоків

із збереженням їх орієнтації у просторі

Розроблено методику розрахунку цього пристрою, за якою розраховується спочатку необхідне зусилля затискування блока Fзат , а відтак – площа затискувачів 3 (a і b – відповідно, їх довжина і ширина) :

, (10)

де m – маса книжкового блока;

f1 – коефіцієнт тертя блока по столу;

g – прискорення вільного падіння;

f – коефіцієнт тертя в затискувачах;

Кз – коефіцієнт запасу;

н – швидкість транспортування блока;

r – радіус повороту блока.

, (11)

де – напруження деформації стиску блока;

і – коефіцієнти, що враховують фізико-механічні властивості паперу, з якого виготовлені книжкові блоки (різні за товщиною).

Потім визначаються кінематичні та силові параметри, які є вихідними даними для введення у відповідну блок-схему розрахунків основних параметрів пристрою. За результатами розрахунків одержано графіки зміни зусилля затискування блока залежно від радіуса повороту блока і швидкості його транспортування.

У четвертому розділі описані матеріальна база експериментальних досліджень і програма їх проведення. У експериментальній частині ставилося метою вирішення ряду прикладних задач: оптимізація конфігурації окремого леза БРІ; оптимізація конструкції складаного з окремих лез БРІ; встановлення діапазонів фізико-механічних властивостей матеріалу блоків, їх форматів і товщин, які доцільно обрізувати БРІ; визначення величини та характеру зміни сил різання, необхідних для їх переборення зусиль транспортування та затискування блоків; виявлення доцільних діапазонів швидкісних можливостей обрізування блоків БРІ; розробка обґрунтованих рекомендацій щодо вибору системи транспортування машини для безвистійного обрізування блоків, оснащеної БРІ; оцінка області використання БРІ у перспективі, розгляд альтернативних способів безвистійного обрізування блоків.

У роботі описана конструкція та робота лабораторного стенда з пластинчастими траковими транспортерами, експериментального зразка машини для безвистійного обрізування книжкових блоків БРБ-120, експериментального стенда з пасовими транспортерами та дослідного зразка різальної секції машини для безвистійного обрізування книжково-журнальних блоків.

У цьому ж розділі описані розроблені автором технологія та пристрій для обрізування переда “англійської ” брошури за допомогою БРІ. Показана можливість застосування запропонованого пристрою не тільки під час виготовлення “англійської” брошури, але і для обрізування переду книжково-журнальних блоків в потокових лініях для незшивного скріплення, що суттєво спрощує будову залученого в лінію устаткування для безвистійного обрізування блоків (необхідність засобу для зміни напрямку руху блока та другої різальної секції відпадає).

У п’ятому розділі викладено результати експериментальних досліджень процесу безвистійного обрізування КЖБ за допомогою БРІ. У цьому розділі одержано більшість вихідних даних, необхідних для проектування основних пристроїв машини для безвистійного обрізування КЖБ: окремого леза БРІ, конструкції БРІ та системи транспортування блоків у машині.

Виявлено, що папери, які виготовлені і використовуються у Західній Європі є більш жорсткими від аналогічних паперів, виготовлених у Російській Федерації та Україні. Зокрема, найбільш важлива при розрахунках, горизонтальна складова сили різання, що виникає під час обрізуванні блоків, виготовлених з закордонних паперів збільшується у середньому в 1,5 раза.

Встановлено низку оптимальних конструктивних параметрів БРІ:

-

- кут атаки леза слід вибирати у межах 13°...18°; при цьому нижні значення слід вибирати під час використання лез з кутом при вершині 90°, а нижні - для лез з закругленими за радіусом вершинами. Збільшення кута атаки у межах 10...30° призводить до збільшення фактичної глибини різання лезом;

-

-

-

- вплив конструкції БРІ на технологічні та силові параметри процесу різання. Експериментально встановлено, що за основним силовим параметром – горизонтальною складовою сили різання – V-подібний фасонний БРІ (однакова кількість лез основного і допоміжного БРІ) є найбільш енергоємним (з-поміж лінійного БРІ, фасонного та V-подібного лінійного). Проте, беручи до уваги плавне зростання і спадання сили різання під час транспортування блока через різальну секцію, габарити БРІ та якісні показники обрізування перевагу слід віддати V-подібному фасонному БРІ;

-

-

-

Досліджені автором параметри є достатніми для проектування БРІ.

Другою важливою складовою частиною експериментальних досліджень є система транспортування блоків пасовими транспортерами. Зокрема дослідження системи “пас на роликах” підтвердили недоцільність використання її в машинах, укомплектованих БРІ. Виявлено, що під час транспортування блока виникає ефект кругління блока, що призводить до суттєвого зменшення точності та якості обрізування, проте цей ефект може бути використаним для механічного кругління корінця блока.

Широкі експериментальні дослідження дослідного зразка секції машини для безвистійного обрізування КЖБ на заводі поліграфічних машин фірми “Muller Martini” проводилися в умовах, наближених до виробничих. Дослідження проводилися на швидкостях руху блока до 2,7 м/с, вимірювали головний силовий параметр – горизонтальну складову сили різання та крутний момент на приводному валі пасового транспортера. Якість обрізування оцінювалася візуально. На рис. 12 наведені графіки зміни горизонтальної складової Рг сили різання та моменту М на приводному валі пасових транспортерів під час одночасного обрізування головки та хвостика блока. Як видно з графіків, експериментальні досліджень підтвердили результати, отримані аналітичним шляхом: аналогічний характер зміни як горизонтальної складової Рг сили різання, так і моменту М на приводному валі, а дійсні значення Рг і М відрізняються у межах 7…9 %.

За результатами досліджень встановлено наступне:

-

-

Рис. 12. Зміна горизонтальної складової Рг сили різання (а)

та моменту М на приводному валі (б) під час обрізування

-

-