УКРАЇНСЬКА АКАДЕМІЯ ДРУКАРСТВА

На правах рукопису

Топольницький Петро Володимирович

УДК 686.12.056

РОЗРОБКА НАУКОВИХ ОСНОВ ТЕХНОЛОГІЇ

І ПРОЕКТУВАННЯ УСТАТКУВАННЯ ДЛЯ БЕЗВИСТІЙНОГО ОБРІЗУВАННЯ КНИЖКОВО-ЖУРНАЛЬНИХ БЛОКІВ

05.05.01 - МАШИНИ І ПРОЦЕСИ ПОЛІГРАФІЧНОГО ВИРОБНИЦТВА

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Львів - 2000

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,

завідувач кафедри поліграфічних машин

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Малащенко Володимир Олександрович,

Національний університет “Львівська політехніка”,

професор кафедри деталей машин

доктор технічних наук, доцент

Сеньківський Всеволод Миколайович ,

Українська академія друкарства,

завідувач кафедри прикладної математики

та комп'ютерних інформаційних систем

доктор технічних наук, професор

Силенко Петро Миколайович,

Московський державний університет друку

(Російська Федерація), професор кафедри

теоретичної і прикладної механіки

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

Захист відбудеться…08.12.2000 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.101.01 в Українській академії друкарства (79020, м.Львів, вул. Підголоско, 19)

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Української

академії друкарства (м. Львів, вул. Підвальна, 17)

Автореферат розісланий 05.11. 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Дідич В.П.

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 автоматизованих потокових ліній (із технічною швидкістю понад 300 ц/хв) 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 для обрізування блоків з трьох боків породжує нову концепцію: створення засобів для безвистійного обрізування КЖБ, а саме - за допомогою багатолезових різальних інструментів (БРІ).

На цій основі нами сформульвано важливу науково-прикладну проблему в області поліграфічних технологій і машинобудування - розробка, на основі наукових досліджень, технологічного процесу безвистійного швидкісного обрізування КЖБ та методів проектування призначених для цього високошвидкісних операційних машин та секцій потокових ліній.

Таким чином, одержані в цій дисертаційній роботі результати досліджень є актуальними, оскільки вони послужили основою для створення безвистійних, патентно-захищених машин світового рівня для обрізування КЖБ, використання яких в технологічних і потокових лініях створює передумови істотного підвищення продуктивності праці.

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 (тема №87-91...93) 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) .

Проведені дослідження повністю 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 розробка наукових основ технології безвистійного обрізування книжково-журнальних блоків багатолезовим різальним інструментом та методів проектування високопродуктивного устаткування.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

1. виявити ступінь впливу геометричних параметрів БРІ на силові та якісні показники процесу безвистійного обрізування КЖБ; 2. 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; 3. аналітичним та експериментальним шляхами розкрити динамічний стан транспортувальної системи і оцінити ступінь його впливу на процес різання; 4. розробити наукові основи процесу безвистійного обрізування блоків і з їх допомогою розробити методику автоматизованого проектування (МАП) БРІ. 5. провести порівняльний аналіз транспортувальних засобів з точки зору їх впливу на точність і якість обрізування блоків. Розробити адаптовану до БРІ систему транспортування блоків; 6. розробити та дослідити засіб для зміни напрямку руху блока; 7. провести промислове випробування модуля для безвистійного обрізування блоків, оснащеного БРІ; 8. оцінити можливість використання БРІ для інших технологічних операцій; 9. встановити діапазон технічних і технологічних можливостей альтернативного способу обрізування блоків інструментом, крайка леза якого коливається з ультразвуковою частотою.

Таким чином об'єктом досліджень став технологічний процес безвистійного обрізування блоків і явища, які його супроводжують.

Предметом дослідження є геометричні параметри БРІ, методика 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 побудовані на основі раціонального поєднання теоретичних досліджень із використанням математичного моделювання, стендових та машинних експериментальних досліджень.

Стендові та машинні дослідження проводилися з метою: 1. визначення впливу геометричних параметрів БРІ та технологічних режимів на силові та якісні показники процесу безвистійного обрізування; 2. отримання вихідної інформації для теоретичного узагальнення явищ, що виникають у транспортувальній системі під час обрізування блоків; 3. розроблення методики автоматизованого проектування БРІ; 4. перевірки теоретичних висновків.

Частина практичних результатів отримана методами моделювання процесів функціювання різальних і транспортувальних вузлів машини на ПК.

Вимірювання силових параметрів проводилося тензометруванням.

Наукова новизна одержаних результатів:

- аналітичним та експериментальним методами виявлено доцільні (з міркувань якості обрізування та мінімізації технологічних опорів) геометричні параметри леза одиничного ножа, а також конструкції БРІ;

- розроблено МАП багатолезового різального інструмента з оптимізованими параметрами, в основу якої покладено результати експериментальних досліджень процесу різання та одержані на їх основі емпіричні залежності;

- складено та досліджено математичну модель процесу обрізування блоків за допомогою БРІ, на основі чого вперше встановлено характер зміни та величини технологічних опорів на різних етапах обрізування блоків, а також одержано вихідні дані для проектування транспортувального органа машини;

- аналітично та експериментально досліджено пружно-силову взаємодію ланок відібраної транспортувальної системи на основі зубчастих пасів, що виникає в період обрізування блоків. Розкрито вплив коливного процесу на характер зміни технологічних опорів і показані шляхи їх мінімізації;

- у рамках головної наукової концепції дослідження проведено порівняльний аналіз механізмів і досліджено механіку процесу зміни напрямку переміщення блоків у машині. На цій підставі проведено оптимізаційний синтез необхідного механізму і розроблено методику його проектування.

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 методики проектування БРІ та транспортувальної системи машини для безвистійного обрізування КЖБ.

Використання цих результатів здійснюється у двох напрямках:

- через впровадження, розроблених за результатами теоретичних і експериментальних досліджень, методик під час проектування нового устаткування для обрізування КЖБ;

- шляхом використання розроблених за результатами досліджень засобів 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 актом виробничих випробувань.

Окрім цього, результати досліджень використовуються у навчальному процесі студентів спеціальності 7.090224 - "Поліграфічні машини і автоматизовані комплекси".

Особистий внесок здобувача. Основні наукові розробки отримані автором самостійно. Із 10 публікацій у співавторстві, наведених у списку опублікованих автором праць, здобувачеві належить:

- публікації [13] і [39] - участь у розробці основної ідеї;

- публікації [14], [15], [16] і [18] - постановка задачі;

- публікації [32], [40] і [41] - участь у розробці аналітичної частини;

- публікація [17] - обробка результатів експериментальних досліджень.

Участь автора у створенні АС і патентів [19...26] відображена у відповідних довідках і пропорційна кількості авторів. Ступінь участі автора у виконанні госпдоговірних робіт зазначена окремо у кожному звіті. У більшості з них здобувач був відповідальним виконавцем.

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), 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 міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (1997 р.), науково-технічній раді відділу перспективи Фельбенського заводу поліграфічних машин фірми "Мuller Martini" (Швейцарія, 1995...1998 рр.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 41 наукову працю: 18 статей в наукових збірниках та журналах (з них 12 - одноосібно), тези 15 (11) доповідей на конференціях різних рівнів, зміст яких не розкритий в подальших статтях, отримано 7 авторських свідоцтв і один Європатент.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації 407 с., з них: ілюстрації - 43 с., додатки - 20 с., список використаних джерел (167 найменувань) - 17 с.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито стан наукового завдання, обгрунтовано актуальність роботи, визначено мету та задачі дослідження, показано наукову новизну матеріалів роботи, описано структуру дисертації та основні положення, які виносяться на захист.

У першому розділі проаналізовано наукові праці та дослідження вітчизняних і зарубіжних 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).

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

Розглянуто 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 залежно від виду паперу, з якого виготовлені книжкові блоки та згідно поставлених вимог щодо точності та якості обрізування. На рис.1 зображена принципова схема пристрою для обрізування блоків БРІ. Книжковий блок 1 транспортером 2 подається в зону закріплених на плитах 3 основного 4 і допоміжного 5 БРІ. Технологічно необхідне зусилля затискування блоків забезпечується транспортером 2.

Рис.1. Принципова схема пристрою для безвистійного обрізування книжкових блоків багатолезовим різальним інструментом

Конструкція складаного з окремих ножів 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 складаного БРІ забезпечують якісне дорізування підошви блока, товщина якої наближено дорівнює 1,5…3 мм. Змінюючи геометричні параметри як лез, так і БРІ у цілому можна з високою вірогідністю прогнозувати силові та якісні показники процесу обрізування.

Аналітичним шляхом 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.

Розроблено методику автоматизованого проектування БРІ та окремих ножів, з яких він складається. Проектування ведеться згідно програм, складених з урахуванням рекомендацій щодо геометричних пара-

Рис.2. Залежність дійсних кутів різання бр від глибини h різання при змінюваних ? (а) і R (б)

метрів БРІ, розроблених на основі результатів аналітичних і експериментальних досліджень.

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 (з огляду на поставлені вимоги) є крива, яка відповідає оберненій параболі “ОП-0,1”.

Розроблена методика проектування дозволяє оперативно виконати: розрахунок БРІ довільної конструкції; 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, фізичної суті 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” розрізаних частин паперу 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 геометричних розмірів книжкових блоків.

Третій розділ роботи “Розрахунок системи транспортування блоків у машині для безвистійного обрізування (МБО) книжково-журнальних блоків” присв'ячений 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.

Необхідні для проведення вказаних розрахунків вихідні параметри: сили різання та затискування блоків транспортувальним органом - визначалися за розробленими автором методиками. Зокрема, під час розрахунків сил різання процес обрізування книжкового блока (рис. 4.) 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

Рис.3. Блок-схема алгоритму проектування багатолезового

різального інструмента

інструмента 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 ;

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

- 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 ).

Загальний час різання

, (1)

де = x + x5 - загальна довжина технологічної зони машини, яка містить складові х = х0 + х1 + х2 + х3 +х4 і залежить від параметрів БРІ (ця сума, незалежно від формату, є сталою);

х5 - змінна складова (залежить від товщини і формату блоків);

Vтр - швидкість транспортування блоків.

Використовуючи системи символьної математики “Mathcad 7” та електронних таблиць “Excel” [35,57], аналітично визначені 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(t) = f(PS (t)) , (2)

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

РS - сила опору транспортуванню блока

РS =Pгор + Pвер Ч f2 + Pлоб Ч 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 РS max.

Технологічно необхідне для якісного і точного обрізування зусилля затискування книжкового блока Fзат = Fтр max / fз , де fз - коефіцієнт тертя між блоком і пасами транспортера.

Тоді загальне зусилля транспортування FтрS = Fтр + Fзат Чf2 .

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 ефекта круглення 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 антифрикційним шаром 4. Для забезпечення надійного зчеплення паса з блоком гладкий бік паса покритий фрикційним шаром 5.

Під час проведення затиснутих блоків транспортером через різальну секцію обидва паси зазнають змінних за величиною розтягувальних деформацій. У роботі проведено розрахунок динамічних навантажень на паси. Розглянуто усталений режим роботи машини для обрізування книжкових блоків, при якому блоки в технологічну зону машини подаються з певним кроком (500 мм). При цьому під час обрізування на робочій вітці транспортера одночасно можуть знаходитися три блоки.

Рис. 5. Схема конструкції напрямної паса з пневмопіддувом

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). У цей момент книжковий блок 1 знаходиться в зоні стабільного різання (кількість лез, задіяних у обрізуванні - стала); 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

Рис.6. Схема розміщення блоків на робочій вітці транспортера

від веденого шківа транспортувальної системи. х *1 … 3 - відстань від веденого шківа до центра маси відповідно третього, другого і першого блоків; l1 - відстань від веденого шківа до третього блока; l2 і l3 - відстань між блоками; L - відстань між шківами пасового транспортера.

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 , mі (і=1, 2, 3, 4) - коефіцієнти жорсткості і лінійного опору пружних ланок; Рі (і=1, 2, 3) - технологічні навантаження; хі (і=1, 2, 3) - координати положення 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) х* показана на рис.8. Для розрахунку навантажень елементів системи транспортування блоків приймався коефіцієнт тертя пасів по напрямних (з пневмопіддувом) k1 = 0,01, величина якого визначена під час проведення експериментальних досліджень дослідного зразка машини на заводі фірми “Мuller Маrtini” (без пневмопіддуву k1 = 0,15).

У подальших розрахунках коефіцієнт лінійного опору m0 враховує як внутрішнє, так і зовнішнє (по напрямних) тертя паса .

Внутрішні сили пружних ланок механічної системи визначаємо як

(і = 1, 2, 3, 4), (4)

де - сили пружності, (i = 1, 2, 3, 4) - сили лінійного опору, де еi , хi - відносні деформації ділянок транспортерів і їх похідні за часом; с0 , m0 - жорсткість і коефіцієнт лінійного опору ділянки транспортерів 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; l10 , l40 - початкові довжини збіжної та набіжної ділянок паса.

Диференціюючи функції (5) за часом, отримуємо

(6)

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

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

(7)

Згідно з принципом Даламбера, рівняння руху для трьох одночасно обрізуваних книжкових блоків записуємо у вигляді

(8)

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

Задавши початкові умови для проведення обчислень та виконавши розрахунок початкових переміщень, отримаємо систему нелінійних диференціяльних рівнянь, котра описує динамічні процеси у механічній системі робочої вітки транспортерів.

, (9)

де - рівняння руху механічної системи.

За розробленою методикою проведено аналітичні дослідження зусилля та швидкості транспортування, що виникають під час обрізування одночасно 3-х блоків, які переміщуються з кроком 500 мм, а також зміни крутного момента на приводному 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-гим блоками, 2-им і 3-ім блоками та після 3-го блока. Одночасно визначено зміну швидкості транспортування блоків (відповідно 1-го, 2-го та 3-го).

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).

Фрагменти результатів розрахунків показані у вигляді графіків на рис.9 і 10. З рис.9 видно, що на величину зусилля транспортування (тягового зусилля) у ведучій ланці (між ведучим шківом і 1-им блоком)

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

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 момента на головному валі аналогічні характеру зміни зусилля транспортування.

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 порівняль-

Рис.10. Швидкість транспортування першого блока

ного критеріального аналізу запропоновано пристрій на основі однобічних зубчастих пасів (рис.11, с), який працює таким 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.

Розроблено методику розрахунку цього пристрою, за якою розраховується спочатку площа затискувачів 3 (a і b - відповідно їх довжина і ширина)

, (10)

де d - напруження деформації стиску блока;

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

, (11)

де m - маса книжкового блока;

f1 - коефіцієнт тертя блока по столу;

g - прискорення вільного падіння;

f - коефіцієнт тертя в затискувачах;

Кз - коефіцієнт запасу;

Рис.11. Схеми пристроїв для зміни напрямку руху блоків із збереженням їх орієнтації у просторі

н - швидкість транспортування блока;

r - радіус повороту блока.

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 значній за об'ємом 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 обгрунтованих 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 БРБ120, 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.

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

Встановлено низку оптимальних конструктивних параметрів:

·

· кут атаки леза повинен бути у межах ? =13…180, при чому більші значення слід використовувати для лез із закругленою вершиною;

· радіус закруглення вершин лез, який для досліджуваних видів паперу повинен бути у межах r = 1…3 мм. При цьому закруглення вершини леза в усіх випадках призводить до зменшення горизонтальної і збільшення вертикальної складових сили різання. Для блоків, виготовлених з м'яких видів паперу, слід приймати радіус закруглення r = 3 мм;

· фактичну глибину різання h' БРІ, яка відрізняється від глибини різання одиничним лезом, заданої положенням леза стосовно блока. Встановлено причини такої трансформації і виявлено, що на величину h' суттєво впливає форма вершини леза, його гострота, властивості паперу, товщина блока тощо. В усіх випадках h'< h;

· швидкість подачі книжкових блоків незначно впливає на величину технологічного опору (сили різання);

· зростання сил різання корінцевої частини блоків, скріплених термоклеєм, на 30…40% (стосовно одного леза). Спостерігається налипання клею на леза БРІ, а тому для запобігання такому явищу рекомендовано періодичне (через 2…5 блоків) нанесення на леза БРІ клеєвідштовхувальної рідини;

· взаємозв'язок між зусиллям затискування блока та його товщиною, видом паперу, з якого виготовлений блок та швидкістю його подачі. Наведені у роботі залежності дозволяють визначити зусилля затискування залежно від змінних параметрів. Крім того, виявлено, що при подачі блоків із швидкістю меншою 0,3 м/с виникає потреба не лише у збільшенні зусилля їх затискування, але й спостерігається погіршення якості обрізу;

· доцільну довжину крайки леза l = 13…16 мм. При зменшенні цього параметра l < 13 мм суттєво зростають сили різання і, відповідно, зусилля затискування блока. Збільшення довжини крайки леза l > 16 мм призводить до збільшення як довжини БРІ, так і габаритів машини;

· доцільну кількість блоків, які обрізуються одночасно. Виявлено, що за допомогою БРІ можна обрізувати безперервний потік блоків. У цьому випадку сили різання і, відповідно, зусилля транспортування блоків є максимальними. Тому, беручи до уваги те, що у брошурувально-палітурному виробництві подача блоків здійснюється з певним інтервалом, то його слід дотримувати і у різальній секції;

· 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 енергоємким (з-поміж V-подібного лінійного, фасонного та лінійного БРІ). Проте, за усіма іншими параметрами - якістю обрізування, продуктивністю та габаритами він переважає аналоги;

· незначний вплив зміни швидкості руху блоків (у досліджуваному діапазоні швидкостей V = 0,5…2,7 м/с) на зусилля різання.

Автором зроблено висновок про достатність цих параметрів для проектування БРІ.

Другою важливою складовою частиною експериментальних досліджень є система подачі 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 круглення 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 момента М на приводному валі пасових транспортерів під час 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 момента М на приводному валі, а дійсні значення Рг і М різняться у межах 7…9 %.

За результатами досліджень встановлено наступне:

·

· визначено частоту подачі блоків залежно від швидкості руху транспортера та формату блока;

· зміна товщини блока (при одному форматі) у межах 10…36 мм незначно впливає на зміну величини горизонтальної складової сили різання;

· величина і характер зміни горизонтальної складової сили різання, одержані експериментальним шляхом, близькі до отриманих аналітично;

· зміна моментів на приводному валі пасових транспортерів залежно від швидкості транспортування блоків, їх товщини та довжини близька до розрахункових значень.

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

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

У шостому розділі дисертації описано методику і результати досліджень процесу обрізування КЖБ інструментом, крайка леза якого коливається з ультразвуковою частотою 20 кГц (амплітуда коливань А = 19 мкм). Дослідження проводилися на експериментальній секції, встановленій на агрегаті “Binder” за розробленою автором методикою. Необхідні для досліджень різальні інструменти (виготовлені згідно розроблених автором креслень), ультразвуковий магнітострикційний перетворювач і генератор були поставлені фірмою “Telsonic” (Швейцарія). Ширина леза ножа складала 50 мм, кут загострення ? = 150 .

У роботі наведений ілюстративний матеріал, який показує недостатню ефективність “ультразвукового” обрізування книжкових блоків. Зокрема, аналітичні та експериментальні дослідження засвідчили, що при амплітуді коливань крайки леза А = 19 мкм з частотою 20 кГц якісне обрізування можливе за умови швидкості подачі блоків не більше 0,5 м/с. Крім того, вартість апаратури та інструментів ставить під сумнів доцільність використання “ультразвукових” інструментів у перспективі.

ВИСНОВКИ

1. Для обрізування книжкових блоків, журналів та брошур з трьох боків використовують устаткування циклічної дії, механічна швидкість яких не перевищує 100 ц/хв. Для сумісної роботи таких машин у складі сучасних автоматизованих потокових ліній їхню швидкість необхідно збільшити принаймі у 1,5...3 рази. Проте, через наявність вистоювання блока під час обрізування, значні технологічні та інерційні навантаження, досягти вказаного збільшення швидкості неможливо. На цій основі сформульовано науково-прикладну проблему: необхідність розробки високошвидкісних операційних машин та секцій потокових ліній для безвистійного обрізування блоків з трьох боків.

2. Робота грунтується на численних експериментальних дослідженнях, проведених на чотирьох стендах і двох дослідних зразках машин, які спроектовані за участю та під керівництвом автора. Цими дослідженнями встановлені, необхідні для проектування високошвидкісних пристроїв для обрізування блоків, геометричні параметри різальних інструментів, транспортерів та засобів для зміни напрямку переміщення блоків зі збереженням початкового положення у просторі. Вірогідність результатів експериментальних досліджень підтверджена відповідними актами. За результатами попередніх досліджень спроектовано і виготовлено (Ходорівським заводом ПМ) дослідний зразок вітчизняної машини для безвистійного обрізування блоків БРБ-120.

Аналітична частина роботи поглиблює знання про процес різання паперу (насамперед багатолезовим інструментом), розкриває суть і неминучість коливань натягування транспортувальних пасів, показує шляхи їх мінімізації на етапі проектування.

3. Науково-прикладною концепцією цього дослідження є створення наукових основ і методів розробки пристроїв для безвистійного обрізування книжково-журнальних блоків. Це забезпечує, при вибраній