武秋敏,武吉梅,王 硯,陳允春

(1.西安理工大學印刷包裝與數(shù)字媒體學院,陜西西安710048;2.西安理工大學土木建筑工程學院,陜西西安710048)

凹版印刷因其印刷速度高、印品墨色飽滿厚實而在包裝印刷領域得到廣泛應用[1]。在印刷過程中,當一個色組印刷完成后,料膜表面的印刷油墨尚未干燥,需經(jīng)高溫烘箱干燥后才能進入下一色組印刷。烘箱中的高溫使料膜產(chǎn)生熱脹,此時進行印刷就會造成套印不準、圖文變形等問題[2]。為此,需在干燥裝置后加裝冷卻裝置對經(jīng)過高溫干燥的卷筒承印材料進行降溫冷卻。冷卻輥是應用在凹印機和淋膜機械中最常見的冷卻裝置。

近年來,很多學者對冷卻輥的結構及冷卻性能進行了研究。1982年,龐云舟等[3]在不考慮冷卻條件的情況下,通過建立方程的方法對冷卻輥溫度場進行了計算分析。2003年,陳群[4]采用計算流體力學的方法對冷卻水套的性能進行了建模分析與研究。2004年,楊云等[5]對水冷卻輥的關鍵加工技術及工藝參數(shù)進行了總結。2008年,陳洪冰等[6]從制造工藝方面研究了層流冷卻輥的動態(tài)性能,研制了新型噴焊層材料,并對其硬度性能及組織結構進行了分析研究。熊文等[7]以高溫相變儲熱系統(tǒng)為研究對象,建立了儲熱室隔熱壁的有限元分析模型,對比了儲熱室的隔熱性能,仿真計算了隔熱壁的溫度分布。2014年,Fu等[8]研究了冷卻水溫及輥速對冷卻輥熱傳遞性能的影響。2015年,郭茜等[9]采用有限元分析方法對冷卻輥進行了溫度場數(shù)值分析,研究了冷卻輥表面溫度與輥厚、輥外徑及冷卻輥速度之間的關系。2016年,陳北榮等[10]根據(jù)冷卻輥在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的故障現(xiàn)象,對冷卻輥的性能進行了優(yōu)化設計。

1 Moving Mesh模型的建立

圖1為傳統(tǒng)冷卻輥的原理圖[11],它采用一端進水一端出水式冷卻方式,整體質(zhì)量較大,高速運轉時筒體易產(chǎn)生振動。在升降速和啟動的過程中,與主機的隨動性較差,表面溫度不均勻。圖2為設計的新型噴淋式冷卻輥。本文基于CFD方法,通過建立新舊冷卻輥的Moving Mesh模型,對其隨動性能進行數(shù)值對比與分析。

圖1 傳統(tǒng)冷卻輥工作原理簡圖Fig.1 Diagram of working principle of traditional chill roller

圖2 噴淋式新型冷卻輥工作原理簡圖Fig.2 Diagram of working principle of the new spraying type chill roller

Moving Mesh模型是一種非定常計算數(shù)學模型[12],流場中的網(wǎng)格區(qū)域至少有兩個,區(qū)域間通過網(wǎng)絡界面以數(shù)據(jù)連接和傳遞關系連接在一起[13-14]。為分析冷卻輥在啟動和升降速過程中達到穩(wěn)定所需要的時間,通過以下步驟建立Moving Mesh模型。

1) 在Solver(求解器)面板中選擇非定常流動格式。

2) 定義邊界條件:交界面定義為interface;在流體或固體面板中選擇moving mesh,設定:轉動速度為15.43 rad/s,鋁的導熱系數(shù)為202.4 W/(m·K),紙張的導熱系數(shù)為0.08 W/(m·K),水的導熱系數(shù)為0.6 W/(m·K)。

3) 交界面設置。本文選用非正則的interface設置方法,選擇兩個交接面,分別建立interface_in和interface_out傳導模式,液固表面?zhèn)鲗?shù)據(jù)的形式選擇為耦合,見圖3。

圖3 交界面設置Fig.3 Interface setting

4) 迭代計算和數(shù)據(jù)保存。

2 Moving Mesh模型數(shù)據(jù)分析

Moving Mesh模型的轉動與時間相關,其計算結果可實時監(jiān)測空間位置的變化和溫度數(shù)據(jù)[15]。冷卻輥適合印刷的溫度分布范圍是298～330 K之間,此時冷卻輥引起廢品率較低[16-17]。設冷卻輥的轉動速度為:ω=15.43 rad/s,則冷卻輥的轉動周期為:T=2π/ω=0.42 s。

圖4和圖5分別為經(jīng)過20個周期8.4s后溫度云圖和散點圖。

圖4 冷卻輥溫度分布云圖(t=8.4 s)Fig.4 The temperature distribution of cooling roller (t=8.4 s)

由圖4可知,經(jīng)過20個周期后,噴淋式冷卻輥表面溫度分布均勻,且溫度范圍集中分布在325～330 K之間,完全滿足印刷的要求,可進行正常冷卻;傳統(tǒng)冷卻輥的表面溫度逐漸趨向均勻,但尚未達到印刷的要求。

圖6為經(jīng)過30個周期12.6 s后傳統(tǒng)冷卻輥表面溫度分布的云圖和散點圖。由圖6可以看出,經(jīng)過30個周期后傳統(tǒng)冷卻輥的表面溫度達到320～330 K之間,分布較均勻,達到了印刷的溫度要求。

圖5 冷卻輥溫度分布散點圖(t=8.4 s)Fig.5 The scatter plot of temperature distribution (t=8.4 s)

圖6 溫度云圖和散點圖(t=12.6 s)Fig.6 The cloud and scatter spot of the temperature distribution (t=12.6 s)

綜上對比分析可知,噴淋式冷卻輥在相同的外部條件下,達到適合印刷的溫度分布所用的時間比傳統(tǒng)冷卻輥少用4.2 s,即10個周期。這樣在印刷機升降速和啟動的過程中,噴淋式冷卻輥可以在較短時間內(nèi)對料膜進行冷卻,即具有較高的主機隨動性能,減少了材料浪費。

3 冷卻輥隨動性實驗驗證

冷卻輥在穩(wěn)定工作狀態(tài)下與主機的隨動性能通過實驗計算隨動比進行評價。

本文的實驗在青島人民印刷有限公司FR300ELS凹印機上進行,機器印刷的速度為110 m/min。冷卻輥轉動速度的測定采用M156571型閃光非接觸式測速儀進行測量,冷卻輥表面溫度測定采用非接觸式Raytek紅外測溫儀進行測量。

安裝完畢的傳統(tǒng)冷卻輥見圖7,噴淋式冷卻輥的實驗裝置見圖8。通過實驗測得傳統(tǒng)與噴淋式冷卻輥隨動性的實驗數(shù)據(jù)見表1。

圖7 傳統(tǒng)冷卻輥Fig.7 Traditional cooling roller

圖8 噴淋式冷卻輥Fig.8 Spray cooling roller

序號冷卻輥速度/rps傳統(tǒng)噴淋式達到平均速度所需時間/s傳統(tǒng)噴淋式10.3990.41511.57.620.4020.41511.87.930.4110.41711.68.040.4060.42011.68.150.3810.41811.57.8

由實驗數(shù)據(jù)計算可知,傳統(tǒng)冷卻輥與主機的隨動性達到95.2%,穩(wěn)定時的平均速度為0.399 8±0.005 rad/s,達到穩(wěn)定速度時所需的時間為11.69 s。僅能滿足一般印刷的需求;噴淋式冷卻輥與主機的隨動性達到98.9%,穩(wěn)定時的平均速度大約為0.417±0.005 rad/s,達到穩(wěn)定速度時所需的時間為7.88 s,可以滿足高檔印刷品對冷卻輥隨動性的要求。

4 結 論

本文利用流體分析的Moving Mesh模型理論,對傳統(tǒng)和噴淋式冷卻輥與主機的隨動性能進行了仿真計算分析和實驗驗證。仿真結果表明,噴淋式冷卻輥達到適合印刷的溫度范圍時所用的時間更短(傳統(tǒng)冷卻輥需要12.3 s,噴淋式冷卻輥需要8.2 s),與主機的隨動性能好,能更好地降低能耗和減少材料浪費;實驗結果表明,傳統(tǒng)冷卻輥與主機的隨動性達到95.2%,達到穩(wěn)定速度時所需的時間為11.69 s。噴淋式冷卻輥與主機的隨動性達到98.9%,達到穩(wěn)定速度時所需的時間為7.88 s。噴淋式冷卻輥能更好地滿足高檔印刷品對隨動性的要求,解決了傳統(tǒng)冷卻輥與主機的隨動性差,冷卻效率低的問題。