基于CFD的凹印機(jī)冷卻輥隨動(dòng)性能研究

武秋敏,武吉梅,王 硯,陳允春

(1.西安理工大學(xué)印刷包裝與數(shù)字媒體學(xué)院,陜西西安710048;2.西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)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(shí)而在包裝印刷領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。在印刷過(guò)程中,當(dāng)一個(gè)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(jìn)入下一色組印刷。烘箱中的高溫使料膜產(chǎn)生熱脹,此時(shí)進(jìn)行印刷就會(huì)造成套印不準(zhǔn)、圖文變形等問(wèn)題[2]。為此,需在干燥裝置后加裝冷卻裝置對(duì)經(jīng)過(guò)高溫干燥的卷筒承印材料進(jìn)行降溫冷卻。冷卻輥是應(yīng)用在凹印機(jī)和淋膜機(jī)械中最常見(jiàn)的冷卻裝置。

近年來(lái),很多學(xué)者對(duì)冷卻輥的結(jié)構(gòu)及冷卻性能進(jìn)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(guò)建立方程的方法對(duì)冷卻輥溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算分析。2003年,陳群[4]采用計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)冷卻水套的性能進(jìn)行了建模分析與研究。2004年,楊云等[5]對(duì)水冷卻輥的關(guān)鍵加工技術(shù)及工藝參數(shù)進(jìn)行了總結(jié)。2008年,陳洪冰等[6]從制造工藝方面研究了層流冷卻輥的動(dòng)態(tài)性能,研制了新型噴焊層材料,并對(duì)其硬度性能及組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析研究。熊文等[7]以高溫相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)為研究對(duì)象,建立了儲(chǔ)熱室隔熱壁的有限元分析模型,對(duì)比了儲(chǔ)熱室的隔熱性能,仿真計(jì)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(duì)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(duì)冷卻輥進(jìn)行了溫度場(chǎng)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(guān)系。2016年,陳北榮等[10]根據(jù)冷卻輥在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的故障現(xiàn)象,對(duì)冷卻輥的性能進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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(jìn)水一端出水式冷卻方式,整體質(zhì)量較大,高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)筒體易產(chǎn)生振動(dòng)。在升降速和啟動(dòng)的過(guò)程中,與主機(jī)的隨動(dòng)性較差,表面溫度不均勻。圖2為設(shè)計(jì)的新型噴淋式冷卻輥。本文基于CFD方法,通過(guò)建立新舊冷卻輥的Moving Mesh模型,對(duì)其隨動(dòng)性能進(jìn)行數(shù)值對(duì)比與分析。

圖1 傳統(tǒng)冷卻輥工作原理簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jì)算數(shù)學(xué)模型[12],流場(chǎng)中的網(wǎng)格區(qū)域至少有兩個(gè),區(qū)域間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)界面以數(shù)據(jù)連接和傳遞關(guān)系連接在一起[13-14]。為分析冷卻輥在啟動(dòng)和升降速過(guò)程中達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間,通過(guò)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(dòng)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(shè)定:轉(zhuǎn)動(dòng)速度為15.43 rad/s,鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為202.4 W/(m·K),紙張的導(dǎo)熱系數(shù)為0.08 W/(m·K),水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.6 W/(m·K)。

3) 交界面設(shè)置。本文選用非正則的interface設(shè)置方法,選擇兩個(gè)交接面,分別建立interface_in和interface_out傳導(dǎo)模式,液固表面?zhèn)鲗?dǎo)數(shù)據(jù)的形式選擇為耦合,見(jiàn)圖3。

圖3 交界面設(shè)置Fig.3 Interface setting

4) 迭代計(jì)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(zhuǎn)動(dòng)與時(shí)間相關(guān),其計(jì)算結(jié)果可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)冷卻輥引起廢品率較低[16-17]。設(shè)冷卻輥的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為:ω=15.43 rad/s,則冷卻輥的轉(zhuǎn)動(dòng)周期為:T=2π/ω=0.42 s。

圖4和圖5分別為經(jīng)過(guò)20個(gè)周期8.4s后溫度云圖和散點(diǎn)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(guò)20個(gè)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(jìn)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(dá)到印刷的要求。

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

圖5 冷卻輥溫度分布散點(diǎn)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(diǎn)圖(t=12.6 s)Fig.6 The cloud and scatter spot of the temperature distribution (t=12.6 s)

綜上對(duì)比分析可知,噴淋式冷卻輥在相同的外部條件下,達(dá)到適合印刷的溫度分布所用的時(shí)間比傳統(tǒng)冷卻輥少用4.2 s,即10個(gè)周期。這樣在印刷機(jī)升降速和啟動(dòng)的過(guò)程中,噴淋式冷卻輥可以在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)料膜進(jìn)行冷卻,即具有較高的主機(jī)隨動(dòng)性能,減少了材料浪費(fèi)。

3 冷卻輥隨動(dòng)性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

冷卻輥在穩(wěn)定工作狀態(tài)下與主機(jī)的隨動(dòng)性能通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算隨動(dòng)比進(jìn)行評(píng)價(jià)。

本文的實(shí)驗(yàn)在青島人民印刷有限公司FR300ELS凹印機(jī)上進(jìn)行,機(jī)器印刷的速度為110 m/min。冷卻輥轉(zhuǎn)動(dòng)速度的測(cè)定采用M156571型閃光非接觸式測(cè)速儀進(jìn)行測(cè)量,冷卻輥表面溫度測(cè)定采用非接觸式Raytek紅外測(cè)溫儀進(jìn)行測(cè)量。

安裝完畢的傳統(tǒng)冷卻輥見(jiàn)圖7,噴淋式冷卻輥的實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖8。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得傳統(tǒng)與噴淋式冷卻輥隨動(dòng)性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)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(hào)冷卻輥速度/rps傳統(tǒng)噴淋式達(dá)到平均速度所需時(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算可知,傳統(tǒng)冷卻輥與主機(jī)的隨動(dòng)性達(dá)到95.2%,穩(wěn)定時(shí)的平均速度為0.399 8±0.005 rad/s,達(dá)到穩(wěn)定速度時(shí)所需的時(shí)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(jī)的隨動(dòng)性達(dá)到98.9%,穩(wěn)定時(shí)的平均速度大約為0.417±0.005 rad/s,達(dá)到穩(wěn)定速度時(shí)所需的時(shí)間為7.88 s,可以滿足高檔印刷品對(duì)冷卻輥隨動(dòng)性的要求。

4 結(jié) 論

本文利用流體分析的Moving Mesh模型理論,對(duì)傳統(tǒng)和噴淋式冷卻輥與主機(jī)的隨動(dòng)性能進(jìn)行了仿真計(jì)算分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明,噴淋式冷卻輥達(dá)到適合印刷的溫度范圍時(shí)所用的時(shí)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(jī)的隨動(dòng)性能好,能更好地降低能耗和減少材料浪費(fèi);實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,傳統(tǒng)冷卻輥與主機(jī)的隨動(dòng)性達(dá)到95.2%,達(dá)到穩(wěn)定速度時(shí)所需的時(shí)間為11.69 s。噴淋式冷卻輥與主機(jī)的隨動(dòng)性達(dá)到98.9%,達(dá)到穩(wěn)定速度時(shí)所需的時(shí)間為7.88 s。噴淋式冷卻輥能更好地滿足高檔印刷品對(duì)隨動(dòng)性的要求,解決了傳統(tǒng)冷卻輥與主機(jī)的隨動(dòng)性差,冷卻效率低的問(wèn)題。