單張紙印刷機(jī)理紙部紙張的空氣動(dòng)力學(xué)分析與機(jī)構(gòu)優(yōu)化

李雙芝，武吉梅，唐嘉輝

單張紙印刷機(jī)理紙部紙張的空氣動(dòng)力學(xué)分析與機(jī)構(gòu)優(yōu)化

李雙芝1，武吉梅2，唐嘉輝2

（1.煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264670；2.西安理工大學(xué) 印刷包裝與數(shù)字媒體學(xué)院，西安 710054）

提高單張紙印刷機(jī)理紙機(jī)構(gòu)的理紙效率，使紙張快速、平穩(wěn)地降落到收紙臺(tái)上，從而提高整個(gè)印刷機(jī)的工作速度。本文從空氣動(dòng)力學(xué)的角度，對(duì)單張紙印刷機(jī)高速運(yùn)行狀態(tài)下待收的紙張進(jìn)行受力分析，構(gòu)建單張紙印刷機(jī)理紙機(jī)構(gòu)氣流的空氣動(dòng)力學(xué)模型，用于指導(dǎo)理紙機(jī)構(gòu)的優(yōu)化。提出了基于空氣動(dòng)力學(xué)分析的膠印機(jī)理紙機(jī)構(gòu)優(yōu)化思路，對(duì)南京造幣公司J20型印刷機(jī)的理紙機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的機(jī)構(gòu)理紙故障率減少了30%左右。該研究對(duì)印刷機(jī)理紙機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化開創(chuàng)了一個(gè)新的思路，此優(yōu)化設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)收紙故障率明顯降低。

理紙機(jī)構(gòu)；紙張；空氣動(dòng)力學(xué)；射流

單張紙平版印刷機(jī)是印刷工業(yè)的骨干設(shè)備，廣泛應(yīng)用于書刊印刷、新聞出版印刷、包裝印刷、辦公印刷和短版商業(yè)印刷等諸多領(lǐng)域[1]。目前，單張紙印刷機(jī)的工作速度基本都可達(dá)到15 000～20 000張/h[2]。然而最近十幾年，單張紙印刷機(jī)速度的提高明顯遇到了瓶頸。究其原因，作者認(rèn)為，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于印刷機(jī)速度提高研究的重點(diǎn)，大多局限在機(jī)構(gòu)原理的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)上，而對(duì)制約速度提高的自身以外其他因素，如紙張的快速有效堆積等研究不夠。

收紙機(jī)構(gòu)是印刷機(jī)的最后工作單元，其主要作用是承接壓印滾筒上過來的印品，利用傳送裝置把印品送到收紙臺(tái)上完成印刷。目前，常見的單張紙印刷機(jī)收紙裝置包括傳紙滾筒、傳紙機(jī)構(gòu)（傳紙鏈條、叼紙牙排、導(dǎo)軌等）、理紙機(jī)構(gòu)、收紙臺(tái)等部位。收紙臺(tái)上的理紙機(jī)構(gòu)也稱為齊紙機(jī)構(gòu)，作用是把落到收紙臺(tái)上的印張整理平齊，其組成包括前齊紙擋板、側(cè)齊紙擋板、后擋紙板、紙張制動(dòng)輥、壓紙風(fēng)扇等，前齊紙擋板前后輕幅度地?cái)[動(dòng)，后擋紙板固定不動(dòng)，共同將紙堆的前后理齊。側(cè)齊紙板分左右2塊，它們做往復(fù)相向運(yùn)動(dòng)，將紙堆的兩側(cè)推齊。紙張制動(dòng)輥是吸氣減速裝置，主要由吸氣制動(dòng)輥、吸氣座、氣量調(diào)節(jié)圈等機(jī)構(gòu)組成，目的是降低隨收紙叼牙排傳輸?shù)挠埖乃俣?。紙張脫離印刷機(jī)收紙叼牙排進(jìn)入理紙狀態(tài)后，紙張?jiān)谙侣溥^程中，在受到理紙機(jī)構(gòu)部件機(jī)械作用的同時(shí)，壓紙風(fēng)扇吹向紙張的風(fēng)力直接作用于紙張，側(cè)理紙的軸流風(fēng)機(jī)抽出紙下的空氣形成的吸力也直接作用于紙張。此時(shí)，紙張的初始狀態(tài)、相關(guān)機(jī)構(gòu)的吹吸力、外界空氣的作用力等對(duì)收紙效率是起決定性作用的。

單張紙印刷機(jī)收紙機(jī)構(gòu)是制約收紙效率的一個(gè)重要因素。國(guó)內(nèi)學(xué)者魯文行等[3]、馮平[4]在收紙鏈條機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能上都進(jìn)行了高水平的研究。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)脫離機(jī)構(gòu)直接控制紙張下落狀態(tài)的分析研究卻寥寥無幾。上海交通大學(xué)的張百靈[5]研究了空氣阻力影響送紙機(jī)構(gòu)的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。燕山大學(xué)的Pang等[6]研究了輕質(zhì)物料空氣阻力的數(shù)值模擬。諸多學(xué)者的類似研究給筆者的工作提供了思路和參考。本文通過對(duì)紙張?jiān)谑占埐课贿M(jìn)行受力和空氣動(dòng)力學(xué)分析，為設(shè)計(jì)高效的印刷機(jī)理紙機(jī)構(gòu)提供理論指導(dǎo)依據(jù)。

1 紙張進(jìn)入理紙狀態(tài)的空氣動(dòng)力學(xué)分析

圖1是收紙裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，可以看到，紙張脫離印刷機(jī)收紙叼牙后進(jìn)入理紙狀態(tài)，此時(shí)，紙張的下落狀態(tài)主要取決于空氣動(dòng)力受力情況。紙張質(zhì)量非常小，下落過程中會(huì)明顯受到空氣對(duì)其的浮力的作用。實(shí)踐證明，空氣的浮力對(duì)紙張的收齊影響是非常大的，這對(duì)高速印刷機(jī)的收紙是非常不利的。為了使紙張快速、平穩(wěn)地降落到收紙臺(tái)上，必須在紙張的上方添加強(qiáng)制力，克服下落過程中的浮力，達(dá)到紙張快速降落的目的。添加強(qiáng)制力的工程方法很多，國(guó)內(nèi)外通常的做法都是采用在印張上方設(shè)置若干壓紙吹風(fēng)風(fēng)扇，通過操作工人觀察理紙效果，決定打開風(fēng)扇的數(shù)目來控制風(fēng)量，理紙效果很差。

圖1 收紙裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

在J20型印刷機(jī)的設(shè)計(jì)中，采用了吹風(fēng)管吹風(fēng)壓紙的方法。其原理是把高壓風(fēng)泵吹出的空氣利用風(fēng)管導(dǎo)入收紙臺(tái)上方，在風(fēng)管靠近紙張一側(cè)開出小孔，把高壓空氣噴向紙張。從小孔噴出的氣流在這里稱之為空氣射流，如圖2所示。

圖2 空氣射流示意圖

1.1 空氣射流的淹沒效應(yīng)分析

從印刷機(jī)吹風(fēng)管小孔中噴出的射流介質(zhì)為空氣，射流周圍的空間介質(zhì)也是空氣，周圍的空氣在射流來到之前是靜止不動(dòng)的，射流到來之后就會(huì)被相同的介質(zhì)所淹沒，動(dòng)力學(xué)稱之為自由淹沒射流[7]。

如圖2所示，當(dāng)射流氣體以初始速度0從直徑為0的小孔中流出時(shí)，氣體質(zhì)點(diǎn)會(huì)發(fā)生不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，尤其是射流微團(tuán)的橫向脈動(dòng)速度使其與周圍介質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量和動(dòng)量交換，引起或帶動(dòng)周圍介質(zhì)的流動(dòng)，使射流質(zhì)量和寬度增加[8]。射流寬度加大，而射流氣體的速度會(huì)逐漸降低[9]，最后在這一空間介質(zhì)中射流的能量完全消失[10]。由于卷吸作用，射流能夠吸引外界流體進(jìn)入到其邊界范圍內(nèi)。根據(jù)其特點(diǎn)，將自由淹沒射流分成幾個(gè)區(qū)域：

1）轉(zhuǎn)折截面。氣體射流剛出吹風(fēng)管小孔時(shí)流速均勻，隨著射流流程的增加，沿射流向周圍的空氣會(huì)受作用不斷進(jìn)入，射流邊界會(huì)不斷增大，射流能量會(huì)逐漸下降，流速等于0的區(qū)域會(huì)不斷變小。通常把速度為0的邊界線稱為射流的外邊界，射流速度0不變的邊界稱為內(nèi)邊界，射流內(nèi)、外邊界之間的區(qū)域稱為射流邊界層區(qū)，自射流出口，內(nèi)邊界之間區(qū)域稱為射流核心區(qū)[11]。沿射流方向，核心區(qū)不斷縮小，最后只有射流中心軸線上的流速仍為0，把射流核心區(qū)消失的截面稱為轉(zhuǎn)折截面，在該截面之后射流中心軸線上的流速開始逐漸下降。

2）射流初始段和基本段。把射流出口至轉(zhuǎn)折截面的距離稱為流動(dòng)形成區(qū)，也叫射流初始段[11]，長(zhǎng)度為m，在該區(qū)域內(nèi)既有核心區(qū)又有邊界層區(qū)。在轉(zhuǎn)折截面之后的區(qū)域稱為射流基本段或完全發(fā)展流動(dòng)區(qū)。該區(qū)域完全為射流邊界層區(qū)所占據(jù)，射流中心軸線上的速度開始下降。

3）射流極點(diǎn)。射流外邊界的反向長(zhǎng)線交于點(diǎn)，稱為射流極點(diǎn)，它是吸風(fēng)管小孔內(nèi)部的一個(gè)幾何點(diǎn)，其到小孔口的距離為極點(diǎn)深度o。

4）射流基本段速度分布規(guī)律。由動(dòng)力學(xué)分析可知，自由淹沒射流中任一截面上橫向速度u遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軸向速度u，則u可忽略不計(jì)。故以下討論射流速度u時(shí)，均以代替，射流內(nèi)部流體的靜壓強(qiáng)等于周圍介質(zhì)的靜壓強(qiáng)[12]。

根據(jù)射流基本段中各截面流速分布幾何相似的假定，其相似條件見式（1）。

式中：max為射流中心軸線上的流速。射流段是相似的流速分布，其形態(tài)具有正態(tài)分布特征，見式（2）。

式中：1為待定常數(shù)。經(jīng)相關(guān)圓孔自由紊流射流研究結(jié)果可知[13]，式（1）、式（2）中的指數(shù)流速分布符合紊流射流中的實(shí)驗(yàn)流速分布，且有1=0.109，m=5.20，則有：

式中：0為初始時(shí)單位厚度上的流量；為射流總單位流量。對(duì)射流整個(gè)截面上流速進(jìn)行積分，則有：

1.2 射流的軸對(duì)稱分析

從印刷機(jī)吹風(fēng)管小孔中噴出的射流及其與周圍流體介質(zhì)的摻混也可以按照流動(dòng)對(duì)稱于射流的軸線來進(jìn)行分析。假設(shè)是徑向坐標(biāo)為處的流速，根據(jù)射流各斷面上縱向流速分布具有相似性的流速分布規(guī)律，利用如下邊界條件：

根據(jù)軸對(duì)稱射流運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)性方程可以得到流速分布的表達(dá)式見式（6）。

式（6）中，當(dāng)=0.019 4max時(shí)[13]，按照縱坐標(biāo)的原點(diǎn)是從相似形幾何原點(diǎn)算起，可算出該原點(diǎn)到孔射流截面的距離為0.6。

式（6）的計(jì)算結(jié)果與圓形紊流射流的假設(shè)結(jié)果極為相符，以/max為縱坐標(biāo)，以/為橫坐標(biāo)，可以得到所有截面上的流速分布曲線，如圖3所示。

圖3 流速分布曲線

因此在射流基本段內(nèi)流速分布見式（7）。

沿射流軸線上流速變化見式（8）。

當(dāng)=6.40時(shí)，射流從初始段變?yōu)榛径?，所以射流初始?/p>

圖3同時(shí)也表明射流的流速分布與正態(tài)分布非常接近。

1.3 射流的附壁效應(yīng)分析

由于印刷機(jī)中存在兩側(cè)機(jī)幫，機(jī)幫墻板內(nèi)壁面圍成的狹小空間會(huì)對(duì)吹風(fēng)管小孔噴出的射流產(chǎn)生限制，形成卷吸作用[14]。卷吸作用會(huì)降低射流周圍的壓強(qiáng)，使得周圍較遠(yuǎn)的空氣向射流低壓區(qū)流動(dòng)，以填補(bǔ)被射流卷吸走的氣體，如圖4所示。若射流距離兩側(cè)機(jī)幫的距離不等時(shí)，射流射出后會(huì)主要附在距離較近的機(jī)幫上流動(dòng)，使射流方向發(fā)生偏移，形成附壁效應(yīng)。如圖5所示。

圖4 卷吸作用示意圖

圖5 附壁效應(yīng)示意圖

由于主射流距兩側(cè)機(jī)幫的距離不等，較近者比較遠(yuǎn)者從外界補(bǔ)充空氣要困難一些，主射流的卷吸作用在同一時(shí)間被卷吸的流量應(yīng)等于沿機(jī)幫形成的附加流動(dòng)所補(bǔ)充的流量。射流在近幫側(cè)流速大而壓強(qiáng)小，在遠(yuǎn)幫側(cè)流速小而壓強(qiáng)大。由于壓強(qiáng)差的存在，射流會(huì)靠近近幫側(cè)，最后附在近側(cè)機(jī)幫壁上流動(dòng)。最終，在附壁點(diǎn)上游，射流和附著機(jī)幫之間形成了不斷卷吸又不斷回流的低壓渦流區(qū)。附壁效應(yīng)也會(huì)給紙張的正確收取帶來困難，這也是機(jī)構(gòu)優(yōu)化過程中需要考慮的問題。

圖6為利用Fluent軟件對(duì)吹風(fēng)管流場(chǎng)進(jìn)行仿真得到的中心截面處流速分布圖，圖7為吹風(fēng)管圓心出口處速度矢量分布圖。由圖6、圖7結(jié)果可以看出，仿真結(jié)果與本節(jié)中射流附壁效應(yīng)保持一致。

圖6 流速分布

圖7 速度矢量分布

2 理紙機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

根據(jù)上述的分析和計(jì)算，本文確定理紙機(jī)構(gòu)的優(yōu)化方向：保證紙張?jiān)谌魏吻闆r下都能達(dá)到機(jī)器需求的紙張下落速度；保證紙張平穩(wěn)下落；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)施，盡量不產(chǎn)生大改動(dòng)，避免引起其他問題。

2.1 調(diào)整吹風(fēng)管高度

本文設(shè)計(jì)的壓紙吹風(fēng)機(jī)構(gòu)的吹風(fēng)管采用的是支風(fēng)管小孔吹風(fēng)排列方式（見圖1）。因機(jī)器結(jié)構(gòu)的限制，吹風(fēng)管必須放在鏈排以上位置，如果把收紙高度考慮在內(nèi)，在開始收紙的某一段時(shí)間，收紙臺(tái)的位置就可能超出射流基本段，使到達(dá)紙張的風(fēng)速減小，導(dǎo)致對(duì)紙張的壓力減小，因此調(diào)整吹風(fēng)管高度可以使結(jié)果優(yōu)化。

圖8為吹風(fēng)管高度簡(jiǎn)圖，圓形出口射流的射出角為定值14.5°，按照?qǐng)D2可以計(jì)算出轉(zhuǎn)折截面的直徑為8.9 mm。根據(jù)圖8可知，兩射流孔間距為100 mm，所以，從轉(zhuǎn)折截面直至紙面，兩股射流互不干涉，保證了紙張的平穩(wěn)下落。

圖8 吹風(fēng)管高度簡(jiǎn)圖

從式（9）的計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)射流至7倍的射口直徑時(shí)，流速開始減小，壓紙吹風(fēng)管上的吹風(fēng)口直徑為5 mm，則在吹風(fēng)管下35 mm時(shí)，中心流速開始下降，吹風(fēng)效果開始變差。從圖8可以看出，吹風(fēng)管與紙張的距離為54.5 mm，因機(jī)器其他結(jié)構(gòu)的限制，無法降低，而這個(gè)距離已超出吹風(fēng)管射流的轉(zhuǎn)折截面，所以，僅通過調(diào)整吹風(fēng)管高度無法滿足壓紙要求。

圖9為仿真得到的射流中心流速與距離吹風(fēng)管高度變化的分布曲線圖。由圖9a中曲線變化趨勢(shì)可看出，射流噴出吹風(fēng)管后，流速迅速下降，隨后在距離吹風(fēng)管25～35 mm處流速穩(wěn)定，當(dāng)射流到達(dá)距離吹風(fēng)管35 mm后，流速開始下降。理論轉(zhuǎn)折截面與紙張表面的流速分布如圖9b—c所示。

2.2 吹風(fēng)管道光滑設(shè)計(jì)

經(jīng)計(jì)算分析，若條件允許，通過增加射流流速便可提高紙張壓力，使紙張快速下落。在氣源（風(fēng)泵）確定時(shí)，采用減少管路沿程阻力的方法可改變射流的出流狀態(tài)，比如減少管徑突變產(chǎn)生的碰撞損失（管徑半徑減?。┖蜏u流損失（管徑半徑增大）。由于慣性力的作用，氣流經(jīng)過彎道時(shí)，受彎道內(nèi)外側(cè)的增壓減壓形成流線分離，產(chǎn)生渦流損失。另外，空氣在彎道處的外側(cè)壓力大于內(nèi)側(cè)壓力，高壓部位氣流向低壓部位擠壓，會(huì)在截面方向產(chǎn)生回流，使管道內(nèi)氣流呈螺旋狀，產(chǎn)生較大的阻力，因此，保持彎曲過渡處內(nèi)部光滑和管徑不變都可以保證射流流速。

圖9 中心流速變化曲線及仿真

2.3 對(duì)紙張進(jìn)行反向加力

在側(cè)理紙部利用軸流風(fēng)機(jī)減少紙張下方的空氣量，軸流風(fēng)機(jī)持續(xù)的抽取，周圍的空氣就被壓向紙張的上方，補(bǔ)充了射流流量不足造成的對(duì)紙張壓力的欠缺，增加了紙張的壓力。還可以采用在頂部適當(dāng)增設(shè)壓紙風(fēng)扇的方法，補(bǔ)充紙張受到的吹風(fēng)壓力，減少附壁效應(yīng)，增強(qiáng)紙張平穩(wěn)降落的效率和穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

在以往理紙機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者通常只注重結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，然后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的優(yōu)劣進(jìn)行調(diào)整，但實(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)踐中，往往效果不理想。本文通過對(duì)J20型印刷機(jī)理紙狀態(tài)下紙張所受壓紙射流的空氣動(dòng)力進(jìn)行分析，給出了理紙機(jī)構(gòu)氣流設(shè)計(jì)優(yōu)化的計(jì)算方法和空氣動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)本文提出的原理和模型，對(duì)理紙機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，理紙效果較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機(jī)型提高明顯。

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Aerodynamic Analysis and Optimization of Paper Arrangement Section in Sheet-fed Printing Press

LI Shuang-zhi1,WU Ji-mei2,TANG Jia-hui2

(1. Yantai Vocational College, Shandong Yantai 264670, China; 2. School of Printing, Packaging and Digital Media, Xi'an University of Technology, Xi'an 710054, China)

The work aims to improve the efficiency of the sheet-fed printing press, and make paper fall on the delivery table quickly and smoothly, so as to improve the speed of the press. From the perspective of aerodynamics, the force of the paper to be received under high-speed operation of the sheet-fed printing press was analyzed and the aerodynamic model of the air-jet flow was constructed and used to guide the optimization of the paper arrangement section. The optimization idea of the paper arrangement section of offset press based on aerodynamic analysis was put forward. The paper arrangement section of J20 press in Nanjing Mint Company was optimized and improved. The experimental results showed that the failure rate of the optimized paper arrangement section was reduced by about 30%. This study provides a new idea for design and optimization of the paper arrangement section, which significantly improves the paper delivery efficiency.

paper arrangement section; paper; aerodynamics; air-jet flow

TS803

A

1001-3563(2023)09-0306-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.09.037

2022?07?09

李雙芝（1969—），男，副教授、高級(jí)工程師、高級(jí)技師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋