基于有限元對印刷機滾筒的仿真分析

李乾

摘要： 印刷滾筒是整個印刷機的核心關鍵部件，其擾度變形量和動態性將直接影響印刷裝置運動的平穩性及印刷質量，本論文首先推導印刷滾筒理論公式，然后基于有限元ANSYS Workbench對已經用proe建立的模型，進行靜力學和模態分析，找出滾筒壁厚跟擾度的關系及滾筒壁厚、滾筒側壁厚對滾筒的動態性能的影響。

Abstract： The printing cylinder is the key part of the whole printing machine， and the degree of flexibility and the dynamic property of the printing press will directly affect the stability of the printing device and the printing quality. This paper presents the printing roller stiffness formula and finite element based on ANSYS Workbench has been established using proe model for static and modal analysis， and finds out the relationship between the effect of drum wall thickness with immunity thickness and thickness on the drum dynamic performance.

關鍵詞： 滾筒；壁厚；擾度

Key words： rotary drum；drum wall thickness；flexibility

中圖分類號：TS803.6 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）16-0145-02

1 印刷滾筒剛度理論分析

查閱《機械設計手冊》：材料為HT300，彈性模量為E=2×1011Pa，泊松比？酌=0.27，密度？籽=7250kg/m3 。所謂建立仿真環境就是根據實際添加邊界約束和施加等效力[4]在實際生產印刷過程中，印版滾筒所受的壓力對整個印刷有很重要的的影響，一般印版滾筒與橡皮滾筒間的壓力在30-70N/cm2范圍內變化[5]。

2 滾筒的靜力學分析

根據靜力學分析可以得到當印版滾筒與包橡膠滾筒壓合的時候，由于壓力分布不均勻，在兩端區域存在應力集中區域，在壓力作用下，應力會沿著滾筒周向傳播逐漸減少，這樣，在實際中造成滾筒的變形。從圖2滾筒的撓度變形圖，看到最大的撓度103um，小于印刷滾筒的許用擾度[6]。出從表1可以看出撓度隨著滾筒壁厚的增加而減小。但是考慮到制造成本和設計要求，在滿足設計要求下，盡量選擇滾筒壁薄些。

分析總結：根據圖2、表1，印刷機印版滾筒受到印刷壓力時，印版滾筒彎曲變形，中間變形最大，并逐漸向印版滾筒安裝軸承處減小，這樣會造成印版滾筒中間部分撓度最大，相應的印刷壓力最小，整個印版滾筒的印刷壓力分布將不再均勻，印版滾筒與印版滾筒安裝軸接觸處應力值會最大。

3 壓印滾筒的模態分析

隨著印刷技術的不斷發展，企業都在追逐高質量、高效率、高可靠性的設備，而印刷滾筒是整個印刷機的核心關鍵部件，發展趨勢為輕量化，其動態性能和結構如果存在滾筒質量分布不均、中間部分壓印力小、兩端壓應力大、滾筒在長度方向上發生撓曲變形等問題將對印刷工件特性會造成很大的影響，本部分將滾筒模型導入有限元分析軟件ANSYS workbench14.0，進行模態分析。通過前部分敘述可以得知，在對滾筒進行模態分析時候，只考慮滾筒自重的作用[7]。因為滾筒安裝軸通過滑動軸承裝配在墻板孔內，可以將其簡化為簡支梁進行完全約束。利用軟件智能自動給印版滾筒劃分網格，精度設為：Smart Size 8。結合模態分析理論與印刷機印版滾筒的特點，低階固有振型頻率相對于高階來說對印刷機印版滾筒造成的振動影響會更大，前者決定了印刷機滾筒的動態特性，故設置模態提前數為6進行分析計算，邊界約束是與軸承配合的軸端距離。不再滾筒上施加載荷。

4 分析總結

通過仿真結果可以看出圖形：印版滾筒在前1～3的固有頻率下，振型主要是以中間梁的彎曲變形為主，其中壁厚為10mm的印版滾筒的一階振型模態固有頻率為39.688Hz，振型為中間彎曲，對應滾筒臨界轉速98540rpm[8]而本非標印刷機的最高印刷速度為4800張/小時，遠低于臨界轉速，不會產生共振現象。后4～6階是以中間梁和滾筒的彎曲變形為主。改變印刷機滾筒的壁厚或者側壁厚尺寸，印刷機滾筒的固有振型頻率也將改變，改變壁厚或側壁厚中一個尺寸，其余的都不變，其模型振型頻率變化不是很明顯。從表2及表3可以看出：在壁厚滿足設計要求的擾度下變形下，可以通過適當減小滾筒厚度與側壁的厚度載一定程度提高固有頻率，進而讓印刷機印版滾筒的動態性能得到了加強，提高印刷機印刷產品的質量和精度。

參考文獻：

[1]陳虹.現代印刷機械原理與設計[M].北京：中國輕工業出版社，2010.

[2]劉琳琳，成剛虎，劉國棟.基于變截面梁積分的印刷滾筒擾曲計算[J].輕工機械，2007（6）：24-26.

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[5]馮昌倫.膠印機的調節與使用[M].北京：印刷工業出版社，1999.

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[7]杜亞男，印刷機的模態分析[J].包裝工程，2011（8）：4.

[8]郭潤蘭，吳愛梅，康興民.印刷機滾筒的有限元模態分析[J].中國包裝，2009，29（5）：58-61.