單張紙印刷機理紙部紙張的空氣動力學分析與機構優(yōu)化

李雙芝，武吉梅，唐嘉輝

單張紙印刷機理紙部紙張的空氣動力學分析與機構優(yōu)化

李雙芝1，武吉梅2，唐嘉輝2

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

提高單張紙印刷機理紙機構的理紙效率，使紙張快速、平穩(wěn)地降落到收紙臺上，從而提高整個印刷機的工作速度。本文從空氣動力學的角度，對單張紙印刷機高速運行狀態(tài)下待收的紙張進行受力分析，構建單張紙印刷機理紙機構氣流的空氣動力學模型，用于指導理紙機構的優(yōu)化。提出了基于空氣動力學分析的膠印機理紙機構優(yōu)化思路，對南京造幣公司J20型印刷機的理紙機構進行了優(yōu)化改進。實驗結果表明，優(yōu)化后的機構理紙故障率減少了30%左右。該研究對印刷機理紙機構的機構設計與優(yōu)化開創(chuàng)了一個新的思路，此優(yōu)化設計的機構收紙故障率明顯降低。

理紙機構；紙張；空氣動力學；射流

單張紙平版印刷機是印刷工業(yè)的骨干設備，廣泛應用于書刊印刷、新聞出版印刷、包裝印刷、辦公印刷和短版商業(yè)印刷等諸多領域[1]。目前，單張紙印刷機的工作速度基本都可達到15 000～20 000張/h[2]。然而最近十幾年，單張紙印刷機速度的提高明顯遇到了瓶頸。究其原因，作者認為，目前國內外關于印刷機速度提高研究的重點，大多局限在機構原理的設計和結構的改進上，而對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。

收紙機構是印刷機的最后工作單元，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上完成印刷。目前，常見的單張紙印刷機收紙裝置包括傳紙滾筒、傳紙機構（傳紙鏈條、叼紙牙排、導軌等）、理紙機構、收紙臺等部位。收紙臺上的理紙機構也稱為齊紙機構，作用是把落到收紙臺上的印張整理平齊，其組成包括前齊紙擋板、側齊紙擋板、后擋紙板、紙張制動輥、壓紙風扇等，前齊紙擋板前后輕幅度地擺動，后擋紙板固定不動，共同將紙堆的前后理齊。側齊紙板分左右2塊，它們做往復相向運動，將紙堆的兩側推齊。紙張制動輥是吸氣減速裝置，主要由吸氣制動輥、吸氣座、氣量調節(jié)圈等機構組成，目的是降低隨收紙叼牙排傳輸?shù)挠埖乃俣取＜垙埫撾x印刷機收紙叼牙排進入理紙狀態(tài)后，紙張在下落過程中，在受到理紙機構部件機械作用的同時，壓紙風扇吹向紙張的風力直接作用于紙張，側理紙的軸流風機抽出紙下的空氣形成的吸力也直接作用于紙張。此時，紙張的初始狀態(tài)、相關機構的吹吸力、外界空氣的作用力等對收紙效率是起決定性作用的。

單張紙印刷機收紙機構是制約收紙效率的一個重要因素。國內學者魯文行等[3]、馮平[4]在收紙鏈條機構的優(yōu)化設計和系統(tǒng)動態(tài)性能上都進行了高水平的研究。目前，國內外對脫離機構直接控制紙張下落狀態(tài)的分析研究卻寥寥無幾。上海交通大學的張百靈[5]研究了空氣阻力影響送紙機構的仿真優(yōu)化設計。燕山大學的Pang等[6]研究了輕質物料空氣阻力的數(shù)值模擬。諸多學者的類似研究給筆者的工作提供了思路和參考。本文通過對紙張在收紙部位進行受力和空氣動力學分析，為設計高效的印刷機理紙機構提供理論指導依據。

1 紙張進入理紙狀態(tài)的空氣動力學分析

圖1是收紙裝置結構簡圖，可以看到，紙張脫離印刷機收紙叼牙后進入理紙狀態(tài)，此時，紙張的下落狀態(tài)主要取決于空氣動力受力情況。紙張質量非常小，下落過程中會明顯受到空氣對其的浮力的作用。實踐證明，空氣的浮力對紙張的收齊影響是非常大的，這對高速印刷機的收紙是非常不利的。為了使紙張快速、平穩(wěn)地降落到收紙臺上，必須在紙張的上方添加強制力，克服下落過程中的浮力，達到紙張快速降落的目的。添加強制力的工程方法很多，國內外通常的做法都是采用在印張上方設置若干壓紙吹風風扇，通過操作工人觀察理紙效果，決定打開風扇的數(shù)目來控制風量，理紙效果很差。

圖1 收紙裝置結構簡圖

在J20型印刷機的設計中，采用了吹風管吹風壓紙的方法。其原理是把高壓風泵吹出的空氣利用風管導入收紙臺上方，在風管靠近紙張一側開出小孔，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分析

從印刷機吹風管小孔中噴出的射流介質為空氣，射流周圍的空間介質也是空氣，周圍的空氣在射流來到之前是靜止不動的，射流到來之后就會被相同的介質所淹沒，動力學稱之為自由淹沒射流[7]。

如圖2所示，當射流氣體以初始速度0從直徑為0的小孔中流出時，氣體質點會發(fā)生不規(guī)則的運動，尤其是射流微團的橫向脈動速度使其與周圍介質進行質量和動量交換，引起或帶動周圍介質的流動，使射流質量和寬度增加[8]。射流寬度加大，而射流氣體的速度會逐漸降低[9]，最后在這一空間介質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入到其邊界范圍內。根據其特點，將自由淹沒射流分成幾個區(qū)域：

1）轉折截面。氣體射流剛出吹風管小孔時流速均勻，隨著射流流程的增加，沿射流向周圍的空氣會受作用不斷進入，射流邊界會不斷增大，射流能量會逐漸下降，流速等于0的區(qū)域會不斷變小。通常把速度為0的邊界線稱為射流的外邊界，射流速度0不變的邊界稱為內邊界，射流內、外邊界之間的區(qū)域稱為射流邊界層區(qū)，自射流出口，內邊界之間區(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。把射流出口至轉折截面的距離稱為流動形成區(qū)，也叫射流初始段[11]，長度為m，在該區(qū)域內既有核心區(qū)又有邊界層區(qū)。在轉折截面之后的區(qū)域稱為射流基本段或完全發(fā)展流動區(qū)。該區(qū)域完全為射流邊界層區(qū)所占據，射流中心軸線上的速度開始下降。

3）射流極點。射流外邊界的反向長線交于點，稱為射流極點，它是吸風管小孔內部的一個幾何點，其到小孔口的距離為極點深度o。

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

根據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)。經相關圓孔自由紊流射流研究結果可知[13]，式（1）、式（2）中的指數(shù)流速分布符合紊流射流中的實驗流速分布，且有1=0.109，m=5.20，則有：

式中：0為初始時單位厚度上的流量；為射流總單位流量。對射流整個截面上流速進行積分，則有：

1.2 射流的軸對稱分析

從印刷機吹風管小孔中噴出的射流及其與周圍流體介質的摻混也可以按照流動對稱于射流的軸線來進行分析。假設是徑向坐標為處的流速，根據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：

根據軸對稱射流運動方程和連續(xù)性方程可以得到流速分布的表達式見式（6）。

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

式（6）的計算結果與圓形紊流射流的假設結果極為相符，以/max為縱坐標，以/為橫坐標，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流速分布見式（7）。

沿射流軸線上流速變化見式（8）。

當=6.40時，射流從初始段變?yōu)榛径危陨淞鞒跏级?/p>

圖3同時也表明射流的流速分布與正態(tài)分布非常接近。

1.3 射流的附壁效應分析

由于印刷機中存在兩側機幫，機幫墻板內壁面圍成的狹小空間會對吹風管小孔噴出的射流產生限制，形成卷吸作用[14]。卷吸作用會降低射流周圍的壓強，使得周圍較遠的空氣向射流低壓區(qū)流動，以填補被射流卷吸走的氣體，如圖4所示。若射流距離兩側機幫的距離不等時，射流射出后會主要附在距離較近的機幫上流動，使射流方向發(fā)生偏移，形成附壁效應。如圖5所示。

圖4 卷吸作用示意圖

圖5 附壁效應示意圖

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

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

圖6 流速分布

圖7 速度矢量分布

2 理紙機構的設計優(yōu)化

根據上述的分析和計算，本文確定理紙機構的優(yōu)化方向：保證紙張在任何情況下都能達到機器需求的紙張下落速度；保證紙張平穩(wěn)下落；結構簡單，容易實施，盡量不產生大改動，避免引起其他問題。

2.1 調整吹風管高度

本文設計的壓紙吹風機構的吹風管采用的是支風管小孔吹風排列方式（見圖1）。因機器結構的限制，吹風管必須放在鏈排以上位置，如果把收紙高度考慮在內，在開始收紙的某一段時間，收紙臺的位置就可能超出射流基本段，使到達紙張的風速減小，導致對紙張的壓力減小，因此調整吹風管高度可以使結果優(yōu)化。

圖8為吹風管高度簡圖，圓形出口射流的射出角為定值14.5°，按照圖2可以計算出轉折截面的直徑為8.9 mm。根據圖8可知，兩射流孔間距為100 mm，所以，從轉折截面直至紙面，兩股射流互不干涉，保證了紙張的平穩(wěn)下落。

圖8 吹風管高度簡圖

從式（9）的計算結果可以看出，當射流至7倍的射口直徑時，流速開始減小，壓紙吹風管上的吹風口直徑為5 mm，則在吹風管下35 mm時，中心流速開始下降，吹風效果開始變差。從圖8可以看出，吹風管與紙張的距離為54.5 mm，因機器其他結構的限制，無法降低，而這個距離已超出吹風管射流的轉折截面，所以，僅通過調整吹風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管高度變化的分布曲線圖。由圖9a中曲線變化趨勢可看出，射流噴出吹風管后，流速迅速下降，隨后在距離吹風管25～35 mm處流速穩(wěn)定，當射流到達距離吹風管35 mm后，流速開始下降。理論轉折截面與紙張表面的流速分布如圖9b—c所示。

2.2 吹風管道光滑設計

經計算分析，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（風泵）確定時，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生的碰撞損失（管徑半徑減小）和渦流損失（管徑半徑增大）。由于慣性力的作用，氣流經過彎道時，受彎道內外側的增壓減壓形成流線分離，產生渦流損失。另外，空氣在彎道處的外側壓力大于內側壓力，高壓部位氣流向低壓部位擠壓，會在截面方向產生回流，使管道內氣流呈螺旋狀，產生較大的阻力，因此，保持彎曲過渡處內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 對紙張進行反向加力

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

3 結語

在以往理紙機構設計中，設計者通常只注重結構試驗，然后根據試驗結果的優(yōu)劣進行調整，但實際設計實踐中，往往效果不理想。本文通過對J20型印刷機理紙狀態(tài)下紙張所受壓紙射流的空氣動力進行分析，給出了理紙機構氣流設計優(yōu)化的計算方法和空氣動力學模型，根據本文提出的原理和模型，對理紙機構進行了改進和優(yōu)化，理紙效果較傳統(tǒng)結構的機型提高明顯。

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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、高級工程師、高級技師，主要研究方向為機械設計與制造技術。

責任編輯：曾鈺嬋