Офсетные резинотканевые пластины

Ярослав Чехман, Валентина Белокрысенко, Игорь Кравчук, Андрей Шустыкевич, Мария Шустыкевич

В настоящей статье описан процесс создания российских офсетных резинотканевых пластин нового поколения на основе новых каучуков и офсетных тканей, а также новых оригинальных методов оценки их механических свойств, разработанных в Украинской академии печати.

Как известно, декель офсетных печатных машин, то есть покрышка их офсетных цилиндров состоит из офсетной резинотканевой пластины и поддекельного материала (вторая резинотканевая пластина или калиброванные листы картона и пленки). Функция офсетного декеля заключается в обеспечении контакта между формным, офсетным и печатным цилиндрами и создании за счет этого деформации достаточного давления для получения оттиска требуемого качества.

Офсетная резинотканевая пластина (ОРТП) в офсетных печатных машинах, кроме функций, которые выполняет декель в других видах печатных машин (обеспечение необходимой плотности контакта, сокращение перепада давлений, вызванных неточностями формы, бумаги и самих цилиндров, их прогибов, возможность тонкого регулирования давлений в зоне контакта), осуществляет передачу красочного изображения с печатной формы на бумагу. Следовательно, ее роль в процессе печатания очень велика. Ее рабочая поверхность взаимодействует с агрессивными компонентами краски, увлажняющего и смывочного растворов, подвергается абразивному воздействию со стороны печатной формы и тиражной бумаги. Кроме того, ОРТП находится в предварительно напряженном состоянии, создаваемом значительным и к тому же не вполне равномерным натяжением при установке ее на цилиндр. Существенного улучшения качества печати на сегодняшнем этапе удалось достичь

благодаря непрерывному совершенствованию свойств и конструкции ОРТП, условий ее эксплуатации. Однако данную проблему нельзя считать исчерпанной. Важно выявить те характеристики, которыми должны обладать ОРТП в процессе эксплуатации для обеспечения наиболее эффективного протекания печатного процесса, определить критерии и методы их оценки. Некоторые аспекты этой проблемы представлены ниже. Во-первых, в результате установки на офсетный цилиндр ОРТП еще до начала печати испытывает двухосные напряжения растяжения и сжатия вследствие предварительного натяжения и прижатия к поверхности цилиндра (рис. 1). Величина этих напряжений в ОРТП и ее деформации по поверхности облегания цилиндра неодинакова и зависит как от силы трения между ними, так и от строения и свойств составляющих компонентов пластины.

В процессе печатания пластина дополнительно деформируется в радиальном направлении вследствие создаваемого между цилиндрами давления, а также в тангенциальном направлении вследствие передаваемого крутящего момента и некоторого несоответствия передаточных отношений зубчатой и фрикционной связей между цилиндрами. С этих позиций рассмотрим важнейшие механические характеристики ОРТП, проявляющиеся в процессе печатания.

Важной эксплуатационной характеристикой ОРТП является характер изменения ее деформации от прилагаемой нагрузки, который может быть представлен диаграммой сжатия p = f (ε) (рис. 1). Заметим, что такая диаграмма сжатия должна соответствовать рабочему состоянию натянутой на цилиндре пластины. Оптимальный характер изменения такой диаграммы должен учитывать необходимые ограничения максимальной деформации декеля (λ_max) с целью сокращения относительного скольжения в зоне печатного контакта, обеспечить приемлемый интервал давлений при печати (ρ_min....ρ_max) при заданной (постоянно минимизируемой по мере роста технического прогресса) суммарной величине перепада деформации пластины (D), вызванного колебанием толщины самой ОРТП, печатной формы, тиражной бумаги, погрешностями цилиндров и их прогибами.

Тогда, приняв за основу зависимость (рис. 1), отражающую характер изменения давления (ρ) от деформации (1)

ρ = E_y (λ_i/ δ)ⁿ,    (1)

можно определить требуемые физические константы (показатель степени n и условный модуль упругости Е_у), при которых обеспечивается заданный интервал давлений (ρ_min....ρ_max) в пределах заданного интервала деформаций (Δ= λ_max– λ_min).

Для точек 1 и 2 (рис. 1) соответственно запишем:

ρ_min=E_y (λ_min/δ)ⁿ    (2)

ρ_max=E_y [(λ_min+Δ)/δ]ⁿ    (3)

Разделив (3) на (2), получим:

ρ_max/ρ_min=[(λ_min+Δ)/λ_min]ⁿ    (4)

Прологарифмировав (4), найдем значение показателя степени

n=lg(ρ_max/ρ_min)/lg[(λ_min+Δ)/λ_min]    (5)

Условный модуль упругости определим, подставив полученное значение n в уравнение (2) или (3):

E_y = ρ_max/[(λ_min+Δ)/δ]ⁿ     (6)

Например, если принять допустимый интервал изменения максимальных по ширине полоски контакта давлений 0,8 ≤ ρ ≤ 1,2 (МПа) при толщине ОРТП (для рулонной, с четырехцилиндровым печатным аппаратом офсетной печатной машины) δ = 2 мм и колебаниях абсолютной величины ее деформации 0,1 ≤ λ_m≤ 0,14 (мм), то этим условием будет отвечать пластина, для которой n = 1,2 и E_y = 29 МПа. Таким образом, суммарные отклонения формного и офсетного цилиндров, печатной формы и самой ОРТП должны находиться в пределах 0,04 (мм)¹. При этом же заданном интервале давления, но уже между двумя офсетными цилиндрами суммарные отклонения (офсетных цилиндров, двух ОРТП и тиражной бумаги) могут изменяться в пределах 0,08 мм.

Второй аспект данного вопроса состоит в том, чтобы изготовить или отобрать из числа имеющихся на рынке пластину с оптимизированными (желаемыми) показателями, характеризующими ее в напряженном рабочем состоянии непосредственно на офсетном цилиндре. Последнее требует поиска соответствующей методики объективной оценки деформационных свойств в напряженно-деформируемом состоянии.

Влияние условий проведения эксперимента на его результаты, рассмотрим на примере (рис. 2) — серийно выпускаемой пластины ПМ, изготовленной на основе японских тканей в АО «Уфимский завод эластомерных материалов и конструкций» («АО УЗЭМИК», Россия).

Для ОРТП толщиной δ = 1,99 мм представлены экспериментальные зависимости ρ = ƒ (λ)², снятые при следующих условиях:
1 —  диаграмма сжатия для необжатой (свежей) пластины, снятая в ненапряженном состоянии на плоскости;
2 —  то же, что и 1, только для пластины, приработанной в динамических условиях на специальном стенде при n = 500 об/мин после 10 тыс. циклов при постоянном предварительном натяжении на цилиндре q = 8 кН/м и деформации сжатия в зоне контакта λ_m= 0,12 мм;
3 —  то же самое, что и 2, только при λ_m= 0,2 мм;
4 —  диаграмма сжатия неприработанной пластины, снятая непосредственно на цилиндре после ее натяжения с погонным усилием q = 8 кН/м;
5 —  диаграмма сжатия, снятая непосредственно на цилиндре после приработки пластины (10 тыс. циклов при частоте вращения n = 500 об/мин) при постоянном натяжении q = 8 кН/м деформаций сжатия в зоне контакта λ = 0,12 мм;
6 —  то же самое, что и 5, только при λ = 0,2 мм.

Заметим, что закономерности, аналогичные представленным на рис. 2, получены нами и для других пяти образцов ОРТП, что позволяет обобщить полученные результаты.

Анализируя экспериментальные зависимости, отметим следующее:
а) диаграммы ρ= ƒ (λ_m), снятые на плоскости в свободном (ненапряженном) состоянии, независимо от того, приработаны они или нет, не характеризуют поведение ОРТП, натянутой на цилиндре. При этом вполне закономерно, что наиболее мягкая характеристика свойственна неприработанной пластине (диаграмма 1), более жесткие (диаграммы 2 и 3) — приработанным, соответственно, при меньшем (λ₁ = 0,12 мм) и большем (λ₂ = 0,2 мм) давлениях;
б) действительное поведение ОРТП отражают характеристики ρ=ƒ(λ), снятые в рабочем состоянии непосредственно на цилиндре (диаграммы 5 и 6) после приработки, то есть в таком состоянии, когда они испытывают двухосные напряжения — сжатия от радиального нагружения и растяжения в результате предварительного натяжения. Физические константы, характеризующие диаграмму 5, равны n= 1,205 и E_y = 34 МПа. Кстати, они очень близки к тем желаемым (n = 1,2 и E_y = 29 МПа), которые для заданных условий были найдены теоретически в приведенном выше примере. Даже диаграмма 4, снятая в напряженном состоянии неприработанной пластины непосредственно на цилиндре, более полно характеризует ее свойства, чем диаграмма 2, снятая после приработки в свободном состоянии.

Из сказанного следует, что действительную зависимость ρ=ƒ(λ), отражающую поведение пластины в период печати, можно получить только путем снятия характеристики в напряженном состоянии пластины непосредственно на цилиндре.

Рекомендованные выше деформационные характеристики ОРТП определяются видом тканей, их свойствами, порядком размещения, технологией соединения, структурой компрессионного слоя, его толщиной и другими факторами. Кроме того, конструкция ОРТП во взаимосвязи со схемой ее натяжения влияет на характер деформаций не только в радиальном, но и в тангенциальном направлениях. Поэтому выявить это влияние важно как для создания новых пластин, так и для поиска критериев при сравнительной оценке эксплуатационных характеристик предлагаемых ОРТП. Остановимся на сущности данного вопроса.

Предварительное напряжение в ОРТП создается в два этапа: а) при изгибе пластины на поверхности цилиндра и б) вследствие ее предварительного натяжения (рис. 3).

Установка пластины на поверхности цилиндра сопровождается растяжением ее верхних слоев и сжатием нижних. Нейтральная линия действия этих сил находится на некотором расстоянии а от поверхности цилиндра. На основе проведенных нами опытов это расстояние изменяется в пределах а ≈ (0,25...0,8) δ, где δ — толщина пластины.

Растяжение верхнего слоя пластины (ΔLρ) при облегании на цилиндре составит:
ΔLρ = α (δ — a ), где α — угол обхвата цилиндра.

Соответственно, величина сжатия нижнего слоя:
ΔL_сж = αа

Таким образом, разница между длинами верхнего и нижнего слоев пластины составит:
ΔL = ΔLρ + ΔL_сж = αδ.

В рулонных офсетных машинах угол обхвата составляет α ≈ π (при двух пластинах, расположенных по окружности цилиндра) или α ≈ 2π. Тогда при толщине δ = 2 мм эта разница будет равна πδ = 6,28 мм или 2πδ = 12,56 мм. А так так общее удлинение ОРТП при натяжении q = 12 кН/м составляет 0,8...1,4% (например, при размере 540 мм по окружности цилиндра составит 4,3...7,6 мм), не учитывать разности деформаций верхнего и нижнего слоев нельзя.

В процессе натяжения ОРТП на цилиндре эта разность за счет облегания натяжной штанги дополнительно увеличивается на величину
ΔL_доп= S₀δ /(r + a),
где r — радиус натяжной штанги,
S₀ – величина удлинения пластины (по нейтральной линии) вследствие натяжения (S₀ ≈ (0,8 . . . 1,4)% от L, а в результате подтяжки после приработки увеличивается еще на 1,0...1,6%).

Суммарная разность удлинения верхних и нижних слоев пластины после натяжения ее на цилиндре
ΔL_ε= ΔL + ΔL_доп= (α + γ) δ,
где γ = S₀/(r + a) ≡ kL /[r + (0,25...0,8) δ], где k ≈ 0,008 ... 0,15 — коэффициент удлинения, L — размер пластины.

Соотношение деформаций растянутых верхних и нижних слоев ³ после натяжения пластины
m = [S₀ + (α + γ)(δ– a)]/[S₀ — (α + γ) a]

Для различных ОРТП величина m ≈ 2...3, что свидетельствует о различной степени натяжения тканевых составляющих.

На рис. 4 представлена упрощенная модель предварительно напряженного состояния ОРТП после ее натяжения на цилиндре. В первом приближении деформации слоев ткани можно характеризовать упругими элементами — жесткостями с₁, с2, с₃... Вследствие малого сопротивления деформацией компрессионного слоя можно пренебречь.

Тогда общая сила натяжения, отнесенная к единице длины
q = q₁ + q₂ + q₃ = (S₀ + x₁) c₁ + (S₀ + x₂) c₂ + (S₃ - x₃) c₃, где q — погонное натяжение.

По приведенной формуле, исходя из строения пластины и метода натяжения, можно оценить соотношение деформаций каждого слоя ткани в конструкции ОРТП. Что же касается передаваемых ими усилий, то они будут зависеть также от их жесткостей, которые изменяются (или могут изменяться) в довольно широком диапазоне (1:3).

Неблагоприятная комбинация размещения тканей по толщине пластины может привести к тому, что с учетом характеристик изготавливаемых тканей передаваемые ими силы могут различаться в несколько раз. Учитывая длительный характер нагружения, эти силы могут достигать критического значения, при котором происходит разрушение начальной структуры. Наиболее нагруженный нижний слой ткани тянется, а после подтягивания пластины общая сила натяжения перераспределяется между другими слоями ткани. К тому же, если сверху компрессионного слоя наложить слишком жесткую (по сравнению с другими) по вытяжке ткань, то ее чрезмерное натяжение за счет сжатия ограничит функции этого слоя. Жесткость слоев ткани должна уменьшаться от нижнего слоя к верхнему. Если принять условие равномерного нагружения всех слоев ткани, то соотношение жесткостей отдельных слоев должно быть вполне определенным — обратно пропорциональным их деформации, которая, как показано выше, легко подсчитывается.

Оценить соотношение деформаций растяжения верхнего и сжатия нижнего слоев пластины при изгибе ее на цилиндре можно следующим образом (рис. 5). На размеченный диск 1 устанавливается чисто обработанный с торцов образец пластины 2 (рис. 5а). В продолжение меток на диске на уровне угла 180⁰ наносятся черточки на торец образца. Затем образец снимают, устанавливают на плоскость и замеряют расстояние между метками по внешней (L₁) и внутренней (L₂) поверхностям.

Величина растяжения верхнего слоя составит
ΔL₁ = (R + δ) π — L₁,
а величина сжатия нижнего слоя
ΔL₂ = L₂ — πR,
где δ — толщина пластины, R — радиус диска.

Полагая, что изменение деформаций по толщине пластины носит линейный характер (рис. 5б), получим расстояние до нейтральной линии
а = ΔL₂ δ/(ΔL₁ + ΔL₂).
Или, в процентном отношении:
а% = [ΔL₂/(ΔL₁ + ΔL₂)] 100.

Оценка по этому показателю более десяти различных образцов ОРТП⁴ показала, что расстояние (в % к толщине пластины) от основания к нейтральной линии для них колебалось в пределах а = (26...59)%. Очевидно, что более высокие значения отвечают более жестким верхним слоям пластины, и наоборот.

От состава и конструкции ОРТП зависят и другие показатели механических характеристик. Среди них важными являются тангенциальная жесткость и кинетика ползучести.

Сущность первого показателя заключается в следующем. Вращение цилиндров печатного аппарата сопровождается передачей через зону печатного контакта крутящего момента, величина которого меняется и зависит от многих факторов, проявляющихся в большей или меньшей мере в зависимости от настройки аппарата. Возникающая при этом окружная сила вызывает соответствующую деформацию — смещение верхнего печатающего слоя относительно нижнего (z_T — на рис. 6).

Такая тангенциальная деформация становится неизбежной при неодинаковых передаточных отношениях зубчатой передачи и фрикционной связи между цилиндрами. В этом случае, чем выше тангенциальная жесткость пластины, тем больше, при заданной тангенциальной деформации) окружная сила, реализуемая другим сопрягаемым цилиндром через трение в зоне печатного контакта. Если же эта сила трения, сильно зависящая от заполнения формы печатающими элементами, не может обеспечить возникающую тангенциальную деформацию пластины, то происходит сдвиг (смещение) контактирующих поверхностей, вследствие чего наблюдается размазывание в продольном направлении растровых точек на участке, равном ширине полосы контакта. Это одна из причин «полошения» печати, наиболее часто проявляющаяся при печатании фона, то есть когда контактирующие поверхности цилиндров взаимодействуют через сплошной слой краски. Ввиду изложенного оценка тангенциальной жесткости ОРТП приобретает практический интерес.

На рис. 6 представлены зависимости тангенциальной деформации от прилагаемой силы, снятые на специальном стенде, для нескольких образцов ОРТП. Образец пластины натягивался на цилиндрический сегмент с усилием q = 10 кН/м. Верхний контактирующий с ним сегмент устанавливался в опорах с возможностью поворота. Перемещением нижнего сегмента создавалась деформация сжатия (λ_m = 0,2 мм), а поворотом верхнего — необходимый крутящий момент. Тензометрическим путем, плавно создавая крутящий момент, фиксировалось изменение силы (q_T) и тангенциальной деформации пластины (z_T). Верхние точки на графиках соответствуют предельным силам, при которых сухие (без краски) контактируемые поверхности сегментов начинали сдвигаться. При наличии краски в контактной зоне предельные силы оказывались на порядок ниже. Анализируя представленные зависимости, можно отметить, что, во-первых, понятие тангенциальная «жесткость» носит условный характер, так как является величиной не постоянной (аппроксимация прямой возможна на определенном участке), а во-вторых, зависимости q_T = ƒ(z_T) для разных образцов существенно различаются. Особенно следует обратить внимание на нижнюю часть (qT ≈ 10 Н/см). К примеру, пластины, описанные диаграммами 5 и 6, по показателю податливости явно проигрывают остальным. Пластина, характеристики которой представлены на диаграмме 1, даже при сухом трении (что близко к условию применения текстовой формы) не позволяет создать тангенциальную деформацию более 0,02 мм. Это, в свою очередь, налагает более высокие требования к точности всего печатного аппарата и его наладке.

В завершение остановимся на роли и оценке еще одной характеристики, связанной с натяжением пластины на офсетном цилиндре. Необходимость предварительного натяжения пластины очевидна, хотя величина силы натяжения до сих пор в достаточной степени не обоснована. Чрезмерная сила натяжения может привести к перенапряжению отдельных слоев ткани и к ухудшению деформационных свойств при сжатии, а также к чрезмерной продольной усадке пластины.

Длительность приработки (период стабилизации механических свойств) для различных ОРТП разная. Поэтому важно оценить не только и даже не столько величину начального удлинения после предварительного натяжения пластины, сколько интенсивность падения напряжения (или интенсивность увеличения ползучести при δ = const). Ниже мы убедимся, что степень увеличения деформации во времени при постоянном натяжении без одновременного циклического обжатия и при наличии такового существенно отличается.

На рис. 7 для четырех образцов разных пластин представлены экспериментальные графические зависимости изменения деформации растяжения (в продольном направлении) во времени. Начало отсчета деформации (Δl) велось после предварительного натяжения образцов (начальной длины L = 340 мм) на цилиндре (D = 160 мм) с погонным усилием q = 12 кН/м, которое впоследствии сохранялось примерно на постоянном уровне. Цифрами 1, 2, 3, 4 обозначены зависимости для образцов свежих пластин, цифрами 1’, 2’, 3’, 4’ — для тех же образцов, но ранее приработанных (при максимальной деформации λ_m = 0,2 мм после 10 тыс. обжатий при скорости вращения цилиндров n = 500 об/мин). В таблице над графиками (рис. 7) представлены абсолютные величины удлинения образцов, измеренные сразу после создания натяжения (q) и принятые в дальнейшем за нулевую точку отсчета при построении графиков.

Анализ результатов свидетельствует о следующем. Все испытанные образцы (в том числе и не приведенные на графике) обладают значительной долей обратимой деформации (см. таблицу «Разница показаний до и после приработки» – рис.  7) . После приработки удлинение пластин по сравнению с неприработанными меньше на величину остаточной деформации. Деформация приработанных образцов наиболее интенсивно увеличивается в течении первых десяти часов, для неприработанных — в течение суток.

На рис. 8 для тех же образцов ОРТП представлены графики изменения деформации не по времени, а в зависимости от степени приработки (числа обжатий). Условия эксперимента те же, что и в предыдущем случае (ноль отсчета, λ_m = 0,2 мм и q = 12 кН/м). Величина удлинения образцов после 10 тыс. обжатий (в течение примерно 0,35 часа) на цилиндре с тем же усилием нагружения составила от 1,2 до 2,2 мм (0,35...0,65%).

Это свидетельствует о том, что испытание образцов (свежих или приработанных) на растяжение в статических условиях показывает результаты, весьма удаленные от фактических показателей при деформации пластины в период приработки, то есть в период одновременного действия двухосных напряжений в материале. Наиболее интенсивно происходит растяжение в процессе первых 500-800 обжатий. Затем интенсивность увеличения деформации падает. Из представленных на рис. 7 и 8 лучшими показателями обладает образец № 2, так как у него почти в два раза меньше деформация и период стабилизации практически завершается после 10 000 обжатий.

Уместно напомнить, что на производственной печатной машине, в отличие от нашего испытательного стенда, крепление пластины после предварительного натяжения остается неизменным, в силу чего за счет релаксации материала после предварительного натяжения происходит спад напряжений. При этом падение напряжений (релаксация) будет находиться в обратно пропорциональной зависимости к исследованной нами деформации (ползучести).

Данная статья не дает, к сожалению, исчерпывающего описания всех механических характеристик ОРТП. В частности, отдельного рассмотрения заслуживают вопросы изучения деформации поверхностного рабочего слоя в зависимости от характеристик запечатываемого материала.

Проведенные исследования позволили оценить свойства шести вариантов тканей, изготовленных из различных по природе волокон (хлопок, высокомодульное вискозное волокно, полученное на основе этих волокон), определить оптимальные варианты тканей, уточнить технологию их изготовления, а также рекомендовать наиболее рациональный порядок расположения тканей в конструкции ОРТП.

В заключение отметим, что дальнейшая задача должна заключаться в выработке регламентированных требований к механическим характеристикам ОРТП, критериев и способов их объективной экспериментальной оценки.

В Украинской академии печати (г. Львов) разработаны средства и методики экспериментального исследования рассмотренных механических характеристик ОРТП. Накопленный опыт позволяет приступить к созданию портативных приборов для оперативной оценки критериев таких характеристик не только в специальных лабораториях, но и в условиях полиграфического предприятия.

КомпьюАрт 1'2000