印刷過程中油墨溫度場的分析.docx

摘要油墨作為印刷生產(chǎn)中的重要材料之一，它的特性如何很大程度上決定著產(chǎn)品的印刷質(zhì)量。油墨的多種特性中，粘度又是最為重要的。而在實(shí)際生產(chǎn)中，影響油墨粘度最為明顯的因素就是溫度。溫度高時(shí)，油墨分子相對(duì)移動(dòng)能力增強(qiáng)，油墨的粘度下降；溫度低時(shí)，油墨分子內(nèi)聚力強(qiáng)，油墨的粘度上升。因此，通常溫度增高，油墨變稀，溫度降低，油墨變稠。本課題中，通過ANSYS CFX建立油墨流動(dòng)仿真模型，提取數(shù)據(jù)，分析溫度變化；隨后通過對(duì)油墨印刷適應(yīng)儀進(jìn)行多組模擬印刷實(shí)驗(yàn)，用溫度槍和紅外熱像儀測量墨輥表面溫度數(shù)據(jù)，記錄并處理數(shù)據(jù)，分析油泵壓力、墨輥轉(zhuǎn)速對(duì)油墨溫度上升的影響，得出結(jié)論，并與仿真的結(jié)論進(jìn)行對(duì)比分析，掌握油墨溫度變化機(jī)理以及油墨溫度場變化的特性，從而對(duì)實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：印刷；油墨；粘度；溫度AbstractInk, as one of the important material in the production of printing, how its features to a great extent determine the print quality of the product.A variety of features of ink, viscosity is the most important.In the actual production, factors affecting ink viscosity is the most obvious is the temperature.At high temperature, the ink molecules relative mobility enhancement, ink viscosity decreased;At low temperature, strong molecular cohesion ink, ink viscosity rise.Often, therefore, higher temperature, ink is thinning, temperature is reduced, ink thicken.This topic, provided by ANSYS CFX ink channel simulation model is set up, extract the data, the analysis of temperature change;Then through the ink printing to adapt to the instrument to multiple sets of simulation experiment, the temperature gun and infrared thermal imager was used to measure the ink roller surface temperature data, record and process the data, analysis the influence of various factors on the ink temperature rise, come to the conclusion, and compared with the conclusion of simulation analysis, grasp the ink temperature change mechanism and the characteristics of ink temperature field changes, so as to provide theoretical basis for practical production.Key words: printing；printing ink；viscosity；temperature目錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1課題的意義11.2課題的背景11.2.1 油墨的性質(zhì)11.2.2 油墨溫度對(duì)印刷的影響21.2.3 熱傳遞規(guī)律21.3研究目標(biāo)31.4技術(shù)路線41.5課題研究內(nèi)容41.5.1 ANSYS CFX仿真分析41.5.2 印刷過程中油墨溫度場的變化4第2章 ANSYS仿真52.1 油墨流動(dòng)模型52.2 網(wǎng)格劃分52.3 CFX-Pre 前處理62.3.1 庫設(shè)定62.3.2 計(jì)算域設(shè)定72.4 邊界條件設(shè)定92.4.1 Inlet入口邊界條件92.4.2 Outlet出口邊界條件102.4.3 Wall壁面邊界條件112.5 初始條件設(shè)定142.6 求解器設(shè)定152.7 CFX-Post后處理152.8 總結(jié)17第3章 實(shí)驗(yàn)183.1實(shí)驗(yàn)器材183.1.1 YQ-M-4A油墨印刷適應(yīng)儀183.1.2 FLUKE Ti55 便攜式紅外熱像儀19 3.1.3 紅外線溫度計(jì)（溫度槍）213.2 實(shí)驗(yàn)方案223.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)233.3.1 溫度數(shù)據(jù)233.3.2 溫度云圖263.4 數(shù)據(jù)處理283.4.1 壓力的影響283.4.2 油墨的影響303.4.3 轉(zhuǎn)速的影響33 3.5 總結(jié)35結(jié)論37參考文獻(xiàn)38致謝39第1章 緒論1.1 課題的意義我國印刷業(yè)歷史悠久，內(nèi)部細(xì)分行業(yè)眾多，涉及出版業(yè)、包裝業(yè)、紙制品業(yè)、塑料業(yè)、電子業(yè)等，其產(chǎn)品用于國民經(jīng)濟(jì)生活的各大領(lǐng)域。隨著社會(huì)的發(fā)展和社會(huì)生活的進(jìn)步，印刷業(yè)不斷發(fā)展壯大，并逐漸形成了一個(gè)以知識(shí)化、信息化為主要內(nèi)容的并能影響國際競爭力的產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)體系。在2012年5月舉行的第三屆綠色印刷技術(shù)交流會(huì)上，新聞出版總署印刷發(fā)行管理司司長王巖鑌指出，我國印刷業(yè)總產(chǎn)值占全國新聞出版業(yè)總產(chǎn)出的60.7%，占我國文化產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)出的20%左右。當(dāng)前，印刷業(yè)已經(jīng)成為我國文化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主力軍。 油墨作為印刷生產(chǎn)中的重要材料之一，它的特性如何很大程度上決定著產(chǎn)品的印刷質(zhì)量。而印刷質(zhì)量與油墨粘度的大小有關(guān)，在油墨粘度合適的前提下，粘度大一點(diǎn)對(duì)油墨的轉(zhuǎn)印和網(wǎng)點(diǎn)都有好處1。油墨粘度的大小主要是由油墨本身的組成所決定的，如對(duì)于使用同一種顏料的油墨，連結(jié)料的粘度越高，油墨的粘度也就越高。再如，油墨的粘度與顏料和填充料的顆粒大小、用量以及分散狀況有關(guān)。對(duì)于采用同一種連結(jié)料的油墨來說，如果顏料和填充料用量相同，則顏料和填充料的顆粒越大，制成油墨的粘度越低，反之，粘度越高。顏料和填充料在同一種油墨連結(jié)料中分散得越好，油墨的粘度越低，反之越高。顏料和填充料的用量比例越大，粘度越高，反之則越低2。這些因素的總和形成了油墨粘度的差異。在這些條件確定的情況下，影響油墨粘度的主要因素為溫度3。 溫度對(duì)油墨的影響主要表現(xiàn)之一是在油墨的粘度上。溫度高時(shí)，油墨分子相對(duì)移動(dòng)能力增強(qiáng)，油墨的粘度下降；溫度低時(shí)，油墨分子內(nèi)聚力強(qiáng)，油墨的粘度上升4。因此，通常溫度增高，油墨變稀，溫度降低，油墨變稠。根據(jù)油墨的種類不同，很小的溫度差就會(huì)使油墨的粘度發(fā)生很大的變化5。印刷油墨的粘度，從印刷適性的角度看是造成事故的最大因素。 因此，考慮到油墨性質(zhì)對(duì)印刷質(zhì)量的影響，本課題的研究在印刷實(shí)際生產(chǎn)中具有指導(dǎo)意義。1.2 課題的背景1.2.1 油墨的性質(zhì)在印刷品的復(fù)制過程中，需要通過油墨來表現(xiàn)圖像和文字，因此，印刷品的復(fù)制對(duì)油墨也提出了多方面的要求。如在印刷過程中，油墨的各個(gè)傳遞過程都必須能被控制；油墨必須能短時(shí)間內(nèi)干燥或者固化，以適應(yīng)高速印刷；油墨必須適應(yīng)大范圍的承印物，如紙張、紙板、塑料、金屬等。而這些性能，往往都與油墨本身的流變學(xué)特性相關(guān)6。油墨在印刷過程中要經(jīng)歷從墨槽到墨斗，從墨斗到墨輥，從墨輥到印版，從印版到承印物以及在承印物表面固著等一系列過程，期間，油墨主要有兩種行為：一是油墨在剪切應(yīng)力作用下，做粘性流動(dòng)，產(chǎn)生變形，這時(shí)油墨呈液體行為，即表現(xiàn)為粘滯性流動(dòng)特征；二是在非常短暫的近于沖擊力的作用下，油墨產(chǎn)生變形及斷裂，這時(shí)油墨的彈性效應(yīng)不可忽視，呈現(xiàn)固-液雙重行為，即粘彈性斷裂特征7。常見的有關(guān)油墨流變學(xué)特性包括以下幾個(gè)方面：粘度、觸變性、流動(dòng)性等，各種流變學(xué)特性綜合決定了油墨本身的印刷適性，而這其中最重要的，莫過于油墨的粘度8。1.2.2 油墨溫度對(duì)印刷的影響溫度高時(shí)，油墨分子相對(duì)移動(dòng)能力增強(qiáng)，油墨的粘度下降；溫度低時(shí)，油墨分子內(nèi)聚力強(qiáng)，油墨的粘度上升9。因此，油墨的溫度直接影響著油墨的粘度，而油墨的粘度對(duì)印刷質(zhì)量影響很大。粘度過高，印刷過程中油墨易轉(zhuǎn)移不均，油墨和紙張分離時(shí)所產(chǎn)生的拉力有可能把紙張上的纖維拉下來而留在印版或橡皮布上，造成紙張拉毛現(xiàn)象，使得版面發(fā)花；粘度過低，油墨容易乳化、起臟，影響印刷品的質(zhì)量，并且容易造成印刷品網(wǎng)點(diǎn)擴(kuò)大現(xiàn)象，網(wǎng)點(diǎn)不清晰，層次不飽滿等10-11。在印刷過程中對(duì)油墨粘度的要求，取決于印刷速度、紙張結(jié)構(gòu)、周圍環(huán)境中溫濕度的變化等因素。可以說，油墨的粘度既與其自身的配方相關(guān)，也與其所處的外界條件有關(guān)。1.2.3 熱傳遞規(guī)律 傳熱是一種復(fù)雜現(xiàn)象。從本質(zhì)上來說，只要一個(gè)介質(zhì)內(nèi)或者兩個(gè)介質(zhì)之間存在溫度差，就一定會(huì)發(fā)生傳熱。我們把不同類型的傳熱過程稱為傳熱模式。物體的傳熱過程分為三種基本傳熱模式，即: 熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射12。 熱傳導(dǎo)，指在物質(zhì)在無相對(duì)位移的情況下，物體內(nèi)部具有不同溫度、或者不同溫度的物體直接接觸時(shí)所發(fā)生的熱能傳遞現(xiàn)象13。固體中的熱傳導(dǎo)是源于晶格振動(dòng)形式的原子活動(dòng)。非導(dǎo)體中，能量傳輸只依靠晶格波（聲子）進(jìn)行；在導(dǎo)體中，除了晶格波還有自由電子的平移運(yùn)動(dòng)。我們知道，所有物質(zhì)都是由基本的分子或者原子構(gòu)成的。只要物體有溫度，分子（原子）就處在不停的運(yùn)動(dòng)當(dāng)中。溫度越高，分子的能量也就越大，也就是說振動(dòng)的能量越大。當(dāng)臨近的分子發(fā)生碰撞時(shí)，能量就會(huì)從能量高的分子向能量低的分子傳輸。從而，當(dāng)存在溫度梯度時(shí)，通過導(dǎo)熱的能量傳輸總是向溫度降低的方向進(jìn)行。熱傳導(dǎo)遵從的宏觀規(guī)律是傅里葉定律。根據(jù)這個(gè)定律，由系統(tǒng)內(nèi)溫度分布不均勻引起的在dt時(shí)間內(nèi)流過面積元dS的微熱量為：dQ=(r)(2T/2n)dSdt （1-1）式中：r是確定面積元dS位置的徑矢；(2T/2n)表示r處沿dS法線方向的溫度梯度；負(fù)號(hào)說明熱量總是沿著溫度減小的方向進(jìn)行；(r)表示r處系統(tǒng)的熱導(dǎo)率，它的數(shù)值反映該種物質(zhì)傳遞熱量的本領(lǐng)。熱導(dǎo)率是溫度的函數(shù)，在一個(gè)溫度分布不均勻的系統(tǒng)中，它隨徑矢而改變14。 熱對(duì)流，又稱對(duì)流傳熱，是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程15。對(duì)流傳熱可分為強(qiáng)迫對(duì)流和自然對(duì)流。強(qiáng)迫對(duì)流，是由于外界作用推動(dòng)下產(chǎn)生的流體循環(huán)流動(dòng)。自然對(duì)流是由于溫度不同密度梯度變化，重力作用引起低溫高密度流體自上而下流動(dòng)，高溫密度流體自下而上流動(dòng)。 溫度為t0的流體流過一個(gè)溫度為tw（大于t0）的物體時(shí)，流體的溫度從物體表面溫度tw變化到t0的過程發(fā)生的物體表面附近的薄層內(nèi)，薄層的厚度取決于流體的性質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)特征。流體運(yùn)動(dòng)越湍急，此溫度邊界層越薄，正是在此邊界層內(nèi)發(fā)生的熱傳導(dǎo)和對(duì)流，使熱量從物體表面?zhèn)鬟f向流體。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)流傳熱過程中物體從流體獲得（或放出）的熱量Q與物體的表面積A、時(shí)間和它與流體之間的平均溫度差為t=twt成正比，故有牛頓冷卻定律：Q=tA （1-2）式中：比例系數(shù)叫作放熱系數(shù)，tw和t分別是物體表面和流體的平均溫度。熱輻射，是一種物體用電磁輻射的形式把熱能向外散發(fā)的傳熱方式16。它不依賴任何外界條件而進(jìn)行，是在真空中最為有效的傳熱方式。不管物質(zhì)處在何種狀態(tài)（固態(tài)、氣態(tài)、液態(tài)或者玻璃態(tài)），只要物質(zhì)有溫度（所有物質(zhì)都有溫度），就會(huì)以電磁波（也就是，光子）的形式向外輻射能量。這種能量的發(fā)射是由于組成物質(zhì)的原子或分子中電子排列位置的改變所造成的17。1.3 研究目標(biāo)通過對(duì)膠版印刷過程中的油墨溫度場分析，掌握油墨溫度變化機(jī)理，影響油墨溫度變化的各種因素，以及油墨溫度場變化的特性，從而對(duì)實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。1.4 技術(shù)路線1.5 課題研究內(nèi)容1.5.1 ANSYS CFX仿真分析本課題中利用ANSYS CFX強(qiáng)大的功能，建立油墨流動(dòng)仿真模型，能夠較準(zhǔn)確的建立油墨傳遞仿真系統(tǒng)，求解分析提取數(shù)據(jù)，得到溫度云圖，通過觀察結(jié)果云圖，可更直觀的了解墨輥表面不同位置的溫度變化。1.5.2 印刷過程中油墨溫度場的變化在印刷過程中輸墨系統(tǒng)油墨因在各墨輥間分裂、傳遞，墨輥間運(yùn)動(dòng)摩擦所產(chǎn)生的熱量，以及油墨的內(nèi)摩擦產(chǎn)熱而使其溫度上升，溫度對(duì)油墨的影響，主要表現(xiàn)在它可以改變油墨的稀稠程度、流動(dòng)性和著色力18。本課題中利用油墨印刷適應(yīng)儀在不同條件下多次模擬印刷過程，分析油墨在印刷過程中油泵壓力、墨輥轉(zhuǎn)速對(duì)油墨溫度變化的影響。第2章 ANSYS仿真ANSYS CFX軟件是一個(gè)高性能、通用流體動(dòng)力學(xué)程序。它的核心是其先進(jìn)的解算器技術(shù),實(shí)現(xiàn)可靠和準(zhǔn)確的關(guān)鍵解決方案。解算器是一個(gè)豐富的基礎(chǔ)物理模型來捕獲的選擇幾乎任何類型的流體流動(dòng)現(xiàn)象。解算器和它的許多物理模型被包裝在一個(gè)現(xiàn)代的、直觀的、和靈活的GUI和用戶環(huán)境，與廣泛的功能定制和自動(dòng)化使用會(huì)話文件、腳本和一個(gè)強(qiáng)大的表達(dá)式語言19。本課題中，利用ANSYS CFX建立油墨流動(dòng)模型，然后進(jìn)行仿真分析，得出結(jié)論，從而跟實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。ANSYS CFX功能的實(shí)現(xiàn)主要由5部分組成：幾何建模、網(wǎng)格劃分、前處理、求解和后處理。2.1 油墨流動(dòng)模型根據(jù)軟硬輥尺寸，確定兩墨輥之間的壓力（經(jīng)驗(yàn)值：130-330N），根據(jù)“固體分析”，確定出施加壓力后由于軟輥形變而導(dǎo)致減小的兩墨輥之間的中心距。確定中心距后，加入一定厚度的油墨，根據(jù)“流體分析”，確定加入油墨后軟輥的形變量，從而確定出兩墨輥間油墨通道的厚度，再而確定出油墨流動(dòng)模型，即為以下仿真分析的模型。其中串墨輥半徑R=30mm，勻墨輥半徑R=20mm，因此串墨輥墨層內(nèi)層半徑為30mm，勻墨輥墨層內(nèi)層半徑為20mm，墨層拉伸長度Z=30mm，其串墨輥墨層厚度為0.7mm，勻墨輥墨層厚度為0.6mm，兩輥之間的中心距為49.74mm，中間墨層流動(dòng)厚度為0.188mm20。2.2 網(wǎng)格劃分 ANSYS ICEM CFD是一款功能強(qiáng)大的前處理軟件，不僅可以為主流的CFD軟件提供高質(zhì)量的網(wǎng)格，還可以完成多種CAE軟件的前處理工作21。由于油墨流動(dòng)厚度比較薄，為了提高仿真的精確度，本課題中就是采用ANSYS ICEM CFD為模型劃分網(wǎng)格，如圖2-1所示。圖2-1 油墨流動(dòng)模型網(wǎng)格劃分2.3 CFX-Pre 前處理2.3.1庫設(shè)定根據(jù)需要，自定義生成油墨材料：youmo；如圖2-2所示。摩爾質(zhì)量（Molar Mass）:21.523kg kmol-1；密度（Density）：1012.935kg m-3；比熱容（Specific Heat Capacity）:2467J kg-1 K-1；比熱類型（Specific Heat Type）:恒壓（Constant Pressure）；動(dòng)態(tài)粘滯度（Dynamic Viscosity）：1.4Pa s；導(dǎo)熱系數(shù)（Thermal Conductivity）:0.213W m-1 K-1。圖2-2 材料“youmo”的設(shè)定2.3.2計(jì)算域設(shè)定在Domain（域設(shè)定）面板中，對(duì)計(jì)算域的主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。對(duì)于單向流問題的計(jì)算域，主要需要設(shè)定以下兩方面內(nèi)容?；驹O(shè)定（Basic Settings）:位置及類型：設(shè)定計(jì)算域所在的體、類型及所在的坐標(biāo)系；流體及粒子定義：選擇不同的流體、粒子類型及種類；材料（Material）:選擇之前設(shè)置的“youmo”；模型域：設(shè)定參考?jí)毫?、浮力、域運(yùn)動(dòng)、網(wǎng)格變形；如圖2-3所示。流體模型（Fluid Models）:傳熱模型（Heat Transfer）：熱焓模型（Thermal Energy）,即只計(jì)算流換熱和熱傳導(dǎo)，不考慮流體動(dòng)能帶來的變化；湍流模型（Turbulence）:k-Epsilon(k-模型)，最簡單的完整湍流模型；如圖2-4所示。圖2-3 模型域基本設(shè)定圖2-4 模型域流體模型設(shè)定2.4邊界條件設(shè)定 入口1：I1 入口2：I2 出口1：01 出口2：02 壁面1（硬輥外表面）：W1 壁面2（軟輥外表面）：W2 壁面3（油墨空氣接觸面）：W3圖2-5 模型邊界條件2.4.1 Inlet入口邊界條件入口邊界條件設(shè)定中需要設(shè)定的邊界信息包括以下幾個(gè)部分。流體性質(zhì)（Flow Regime）:亞音速（Subsonic）；標(biāo)準(zhǔn)速度（Normal Speed）:0.5m s-1；湍流（Turbulence）:一般情況下，湍流動(dòng)能系數(shù)建議使用默認(rèn)值中等湍流密度Medium(Intensity=5%)； 熱量傳輸（Heat Transfer）:靜態(tài)溫度（Static Temperature）:293K。如圖2-6為入口I1的邊界條件，入口I2同入口I1。圖2-6 入口I1參數(shù)設(shè)定2.4.2 Outlet出口邊界條件出口邊界條件設(shè)定中需要設(shè)定的邊界條件信息包括以下幾個(gè)部分。流體性質(zhì)（Flow Regime）:亞音速（Subsonic）；質(zhì)量和動(dòng)量（Mass And Momentum）:平均靜壓 （Average Static Pressure）； 相對(duì)壓力（Relative Pressure）:0Pa； 如圖2-7為出口O1的邊界條件，出口O2同出口O1。圖2-7 出口O1參數(shù)設(shè)定2.4.3 Wall壁面邊界條件壁面邊界條件需選取便捷的所在位置。壁面邊界條件設(shè)定中需要設(shè)定的邊界信息包括以下幾個(gè)部分。如圖2-8為壁面W1（硬輥外表面）的邊界條件設(shè)定：質(zhì)量和動(dòng)量（Mass And Momentum）：無滑移邊界條件；壁面粗糙度（Wall Roughness）:粗糙壁面（Rough Wall）；粗糙度（Sand Grain Roughness）:0.2；熱量傳遞（Heat Transfer）:傳熱系數(shù)（Heat Transfer Coefficient）:301W m-2 K-1； 出口溫度（Outside Temperature）:293K。圖2-8 壁面W1參數(shù)設(shè)定如圖2-9為壁面W2（軟輥外表面）的邊界條件設(shè)定：質(zhì)量和動(dòng)量（Mass And Momentum）：無滑移邊界條件；壁面粗糙度（Wall Roughness）:粗糙壁面（Rough Wall）;粗糙度（Sand Grain Roughness）:0.4;熱量傳遞（Heat Transfer）:傳熱系數(shù)（Heat Transfer Coefficient）:163W m-2 K-1; 出口溫度（Outside Temperature）:293K。圖2-9 壁面W2參數(shù)設(shè)定如圖2-10為壁面W3（油墨與空氣接觸面）的邊界條件設(shè)定：質(zhì)量和動(dòng)量（Mass And Momentum）：無滑移邊界條件；壁面粗糙度（Wall Roughness）:光滑壁面（Smooth Wall）；熱量傳遞（Heat Transfer）:傳熱系數(shù)（Heat Transfer Coefficient）:412W m-2 K-1；出口溫度（Outside Temperature）:293K。圖2-10 壁面W3參數(shù)設(shè)定2.5 初始條件設(shè)定對(duì)于穩(wěn)態(tài)流動(dòng)問題，初始條件就是進(jìn)行數(shù)值迭代計(jì)算的各變量初始值。圖2-11 初始條件設(shè)定2.6 求解器設(shè)定求解器設(shè)定用來調(diào)整求解過程中的控制參數(shù)?；驹O(shè)定（Basic Settings）是求解設(shè)定的主要內(nèi)容。主要包括以下幾個(gè)部分。差分格式設(shè)定（Advection Scheme）:高階求解模式（High Resolution）；湍流數(shù)值運(yùn)算（Turbulence Numerics）:一階（First Order）；最大迭代步數(shù)（Max. Iterations）:100；時(shí)間控制尺度（Timescale Control）：2s；收斂殘差值（Residual Target）:10-4。圖2-12 求解器參數(shù)設(shè)定2.7 CFX-Post后處理 在Workbench后處理中提取計(jì)算結(jié)果。圖2-13為墨輥速度為0.5m/s時(shí)，穩(wěn)定時(shí)刻油墨的溫度云圖，從云圖中可以看出，由于油墨動(dòng)能以及油墨之間擠壓的影響，使油墨墨層整體溫度由初始的常溫升高至圖示溫度，其溫度最高處發(fā)生在兩輥擠壓的中心部分，其中最高溫度為301.33K（28.18）。由于最高溫度發(fā)生在中間位置，其熱量沿壁面圓周方向向兩側(cè)傳遞。入口處油墨溫度為常溫，且Wall3與空氣熱對(duì)流，所以從入口開始，沿著壁面旋轉(zhuǎn)方向溫度逐漸上升，直到進(jìn)入擠壓部分；油墨離開中間擠壓流動(dòng)后，同樣根據(jù)熱力學(xué)定律，與空氣發(fā)生熱交換，溫度逐漸降低，直至出口。 圖2-14為中間擠壓部分（X=0，Z=15）油墨溫度曲線，橫坐標(biāo)為油墨墨層方向，由Wall2到Wall1，即從軟輥外壁到硬輥外壁?？梢詮膱D中看出，油墨在擠壓的中間部分溫度最高（301.33K），從中心部分向墨層兩側(cè)方向，溫度逐漸降低，很明顯，兩側(cè)溫度降低后的值不同，并且Wall1處的值（300.54K）明顯低于Wall2處的值（300.84K），這是由于與壁面進(jìn)行熱交換，Wall1的壁面交換熱量高于Wall2，熱交換值受墨輥材料的熱交換系數(shù)影響。圖2-13墨輥上油墨溫度云圖圖2-14擠壓處油墨溫度曲線2.8 總結(jié) 由上述仿真的結(jié)果云圖及提取的數(shù)據(jù)可以得知以下結(jié)論：一般情況下，在印刷過程中： （1）越接近碾壓區(qū)，墨輥表面溫度越高； （2）墨輥兩端的溫度比中間溫度高； （3）軟輥溫度比硬輥溫度高。第3章 實(shí)驗(yàn)3.1 實(shí)驗(yàn)器材3.1.1 YQ-M-4A油墨印刷適應(yīng)儀YQ-M-4A型油墨印刷適性儀是測試油墨印刷適應(yīng)性的儀器，它可有選定的印刷度，用被測油墨壓印試樣。然后進(jìn)行各種檢測（如光澤、密度、轉(zhuǎn)移性、干性等）以確定油墨的印刷適應(yīng)性，所以該儀器廣泛應(yīng)用于油墨生產(chǎn)業(yè)、印刷業(yè)、以及油墨的科研教學(xué)等單位。YQ-M-4A型油墨印刷適性儀相關(guān)參數(shù)如下所示： A、壓印速度：電機(jī)有級(jí)變速五檔 =0.2 =0.4 =0.8 =1.2 =1.6 B、印樣尺寸： 、4一一200X47.5平方毫米 、2一一200X115平方毫米 、1一一200X250平方毫米 C、勻墨輥速度：500轉(zhuǎn)分 D、勻墨輥移動(dòng)速度：100次分 E、電源：電壓220伏總功率1500瓦 F、外型尺寸：主機(jī)：50OX47OX660毫米機(jī)架：50OX48OX600毫米圖3-1 YQ-M-4A型油墨印刷適性儀3.1.2 FLUKE Ti55 便攜式紅外熱像儀紅外熱像儀的工作原理是使用光電設(shè)備來檢測和測量輻射，并在輻射與表面溫度之間建立相互聯(lián)系。所有高于絕對(duì)零度（-273）的物體都會(huì)發(fā)出紅外輻射。紅外熱像儀利用紅外探測器和光學(xué)成像物鏡接受被測目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對(duì)應(yīng)。通俗地講紅外熱像儀就是將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D像。熱圖像的上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。通過查看熱圖像，可以觀察到被測目標(biāo)的整體溫度分布狀況，研究目標(biāo)的發(fā)熱情況，從而進(jìn)行下一步工作的判斷。為了獲得最佳的圖像效果,我們選擇 Fluke Ti55便攜式紅外熱像儀,它采用320x240探測器,它的熱靈敏度(0.05 NETD)在同類產(chǎn)品中處于領(lǐng)先地位,可獲得非常高的分辨率。除此之外，其探測器采集率可達(dá)60 Hz，通過5英寸大屏幕彩色顯示屏，它可以實(shí)時(shí)顯示測量溫度。 FT系列產(chǎn)品采用最新的IR-Fusion技術(shù)，IR-Fusion可捕獲可見光圖像和紅外圖像。它可以幫助更好的識(shí)別和報(bào)告可疑組件，可在第一時(shí)間完成完成維修工作。圖3-2 Fluke Ti55便攜式紅外熱像儀圖3-3 Fluke Ti55便攜式紅外熱像儀使用演示圖3-4 Fluke Ti55便攜式紅外熱像儀屏幕工作示圖3.1.3 紅外線溫度計(jì)（溫度槍）紅外線溫度計(jì)（溫度槍）是一種在線監(jiān)測（不停電）式高科技檢測技術(shù)，它集光電成像技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)于一身，通過接收物體發(fā)出的紅外線（紅外輻射），將其熱像顯示在熒光屏上，從而準(zhǔn)確判斷物體表面的溫度分布情況，具有準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、快速等優(yōu)點(diǎn)。紅外測溫技術(shù)在生產(chǎn)過程中，在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測，設(shè)備在線故障診斷和安全保護(hù)以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了著重要作用。 紅外線溫度計(jì)是利用紅外探測器、光學(xué)成像物鏡和光機(jī)掃描系統(tǒng)（先進(jìn)的焦平面技術(shù)則省去了光機(jī)掃描系統(tǒng)）接受被測目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元上，在光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測器之間，有一個(gè)光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)（焦平面熱像儀無此機(jī)構(gòu)）對(duì)被測物體的紅外熱像進(jìn)行掃描，并聚焦在單元或分光探測器上，由探測器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大處理、轉(zhuǎn)換或標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)通過電視屏或監(jiān)測器顯示紅外熱像圖。這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對(duì)應(yīng)；實(shí)質(zhì)上是被測目標(biāo)物體各部分紅外輻射的熱像分布圖由于信號(hào)非常弱，與可見光圖像相比，缺少層次和立體感，因此，在實(shí)際動(dòng)作過程中為更有效地判斷被測目標(biāo)的紅外熱分布場，常采用一些輔助措施來增加儀器的實(shí)用功能，如圖像亮度、對(duì)比度的控制，實(shí)標(biāo)校正，偽色彩描繪等技術(shù)。 紅外線溫度計(jì)的主要參數(shù)如下所示： 測溫范圍：-32-400 顯示分辨率：0.1（199.1時(shí)） 精度：23時(shí)1% 工作環(huán)境溫度范圍：0-50 重復(fù)性：23時(shí)1% 相對(duì)濕度30時(shí) 1095% 響應(yīng)時(shí)間500ms電源9V 響應(yīng)光譜7-18micron 尺寸13741196mm 重量270g 發(fā)射率：0.95% 圖3-5 紅外線溫度計(jì)（溫度槍） 圖3-6 紅外線溫度計(jì)使用演示3.2實(shí)驗(yàn)方案利用實(shí)驗(yàn)室中的YQ-M-A4型油墨印刷適應(yīng)儀進(jìn)行模擬印刷實(shí)驗(yàn)，通過紅外熱像儀和紅外線溫度計(jì)測出不同條件下印刷過程中油墨溫度場的變化?？紤]到油墨的影響，我先進(jìn)行無油墨狀態(tài)下著墨輥和勻墨輥的碾壓實(shí)驗(yàn)，以轉(zhuǎn)速和壓力為變量。轉(zhuǎn)速分為：低速檔，高速檔；壓力分為：0.3MPa、0.5MPa、0.8MPa（正常印刷情況下，壓力在0-1.0MPa之間）。因此，無墨狀態(tài)下，共有6組實(shí)驗(yàn)，依次為： 第1次實(shí)驗(yàn)：低速檔 0.3MPa 無墨狀態(tài)， 第2次實(shí)驗(yàn)：低速檔 0.5MPa 無墨狀態(tài)， 第3次實(shí)驗(yàn)：低速檔 0.8MPa 無墨狀態(tài)， 第4次實(shí)驗(yàn)：高速檔 0.3MPa 無墨狀態(tài)， 第5次實(shí)驗(yàn)：高速檔 0.5MPa 無墨狀態(tài)， 第6次實(shí)驗(yàn)：高速檔 0.8MPa 無墨狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)前，先測量墨輥表面的初始溫度并記錄，當(dāng)著墨輥和勻墨輥剛碾壓時(shí)開始計(jì)時(shí)，每隔10分鐘用溫度槍測量一次墨輥表面的溫度并記錄，考慮到墨輥的長度，我在墨輥的左側(cè)、中間、右側(cè)各做一次測量，從而能較清晰的研究墨輥表面溫度的變化規(guī)律。隨后，開始進(jìn)行有油墨狀態(tài)下的模擬印刷實(shí)驗(yàn)。同樣的，有墨狀態(tài)下，也是有6組實(shí)驗(yàn)，依次為： 第7次實(shí)驗(yàn) ：低速檔 0.3MPa 有墨狀態(tài)， 第8次實(shí)驗(yàn) ：低速檔 0.5MPa 有墨狀態(tài)， 第9次實(shí)驗(yàn) ：低速檔 0.8MPa 有墨狀態(tài)， 第10次實(shí)驗(yàn)：高速檔 0.3MPa 有墨狀態(tài)， 第11次實(shí)驗(yàn)：高速檔 0.5MPa 有墨狀態(tài)， 第12次實(shí)驗(yàn)：高速檔 0.8MPa 有墨狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中，墨輥表面溫度除了用溫度槍測量外，還需要紅外熱像儀進(jìn)行整體測量。上述12次實(shí)驗(yàn)，均要保證實(shí)驗(yàn)前墨輥表面溫度冷卻到室溫。實(shí)驗(yàn)的終止條件為： （1）墨輥表面溫度趨于穩(wěn)定，隨時(shí)間增長，無明顯變化；（2）墨輥表面溫度高于50，此時(shí)溫度超出印刷環(huán)境條件，油墨粘度較低，易出現(xiàn)“飛墨”現(xiàn)象，不宜進(jìn)行印刷。3.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)3.3.1 溫度數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)條件及對(duì)應(yīng)結(jié)果數(shù)據(jù)如下所示：數(shù)據(jù)中的“左側(cè)”，“中間”，“右側(cè)”分別如圖3-7所示：右側(cè)中間左側(cè)圖3-7 油墨印刷適應(yīng)儀墨輥部分表3-1：第1，2，3次實(shí)驗(yàn)：低速檔 無墨狀態(tài) 墨輥各處溫度壓力0.3MPa0.5MPa0.8MPa時(shí)間min左側(cè)中間右側(cè)左側(cè)中間右側(cè)左側(cè)中間右側(cè)1017.215.516.318.515.517.223.520.521.02021.517.619.224.021.522.231.525.727.13025.522.723.428.526.327.434.830.531.34028.126.027.034.531.531.836.133.533.45028.226.127.338.536.036.737.835.035.36031.329.930.040.337.337.038.736.337.07031.730.230.241.337.837.639.337.137.38033.631.632.041.738.238.340.437.637.49034.532.231.641.239.239.041.339.239.010035.234.534.241.839.839.711035.534.534.2表3-2：第4，5，6次實(shí)驗(yàn)：高速檔 無墨狀態(tài) 墨輥各處溫度壓力0.3MPa0.5MPa0.8MPa時(shí)間min左側(cè)中間右側(cè)左側(cè)中間右側(cè)左側(cè)中間右側(cè)1018.016.317.325.722.324.027.324.524.82032.030.132.034.529.629.535.831.131.23038.336.335.541.533.535.340.336.335.74041.137.437.345.440.540.244.040.740.05043.339.438.246.343.242.246.542.641.86044.741.440.149.745.145.348.044.544.17047.343.642.750.348.149.050.547.346.58047.643.742.7表3-3：第7，8，9次實(shí)驗(yàn)：低速檔 有墨狀態(tài) 墨輥各處溫度壓力0.3MPa0.5MPa0.8MPa時(shí)間min左側(cè)中間右側(cè)左側(cè)中間右側(cè)左側(cè)中間右側(cè)1027.527.328.028.426.327.027.626.127.12032.631.732.632.831.131.832.531.231.43035.835.135.536.335.235.335.834.735.04038.237.637.539.137.737.938.436.736.85041.039.639.640.639.339.539.738.438.76042.741.641.641.840.640.940.940.040.07044.343.243.242.342.242.141.440.440.2表3-4 第10，11，12次實(shí)驗(yàn)：高速檔 有墨狀態(tài) 墨輥各處溫度壓力 0.3MPa 0.5MPa 0.8MPa 時(shí)間min左側(cè)中間右側(cè)左側(cè)中間右側(cè)左側(cè)中間右側(cè)1034.730.631.933.532.534.332.529.130.32040.337.837.741.340.141.239.637.338.03044.442.142.144.843.344.744.842.642.74046.944.644.746.445.446.346.343.643.55049.047.046.849.047.148.66050.447.547.450.548.649.53.3.2 溫度云圖紅外熱像儀會(huì)將所拍攝的圖片保存為IS2格式的紅外熱像圖，用Smartview軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像處理、標(biāo)注、導(dǎo)出、生成報(bào)告等功能。如圖3-8所示，為Smartview軟件分析紅外熱像圖的過程。通過調(diào)節(jié)紅外線和可見光的比例，即可得到利于觀察的溫度云圖。還可以通過劃線，更清晰的看出溫度變化。圖3-8 Smartview軟件分析紅外熱像圖以下為有墨狀態(tài)下進(jìn)行的6組油墨傳遞實(shí)驗(yàn)中，選取的部分溫度云圖。如圖3-9，為高速檔0.5MPa有墨狀態(tài)實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)開始20分鐘時(shí)拍攝的溫度云圖，沿軟輥周向畫一條線，可以觀察該線上各點(diǎn)在該時(shí)刻的溫度，由圖中曲線可以看出，沿墨輥周向從入口到擠壓區(qū)，油墨溫度逐漸上升，該結(jié)論與仿真中的圖2-13一致。 圖3-9 溫度云圖 圖3-10 溫度云圖如圖3-10，為高速檔0.5MPa有墨狀態(tài)實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)開始40分鐘時(shí)拍攝的溫度云圖，沿?cái)D壓區(qū)徑向畫一條線，可以從圖中曲線看出，墨輥兩端溫度比中間溫度高。如圖3-11，為低速檔0.5MPa有墨狀態(tài)實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)開始20分鐘時(shí)拍攝的溫度云圖，在軟輥、硬輥中沿徑向各畫一條線，可以從圖中曲線可以看出，硬輥溫度比軟輥低，該結(jié)論與仿真中的圖2-14一致。圖3-11 低速檔 0.5MPa 有墨狀態(tài) 20分鐘云圖觀察各組實(shí)驗(yàn)的溫度云圖，可以發(fā)現(xiàn)溫度云圖與溫度槍所得數(shù)據(jù)基本一致。3.4數(shù)據(jù)處理3.4.1 壓力的影響同一轉(zhuǎn)速、同一狀態(tài)下分別對(duì)比壓力對(duì)墨輥表面溫度的影響：取墨輥中間的溫度，分別將第1,2,3次實(shí)驗(yàn)，第4,5,6次實(shí)驗(yàn)，第7,8,9次實(shí)驗(yàn)，10,11,12次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，得到以下曲線圖。圖3-12 低速檔 無墨狀態(tài)下壓力的影響圖3-13 高速檔 無墨狀態(tài)下壓力的影響圖3-14 低速檔 有墨狀態(tài)下壓力的影響圖3-15 高速檔 有墨狀態(tài)下壓力的影響現(xiàn)象1：同一轉(zhuǎn)速（低速檔、高速檔）、同一狀態(tài)（無墨、有墨）下，壓力越大，墨輥表面溫度上升越快，越先趨于穩(wěn)定。分析：由印刷機(jī)產(chǎn)熱機(jī)可知，無墨狀態(tài)下，壓力越大，兩墨輥間的摩擦力越大，摩擦產(chǎn)熱越多；有墨狀態(tài)下，壓力越大，油墨的內(nèi)摩擦越大，油墨流體層之間摩擦產(chǎn)熱越多；而且，壓力增大的同時(shí)，軟輥的形變也增大，軟輥在形變過程中彈性勢能轉(zhuǎn)化為熱能的部分也隨之增加，所以溫度上升越快?，F(xiàn)象2：無墨狀態(tài)下，壓力對(duì)墨輥表面溫度的影響較明顯；有墨狀態(tài)下，壓力對(duì)墨輥表面溫度的影響較小。分析：由于兩墨輥的中心距不變，在添加油墨后，相當(dāng)于變相增加墨輥間的壓力，且增加的壓力相對(duì)于油泵（0.3MPa，0.5MPa，0.8MPa）施加在兩墨輥間的壓力要大，因此添加油墨后，壓力的改變對(duì)墨輥表面溫度的變化影響較小。3.4.2 油墨的影響同一轉(zhuǎn)速、同一壓力下分別對(duì)比有無油墨對(duì)墨輥表面溫度的影響：取墨輥中間的溫度，分別將第1,7次實(shí)驗(yàn)，第2,8次實(shí)驗(yàn)，第3,9次實(shí)驗(yàn)，第4,10次實(shí)驗(yàn)，第5,11次實(shí)驗(yàn)，第6,12次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，得到以下曲線圖。圖3-16 低速檔 0.3MPa有無油墨的影響圖3-17 低速檔 0.5MPa有無油墨的影響圖3-18 低速檔 0.8MPa有無油墨的影響圖3-19 高速檔 0.3MPa有無油墨的影響圖3-20 高速檔 0.5MPa有無油墨的影響圖3-21 高速檔 0.8MPa有無油墨的影響現(xiàn)象3：同一轉(zhuǎn)速（低速檔、高速檔）、同一壓力（0.3MPa，0.5MPa，0.8MPa）下，有油墨的狀態(tài)下，墨輥表面溫度前期上升較快，較先趨于穩(wěn)定，且穩(wěn)定時(shí)的溫度也較高。分析：由于添加油墨前后，兩墨輥中心距不變，添加一定厚度的油墨后，間接增大兩墨輥間的壓力，雖然沒有了墨輥之間的摩擦產(chǎn)熱，但是多了油墨內(nèi)摩擦的產(chǎn)熱，同時(shí)，軟輥形變也隨著壓力增大而增大，產(chǎn)熱增加。所以添加油墨后，溫度上升較快。現(xiàn)象4：同一轉(zhuǎn)速下（低速檔、高速檔），低壓力時(shí)，有無油墨對(duì)墨輥表面溫度的影響比高壓力時(shí)較明顯。分析：同結(jié)論2，即此時(shí)有無油墨占主要因素，低壓力時(shí)，有無油墨差距會(huì)更明顯。3.4.3 轉(zhuǎn)速的影響同一狀態(tài)、同一壓力下分別對(duì)比轉(zhuǎn)速對(duì)墨輥表面溫度的影響：取墨輥中間的溫度，分別將第1,4次實(shí)驗(yàn)，第2,5次實(shí)驗(yàn)，第3,6次實(shí)驗(yàn)，第7,10次實(shí)驗(yàn)，第8,11次實(shí)驗(yàn)，第9,12次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，得到以下圖表：圖3-22 0.3MPa 無墨狀態(tài)下轉(zhuǎn)速的影響圖3-23 0.5MPa 無墨狀態(tài)下轉(zhuǎn)速的影響圖3-24 0.8MPa 無墨狀態(tài)下轉(zhuǎn)速的影響圖3-25 0.3MPa 有墨狀態(tài)下轉(zhuǎn)速的影響圖3-26 0.5MPa 有墨狀態(tài)下轉(zhuǎn)速的影響圖3-27 0.8MPa 有墨狀態(tài)下轉(zhuǎn)速的影響 現(xiàn)象5：同一壓力（0.3MPa，0.5MPa，0.8MPa）、同一狀態(tài)（無墨、有墨）下，高轉(zhuǎn)速時(shí)，墨輥表面溫度前期上升較快，較先趨于穩(wěn)定，且穩(wěn)定時(shí)的溫度也較高。 分析：無墨狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速越快，單位時(shí)間內(nèi)兩墨輥的相對(duì)位移越大，摩擦力做功越多，產(chǎn)熱越多；有墨狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速越快，油墨流體層之間單位面積的內(nèi)擦力越大，產(chǎn)熱越多；同時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)油墨同時(shí)單位時(shí)間內(nèi)軟輥彈性形變轉(zhuǎn)化的熱能也越多，所以溫度上升越快?，F(xiàn)象6：有墨時(shí)，溫度曲線較穩(wěn)定。分析：加入油墨后，兩墨輥面之間的外摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w膜之間的內(nèi)摩擦，降低了墨輥間的墨損，從而使整個(gè)油墨傳遞過程變得較為平滑。3.5 總結(jié)從上述影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的三個(gè)實(shí)驗(yàn)條件分別進(jìn)行對(duì)比，可以看出，轉(zhuǎn)速的高低和有無有墨對(duì)墨輥溫度的上升占主要作用，而油泵壓力的高低對(duì)墨輥溫度的上升影響較小。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：（1）同一轉(zhuǎn)速（低速檔、高速檔）、同一狀態(tài)（無墨、有墨）下，壓力越大，墨輥表面溫度上升越快，越先趨于穩(wěn)定。（2） 同一轉(zhuǎn)速（低速檔、高速檔）、同一壓力（0.3MPa，0.5MPa，0.8MPa）下，有油墨的狀態(tài)下，墨輥表面溫度前期上升較快，較先趨于穩(wěn)定，且穩(wěn)定時(shí)的溫度也較高。 （3）同一壓力（0.3MPa，0.5MPa，0.8MPa）、同一狀態(tài)（無墨、有墨）下，高轉(zhuǎn)速時(shí)，墨輥表面溫度前期上升較快，較先趨于穩(wěn)定，且穩(wěn)定時(shí)的溫度也較高。（4）無墨狀態(tài)下，壓力對(duì)墨輥表面溫度的影響較明顯；有墨狀態(tài)下，壓力對(duì)墨輥表面溫度的影響較小。結(jié)論本課題中，通過ANSYS CFX建立油墨流動(dòng)仿真模型，提取數(shù)據(jù)，分析溫度變化；隨后通過對(duì)油墨印刷適應(yīng)儀進(jìn)行多組模擬印刷實(shí)驗(yàn)，用溫度槍和紅外熱像儀測量墨輥表面溫度數(shù)據(jù)，記錄并處理數(shù)據(jù)，分析油泵壓力、墨輥轉(zhuǎn)速等因素對(duì)油墨溫度上升的影響，得出結(jié)論，并與仿真的結(jié)論進(jìn)行對(duì)比分析，掌