В листовой офсетной машине формный, офсетный и печатный цилиндры несут изображение, передают краску и прижимают лист к офсетному полотну. От того, как опёрты эти цилиндры с каждого торца, зависит равномерность давления печати по ширине листа, а также предельная рабочая скорость. Большую часть XX века стандартным решением был подшипник скольжения. Почти все новые машины теперь оснащаются подшипниками качения. Переход обусловлен смежными инженерными решениями, а не одной удачной деталью.
В чём подшипники скольжения были хороши
На низких и средних скоростях цапфы цилиндров вращались в подшипниках скольжения. Конструкция имеет большое отношение длины к диаметру и работает за счёт контакта низшей пары, поэтому масляная плёнка гасит удары, а привод работает плавно. Длинная линия контакта повышает жёсткость цилиндра, прогиб под давлением печати снижается, давление остаётся постоянным по оси. Подшипник скольжения также прост в изготовлении, установке и обслуживании. При скоростях тогдашних машин он отвечал всем требованиям процесса, поэтому применялся так широко.
Предел по скорости
С 1980-х годов изготовители машин начали повышать производительность, и скорость была первым рычагом. Подшипник скольжения этому сопротивлялся. Коэффициент трения у него высок, площадь контакта цапфы велика, зазор в паре трения мал, а тепло отводится плохо, поэтому небольшое повышение скорости грозит заклиниванием вала во втулке. Увеличишь зазор, чтобы избежать заклинивания, и станина теряет жёсткость, точность передачи падает, на листе появляются полосы краски. В этот момент подшипник скольжения стал узким местом, и внимание перешло к телам качения. К тому времени улучшенное проектирование машин и более качественное производство сняли препятствия. Подшипник качения имеет малое отношение длины к диаметру и превращает контакт низшей пары в контакт высшей пары, что возвращает жёсткость, которую тело цилиндра теряет под нагрузкой печати.
Почему изготовители медлили и что изменилось
Старое возражение касалось прогиба. Под большим давлением печати цилиндр изгибается, его кривая прогиба провисает, середина цилиндра передаёт меньшее давление, чем торцы, растровые точки и текст в центре печатаются слабо, и лист не проходит по стандарту. Конечно-элементный анализ изменил расчёт. Теперь конструкторы оптимизируют структуру цилиндра и его внутреннюю полость, распределяя рёбра и перегородки по количеству, форме и размеру сечения так, чтобы общая жёсткость росла, а прогиб под нагрузкой оставался в допустимом диапазоне.
Изготовление цилиндров совершенствовалось в те же сроки. Материал и твёрдость теперь контролируются на этапах плавки, литья и термообработки. Печатный цилиндр должен также сохранять динамическую точность, причём точность после усталости и ползучести, а не только статическую точность и жёсткость. Динамическая точность зависит от распределения массы, а также от металлургической структуры и химического состава металла. Биение измеряют, когда цилиндр почти неподвижен, но на рабочей скорости погрешность иная, поскольку распределение массы и структура зерна никогда не бывают идеально равномерными.
Подшипниковая база также стала зрелой. Подбор, пригонка, сборка и контроль теперь выполняются по отработанной схеме, а высокоточные подшипники доступны от отечественных и зарубежных поставщиков без технических ограничений. Смежные детали улучшились соответственно. Точность зубчатых колёс цилиндров достигает четвёртой степени или выше как по кинематической группе, так и по группе плавности, это тот же класс, что применяется в авиационных передачах. Отверстия и торцы станины обрабатываются за один установ на станке с ЧПУ для расточки и фрезерования, поэтому размеры, допуски формы и шероховатость поверхности соответствуют статически неопределимой конструкции станины. С улучшением этих деталей машины работают устойчивее, источников вибрации становится меньше, и система цилиндров требует меньшего демпфирования. Heidelberg, Mitsubishi, Komori и KBA штатно устанавливают опоры на подшипниках качения, а зарубежный опыт даёт отечественным производителям ясный ориентир.
Типы подшипников, применяемые сейчас
Первый вопрос: какую конструкцию подшипника выбрать. Производители отвечают на него по-разному.
- Heidelberg отдаёт предпочтение игольчатым роликоподшипникам, рабочий зазор задаётся при сборке путём измерения игл и подбора их в согласованные группы.
- Roland строит опоры на многорядных коротких цилиндрических роликоподшипниках в сочетании с упорными подшипниками, радиальная и осевая нагрузки регулируются раздельно. Изготовитель подшипников гарантирует рабочий зазор, требования к точности высокие.
- Mitsubishi применяет конические роликоподшипники, которые воспринимают радиальную и осевую нагрузку совместно в более простой компоновке, зазор задаётся при сборке, а требования к квалификации сборщика выше.
- Некоторые отечественные производители ставят полые цилиндрические роликоподшипники, изготовленные по патенту США, работающие с высоким предварительным натягом и небольшим натягом посадки.
Все эти решения служат офсетной машине. У каждого свой характер, и теоретически любое из них может служить опорой цилиндра. Выбор определяется конструкторскими возможностями производителя и уровнем технологии, тем, насколько хорошо техническая команда понимает каждый тип подшипника, и состоянием производства, так что объективные ограничения и инженерное суждение сходятся в одной точке. При любом варианте общим предметом заботы остаётся регулирование зазора.
Предварительный натяг и рабочий зазор
Вторая техническая задача, предварительный натяг. Зазор в паре подшипников необходимо регулировать, чтобы повысить жёсткость системы, и зазор, оставленный после натяга при монтаже, определяет как итоговое качество печати, так и срок службы машины. Для повышения жёсткости и снижения шума подшипник качения должен работать с отрицательным рабочим зазором.
Теория и производственный опыт сходятся в целевой величине. Усталостная долговечность максимальна, когда рабочий зазор составляет около -10 μm. При дальнейшем увеличении отрицательной величины усталостная долговечность резко падает. Когда температура подшипника сильно растёт, тепловое расширение делает эффективный зазор более отрицательным, чем значение, заданное на стенде, поэтому при сборке следует оставлять запас на этот сдвиг.