江 黎 吳云貴 凌志東
(長(zhǎng)虹美菱股份有限公司 合肥 230601)
一直以來,振動(dòng)噪音問題都是衡量洗衣機(jī)性能好壞的一個(gè)重要指標(biāo)[1]。對(duì)于波輪洗衣機(jī)而言,振動(dòng)噪音問題主要出現(xiàn)在脫水階段[2]。目前行業(yè)內(nèi)存在一些關(guān)于波輪洗衣機(jī)的脫水啟動(dòng)特性、穩(wěn)態(tài)特性的研究?jī)?nèi)容,但是對(duì)于波輪洗衣機(jī)的剎車制動(dòng)振動(dòng)特性研究幾乎就是空白。剎車制動(dòng)問題是一種非線性的振動(dòng)問題,是脫水桶在高速平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)動(dòng)平衡突然發(fā)生破壞的一種極端表現(xiàn)[3,4]。由于此時(shí)的脫水桶還具有較高的角動(dòng)量,脫水桶在偏心的作用下會(huì)劇烈的撞擊箱體,導(dǎo)致箱體鼓包、移位、噪音大等等一系列問題[5,6]。本文以我司一款波輪產(chǎn)品為研究對(duì)象,首先介紹波輪洗衣機(jī)的振動(dòng)原理,其次對(duì)波輪洗衣機(jī)的剎車制動(dòng)過程進(jìn)行分析,最后通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)分析,提出抑制脫水桶剎車制動(dòng)時(shí)振幅的主要方法。通過本文的研究,可以有效的緩解剎車制動(dòng)時(shí)脫水桶劇烈的撞擊箱體的現(xiàn)象,在開發(fā)中所遇到的振動(dòng)難題為例使得產(chǎn)品性能滿足設(shè)計(jì)需求。
波輪洗衣機(jī)的懸掛系統(tǒng)由桶組件和吊桿組件兩個(gè)部分組成,桶組件通過吊桿組件懸掛于箱體的角板上。波輪懸掛系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。
如圖1所示:桶組件包含盛水外桶、外桶蓋、鹽水平衡環(huán)、脫水內(nèi)桶、波輪盤、離合器和電機(jī)。鹽水平衡環(huán)緊固在脫水內(nèi)桶桶口處,波輪盤固定在脫水內(nèi)桶桶底,與盛水外桶上的離合器端面相連。
將波輪洗衣機(jī)懸掛系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)經(jīng)典的單自由度振動(dòng)模型如圖2所示。
系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程為:
式中:
M—系統(tǒng)質(zhì)量;
δ—阻尼力;
K—彈簧剛度;
F—激勵(lì)力。
令其為F=F0coswt,此微分方程的解為:
式中:
β—衰減系數(shù),β=δ/2M;
ω0—固有頻率,;
Zm—力阻抗,。
式(2)中第一項(xiàng)式為瞬態(tài)解,表明隨固有頻率振動(dòng)的幅值,不隨激勵(lì)力的變化而變化,并且很快按指數(shù)規(guī)律衰減掉;第二項(xiàng)式為穩(wěn)態(tài)解,振動(dòng)頻率與激勵(lì)力的頻率相同,振幅為周期運(yùn)動(dòng)的恒定值。一般情況下,有阻尼的振動(dòng)系統(tǒng),振動(dòng)會(huì)在一個(gè)較短的時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定,維持穩(wěn)態(tài)解形式的簡(jiǎn)諧振動(dòng),即:
洗衣機(jī)經(jīng)過高速脫水之后,脫水桶內(nèi)衣物的含水率趨于穩(wěn)定。此時(shí)衣物形成的偏心與平衡環(huán)內(nèi)的鹽水的偏心,達(dá)到了相對(duì)動(dòng)平衡狀態(tài)。若此時(shí)脫水桶突然被制動(dòng)減少,由于失去了離心力的作用,平衡環(huán)內(nèi)的鹽水會(huì)逐漸失去作用,由于桶內(nèi)衣物形成的偏心幾乎不再發(fā)生變化,導(dǎo)致系統(tǒng)的偏心逐漸增大。脫水桶在降速的過程中雖然會(huì)快速通過共振區(qū),但是由于偏心較大,即使在一個(gè)極短的時(shí)間內(nèi),脫水桶也會(huì)發(fā)生劇烈跳動(dòng),撞擊箱體導(dǎo)致箱體鼓包,甚至是整機(jī)發(fā)生位移等現(xiàn)象。
我司該款產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最高轉(zhuǎn)速為680 rpm,轉(zhuǎn)換成頻率為11.3 Hz。脫水桶在啟停的過程中均會(huì)經(jīng)過懸掛系統(tǒng)的共振區(qū)間,當(dāng)激勵(lì)轉(zhuǎn)速與共振轉(zhuǎn)速重合時(shí),系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大的振幅。若此時(shí)脫水內(nèi)桶偏心較大,由于桶組件與箱體的間隙有限,因此會(huì)出現(xiàn)桶組件劇烈撞擊箱體,甚至移位的現(xiàn)象。對(duì)于波輪洗衣機(jī)而言,箱體與懸掛系統(tǒng)的間隙都比較小,而且吊桿的阻尼力在很短的時(shí)間內(nèi)也無法有效的抑制振幅。
1)系統(tǒng)共振。由于脫水桶從高速降到0,,激勵(lì)頻率范圍相對(duì)固有頻率來說很寬,所以無法通過調(diào)整系統(tǒng)固有頻率避開共振峰。
2)平衡環(huán)水路設(shè)計(jì)。通過水路設(shè)計(jì),可以有效的降低突然剎車制動(dòng)時(shí),鹽水回流的速度。在脫水桶動(dòng)平衡狀態(tài)被破壞之后,能有效緩解桶內(nèi)相對(duì)偏心增加的速度,降低剎車制動(dòng)時(shí)懸掛系統(tǒng)跳動(dòng)的振幅,起到抑制振幅的作用。平衡環(huán)水路設(shè)計(jì)如圖3所示。
3)增加吊桿阻尼力。由于脫水桶在啟停的過程中共振區(qū)間無法避開,為了讓洗衣機(jī)正常脫水,工程學(xué)上常用增加吊桿阻尼力的方法抑制共振振幅。我司產(chǎn)品上使用的吊桿是摩擦式阻尼吊桿,在彈簧的上側(cè)有一個(gè)小的阻尼塊可以提供阻尼力,通過調(diào)整阻尼力,可以實(shí)現(xiàn)減振的效果。但是從試驗(yàn)效果來看,阻尼力很難選配,阻尼力小了,起不到很好的減振的目的;阻尼力大了,減振效果明顯了,但是吊桿噪音變大了,導(dǎo)致整機(jī)噪音測(cè)試不合格,因此可執(zhí)行性較差。吊桿結(jié)構(gòu)如圖4所示。
4)外桶吊桿球座結(jié)構(gòu)限位。目前外桶安裝吊桿的球座位置,開口較大。通過修改結(jié)構(gòu),將球座位置開口減小,從而限制達(dá)到限制振幅的目的。由于外桶改模特別麻煩,我們將吊桿阻尼套上件加粗進(jìn)行試驗(yàn),具有明顯的減振效果。吊桿阻尼套上件如圖5所示。
綜上所述,方案二和方案四是較為可行的減振措施。
3.1.1 測(cè)試工況
考慮到試驗(yàn)研究的對(duì)象為懸掛系統(tǒng),跟箱體無關(guān),為了便于觀察以及測(cè)試,將懸掛系統(tǒng)吊裝在特殊的工裝上,測(cè)試工裝如圖6所示。
3.1.2 測(cè)試方法
1)在外桶的上側(cè)前后左右四個(gè)位置布置好四個(gè)三向加速度傳感器。
2)在內(nèi)桶底部放置1.3 kg的沙包作為固定偏心,且每次試驗(yàn)都放在同一個(gè)位置啟動(dòng)脫水。
3)啟動(dòng)單脫水程序,讓脫水桶旋轉(zhuǎn)到最高速,然后突然按啟停鍵制動(dòng)。
4)使用專業(yè)的振動(dòng)信號(hào)測(cè)試儀器采集懸掛系統(tǒng)從制動(dòng)到停止過程中外桶的振幅。
5)記錄最大位移的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
3.1.3 測(cè)試樣品樹
根據(jù)2.3節(jié)對(duì)于主要影響因子的評(píng)估,設(shè)計(jì)一組DOE試驗(yàn),試驗(yàn)樣品樹如圖7所示。
按照3.1中的方法進(jìn)行測(cè)試,得到試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。
從圖8中,可以得出以下兩點(diǎn)結(jié)論:
1)新老吊桿對(duì)比,外桶振幅的平均值相差2 mm。
2)新老平衡環(huán)對(duì)比,外桶振幅的平均值相差1 mm。
綜上所述,確定抑制振幅的方案如下:
方案一:平衡環(huán)水路重新改模;
方案二:吊桿阻尼套上件結(jié)構(gòu)重新改模。
通過上述方案,可以有效的降低我司該款波輪產(chǎn)品脫水制動(dòng)時(shí)振動(dòng)的幅值,從而實(shí)現(xiàn)降低振動(dòng)、噪音,優(yōu)化整機(jī)性能的目的。
本文以我司一款波輪產(chǎn)品作為研究對(duì)象,主要分析了洗衣機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)的原理、影響剎車制動(dòng)振幅的主要因素,以及試驗(yàn)確定抑制振幅的方案。通過本文的研究,可以有效的緩解剎車制動(dòng)時(shí)脫水桶劇烈的撞擊箱體的現(xiàn)象,使得產(chǎn)品性能滿足設(shè)計(jì)需求。通過本文的研究,提供一種降低剎車制動(dòng)時(shí)脫水桶振幅的方法,使得產(chǎn)品性能更加穩(wěn)定、安全、可靠。同時(shí)本文的工作也給后續(xù)的波輪洗衣機(jī)脫水振動(dòng)特性的研究提供一些思路和參考。由于波輪脫水剎車制動(dòng)過程是一個(gè)極其復(fù)雜的非線性振動(dòng)過程,本文的研究還是過于粗糙、淺顯,不足之處,還望批評(píng)指正。