波輪洗衣機(jī)剎車制動振動性能研究

江 黎 吳云貴 凌志東

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

一直以來，振動噪音問題都是衡量洗衣機(jī)性能好壞的一個重要指標(biāo)[1]。對于波輪洗衣機(jī)而言，振動噪音問題主要出現(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)的脫水啟動特性、穩(wěn)態(tài)特性的研究內(nèi)容，但是對于波輪洗衣機(jī)的剎車制動振動特性研究幾乎就是空白。剎車制動問題是一種非線性的振動問題，是脫水桶在高速平穩(wěn)運轉(zhuǎn)時動平衡突然發(fā)生破壞的一種極端表現(xiàn)[3,4]。由于此時的脫水桶還具有較高的角動量，脫水桶在偏心的作用下會劇烈的撞擊箱體，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)品為研究對象，首先介紹波輪洗衣機(jī)的振動原理，其次對波輪洗衣機(jī)的剎車制動過程進(jìn)行分析，最后通過設(shè)計試驗分析，提出抑制脫水桶剎車制動時振幅的主要方法。通過本文的研究，可以有效的緩解剎車制動時脫水桶劇烈的撞擊箱體的現(xiàn)象，在開發(fā)中所遇到的振動難題為例使得產(chǎn)品性能滿足設(shè)計需求。

1 波輪洗衣機(jī)的振動原理簡介

1.1 波輪洗衣機(jī)懸掛系統(tǒng)

波輪洗衣機(jī)的懸掛系統(tǒng)由桶組件和吊桿組件兩個部分組成，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。

1.2 振動原理

將波輪洗衣機(jī)懸掛系統(tǒng)簡化為一個經(jīng)典的單自由度振動模型如圖2所示。

系統(tǒng)的運動微分方程為：

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）中第一項式為瞬態(tài)解，表明隨固有頻率振動的幅值，不隨激勵力的變化而變化，并且很快按指數(shù)規(guī)律衰減掉；第二項式為穩(wěn)態(tài)解，振動頻率與激勵力的頻率相同，振幅為周期運動的恒定值。一般情況下，有阻尼的振動系統(tǒng)，振動會在一個較短的時間內(nèi)趨于穩(wěn)定，維持穩(wěn)態(tài)解形式的簡諧振動，即：

2 剎車制動過程分析

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)到了相對動平衡狀態(tài)。若此時脫水桶突然被制動減少，由于失去了離心力的作用，平衡環(huán)內(nèi)的鹽水會逐漸失去作用，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快速通過共振區(qū)，但是由于偏心較大，即使在一個極短的時間內(nèi)，脫水桶也會發(fā)生劇烈跳動，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。

2.1 系統(tǒng)固有頻率的估算

2.2 激振頻率的估算

我司該款產(chǎn)品設(shè)計的最高轉(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經(jīng)過懸掛系統(tǒng)的共振區(qū)間，當(dāng)激勵轉(zhuǎn)速與共振轉(zhuǎn)速重合時，系統(tǒng)會產(chǎn)生較大的振幅。若此時脫水內(nèi)桶偏心較大，由于桶組件與箱體的間隙有限，因此會出現(xiàn)桶組件劇烈撞擊箱體，甚至移位的現(xiàn)象。對于波輪洗衣機(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間內(nèi)也無法有效的抑制振幅。

2.3 主要影響因子的估算

1）系統(tǒng)共振。由于脫水桶從高速降到0，,激勵頻率范圍相對固有頻率來說很寬，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。通過水路設(shè)計，可以有效的降低突然剎車制動時，鹽水回流的速度。在脫水桶動平衡狀態(tài)被破壞之后，能有效緩解桶內(nèi)相對偏心增加的速度，降低剎車制動時懸掛系統(tǒng)跳動的振幅，起到抑制振幅的作用。平衡環(huán)水路設(shè)計如圖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)有一個小的阻尼塊可以提供阻尼力，通過調(diào)整阻尼力，可以實現(xiàn)減振的效果。但是從試驗效果來看，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，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 試驗結(jié)果對比

3.1 試驗設(shè)計

3.1.1 測試工況

考慮到試驗研究的對象為懸掛系統(tǒng)，跟箱體無關(guān)，為了便于觀察以及測試，將懸掛系統(tǒng)吊裝在特殊的工裝上，測試工裝如圖6所示。

3.1.2 測試方法

1）在外桶的上側(cè)前后左右四個位置布置好四個三向加速度傳感器。

2）在內(nèi)桶底部放置1.3 kg的沙包作為固定偏心，且每次試驗都放在同一個位置啟動脫水。

3）啟動單脫水程序，讓脫水桶旋轉(zhuǎn)到最高速，然后突然按啟停鍵制動。

4）使用專業(yè)的振動信號測試儀器采集懸掛系統(tǒng)從制動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 測試樣品樹

根據(jù)2.3節(jié)對于主要影響因子的評估，設(shè)計一組DOE試驗，試驗樣品樹如圖7所示。

3.2 試驗結(jié)果分析

按照3.1中的方法進(jìn)行測試，得到試驗結(jié)果如圖8所示。

從圖8中，可以得出以下兩點結(jié)論：

1）新老吊桿對比，外桶振幅的平均值相差2 mm。

2）新老平衡環(huán)對比，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)品脫水制動時振動的幅值，從而實現(xiàn)降低振動、噪音，優(yōu)化整機(jī)性能的目的。

4 結(jié)束語

本文以我司一款波輪產(chǎn)品作為研究對象，主要分析了洗衣機(jī)產(chǎn)生振動的原理、影響剎車制動振幅的主要因素，以及試驗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時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)計需求。通過本文的研究，提供一種降低剎車制動時脫水桶振幅的方法，使得產(chǎn)品性能更加穩(wěn)定、安全、可靠。同時本文的工作也給后續(xù)的波輪洗衣機(jī)脫水振動特性的研究提供一些思路和參考。由于波輪脫水剎車制動過程是一個極其復(fù)雜的非線性振動過程，本文的研究還是過于粗糙、淺顯，不足之處，還望批評指正。