波輪洗衣機平衡環(huán)的基本設計原理及優(yōu)化設計

厲華

【摘 要】平衡環(huán)組件是洗衣機脫水桶組件的重要組成部分，平衡環(huán)組件設計會直接影響到洗衣機的振動性能的好壞和噪音的高低。論文除了講述在設計平衡環(huán)應該考慮或者注意的內容外，還結合作者在生產和市場反饋碰到的設計難題采取對策，并對設計技巧進行說明。

【Abstract】The balance ring component is an important part of the tumble dryer assembly of the washing machine. The design of the balance ring component will directly affect the vibration performance of the washing machine and the noise level. In addition to the contents that should be considered or paid attention to in the design of the balance ring， the author also adopts the countermeasures in combination with the design difficulties encountered in the production and market feedback， and explains the design techniques.

【關鍵詞】平衡環(huán)；盛水桶振動形態(tài)；流體移動分析；優(yōu)化設計

【Keywords】balance ring； vibration form of the bucket； fluid movement analysis； optimization design

【中圖分類號】TM925 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）05-0193-04

1 引言

隨著人們生活水平的逐步提高及生活節(jié)奏的加快，洗衣機產品已經成為現代家庭生活中一個必不可少的必需品，現在基本上每戶家庭都已經擁有了一臺全自動洗衣機了，洗衣機產品的振動噪音及長期使用性也隨之更加受到人們的關注，而平衡環(huán)組件是影響洗衣機振動和噪音的一個極其重要的零件，一個好的平衡環(huán)組件的設計不僅可以減少洗衣機的振動性能，有效改善噪音水平，從而確保洗衣機長期運行的可靠性，而且可以通過優(yōu)化設計，提高產品的維修便利性。整體而言，洗衣機的平衡環(huán)的設計既可以提升產品的基本性能，又可以提升維修的便利性。因此洗衣機平衡環(huán)的優(yōu)化設計是非常有必要的，本文將采用平衡環(huán)實現平衡性矯正的原理分析，平衡環(huán)設計的基本思路及針對近幾年市場投訴應對的優(yōu)化設計，進行一些觀點的闡述，并結合實際的案例進行驗證，希望給技術人員進行平衡環(huán)的設計，少走一些彎路，或者針對設計人員在應對市場上碰到類似問題點時，希望可以受到一點提示啟發(fā)。

2 原理分析

2.1 不同脫水轉速盛水桶的振動形態(tài)

圖1不同脫水轉速下盛水桶的振動形態(tài)表示了由于脫水桶的不同轉速情況下盛水桶的振動形態(tài)。洗滌物在偏置一邊的狀態(tài)開始脫水，洗滌物產生不平衡的作用力，盛水桶產生較大的橫向振幅。我們把這個叫做1次共振點。該狀態(tài)在現在的全自動洗衣機構造上，大約在60r/min。接下去到了約190r/min，發(fā)生2 次共振點。此時盛水桶會產生較大的縱向晃動。發(fā)生2次共振點的轉速，由于吊桿和緩沖彈簧的系數等不同會有些偏差。當脫水轉速進一步提高時，就形成由縱向振動和橫向振動合成的正常脫水振動。

2.2 脫水桶轉速而產生的流體的移動分析

如圖2脫水轉速而產生的流體移動中可以看出1次共振點前，平衡環(huán)內的流體是向不平衡側移動的。過了1次共振點，在平衡環(huán)內筋的作用下，流體是往不平衡側的相反方向移動的。過了2次共振點后，產生了矯正離心力，開始補正不平衡量，到正常脫水狀態(tài)時，流體完全向不平衡側的相反方向移動。

3 平衡環(huán)的設計步驟

3.1 基本設計思路

3.1.1 平衡環(huán)分割重數的檢討

對于不平衡發(fā)生的離心力為盡可能使重心作用力矩為0，并盡可能設計多重平衡環(huán)。

這里以NA-F70**為例進行說明。平衡環(huán)的各尺寸如圖3-b所示，1重構造平衡環(huán)尺寸A為30mm，流體裝入50%，則B尺寸為15mm，筆者設計了1、2和3重平衡環(huán)，并進行樣品的試作和實驗，所得平衡環(huán)與矯正離心力的關系曲線如圖3-a。對于1重平衡環(huán)，在盛水桶的單向振幅達到15mm時，裝入流體達到最大矯正力，在平衡環(huán)內的形狀如圖3-b-1所示，但超過15mm時，矯正離心力反而有所下降。若采用2重、3重構造，隨著盛水桶振幅增大，矯正離心力也會增大，但是，在平衡環(huán)整體尺寸一定的情況下，在2重、3重構造下，A、B也會變小，盛水桶振幅與矯正離心力的調整比例范圍也隨之變小。在脫水桶上部放置0.4kg不平衡塊產生力的線（模擬脫水過程中的不平衡狀態(tài)），根據3-a圖，利用與矯正離心力的交點，可得出：①重構造的平衡環(huán)盛水桶上部橫向振幅為12mm；②重構造的平衡環(huán)振幅為6mm；③重構造的平衡環(huán)則為3mm。，這數據也充分說明了在條件允許的情況下，盡可能設計成多重平衡環(huán)。

3.1.2 平衡環(huán)內部分隔檢討

如前面所述，脫水起動過了1次共振點后，注入流體朝反向不平衡側流動，引起整機的振動。所以在平衡環(huán)分隔筋上設計孔，使液體在脫水起動時向不平衡側流動，從而減小1次共振點的振幅。因此，需檢討孔的位置。先觀察圖4-a，在圓柱形的容器中放水，當容器以中心軸開始旋轉時，最初只是容器本身的旋轉，水是靜止的。但由于水的粘性，經過一定時間后，水也以同樣角速度進行旋轉，此時會產生水面的最高點（Z1）與最低點（Z2）的差h，在平衡環(huán)設計時，如圖4-b設計內外側孔各1個，內側孔的下端與外側孔的下端的段差要保證h以上。（對于NA-F70**機型：1次共振點脫水桶的轉速為60r/min，則ω=6.28。平衡環(huán)R1=230mm ，R2=200mm，則h=26mm。）

3.1.3 注入流體的檢討

3.1.3.1 作為注入平衡環(huán)流體的必要條件：

①-15℃以上不能凍結；②物性要穩(wěn)定，最好是即使在發(fā)生漏液情況下，不會對顧客的人身安全及財產造成影響；③ 選擇的液體與平衡環(huán)使用材料相互無影響；④價格最好要低廉。

表1列有幾種可參考的材料，就整體考慮的角度，還是NaCl最為實用，故現在設計中平衡環(huán)中注入的基本上都為鹽水。（注：○表示最優(yōu)， △ 表示一般，×表示不可?。?/p>

3.1.3.2 注入平衡環(huán)流體量的檢討

根據設計經驗，靜態(tài)平衡環(huán)內液量預設值需高出擋筋h1=5mm以上（如圖4-b）。更具體的液量可參照以下方式進行確定。（以雙重平衡環(huán)為例）

液量探討的具體方式如下：固定平衡環(huán)內圈平衡環(huán)液量，再往外圈里面按照10ml/次追加，進行無負荷脫水，對圖5中的盛水桶A＼B兩點的振幅及GB規(guī)定位置箱體振動值進行測試并記錄，數據取好后，再在脫水桶一側（脫水桶上部，平衡環(huán)下側位置）追加0.4kg的不平衡塊（模擬脫水過程中的不平衡狀態(tài)），進行試驗，同樣得到一組振幅值及箱體的振動值，綜合以上無負荷及0.4kg不平衡塊的振幅及箱體振動數據，可以得出固定平衡環(huán)內圈情況下外圈最優(yōu)化的液量的值。按照同樣的方法可以得出內圈的液量的最優(yōu)化的液量；綜合所有的數據，就可以得出平衡環(huán)內外圈液量。

3.1.4 平衡環(huán)強度的設計

如圖6所示：施加F=800N（80kgf）的力時，變形量18mm以下（設計經驗值）。

注：因為平衡環(huán)的形狀及內部加強筋的設計分布不一樣，強度也不一樣，所以要確認每個方向。

3.2 優(yōu)化設計思路

3.2.1 平衡環(huán)內部追加調整質心位置的平衡塊

在實際的平衡環(huán)的設計過程中，由于追加了軟化劑盒和線屑過濾器等其它結構，會產生無論怎樣調整平衡環(huán)的液量也無法得到比較理想的振動效果。

對策：對平衡環(huán)的質心是否在中心位置進行分析（NX9.0自帶此功能）。如果是質心不在中心的情況，則可以參考設計圖7的結構，在平衡環(huán)下圈設計對應的卡槽，在卡槽內放入鐵質的平衡塊，通過軟件分析，把質心的位置調整到中心（0.0）去，如需調整的鐵質平衡塊重量超過20g（經驗值），則考慮分成2塊或者多塊。

實例證明：該方法可以改善由于質心不在中間導致振動大的原因。

3.2.2 平衡環(huán)內追加防止抖動的結構

抖動是指洗衣機在正常脫水的時候，會突然發(fā)生振動變大的現象，該種現象一般是有一定的規(guī)律的。如果平衡環(huán)設計中不考慮設計防抖動的結構，平衡環(huán)的模具品出來后，出現洗衣機的抖動的現象概率會非常大，箱體表面的振動值會在脫水時的瞬間變得很大，會超過GB/T 4288-2008《家用和類似用途電動洗衣機》振動性能規(guī)定的范圍，當然也會引起顧客的投訴。

我們來分析抖動產生原因：如下圖8-a，這應該是目前市場上大多數平衡環(huán)筋的設計形狀，由于筋的高度設計沒有和平衡環(huán)上環(huán)的筋連接。在額定轉速的時候，平衡環(huán)內的液體轉速會出現瞬間速度跟不上平衡環(huán)的速度的情況，這種情況下，就會出現抖動的現象。作為對策：可以選擇在平衡環(huán)內對稱的位置（180°位置）設計兩根平衡環(huán)上下環(huán)連接的筋（如圖8-b所示）。設計了這樣的筋后，可以始終讓平衡環(huán)內液體的轉速和平衡環(huán)轉速保持一致，就可以有效解決洗衣機抖動現象。

3.2.3 平衡環(huán)環(huán)上部設計一條防擦桶的筋

現在市場反饋中，經常會有平衡環(huán)和盛水桶相擦后，盛水桶被磨穿的市場不良現象，維修人員最清楚，如果更換盛水桶，基本上整臺洗衣機都要拆卸一遍，是非常費工時的。

要解決盛水桶被磨穿的市場不良現象，我們也有過很多提案，最優(yōu)化也是最有效的是在平衡環(huán)上追加設計一根防擦桶的筋。接下來我們具體來講述筋的設計要點如下：設計間隙A值一定要比間隙B值要?。ㄈ鐖D9Ⅰ 部放大圖）；二是該筋在高度方向設計，即使發(fā)生桶傾斜，該筋在高度方向也一定要高出框架的下基準面；按照這樣設計追加筋后，即使發(fā)生異常不平衡，在平衡環(huán)和盛水桶摩擦之前，平衡環(huán)上面的筋就和盛水桶框架進行摩擦了。進行維修的時候，只需要更換框架和平衡環(huán)就可以了，可以大大減少維修工時了。

4 總結

以上文章基本包含了平衡環(huán)設計的所有內容，我們再總結一下：技術人員要進行平衡環(huán)的設計的話，按照造型的需要首先考慮平衡環(huán)的重數，然后再考慮平衡環(huán)內部分隔筋的形狀，設計完成后進行樣品的試作，按照上文3.1.3中講述的方法確定出平衡環(huán)液量；另外設計時應該將質心位置盡量設計到平衡環(huán)的原點，同時必須考慮平衡環(huán)的設計強度，如果樣品有出現抖動的現象的話，按照上文中講述的方式設計平衡環(huán)上下環(huán)連接筋。如果造型允許的話，盡可能在平衡環(huán)上部設計一根防擦桶的筋，這可以有效解決由于脫水桶組件異常振動引起平衡環(huán)組件擦壞盛水桶，當然文章中也可能在一些地方說明得不夠具體和清晰，希望讀者多多見諒。