雙環(huán)道液體平衡環(huán)減振性能研究*

劉培坤，劉培源，張悅刊，楊興華，王 紅

(山東科技大學(xué) 機械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

0 引 言

波輪洗衣機在高速脫水過程中，脫水桶內(nèi)分布不均勻的衣物在隨脫水桶旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生巨大的離心力，導(dǎo)致懸掛系統(tǒng)劇烈的偏心振動，懸掛系統(tǒng)偏心過大會撞擊洗衣機箱體，降低洗衣機的使用壽命。液體平衡環(huán)是降低波輪洗衣機懸掛系統(tǒng)偏心振動的重要部件[1-3]，具有結(jié)構(gòu)簡單、減振性能好、無需人工操作等優(yōu)點。

林浩等[4]利用Adams多體動力學(xué)仿真軟件對波輪洗衣機脫水階段的動態(tài)特性進(jìn)行了仿真，合理解釋了液體平衡環(huán)的作用機理；劉家峰[5]研究了帶球體平衡環(huán)的滾筒洗衣機，得出球體平衡環(huán)對滾桶洗衣機主要的振動自由度可起到明顯的振動抑制作用；JUNG C H等[6-7]應(yīng)用CFD方法對液體平衡環(huán)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，研究了平衡環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)對其流動特性的影響，但對于凸筋形狀對其流動特性的影響并未深入研究；劉蕙源等[8]對平衡環(huán)偏心旋轉(zhuǎn)離心力的現(xiàn)有理論計算模型進(jìn)行了優(yōu)化，并利用CFD方法驗證了其合理性和有效性。

本文將設(shè)計一種雙環(huán)道液體平衡環(huán)，然后進(jìn)行試驗研究。

1 液體平衡環(huán)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 液體平衡環(huán)的結(jié)構(gòu)

液體平衡環(huán)外觀為圓環(huán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部配有隔板、凸筋結(jié)構(gòu)和鹽水溶液，隔板將液體平衡環(huán)內(nèi)部劃分為若干環(huán)道，凸筋將平衡環(huán)環(huán)道分隔成若干腔室，合理的凸筋結(jié)構(gòu)有利于控制脫水啟動階段環(huán)內(nèi)液體的晃動，提高液體平衡環(huán)的穩(wěn)定性。環(huán)道數(shù)量、凸筋的結(jié)構(gòu)和數(shù)量與容積比(鹽水溶液體積與平衡環(huán)腔體容積的比值)對液體平衡環(huán)的減振性能和使用壽命影響較大。與傳統(tǒng)液體平衡環(huán)的結(jié)構(gòu)相比，雙環(huán)道液體平衡環(huán)的環(huán)道數(shù)量由單環(huán)道變?yōu)殡p環(huán)道(環(huán)道總寬度不變)；凸筋數(shù)量由20片減至12片，凸筋結(jié)構(gòu)將A、C組合結(jié)構(gòu)改為B結(jié)構(gòu)；容積比由50%增至55%。

兩種液體平衡環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 工作原理

平衡環(huán)在洗衣機脫水過程中隨脫水桶一起轉(zhuǎn)動。在脫水過程中，偏心衣物U隨脫水桶高速旋轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生巨大的離心力Fu，而平衡環(huán)腔內(nèi)的液體會自動流向與偏心衣物相對的一側(cè)，液體質(zhì)心C會產(chǎn)生與Fu方向相反的離心力F來抑制偏心產(chǎn)生的離心力Fu，實現(xiàn)自動糾偏。

脫水過程中液體平衡環(huán)的作用力模型如圖2所示。

平衡環(huán)內(nèi)部流體質(zhì)心C提供的離心力F可表示為：

F=m(e+c)ω2

(1)

式中：m—平衡環(huán)內(nèi)部液體提供的離心力；e—偏心距；c—液體等效質(zhì)心C偏離幾何形心S的距離；ω—穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速。

2 液體平衡環(huán)的數(shù)值模擬

2.1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

本研究利用Solidworks軟件建立傳統(tǒng)液體平衡環(huán)和雙環(huán)道液體平衡環(huán)內(nèi)部流場的三維模型，外壁直徑為460 mm、內(nèi)壁直徑386 mm、高度為88 mm。將模型導(dǎo)入ICEM網(wǎng)格劃分軟件，采用網(wǎng)格尺寸為6 mm的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖3 液體平衡環(huán)計算域網(wǎng)格劃分

傳統(tǒng)液體平衡環(huán)的網(wǎng)格單元數(shù)量共計85 381，雙環(huán)道液體平衡環(huán)的網(wǎng)格單元數(shù)量共計85 697。

以傳統(tǒng)液體平衡環(huán)為例，不同網(wǎng)格尺寸下平衡環(huán)提供的離心力曲線如圖4所示。

圖4 不同網(wǎng)格尺寸下平衡環(huán)提供的離心力曲線(e=0.004 m)

由圖4可知：當(dāng)網(wǎng)格尺寸在3 mm～6 mm之間時，離心力數(shù)值波動很小，但網(wǎng)格數(shù)量顯著增加，造成計算時間增加和難度加大，綜合考慮，筆者選取網(wǎng)格尺寸為6 mm作為標(biāo)準(zhǔn)尺寸數(shù)值。

2.2 邊界條件及求解器設(shè)置

為對比分析兩種液體平衡環(huán)的減振性能，本研究采用Fluent 14.5對其進(jìn)行氣—液兩相模擬計算。選用VOF多相流模型追蹤自由液面，VOF模型基本相為空氣，密度為1.225 kg/m3，粘度為0.000 01 Pa·s。第二相為水，溫度為常溫，密度為998.2 kg/m3，粘度為0.001 Pa·s。加載UDF源項，定義偏心距為X軸負(fù)方向。欠松弛因子為0.001。求解器采用基于壓力隱式瞬態(tài)三維求解器，壓力與速度的耦合方式為PISO，壁面邊界條件設(shè)置壁面無滑移條件。

加載UDF源項是指平衡環(huán)內(nèi)部流體的流動遵循非慣性坐標(biāo)系下的動量定律，模擬偏心負(fù)載引起的偏心距，更加貼合波輪洗衣機運行過程中液體平衡環(huán)的實際運動。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 離心力對比

液體平衡環(huán)提供的離心力是衡量其減振性能的重要指標(biāo)。

兩種液體平衡環(huán)的離心力曲線如圖5所示。

圖5 兩種液體平衡環(huán)提供的離心力曲線

由圖5可以看出：兩種液體平衡環(huán)的離心力曲線在啟動階段均未出現(xiàn)上下波動，即兩種液體平衡環(huán)均可以穩(wěn)定運行；兩種液體平衡環(huán)從啟動階段到達(dá)穩(wěn)定階段所用時間相同，均在10 s左右達(dá)到穩(wěn)定，即兩種液體平衡環(huán)均可以及時抑制懸掛系統(tǒng)的偏心振動；兩種液體平衡環(huán)在不同偏心距條件下提供的離心力變化趨勢相同，離心力隨偏心距的增加而增大，即液體平衡環(huán)減振性能隨偏心距增加而提高；在偏心距相同(偏心產(chǎn)生的離心力Fu相同)時，雙環(huán)道液體平衡環(huán)提供的離心力明顯大于傳統(tǒng)液體平衡環(huán)，即雙環(huán)道液體平衡環(huán)的減振性能優(yōu)于傳統(tǒng)液體平衡環(huán)。

3.2 靜壓分布對比

液體平衡環(huán)內(nèi)部液體對壁面壓力場分布是衡量液體平衡環(huán)壽命的重要參數(shù)。

兩種液體平衡環(huán)內(nèi)部流場的壓力云圖如圖6所示。

圖6 兩種液體平衡環(huán)壓力云圖(e=0.004 m)

由圖6可以看出：兩種液體平衡環(huán)內(nèi)部流場的最大壓力均集中分布在X軸正方向的外壁處，這是由于偏心設(shè)置分布在X軸負(fù)方向，洗衣機在脫水過程中，平衡環(huán)內(nèi)部液體會向偏心位置的對面方向流動聚集，實現(xiàn)自動糾偏，與液體平衡環(huán)工作原理相呼應(yīng)；雙環(huán)道液體平衡環(huán)內(nèi)部液體對器壁的壓力明顯小于傳統(tǒng)液體平衡環(huán)，而平衡環(huán)內(nèi)部液體對壁面壓力過大會降低其使用壽命，故雙環(huán)道液體平衡環(huán)有助于提高其使用壽命。

4 試驗研究

波輪洗衣機的懸掛系統(tǒng)多體動力學(xué)測試平臺如圖7所示。

圖7 懸掛系統(tǒng)多體動力學(xué)測試平臺

本研究將波輪洗衣機的盛水桶外表面A、B、C、D4點設(shè)置為位移測試點，通過傳感器將洗衣機脫水時4個測試點的X方向、Y方向和Z方向的位移傳給計算機進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)分析，4個測試點與箱體外殼距離最近的位移方向分別是Ax、Bx、Cy、Dy(定義：Ax—測試點A在X方向的位移)。

試驗工況分兩種：T1000g(將1 000 g偏載塊固結(jié)于脫水桶內(nèi)壁頂部位置)和B2000g(2 000 g偏載塊固結(jié)于脫水桶內(nèi)壁底部位置)，如圖8所示。

圖8 試驗工況示意圖

本研究分別對搭載兩種液體平衡環(huán)的洗衣機懸掛系統(tǒng)進(jìn)行偏心振動測試，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 波輪洗衣機懸掛系統(tǒng)位移測試數(shù)據(jù)表

由表1可以看出：

(1)兩種工況的測試位移對比。在T1000g工況條件下的洗衣機懸掛系統(tǒng)在水平方向(X、Y方向)位移明顯大于在B2000g工況時的位移，以測試點位移Bx為例，T1000g工況時搭載傳統(tǒng)液體平衡環(huán)的懸掛系統(tǒng)位移為22 mm，而其在B2000g工況時的位移為11.33 mm，T1000g工況條件下搭載雙環(huán)道液體平衡環(huán)的懸掛系統(tǒng)位移是17.67 mm，而其在B2000g工況時的位移為11.17 mm，故與B2000g工況相比，T1000g工況時懸掛系統(tǒng)偏心振動更劇烈，其發(fā)生筒體撞擊箱體外殼的概率更大；

(2)兩種懸掛系統(tǒng)的測試位移對比。以T1000g工況為例，搭載雙環(huán)道液體平衡環(huán)的懸掛系統(tǒng)在水平方向位移顯著減小，搭載傳統(tǒng)液體平衡環(huán)的懸掛系統(tǒng)在測試點Cy位移為23 mm，而搭載雙環(huán)道液體平衡環(huán)的懸掛系統(tǒng)位移為18.17 mm，懸掛系統(tǒng)在水平方向的偏心位移最大降低了21%，即雙環(huán)道液體平衡環(huán)減振性能優(yōu)于傳統(tǒng)液體平衡環(huán)，波輪洗衣機懸掛系統(tǒng)偏心過大的現(xiàn)象得到了明顯改善。

5 結(jié)束語

本研究對雙環(huán)道液體平衡環(huán)和傳統(tǒng)液體平衡環(huán)的減振性能進(jìn)行了仿真模擬及試驗研究。兩種模型模擬結(jié)果對比顯示：雙環(huán)道液體平衡環(huán)提供的離心力增大明顯，在洗衣機脫水過程中雙環(huán)道液體平衡環(huán)抵抗筒體偏心振動的性能增強，從而減小了筒體在水平方向的位移；同時，雙環(huán)道平衡環(huán)內(nèi)部液體在脫水過程中對內(nèi)壁面的壓力變小，從而提高了液體平衡環(huán)的使用壽命。

懸掛系統(tǒng)對比試驗結(jié)果表明：搭載雙環(huán)道液體平衡環(huán)的懸掛系統(tǒng)在水平方向的位移降低顯著，從而驗證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，避免了懸掛系統(tǒng)偏心過大造成的筒體撞箱現(xiàn)象的發(fā)生，脫水過程中的噪音問題也隨之得到改善。

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