家用洗碗機(jī)振動(dòng)噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)

張薇

摘要：通過(guò)對(duì)內(nèi)膽底板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的洗碗機(jī)內(nèi)膽整體振動(dòng)響應(yīng)優(yōu)于原設(shè)計(jì)，且洗碗機(jī)噪聲由原來(lái)的52.72dB降低為38.87dB，達(dá)到了噪聲低于39dB的設(shè)計(jì)要求，提升了該產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：洗碗機(jī);振動(dòng)噪聲;數(shù)值模擬;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1引言

近年來(lái)隨著人民生活水平的提高，家用洗碗機(jī)逐步得到普及，振動(dòng)和噪聲成為用戶關(guān)注和選擇家用洗碗機(jī)的重要性能指標(biāo)之一[1]。傳統(tǒng)洗碗機(jī)的減振降噪往往依靠大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行振動(dòng)噪聲的研究和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，不僅浪費(fèi)人力物力，而且研發(fā)周期較長(zhǎng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，借助數(shù)值仿真技術(shù)與少量試驗(yàn)相結(jié)合的方法，能夠極大的提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，節(jié)約研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期[2]。為降低某款家用洗碗機(jī)的振動(dòng)和噪聲，提高其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，通過(guò)試驗(yàn)與數(shù)值仿真相結(jié)合的方式，分析某洗碗機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)和噪聲的產(chǎn)生源頭，從結(jié)構(gòu)共振和振動(dòng)噪聲能量傳遞入手，對(duì)該洗碗機(jī)的內(nèi)膽和水杯結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低洗碗機(jī)的振動(dòng)和噪聲。

2洗碗機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

某家用洗碗機(jī)三維結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其工作原理為，水通過(guò)入水口進(jìn)入洗碗機(jī)水杯，通過(guò)電熱元件對(duì)水加熱，然后洗滌泵將水杯中的水抽出，熱水流通過(guò)一個(gè)或多個(gè)噴臂高壓噴出，噴臂在水流的反作用力下旋轉(zhuǎn)，使水噴到洗碗機(jī)內(nèi)部各個(gè)角落，沖洗餐具，在高溫水流和洗滌劑作用下，可有效除去餐具上的油污。最后水仍舊落入水箱，沖洗下來(lái)的渣子被網(wǎng)格擋住，油漬飄浮在水面上，通過(guò)排污口排出。這樣熱水可循環(huán)使用，以節(jié)約用水和能耗。

3樣機(jī)振動(dòng)噪聲測(cè)試

3.1樣機(jī)噪聲測(cè)試

該洗碗機(jī)的降噪目標(biāo)是將噪音控制在39dB以下，從而使該產(chǎn)品的噪聲達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。依據(jù)：《IEC60704-1：1997家用及類似用途電器發(fā)出的氣載噪聲的測(cè)試規(guī)程—通用要求》和《IEC60704-2-3：2005家用電器確定空氣噪聲的試驗(yàn)方法—對(duì)洗碗機(jī)的特殊要求》，對(duì)洗碗機(jī)樣機(jī)進(jìn)行噪音測(cè)試[4]，測(cè)試結(jié)果，如圖2所示。從噪音頻譜上可以看出，噪音較大處主要集中在100和200Hz附近，噪音的分貝值達(dá)到了52.72dB。為了了解洗碗機(jī)哪些結(jié)構(gòu)輻射噪聲，需要測(cè)試洗碗機(jī)外殼的振動(dòng)。

3.2樣機(jī)振動(dòng)測(cè)試由于洗碗機(jī)箱體外殼和內(nèi)膽之間有減振隔音裝置，其工作時(shí)主要從箱門一側(cè)輻射噪聲，因此振動(dòng)測(cè)試主要集中在箱門一側(cè)。振動(dòng)測(cè)試位置分布，如圖3所示。

樣機(jī)在正常洗滌工作狀態(tài)下，外殼振動(dòng)測(cè)試結(jié)果，如圖4所示。通過(guò)外殼的振動(dòng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)振源（噪音源）主要來(lái)自于洗碗機(jī)的下部，并且振動(dòng)的主要頻率也是100Hz和200Hz左右。從外殼的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果表明，振動(dòng)主要來(lái)源于下面的電機(jī)及泵體。而振動(dòng)頻率是由于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的受迫振動(dòng)還是某些結(jié)構(gòu)發(fā)生共振引起的，需要通過(guò)對(duì)洗碗機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析確定。通過(guò)模態(tài)分析可以了解洗碗機(jī)部件在某易受影響的頻率范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)的特性，從而可以預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)，在外部或內(nèi)部各種振源作用下產(chǎn)生的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。

4洗碗機(jī)部件模態(tài)分析

4.1洗碗機(jī)模態(tài)分析材料參數(shù)洗碗機(jī)箱體主要結(jié)構(gòu)材料有ABS塑料、PP+T20塑料、鋼材和EPDM橡膠，其材料屬性，如表1所示。

4.3內(nèi)膽模態(tài)分析

洗碗機(jī)噪聲主要由電機(jī)噪聲、洗滌噪聲、流體噪聲組成，引起洗碗機(jī)噪聲的原因比較復(fù)雜，通過(guò)對(duì)內(nèi)膽進(jìn)行模態(tài)分析，研究噪聲產(chǎn)生的主要原因是否是由于內(nèi)膽的共振。由于洗碗機(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為便于進(jìn)行有限元分析，需要對(duì)洗碗機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。由于內(nèi)膽主要為薄板結(jié)構(gòu)，因此內(nèi)膽采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后單元數(shù)為29142，用質(zhì)量塊簡(jiǎn)化托盤、碗欄組件、水杯、電機(jī)的質(zhì)量，內(nèi)膽與質(zhì)量塊之間用梁?jiǎn)卧B接。洗碗機(jī)內(nèi)膽和有限元模型。內(nèi)膽前十階模態(tài)分析結(jié)果，內(nèi)膽整體各階模態(tài)頻率較小，前十階模態(tài)頻率最大為52.7Hz較100Hz小很多。因此洗碗機(jī)產(chǎn)生較大振動(dòng)和噪聲的主要原因并不是內(nèi)膽整體的共振。

4.4內(nèi)膽底板模態(tài)分析

由于電機(jī)安裝在內(nèi)膽底板上，因此需要關(guān)注內(nèi)膽底板的共振頻率。為此，對(duì)內(nèi)膽底板進(jìn)行模態(tài)分析，其前十階模態(tài)頻率。由于電機(jī)的激勵(lì)頻率為100Hz，因此需要關(guān)注底板100Hz附近的頻率和模態(tài)。底板前十階固有頻率中第五階模態(tài)的固有頻率114Hz，較接近100Hz。因此，為減小電機(jī)激勵(lì)對(duì)底板共振的影響，需要對(duì)底板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可通過(guò)添加加強(qiáng)筋的方式增加底板的剛度，從而提高底板第五階模態(tài)的固有頻率。

5洗碗機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.1內(nèi)膽底板結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

利用Optistruct軟件通過(guò)加入加強(qiáng)筋的方式對(duì)內(nèi)膽底板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在優(yōu)化內(nèi)膽底板時(shí)，需要綜合考慮底板的對(duì)稱性和排渣的通暢性。以底板的固有頻率為目標(biāo)函數(shù)，施加對(duì)稱約束和方向約束。通過(guò)計(jì)算得到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果，如圖4（a）所示。其中一個(gè)表示筋深度10mm，另一個(gè)表示0，中間表示（0～10）mm之間。由于這個(gè)結(jié)果很不規(guī)則，只能作為加筋的參考。

根據(jù)上面的加筋思路，結(jié)合實(shí)際，前面原來(lái)小橫筋去掉，加3條縱筋，后面原來(lái)寬筋去掉，加2條縱筋，左右各加1條橫筋，寬度均為40mm，深度5mm，優(yōu)化后內(nèi)膽底板布局，如圖4（b）所示。底板第五階模態(tài)優(yōu)化前后對(duì)比。優(yōu)化前模態(tài)（左）freq=114Hz、優(yōu)化后模態(tài)（右）freq=128Hz，第五階模態(tài)固有頻率增加了14Hz，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的內(nèi)膽底板的第5階模態(tài)固有頻率顯著增加，能夠有效的避免內(nèi)膽底板的共振。為了解內(nèi)膽底板優(yōu)化后內(nèi)膽整體的振動(dòng)響應(yīng)情況，需要對(duì)內(nèi)膽整體進(jìn)行諧響應(yīng)分析。利用RADIOSS軟件對(duì)內(nèi)膽底板優(yōu)化后的內(nèi)膽整體進(jìn)行諧響應(yīng)分析。內(nèi)膽在100Hz激勵(lì)下優(yōu)化前后內(nèi)膽特定位置的振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比曲線。從內(nèi)膽整體的諧響應(yīng)仿真分析結(jié)果可以看出，在幾乎所有頻率段優(yōu)化設(shè)計(jì)的振動(dòng)響應(yīng)都是優(yōu)于原始設(shè)計(jì)的。

5.2優(yōu)化后樣機(jī)噪音測(cè)試

根據(jù)之前的試驗(yàn)和仿真分析，通過(guò)優(yōu)化內(nèi)膽底板結(jié)構(gòu)來(lái)避免內(nèi)膽底板的共振，從而降低洗碗機(jī)的振動(dòng)和噪音。對(duì)優(yōu)化后的洗碗機(jī)樣機(jī)進(jìn)行噪音測(cè)試，結(jié)果，如圖10所示。從圖10的樣機(jī)聲功率級(jí)曲線可以看出，優(yōu)化后的樣機(jī)噪聲為38.87dB<39dB，滿足該洗碗機(jī)減振降噪的設(shè)計(jì)要求，這里所采用的洗碗機(jī)減振降噪方案是可行的。

6結(jié)論

（1）振源（噪音源）主要來(lái)自于洗碗機(jī)的下部的電機(jī)和水泵，并且振動(dòng)和噪聲的主要頻率是100Hz和200Hz左右;（2）通過(guò)對(duì)洗碗機(jī)箱門進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果表明箱門結(jié)構(gòu)的固有頻率對(duì)洗碗機(jī)的噪聲有較大的影響;（3）洗碗機(jī)產(chǎn)生較大振動(dòng)不是由洗碗機(jī)內(nèi)膽整體的共振引起的，而內(nèi)膽底板的第五階模態(tài)為114Hz比較接近100Hz，內(nèi)膽底板的共振對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)和噪聲的影響較大;（4）通過(guò)對(duì)內(nèi)膽底板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化有效提高了內(nèi)膽底板的第五階模態(tài)頻率，避免了內(nèi)膽底板的共振;（5）通過(guò)優(yōu)化洗碗機(jī)內(nèi)膽底板結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后樣機(jī)噪聲為38.87dB，滿足<39dB的設(shè)計(jì)要求。

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