滾筒洗衣機(jī)的平衡環(huán)減震控制方法

遲宗銳 秦 娜

（青島海爾洗衣機(jī)有限公司，山東 青島 266101）

0 前言

目前滾筒洗衣機(jī)用戶的最大問題是振動大，噪聲大。滾筒洗衣機(jī)在脫水時，滾筒內(nèi)的衣物會分布不均勻，運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生很大的振動。如果不進(jìn)行及時修正，滾筒轉(zhuǎn)速越高，振動就會越強(qiáng)烈。該文探討了滾筒洗衣機(jī)脫水時的減震控制方法，以解決用戶使用時出現(xiàn)的振動大和噪聲大的問題。

1 滾筒洗衣機(jī)振動來源分析

普通滾筒洗衣機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 普通滾筒洗衣機(jī)整機(jī)減震結(jié)構(gòu)簡圖

偏心負(fù)載離心力的方程，如公式（1） 所示。

式中：F為偏心負(fù)載離心力；mu為偏心負(fù)載質(zhì)量；r為 內(nèi)筒半徑；ω為內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)的角速度。

由公式（1）可以看出，在偏心負(fù)載mu相同的條件下，內(nèi)筒直徑r越大，或者轉(zhuǎn)速ω越大，產(chǎn)生的離心力F越大，最終造成洗衣機(jī)內(nèi)外筒振動越大。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4288—2018《家用和類似用途電動洗衣機(jī)》[1]，關(guān)于振動性能（第5.9 條）的規(guī)定：洗衣機(jī)機(jī)箱前、后、左、右各側(cè)面中央部位的振幅，額定洗滌容量為5 kg 及5 kg 以下應(yīng)不大于0.6 mm；額定洗滌容量在5 kg 以上應(yīng)不大于0.8 mm。洗衣機(jī)必須達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)，這是消費(fèi)者的基本使用要求。

關(guān)于降低滾筒洗衣機(jī)振動的方法，相關(guān)資料顯示，目前國內(nèi)外學(xué)者是通過2 個方面進(jìn)行研究的：一部分學(xué)者通過動力學(xué)研究，采用增加配重的方式來減小振動，或者借助液體平衡環(huán)的自平衡作用來減小振動[2-3]；另一部分學(xué)者通過研究電機(jī)驅(qū)動技術(shù)、傳感器感知和控制技術(shù)、綜合變頻控制技術(shù)來實現(xiàn)對整機(jī)的振動控制[4]。該文研究的是通過液體平衡環(huán)的自平衡作用來減小振動。

1 平衡環(huán)的工作原理研究

目前洗衣機(jī)中平衡環(huán)一般采用被動平衡機(jī)構(gòu)，被動平衡機(jī)構(gòu)源于圓盤轉(zhuǎn)子的自動定心現(xiàn)象。早在1985 年，圓盤轉(zhuǎn)子自動定心現(xiàn)象由Foiles 在推導(dǎo)圓盤轉(zhuǎn)子無阻尼振動方程并加以求解的過程中發(fā)現(xiàn)，即在遠(yuǎn)高于臨界轉(zhuǎn)速的情況下，轉(zhuǎn)子會圍繞其質(zhì)心旋轉(zhuǎn)[5]。

設(shè)定e為系統(tǒng)偏心距，u為轉(zhuǎn)子質(zhì)心相對幾何形心的距離，k為彈簧形變系數(shù)；c為阻尼系數(shù)；m為系統(tǒng)質(zhì)量；ω為旋轉(zhuǎn)角速度，ωn為系統(tǒng)固有頻率，ξ為系統(tǒng)阻尼比。k/m=ωn

2，c/m=2ξωn，推導(dǎo)可得e相對u的振幅因子A如公式（2）所示。

當(dāng)ω/ωn→∞時，A→1，即系統(tǒng)偏心距趨向圓盤偏心距，此時圓盤整體將圍繞其質(zhì)心旋轉(zhuǎn)，該種現(xiàn)象即為圓盤轉(zhuǎn)子的自動定心。

基于圓盤轉(zhuǎn)子自動定心理論，洗衣機(jī)平衡環(huán)的工作原理如下，設(shè)定O為系統(tǒng)幾何形心，U為偏心衣物，M為系統(tǒng)等效質(zhì)心，m1與m2為2 個在平衡環(huán)圓形軌道內(nèi)可以自由運(yùn)動的質(zhì)量體。在整機(jī)達(dá)到平衡狀態(tài)后，內(nèi)筒會繞其質(zhì)心M轉(zhuǎn)動。對平衡環(huán)內(nèi)質(zhì)量體m1進(jìn)行受力分析，離心力可分解為切向力與軸向力。轉(zhuǎn)動過程中，質(zhì)量體m1在切向力驅(qū)動下沿外部軌道順時針轉(zhuǎn)動；同理，質(zhì)量體m2也會在離心力的作用下，沿外部軌道逆時針轉(zhuǎn)動。最終，質(zhì)量體m1與m2趨于穩(wěn)定，形成某一位置的等效質(zhì)量，從而可以在很大程度上抑制衣物U的影響。這就是平衡環(huán)的工作原理。

對于內(nèi)腔為液體的平衡環(huán)，在洗衣機(jī)脫水穩(wěn)定后平衡環(huán)內(nèi)的液體在離心力的作用下分布如圖2 所示，圖中O為系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)中心，S為系統(tǒng)幾何形心，M為液體等效質(zhì)心，U為偏心質(zhì)量質(zhì)心，其質(zhì)量大小為mu。偏心U偏離幾何形心S的距離為l，系統(tǒng)總體偏心距為系統(tǒng)幾何形心相對系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)中心O的距離e，液體等效質(zhì)心M偏離幾何形心S的距離為r。Fu、Fs、Ft和Fy分別為偏心U所受離心力、支撐結(jié)構(gòu)恢復(fù)力、系統(tǒng)所受離心力和液體受到的等效離心力。

在洗衣機(jī)脫水穩(wěn)定的狀態(tài)下，系統(tǒng)各方向受力平衡，如公式（3） 所示。

圖2 液體平衡環(huán)

Fu、Fs、Ft和Fy的大小分別如公式（4） 、公式（5） 、公式（6） 和公式（7） 所示。

式中：ω為滾筒穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)角速度；k為支撐結(jié)構(gòu)剛度；m為系統(tǒng)質(zhì)量；my為平衡環(huán)內(nèi)液體質(zhì)量。

根據(jù)圖2，令偏心負(fù)載相對于系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)中心的距離ru=l-e，在洗衣機(jī)系統(tǒng)脫水平衡時 ，如公式（9） 所示。

整理上式可得，如公式（10） 所示。

公式（10） 描述了平衡環(huán)存在的情況下系統(tǒng)總體偏心距。同理，當(dāng)不采用液體平衡環(huán)時，即ρhπRo

2=0，系統(tǒng)的偏心距，如公式（11） 所示。

將不采用液體平衡環(huán)與采用液體平衡環(huán)的偏心距之比稱為液體平衡環(huán)的抑振比δ，由公式（10） 和公式（11）推導(dǎo)可得液體平衡環(huán)的抑振比，如公式（12） 所示。

洗衣機(jī)在脫水穩(wěn)態(tài)階段旋轉(zhuǎn)角速度ω ωn，如公式（13） 所示。

δ本質(zhì)上反映了液體平衡環(huán)抑制系統(tǒng)偏心的能力，抑振比δ越大，平衡環(huán)對偏心負(fù)載的抑制能力越強(qiáng)。從上式不難看出，系統(tǒng)質(zhì)量m一定的情況下，可通過增大平衡環(huán)內(nèi)液體的密度ρ、腔體的深度h或平衡環(huán)外徑Ro來提高液體平衡環(huán)的抑振比。

2 2種新型平衡環(huán)技術(shù)在滾筒洗衣機(jī)振動控制中的應(yīng)用

通過上述平衡環(huán)工作原理的研究，得出了以下結(jié)論：影響洗衣機(jī)振動位移的因素是平衡環(huán)的外徑和高度，平衡環(huán)腔中填充物的密度。根據(jù)對相關(guān)技術(shù)的研究和應(yīng)用，結(jié)合平衡環(huán)的抑振比公式，該文提出了以下2 種新型平衡環(huán)技術(shù)方案。

2.1 鋼球平衡環(huán)+液體平衡環(huán)混合技術(shù)

根據(jù)公式（13） ，為了增大平衡環(huán)的抑振比，在其他參數(shù)不變的情況下，可以通過增大液體的密度ρ來實現(xiàn)。普通平衡環(huán)一般在腔體內(nèi)添加NaCl 溶液或CaCl2溶液，密度約為1.17 g/cm3～1.19 g/cm3。為了增加腔體內(nèi)液體相對密度，技術(shù)人員于2008 年研究出了鋼球平衡環(huán)技術(shù)，即用鋼球+硅油組合代替NaCl 溶液或CaCl2溶液。由于鋼球的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液體的密度，使腔體內(nèi)液體相對密度大大提高，從而有效地提高減振效果。根據(jù)實際應(yīng)用和實驗驗證，液體平衡環(huán)和鋼球+硅油平衡環(huán)可以混合應(yīng)用，以獲得更好的減振效果，所以申請了發(fā)明專利“滾筒式洗衣機(jī)的平衡環(huán)裝置”[6]。其基本原理如下：鋼球+硅油+鹽水平衡環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。平衡環(huán)由內(nèi)外2 層組成，形成A、B 2 個腔，A 腔內(nèi)裝有一定數(shù)量鋼球，為了避免鋼球在運(yùn)動過程中碰撞產(chǎn)生噪聲，在此腔內(nèi)注入適量一定黏度的硅油。B 腔內(nèi)注入適量鹽水。當(dāng)偏心負(fù)載較小時，鋼球平衡環(huán)能夠較快地發(fā)揮作用，抑制偏心負(fù)載產(chǎn)生的不平衡力；當(dāng)偏心負(fù)載較大時，首先起作用的是鋼球平衡環(huán)，隨著甩干轉(zhuǎn)速的提高，偏心負(fù)載產(chǎn)生的離心力增加，鹽水平衡環(huán)開始起作用，使洗衣機(jī)能夠平穩(wěn)提速，逐漸達(dá)到最高轉(zhuǎn)速。海爾集團(tuán)開發(fā)的復(fù)式卡薩帝高端滾筒洗衣機(jī)采用的就是該種技術(shù)。

圖3 鋼球+硅油+鹽水平衡環(huán)結(jié)構(gòu)

2.2 多腔多環(huán)平衡環(huán)技術(shù)

如圖4 所示，在平衡環(huán)外層Ro與內(nèi)層Ri間再添加N個分隔層R1，R2，…，RN，把環(huán)內(nèi)腔體分為N+1 個環(huán)形，使平衡環(huán)呈現(xiàn)多環(huán)結(jié)構(gòu)，從而在一定程度上減弱液體壓力的影響。實踐證明，該種措施可顯著改善液體平衡環(huán)的抑振性能。在多環(huán)結(jié)構(gòu)下，根據(jù)公式（8） 計算液體作用力的方程，如公式（14） 所示。