無配重滾筒洗衣機(jī)的振動(dòng)控制方法探討

遲宗銳， 欒厚利， 金 平

（青島海爾洗衣機(jī)有限公司， 山東 青島 266101）

0 引言

滾筒洗衣機(jī)屬于內(nèi)筒繞水平軸旋轉(zhuǎn)的洗滌方式，在脫水過程中由于負(fù)載沿內(nèi)筒壁的分布不可能絕對(duì)均勻，造成了一定程度的偏心， 這個(gè)偏心量是造成整機(jī)振動(dòng)大的主要原因。為了解決這個(gè)問題，目前市場(chǎng)上所有滾筒洗衣機(jī)所使用的方法是在外筒上增加配重， 一般位于外筒的上部、下部或前部，重量一般為20kg 至30kg 不等，作用就是增大整個(gè)內(nèi)外筒部件的重量， 使整機(jī)脫水時(shí)在存在一定偏心量的情況下，減小整機(jī)的振動(dòng)幅度。但這種方法也存在很大的缺陷：①整機(jī)重量增大，造成運(yùn)輸或搬運(yùn)不便；②配重的存在使洗滌內(nèi)外筒的空間變小，即洗滌容量減少。 為增大洗滌容量，減小整機(jī)重量，我們需要研究一款去掉配重的滾筒洗衣機(jī)，難題在于去掉配重后，整機(jī)的振動(dòng)會(huì)加大。

本文的研究?jī)?nèi)容是去掉配重后， 如何在增大洗滌容量、 減小整機(jī)重量的前提下保證整機(jī)振動(dòng)達(dá)到洗衣機(jī)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4288-2008《家用和類似用途電動(dòng)洗衣機(jī)》[1]，滿足消費(fèi)者在振動(dòng)性能方面的使用需求。

本文以無配重滾筒洗衣機(jī)為分析對(duì)象， 根據(jù)洗衣機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生原理，建立數(shù)字化幾何模型，采用有限元解析法對(duì)無配重滾筒洗衣機(jī)振動(dòng)情況進(jìn)行模擬分析， 并提出了在外筒前部?jī)蓚€(gè)減震器之間增加一個(gè)橫向減震器的解決方案，有效地降低了無配重滾筒洗衣機(jī)的振動(dòng)。

1 無配重滾筒洗衣機(jī)振動(dòng)分析

1.1 滾筒洗衣機(jī)振動(dòng)分析原理

普通滾筒洗衣機(jī)由掛簧和減震器組成， 在實(shí)際進(jìn)行振動(dòng)分析、 參數(shù)識(shí)別時(shí)一般需要把結(jié)構(gòu)離散為有限個(gè)自由度的離散振動(dòng)系統(tǒng)。 在物理坐標(biāo)下其運(yùn)動(dòng)方程為[2]：

在進(jìn)行振動(dòng)分析時(shí)， 可以分析為內(nèi)外筒部件在脫水過程中的加速度變化造成的振動(dòng)力。 可以分析為減震器在脫水過程中的阻尼力變化造成的振動(dòng)力。 可以分析為掛簧 （或壓簧） 在脫水過程中的彈簧力變化造成的振動(dòng)力。從式中可以看出，減震器和掛（壓）簧的不同組合可以評(píng)價(jià)出較好的減震系統(tǒng)。

關(guān)于減震器和掛（壓）簧的組合，前期的專家和學(xué)者做了很多的研究， 一般是通過3D 模型的動(dòng)力學(xué)分析，建立滾筒洗衣機(jī)的矩陣表達(dá)式振動(dòng)方程， 得到動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的最佳振動(dòng)特性，從而確定減震器和掛（壓）簧的最佳規(guī)格，指導(dǎo)技術(shù)人員設(shè)計(jì)最佳的整機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)[3]。

1.2 建立無配重滾筒洗衣機(jī)幾何模型

無配重滾筒洗衣機(jī)是滾筒洗衣機(jī)一種新的技術(shù)（目前市場(chǎng)上還未出現(xiàn)此類產(chǎn)品），本文在進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)，建立如圖1 所示模型。

為保證滾筒洗衣機(jī)在用戶使用過程中不出現(xiàn)脫水時(shí)振動(dòng)方面的問題，根據(jù)以往實(shí)驗(yàn)結(jié)果，必須滿足在1kg 偏心負(fù)載的情況下，整機(jī)能夠順利脫水到轉(zhuǎn)速800rpm 以上，期間無外筒撞殼體或整機(jī)移位的問題。

圖1 無配重滾筒洗衣機(jī)的動(dòng)態(tài)分析模型Fig.1 Dynamic analysis model of drum washing machine without balance weight

1.3 無配重滾筒洗衣機(jī)內(nèi)外桶部件振動(dòng)解析結(jié)果分析

振動(dòng)解析條件：偏心塊質(zhì)量為1kg，位置位于內(nèi)筒的前側(cè)，因?yàn)橥ㄟ^實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證， 1kg 偏心塊放置在內(nèi)筒前端對(duì)整機(jī)振動(dòng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于放置在內(nèi)筒后端的影響， 只要保證1Kg 偏心塊放置在內(nèi)筒前端時(shí)振動(dòng)性能達(dá)標(biāo)， 那么偏心塊放置在內(nèi)筒后端的振動(dòng)性能就沒有問題。 所以本文只對(duì)偏心塊放置在內(nèi)筒前端的情況下進(jìn)行解析， 結(jié)果振動(dòng)曲線如圖2 所示。

圖2 方案振動(dòng)解析結(jié)果Fig.2 Vibration analysis results of scheme

從圖中可以看出，在20s～35s 的時(shí)間區(qū)間內(nèi)發(fā)生共振現(xiàn)象。偏心塊1kg 放在內(nèi)筒前端時(shí)外筒在水平方向的振幅中心是278mm，共振時(shí)最大振幅為330mm，外筒的最大偏移量為52mm， 大大超過外筒與殼體之間的設(shè)計(jì)間隙15mm，這樣會(huì)發(fā)生外筒撞殼體現(xiàn)象，并會(huì)出現(xiàn)整機(jī)移位。

1.4 無配重滾筒洗衣機(jī)外筒模塊幾何模型優(yōu)化

從圖2 中的振動(dòng)解析結(jié)果可以看出，機(jī)器在20s～35s之間的振動(dòng)主要表現(xiàn)為水平方向的振幅超過外筒與箱體間的間隙，出現(xiàn)撞筒問題。

為解決外筒水平偏移過大問題，我們研究了在兩個(gè)前部減震器之間增加一個(gè)橫向的減震器的解決方案，使之產(chǎn)生一個(gè)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的橫向拉力，抵消外筒的偏移力，從而抑制機(jī)器在水平方向上的振動(dòng)。 具體方案如圖3 所示。

圖3 橫向減振器安裝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Installation structure of transverse shock absorber

1.5 無配重滾筒洗衣機(jī)減震系統(tǒng)優(yōu)化后內(nèi)外筒部件振動(dòng)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證上述方案的效果， 我們制作了如圖3 所示的減振系統(tǒng)及樣機(jī)，根據(jù)不同參數(shù)模型的振動(dòng)解析結(jié)果，確定水平減振器采用100N 液壓式減振器水平減振器，L（Linkage Length）要盡可能的大， D（Linkage Distance）要盡可能的小。 由于受整機(jī)空間限制，本文采用DOE 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的兩水平因子進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)滾筒洗衣機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行優(yōu)化，確定L（Linkage Length）=129mm 和D（Linkage Distance）=72mm。 接著對(duì)該模型進(jìn)行了振動(dòng)解析分析，為了更清楚的看出其效果，我們對(duì)其振動(dòng)分析與圖2做了對(duì)比。 與之前的結(jié)果相比，機(jī)器在20s～35s 之間的振幅明顯減小， 不管是在水平方向還是豎直方向上都沒有出現(xiàn)明顯的波動(dòng)峰， 外筒的最大水平偏移量為13mm，小于外筒與殼體之間的設(shè)計(jì)間隙15mm，不會(huì)發(fā)生外筒撞殼體的現(xiàn)象， 表明增加橫向減震器可以解決無配重滾筒洗衣機(jī)所存在的外筒撞殼體問題。

2 振動(dòng)測(cè)試

為了驗(yàn)證整機(jī)減振效果， 我們制作了樣機(jī)并按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4288-2008《家用和類似用途電動(dòng)洗衣機(jī)》進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下：

（1）帶橫向減震器的洗衣機(jī)最大振幅為0.23mm，不帶橫向減震器的洗衣機(jī)最大振幅為0.32mm。 雖然兩種方案振幅符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但明顯看出，帶橫向減震器的洗衣機(jī)振動(dòng)效果要好于不帶橫向減震器的洗衣機(jī)振動(dòng)效果。

（2）帶橫向減震器的洗衣機(jī)最大振幅為0.22mm，不帶橫向減震器的洗衣機(jī)最大振幅為0.48mm。 不帶橫向減震器的洗衣機(jī)實(shí)驗(yàn)中發(fā)生了內(nèi)外筒部件撞右側(cè)面的噪音問題，在振動(dòng)性能方面屬于不合格問題。

通過整機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試， 我們分析了殼體側(cè)面不同位置在水平方向的振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)和曲線， 說明了帶橫向減震器的整機(jī)減振方式的有效性。

3 結(jié)束語

本文以無配重滾筒洗衣機(jī)為分析對(duì)象， 根據(jù)洗衣機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生原理，建立數(shù)字化幾何模型，采用有限元解析法對(duì)無配重滾筒洗衣機(jī)振動(dòng)情況進(jìn)行模擬分析。 分析結(jié)果顯示機(jī)器在20s～35s 區(qū)間在水平方向上出現(xiàn)較大振動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)外筒撞殼體的問題。 本文提出了在外筒前部?jī)蓚€(gè)減震器之間增加一個(gè)橫向減震器的解決方案， 有效地抑制了無配重滾筒洗衣機(jī)在水平方向上的振動(dòng)。