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【论文】1kg 偏心负载对滚筒洗衣机振动作用的研究(上)

2022-07-28 08:48浏览数:30 
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引言

洗衣机在使用过程中,会出现洗衣机振动较为剧烈的情况。我们采用1kg偏心负载研究洗衣机在不平衡条件下的振动情况,来分析洗衣机产生振动的原因,及如何避免洗衣机振动较大的情况发生。
洗衣机偏心振动的危害关系到以下几个方面:
1) 洗衣机偏心振动情况下,洗衣机内桶会撞击外箱体,从而造成安全隐患;
2) 噪声由振动产生,振动较大的洗衣机会产生较高的噪声;
3) 偏心振动产生不平衡造成洗衣机反复进水进行平衡调整, 造成电资源和水资源浪费。

本文通过对洗衣机 1kg 偏心振动负载的理论计算及分析,及相关的试验数据对比,来描述 1kg 偏心振动研究的重要意义。


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滚筒洗衣机结构与振动传递过程

2.1 滚筒洗衣机结构示意图
滚筒洗衣机由以下结构组成:箱体承载部件、悬挂配重部件、供水排水部件、电气控制部件。


图片

图 1 滚筒洗衣机结构示意图


2.2 洗衣机振动传递过程
滚筒洗衣机在脱水过程中,由于负载不平衡,产生离心力,依次作用于洗涤内筒、 轴承、外筒、悬挂支撑、箱体。如果离心力过大,产生较大的振动,造成洗衣机晃动明显, 在某些情况下洗衣机会移动位置,从而出现潜在风险。



图 2 洗衣机振动传递过程

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定义和计算

3.1 定义

位移 displacement:(振动与冲击)表征物体上一点相对于某参考系的位置变化的时间变量。

速度 velocity:(振动与冲击)位移的变化率。

加速度 acceleration:(振动与冲击)速度的变化率。

振动 vibration:围绕某一平衡点的机械振荡,此振荡可以是周期性的或随机的。

3.2 1kg 偏心负载相关计算

测试条件:1kg 偏心负载作用于洗涤内筒筒壁;洗涤内筒直径 500mm, 深 320mm;脱水转速 800r/min, 1000r/min, 1200r/min, 1400r/min, 1600r/min。
假设在理想条件下,计算 1kg 偏心负载作用于洗涤内筒筒壁的向心力及产生的能量,计算过程如下:
1) 在各转速条件下, 计算洗衣机内筒旋转一周所用的时间:周期 T
计算公式:
图片
单位:周期(T):秒(s)。

表 1 周期 T 计算

图片

2) 在各转速条件下,计算线速度:V
计算公式:
图片
单位:V:m/s, r:m, T:s。
已知内筒直径 0.5m,半径 0.25m,计算线速度 V。
表 2 线速度 V 计算

图片

3) 在各转速条件下,计算向心力:F

计算公式:

图片 ,单位:FN。

表 3 向心力 F 计算

这个力有多大,我们可以假设在上述条件下, 用水的质量对向心力进行折算:
        计算公式:
 , 单位:m:kg。
表 4 向心力 F 与相对应水的质量计算

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在不同转速条件下, 1kg 偏心负载产心的向心力, 相当于有 179 kg、 280 kg、 403 kg、548 kg、 716 kg 的水作用于洗衣机内筒筒壁。而洗衣机自重大约在 60kg~80kg,向心力远远超过洗衣机自身重量,在 1600 转条件下, 1kg 偏心负载产生的向心力为洗衣机自身重量的 10 倍。

4) 在各转速条件下,计算 1kg 偏心负载的动能:焦耳(J)
计算公式:

图片,单位:焦耳(J)。

表 5 动能计算

图片

在理想条件下, 根据能量守恒定律, 1kg 偏负载的动能传递给外筒,外筒的动能与重力势能和弹性势能相互转换, 数学模型如下所述:

图片

图 3 能量转换模型

计算公式:

图片

说明:

E1: 1kg 负载的动能;m:1kg 负载的质量(kg);v1:1kg 负载的速度(m/s);

E2:悬挂筒的动能(焦耳 J) ;M:悬挂筒的总质量(kg);v1:悬挂筒的速度(m/s);

E2:外筒的重力势能(焦耳 J);m:外筒质量(kg);g(9.8N/kg);h:外筒振动的高度(m);

E3:弹簧的弹性势能(焦耳 J);k:弹性系数(N/m);x:弹簧形变量(m)。

依据上述公式, 洗衣机筒增加配重的目的是增加内筒的总质量 M,减少洗衣机悬挂筒的振动大小。洗衣机实际脱水过程中,会存在各个方向的力及动能势能转换。洗衣机跳起来的直接原因多是由于内筒振动过大造成,并且内筒振动过大的情况下,极易出现悬挂筒碰撞外箱体的情况,也是一部分振动产生的原因。由于该振动是受迫振动,符合受迫振动理论,下面进行相关分析。

5)受迫振动理论

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图 4 受迫振动曲线

上图为受迫振动特征曲线,横坐标 P 为频率,纵坐标 A 为振幅, c 为阻尼系数,其特征为:
1) 当 p 接近共振频率时振幅最大,出现共振;
2) 阻尼越小,共振越大;
3) p>>w 时,振体由于惯性,来不及改变运动状态,物体处于近似静止状态。
所以物体的固有频率是该物体的固有特性, 洗衣机在周期性向心力的作用下,振动由洗衣机内部传递到外部。根据实际试验情况,洗衣机不同的部件的固有频率是不一样的。举例:挂内桶的固有频率多在 50Hz 到 60Hz,所以滚筒洗衣机在脱水过程中会较快的通过这个频,所以大家感觉洗衣机在低速提速过程中会有一小段振动较大的情况,是由于洗衣机快速通过了300r/min 附近的转速,并且不进行停留。而洗衣机外箱体的固有频率则是高于最高脱水转速,不能采用快速通过的方式。

(未完待续)


本文作者

中国家用电器研究院 许振刚 鲁建国 霍雨佳 林思建



参考文献

[1] GB/T 4288-2008.家用和类似用途电动洗衣机 .

[2] QB/T 4680-2014.复式高滚筒洗衣机技术规范 .



:中国家用电器技术大会


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