（机械设计及理论专业论文）顶装式波轮洗衣机液体平衡环的实验与仿真研究.pdf

摘要 摘要 洗衣机除了洗净度这个基本的指标之外，低振动特性也越来越成为洗衣机的 一个重要的参数指标，而平衡环纠偏特性的优劣对于洗衣机的振动问题有着直接 的影响。 本文开发了一套平衡环纠偏特性测试的实验系统，包括实验系统的总体方案 设计，实验系统的机械结构设计和实验系统的传感测量与数据采集单元设计。进 行了大量的实验，研究了平衡环内流体容积比、流体密度和平衡环内外径等因数 对平衡环纠偏特性的影响，并做出了优化方案。 研究发现，平衡环的纠偏特性主要取决于环内流体容积比、流体密度以及平 衡环结构上的相关参数。为此，对应用比较广泛的洗衣机平衡环进行了进一步的 理论研究。根据平衡环的工作机理，自动纠偏的原因，建立了平衡环数学模型。 数学模型中，详细阐述了平衡环中主要参数与平衡环纠偏特性之间的关系，并利 用实验结果证明了数学模型的正确性。在数学模型的基础上，提出了虚拟力的概 念，为洗衣机仿真研究提供了理论基础。 利用a d a m s 仿真软件，建立了洗衣机的仿真模型，从仿真试验角度进一步研 究了平衡环的优化问题。模型中引入虚拟力来替代平衡环，而不是传统的小球模 型。根据仿真结果的分析比较，可得到平衡环的优化方案。其结果将会对洗衣机 平衡环的实际设计提供有力的支持，可避免盲目的经验设计。 关键词：波轮洗衣机；平衡环；平衡机理；低振动特性；虚拟力 垒垒呈堕! 一 _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ 一 a b s t r a c t a - p a n 矗0 mm ec o m m o np 猢e t e ro fw a s h i n 乎d i n i n 锶sd e 笋c e ， l o wv l b 舢c yl s b e c o m i n gam o r ea n dm o r e 加p 酣a n tp 娥啪e t e ri nw a s h i n gm a c m n c s ，w h i l et l l e 删i 匆 d e v i a t i o no fl i q u i di l y d 舢l i cb a l 弛c 哪d i 删y 砌u 铋c e 诎m c yc h a r a c t 啪mw 髂g m a 出n e s a n 鼯p e r i m 锄ts y s t 锄o nm e 觚o f m er e c t i 匆d 嘶a t i o no f l i q u i d h 灿a u l i cb a l 锄c 镪i s d e v e l o p e di i l “sp 印i i l c l u d i n gt l 地d e s i 印o f n l eo v e r a l lb l u e p r i n t ，m c c h 觚i c a ls 锄c t u 心 s e n s o rt e s t i n gi l lt l l es y s t 锄觚dd a t as e l e c t i n g 眦i t p i l 伪o fe x p 耐m 咄w e r cc o n d u 删t o s t u d yt h ei m p a c to fp 跏e t e r s 跚c h 鹤f l u i dc u b a g er a t i o ，f l u i dd c l l s i 够i n s i d eo fh y d r 锄l i c b a l a i l c e r 锄di 肌e r 锄do u t e rd i 锄e t e 体o nt h er e c t i 匆d e 讥a t i o no fl i q u i dh y d r 踟l i cb a l 龃c e r s a no p t i m i z ep l 觚i sp r o 】【n o t e db a s e do nt h a t 雒a l y s i s r e s u l t ss h o wt l l a tm er e c t i 母d e v i a t i o no fl i q u i dh y d r a u l i cb a l a n c e 心m a i l l l yd 印e n d s 0 n f l u i dc u b a g en t i oa n df l u i dd e 邺时i 船i d eo f h y d 舢l i cb a l 锄c b 懿i d e s ，r e l a t e dp 舢e t 哪 o nh v d 舢l i cb a l a n c e r 咖c n 盯e af i l i 恤c rt h c 0 巧s t u d y 0 nh y d m u l i cb a l 锄c e ro f 谢d e l y - u s c d w a s h i n gm a c h i n e si sc o n d u c t e db a s c d0 n “sc o n c l u s i o n a c c o r d i n gt 0t l l ew o r k l n gp n n c l p l e 鲫l dr e a s o no f 础or e c t i 母d 嘶a t i o mm a t h e m a t i c a lm o d e lo fh y d r 锄l i cb a l a n c e ri s 小w e l o p e d ， i nw h i c hr e l a t i o l l sb 咖e c i lm a i np 嬲m e t e r s 锄dr e 枷匆d 州a t i o nc h a r a c t e r si s 锄p h 嬲i z e d ， 锄di t sr e s u l t si sv a l i d a t e dw i t he x p 甜m e n tr e s u l t s b a s e d0 nm a t h 咖a t i c a lm o d e l ，c o n c e p t o l 矗c t i o n a lf o r c ei sp u t 姗矾，w h i c hp r o v i d e st h e o r yf 0 u n d a t i o nf o rt h ee i n u l a t i o ns 硼y e m u l a t i o nm o d e lo fw a s h i n gm a c h i n e si se s t a b l i s h e di na d a m st o 缸t h e rs t u d yt h e o p t i m i z a t i o no f h y d 舢l i cb a l a n c i nw h i c hf i c t i t i o u s l o a di si n 仃o d u c e dt or 印l a c em c h v d r 眦i i cb a l 趾c i n s t e a do fm ec o n v e n t i o n a l ll i m eb a l lm o d e l a n 叩t i m i z 撕o np l 锄c 觚b e c o n c l u d e da c c o r d i n gt om ec o m p a r c 锄o n g 锄u l a t i o nr e s u l t s t h i sp l a l lw i l lp o w e m l l y s u p p o r tt h ep r a c t i c a ld e s i 印o fh y d r a u l i cb a l a i l c c fi nw 础i n gm a c h i n 岱a n dh e l pa v o i d i 】唱 b l i n d f o l de x p 嘶m e n t a ld e s i 盟 k e yw o r d s ：v 矾i c a la u t o m a t i cw 嬲h i n gm a c h i n e ；l i q u i dh y d r a u l i cb a l a n c e r ；b a l 锄c i n g t h e o w ；l o wv i b r a n c y ；f i c t i o n a lf o r c e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 签名：日期： 耸监 。j 址址 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名： 导师签名： 日 期： 如缪易。巧 文! 帆彦、6 、2 歹 一叠 告一 笙牲整 第一章绪论 1 1 洗衣机的发展历史 第一章绪论 从古到今，洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动，而在洗衣机出现以前，对 于许多人而言，它并不像田园诗描绘的那样充满乐趣，手搓、棒击、冲刷、甩打 这些不断重复的简单的体力劳动，留给人的感受常常是：辛苦劳累。 1 8 5 8 年，一个叫汉密尔顿史密斯的美国人在匹茨堡制成了世界上第一台 洗衣机。该洗衣机的主件是一只圆桶，桶内装有一根带有桨状叶子的直轴。轴是 通过摇动和它相连的曲柄转动的。同年史密斯取得了这台洗衣机的专利权。但这 台洗衣机使用费力，且损伤衣服，因而没被广泛使用，但这却表示了用机器洗衣 的开端。次年在德国出现了一种用捣衣杵作为搅拌器的洗衣机，当捣衣杵上下运 动时，装有弹簧的木钉便连续作用于衣服。1 9 世纪末期的洗衣机已发展到一只 用手柄转动的八角形洗衣缸，洗衣时缸内放入热肥皂水，衣服洗净后，由轧液装一 置把衣服挤干。 1 8 7 4 年，“手洗时代 受到了前所未有的挑战有人发明了木制手摇洗 衣机。发明者是美国人比尔布莱克斯。布莱克斯的洗衣机构造极为简单，是在 木筒里装上6 块叶片，用手柄和齿轮传动，使衣服在筒内翻转，从而达到“净衣 的目的。这套装置的问世，让那些为提高生活效率而冥思苦想的人士大受启发， 洗衣机的改进过程开始大大加快。 1 8 8 0 年，美国又出现了蒸汽洗衣机，蒸汽动力开始取代人力。经历了上百 年的发展改进，现代蒸汽洗衣机较早期有了无与伦比的提高，但原理是相同的。 之后，水力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现。到1 9 1 1 年，美国的费希尔 在芝加哥试制成功世界上第一台电动洗衣机。电动洗衣机的问世，标志着人类家 务劳动自动化的开端。 电动洗衣机几经完善，在1 9 2 2 年迎来一种崭新的洗衣方式“搅拌式 。搅 拌式洗衣机由美国玛依塔格公司研制成功。这种洗衣机是在筒中心装上一个立 轴，在立轴下端装有搅拌翼，电动机带动立轴，进行周期性的正反摆动，使衣物 和水流不断翻滚，相互摩擦，以此涤荡污垢。搅拌式洗衣机结构科学合理，受到 人们的普遍欢迎。不过1 0 年之后，美国本德克斯航空公司宣布，他们研制成功 第一台前装式滚筒洗衣机，洗涤、漂洗、脱水在同一个滚筒内完成。这意味着电 动洗衣机的型式跃上一个新台阶，朝自动化又前进了一大步! 直至今同，滚筒式 洗衣机在欧美国家仍得到广泛应用。 随着工业化的加速，世界各国也加快了洗衣机研制的步伐。首先由英国研制 并推出了一种喷流式洗衣机，它是靠筒体一侧的运转波轮产生的强烈涡流，使衣 江南大学硕士学位论文 物和洗涤液一起在筒内不断翻滚，洗净衣物。1 9 5 5 年，在引进英国喷流式洗衣 机的基础之上，日本研制出独具风格、并流行至今的波轮式洗衣机。至此，波轮 式、滚筒式、搅拌式在洗衣机生产领域三分天下的局面初步形成。 2 0 世纪6 0 年代以后，洗衣机在一些发达国家的消费市场开始形成系列，家 庭普及率迅速上升。此间洗衣机在日本的发展备受瞩目。6 0 年代的日本出现了 带干桶的双桶洗衣机，人们称之为“半自动型洗衣机 。7 0 年代，生产出波轮 式套桶全自动洗衣机。7 0 年代后期，微电脑控制的全自动洗衣机横空出世，让 人耳目一新。到8 0 年代，“模糊控制 的应用使得洗衣机操作更简便，功能更 完备，洗衣程序更随人意，外观造型更为时尚。进入9 0 年代，由于电机调速技 术的提高，洗衣机实现了宽范围的转速变换与调节，诞生了许多新水流洗衣机。 此后，随着电机驱动技术的发展与提高，日本生产出了电机直接驱动式洗衣机， 省去了齿轮传动和变速机构，引发了洗衣机驱动方式的巨大革命。 在中国，由于历史原因，洗衣机工业起步较晚，直到1 9 7 8 年才正式生产家 用洗衣机。但是，随着人们认识的发展，尤其是改革开放的不断深化，进入8 0 年代后的洗衣机工业并没有像一些人预料的那样停步不前，而是保持着旺盛的发 展势头。1 9 8 3 年洗衣机产量由1 9 7 8 年的4 0 0 台飙升到3 6 5 万台，此后全国各地 掀起了大规模的技术引进热潮，大约有4 0 多个厂家先后从洗衣机技术先进国只 本、英国、法国、意大利、澳大利亚等引进技术6 0 多项。技术的引进、吸收和 创新，极大地提升了国产洗衣机的产业素质与生产能力，缩短了同发达国家之间 的差距。如今，我国洗衣机年产量约占世界年产量的四分之一，居于世界首位。 除了在数量和品种上满足国内市场外，还出口到北美、欧洲、东南亚等地，跻身 于国际洗衣机市场的竞争行列。 1 2 研究背景及课题来源 家用洗衣机是人们同常生活中所必备的家用清洁卫生电器，在我国波轮洗衣 机比较符合人民的消费习惯。其洗衣原理简单，通过电动机带动波轮转动，衣物 依靠波轮的转动，不断上下翻滚而达到洗净目的。其优点是结构简单，维修方便， 洗净率高，洗涤时间短，品种多样：其缺点是衣物磨损率大，缠绕率高，用水量 大，洗净的均匀性不够【l 】。 我国洗衣机业经过2 0 多年的发展，已成为一个较成熟的产业。与其他家电 产品相比较，这一产业处于一个相对平稳并具有优势的环境。近些年来，我国洗 衣机行业有了较大的发展。每年国内的需求在1 3 0 0 万台左右，规模需求已经形 成。2 0 0 2 年以后，我国洗衣机产品的出口一直保持良好的增长态势，总体出口 形势喜人，且通过产品结构的调整，高端产品出口渐成主流【2 1 。 2 第一章绪论 然而在迅速发展的同时，我国洗衣机业也存在着一定的问题，主要是产品结 构不尽合理，大部分企业的产品处于中低端产品，高端产品的市场竞争力较弱， 国内洗衣机市场的高端产品主要被国外企业占据。 产生这种问题的原因主要在于国内洗衣机生产的自主创新能力较弱。目前， 国内洗衣机的生产以依靠技术引进和技术模仿为主，对洗涤机理和洗衣机的动态 性能等关键技术缺乏系统的基础性研究；在性能要求上，洗衣机除了洗涤脱水这 些基本的性能之外，低振动特性也越来越成为洗衣机的一个重要的参数指标 f 3 】f 4 】【5 1 ，所以洗衣机减振一直是困扰开发者的一个难题，当今洗衣机的生产中， 为了降低成本，许多零件趋于使用质轻的塑料来生产，洗衣机外壳的板厚也越来 越小，这使洗衣机的刚度更低，更容易引起振动，因而洗衣机洗涤脱水过程中减 振的任务更为严峻；在设计手段上，国内企业以静态经验设计为主，缺少产品在 工作状态的动态模拟和分析；在实验手段上，尚无系统的、完全能够按照国际标 准进行洗衣机全面检测的设备和环境。所有这些，造成国内洗衣机业缺乏核心竞 争力，在洗衣机高端产品的开发上处于一种被动的局面。 随着人民生活水平的不断提高，人们对于洗衣机的要求也越来越高。除了基 本的洗涤与脱水功能外，环保、节能、节水、低振动、低噪音等指标越来越受到 人们的重视【6 朋【8 l 。然而这些指标的实现依赖于先进、系统的洗衣机设计方法和 设计手段。本课题是与无锡小天鹅股份有限公司合作开展的家用洗衣机振动仿 真系统的研究课题的子课题，j 下是在这样的背景下展开的。 1 3 洗衣机的研究现状 长期以来，洗衣机动态性能的研究主要围绕四大问题展开：悬挂系统、走动 特性、机箱动态特性和动平衡【9 】【1 0 】【i i 】【1 2 j 。 1 3 1 洗衣机悬挂系统的研究 悬挂系统是洗衣机中最重要的部件之一，其设计参数的好坏直接影响着洗衣 机整体的振动特性。从现有文献来看，很多学者从不同的角度探讨了洗衣机的悬 挂形式【1 3 】【1 4 】【1 5 l 【1 6 】f 1 7 】，然而在研究过程中大部分学者将悬挂系统等效为线性刚度 与线性阻尼系统。随着技术的发展，洗衣机悬挂系统中逐渐引入了空气弹簧，此 时悬挂系统的刚度与阻尼特性体现出了很强的非线性。 1 3 2 洗衣机走动特性的研究 走动是洗衣机工作过程中的附加运动，它有三种形式：跳动、平移和倾翻。 随着洗衣机轻质、高速( 脱水) 性能的需求，走动特性越来越受人们的重视。从 国内外研究现状来看，一部分学者依靠走动的边界条件约束悬挂系统的设计 3 江南大学硕士学位论文 【1 8 】【1 9 】，而不关心其具体走动形式。在实际生活中，轻微的走动现象是被人们所 接受的，而在洗衣机设计过程中，特别是考虑到洗衣机实际工作条件( 如地面摩 擦系数) 的变化，完全消除洗衣机的走动现象是很困难的。洗衣机在不同的工作 条件下的走动特性如何、怎样减轻洗衣机的走动现象是值得深入探讨的问题。从 现有文献来看，洗衣机的走动模型还停留在平面化模型的基础上【2 0 1 ，随着需求的 变化，越来越多的滚筒式洗衣机采用了倾斜轴的设计方式，此时简化模型已不再 适用。 1 3 3 洗衣机机箱动态特性的研究 由于涉及到材料和成本的要求，洗衣机机箱越来越趋向于轻质化，便更容易 产生振动。在这种条件下必然需要配套的动态特性研究。振动特性分析主要有两 种方式：有限元理论模态分析和实验模态分析。首先，在p r o e i n g e e r 中建立机 箱的三维实体模型，然后导入a n s y s 中进行网络划分，得到其有限元模型，并 对机箱进行模态求解，得到计算模态参数。另外，采用脉冲激励法在实验室对机 箱进行模态实验，得到实验模态参数。通过比对理论模态参数与实验模态参数， 以及对机箱固有特性的分析，可以对机箱振动特性的改善提供一定的参考依据。 1 3 4 洗衣机平衡环的研究 由于高速的需求，洗衣机的脱水转速越来越高。高速的需求必然需要配套的 动平衡措施。洗衣机动平衡的方式有两种：主动平衡和被动平衡。主动平衡造价 高昂，现行设计中，全自动洗衣机中广泛采用第二种措施安装平衡环。 目前，对平衡环作用力模型的研究可分为两大类： 第一类是从平衡环的稳态平衡机理出发，将其作用模型简化为惯性力( 2 1 】【2 2 1 ， 如图1 1 所示。高速脱水阶段，在洗涤衣物产生不平衡时，脱水桶向哪边倾斜， 哪边工作液就自动减少，这时，离心力产生的液偏量抵消了洗涤衣物的重量分布 不均，达到了平衡的目的，但这种模型只适用于脱水稳定阶段。此外，该建模过 程中忽略了环内结构对液体的影响。 图1 1 平衡环惯心力模型 4 第一章绪论 第二类将平衡环中的液体离散为若干刚体f 2 3 】【矧，并对刚体施加特殊的约束 力，以此来仿真平衡环的作用。为模拟平衡环内工作液的平衡功能，采用通过连 杆连接到脱水桶上的小球系统来模拟平衡环，连杆一端铰接小球，另一端铰接于 脱水桶中心轴，连杆旋转则由螺旋弹簧和阻尼来约束，如图1 2 所示。小球之间 相位角变化引起的小球质心移动可以模拟平衡环内工作液质心的移动，环内工作 液流动所受到平衡环内结构的约束可用弹簧和阻尼来等效。这种模型适用范围较 广泛，但施加到刚体上的约束力模型是值得探讨的问题。 图1 2 平衡环小球模型 1 4 课题研究目的和主要内容 簧 杆 球 1 4 1 研究目的 目前，国内洗衣机的生产基本上产用进口生产线和技术。国内对平衡环的研 究还不是很深入，在这种形势下，开发自己的技术，提高企业的创新能力，就成 了当前企业发展的基本要求。为对引进技术进行消化、吸收、改进，并提高自主 设计和开发洗衣机新品的能力，建立和掌握洗衣机结构设计和理论显得尤为迫 切。 波轮洗衣机脱水过程中，在衣物载荷的不平衡分布，以及脱水桶的高速旋转 的情况下，会使洗涤桶受到变载荷和变方向惯性力激励的作用，这种激励可以引 起整机的剧烈振动。整机的这种振动不仅产生很大的噪音，而且对洗衣机机械与 电器部件的寿命产生影响。因此，控制洗衣机振动对洗衣机的性能有着重要的影 响。平衡环在控制旋转部件平衡这方面有着良好的性能和效果。于是，研究平衡 环的结构以及平衡环各项参数对脱水桶在偏心旋转情况下控制其平衡有何影响 是非常有必要的。 1 4 2 主要研究内容 本课题作为家用洗衣机振动仿真系统研究课题的子课题，是关于洗衣机 5 江南大学硕士学位论文 平衡环实验研究及仿真。 加深对现有顶装式波轮洗衣机平衡环的了解，掌握其平衡机理，不仅对平衡 环的理论研究有着直接的指导作用，也是对平衡环进行优化的前提。因此，本课 题首先对平衡环进行理论分析，建立起平衡环的数学模型，在此基础上，利用 a d j 蝴s 仿真软件建立洗衣机的仿真模型，为了对模型作出有效的验证，需要针 对平衡环设计出一套实验系统，用于平衡环的实验研究，然后对平衡环进行了大 量的实验，并对实验结果进行理论分析，得出平衡环中对纠偏特性造成主要影响 的因素。之后，通过比对仿真模型，对模型进行修正，并对平衡环进行优化。具 体工作如下： 1 对平衡环进行理论分析，建立平衡环的数学模型。 2 设计一套针对平衡环的试验系统，制定出具体的实验方案，对平衡环进行 动态实验，并对实验结果进行理论分析，得出平衡环纠偏特性的主要响应因素， 并对仿真模型进行实验验证。 3 在数学模型的基础上，建立洗衣机的仿真模型，对平衡环进行计算机仿真， 并对仿真结果与实验研究作比对，进一步修正仿真模型，得出理想的平衡环参数。 6 第二章洗衣机平衡环的结构分析 第二章洗衣机平衡环的结构与工作机理 随着科技的发展，许多新技术已成功地应用在洗衣机上。使洗衣机由简单的 “能洗衣”，发展到具有高沈净度、低磨损率、健康型、智能化、节水节能等高层 次功能，满足了不同档次的需求。其主要技术包括：变频调速技术，臭氧杀菌技 术，净音平衡技术，模糊控制技术，超声波技术，纳米技术和信息技术。上述的 净音平衡技术就包括波轮洗衣机上的平衡环技术口”。 2 1 波轮洗衣机平衡环的特点 波轮洗衣机结构蜘图2 一l 所示，主要由如下4 部分组成：桶体系统包括 盛水桶、脱水桶、平衡环、波轮和传动装置。平衡环嵌固于脱水桶的上部，波轮 位于脱水桶的底部，与安装在盛水桶下部的传动装簧相连。悬挂系统由四根吊 杆组成，桶体系统通过悬挂系统挂于箱体的角点上。 箱体系统用于支承和封闭 椭体系统。控制系统位于箱体系统的上部，控制洗衣机的工作程序。 拟 图2 1波轮洗衣机结构图图2 2 波轮洗衣机整机结构简图 平衡环是波轮洗衣机上曲人减振系统之。在波轮洗衣机脱水桶顶配胃腔体 内封装盐水的环形塑料平衡环，如图2 2 所示。平衡环的轴线与旋转部件沈 涤桶的轴线重合，沈涤桶旋转时，液态盐水的惯性抵消或缓冲旋转桶的惯性，从 而酾整洗涤桶的偏心量。使偏心降到极低。能大大降低洗衣机的振动，并达到静 占水甲。另外甲衡环取代了用以起平衡作用的配重块，大大减轻了洗衣机的重 嘬。 半衡环被采用在波轮洗衣机j 具有如下特点口： 1 平衡环有效地纠正所有而不是部分脱水速度范围的不平衡： 2 为使沈衣机洗涤桶旋转能、f 稳地通过临界转速( 发生e 振的临界点转速) 平衡环在哑临界速度时即发生效用。当转速接近l 晦界转速时由于小平衡极易产 营画 修龠 江南大学硕士学位论文 生，因此要求平衡环应能连续地起作用。 3 为补偿由于脱水等高速运转而引起的不平衡，平衡环还能在高于临界转速 时对脱水系统进行平衡。由于在整个速度范围内滞后角大于1 8 0 度，平衡环对速 度响应比较敏感。因此，在高速时与在低速时的平衡作用应有所不同。 4 平衡环进行不平衡纠偏时，尽可能在与被平衡的系统作用平面内进行。除 静态不平衡外，总的恢复力大致等于所产生的不平衡力，以消除系统内的动力偶。 一 阉鼋 图2 3 平衡环外部结构简图 图2 4 平衡环内部结构简图 般束i 兑，衣物沈净脱水时脱水桶是高速转状，为了降低脱水橘在脱水时 偏心衣物的惯性j 对盛水桶振动所产生的激励作川，在脱水桶顶部装有平衡环结 第二章洗农机平衡环的结构分析 构( 如图2 3 所示) ，并随之一起转动。平衡环为环状结构，环中注入l 2 k g 浓度 为2 0 2 5 的盐水溶液。环内设计有隔板和若干根凸筋，每条凸筋上开两个槽 口，此种设计用于控制盐水的流动，为了防止在瞬态时可能会引起的异常振动。 洗衣机在脱水时，平衡环随脱水桶一起旋转，旋转时由于衣物偏心会产生不平衡 力，这时，平衡环内盐溶液质心会自动产生偏心，向偏心衣物的反方向流动，在 水平面内有效的减缓了由于衣物的不平衡所带来的振动，起到平衡作用【z 引。 2 3 平衡环平衡机理分析 洗衣机是代替人工洗衣的机器。自从1 9 11 年美国试制成功世界上第一台电 动洗衣机以来，洗衣机有了飞速的发展。如今，我国已经是洗衣机生产大国，洗 衣机产量居于世界首位。洗衣机除了洗涤脱水这些基本的性能之外，低振动特性 也越来越成为洗衣机的一个重要的参数指标。由于现在洗衣机的生产趋向于使用 轻质材料，洗衣机本身的刚度比较低，更容易引起振动，所以洗衣机在洗底特别 是在脱水过程中减振的任务更为严峻。 平衡环作为全自动洗衣机的一个重要纠偏部件，在洗衣机高速运转下控制其 平衡起着非常重要的作用。平衡环固定在洗衣机脱水桶的顶部，该装置为一个密 封的空心圆环，其内部注入一定量的盐溶液，一般占空腔体积的5 0 7 0 。由 于固定在脱水桶上，因此，在洗衣机脱水过程中平衡环是随着脱水桶一起转动的。 在脱水过程中，由于衣物在洗涤桶内的不平衡分布，会导致离心力的存在( 根据 牛顿力学可知) ，而平衡环在抑制这种离心力上起着很重要的作用，在脱水时， 平衡环腔内的流体会自动流向与衣物负载偏心相对的一侧，这样就起到了自动纠 偏作用，而无需人工调整，因此，这种抑制离心力的作用是非常有效的【2 9 】。更详 细的模型在第三章列出。 9 江南大学硕士学位论文 第三章洗衣机平衡环的数学模型 在平衡环平衡机理分析的基础上，需要对平衡环作理论分析，得出平衡环的 数学模型，为以后平衡环的仿真作理论基础。 3 1 平衡环的理论模型 平衡环自动纠偏的这种物理现象可以用一个转动模型来解释，如图3 1 所示。 图示相当于一个任意位置的二自由度的洗衣机模型俯视图，图中的衣物负载中心 为c ，其质量为m ，与几何中心s 的偏心距为e ，转动中心为o 且偏离于几何中 心s ，这样转动的脱水桶就产生了一个离心力使得洗衣机产生了额外的振动。在 稳态情况下，如果转动频率远高于固有频率。，负载中心和与转动中心就趋 向于一致，运动振幅也几乎等同于初始的负载偏心e ，如图3 2 所示。与此同时， 由于离心力的作用，平衡环腔内流体向衣物负载偏心相对的一侧流动，这样就降 低了整体的偏心e 。因此，波轮洗衣机达到一定的转动频率时，其可以利用平衡 环来纠正衣物偏心所带来的不平衡【2 1 】1 3 0 】。 图3 一l 转动模型1图3 2 转动模型2 平衡环在径向上的切面图如图3 3 所示。假设平衡环内离心力d f 作用在流 体体积d v 上，可写成 卵= 觑国2 d 矿 3 1 其中p 为流体的密度，r 为流体到转动轴的距离，为转动角速度。假设流体密 度保持不变，转动速度保持不变，那么作用在流体质心上的总的离心力f 可表示 为 1 0 第三章洗衣机平衡环的数学模型 f = l 扩c o s 秒= p 国2 e p y + p 国2f 日y 3 2 图3 3 环内流体受力分析图 假设c 为流体质心在x 轴方向上与脱水桶中心的距离，设定c = p y p y ，那 么3 2 式可改写为 f = 所彩20 + c ) 3 3 其中m 为环内流体总的质量。3 3 式说明离心力f 不仅与衣物负载的偏心e 相关， 还与流体的重心位置c 相关，由此，在研究过程中必须要考虑质心位置c 。 y 一一7 一 翼、 厂。 ；瓤 雳黼 5 一留x 名冀罗 积；岁 。墨岁 图3 4p p图3 5p e 图3 6e 专o o 当偏心很小的时候，在稳定状态下腔内流体分布如图3 4 所示。由于腔内流 体受离心力作用比较大，因此，可以认为环内流体成形面几乎是垂直的。假设平 衡环的截面是成直角的，腔内的隔板与凸筋在稳态时不予考虑，设腔体容积与平 衡液的体积之比为q ，那么流体总的体积为： y = g 万( 一r ? ) j i l = 万( 霹一r ；) j i l 3 4 其中r 和尺。分别是腔体的内、外半径；r 。为流体内表面与旋转中心的距离。 江南大学硕士学位论文 南3 4 式可以得出： r = ( 1 一g ) r ；+ g 群 3 5 有定义，流体质心可以表示为： c ：毕 3 6 c = r 一 3 6 i d 矿 其中p 矿为流体总的体积y = 万( 尺：一霹) j i l ，p y 可以依据图3 4 中计算得出： p y 蚴( 丘x 厨一e x 届而) = 耐幽 3 7 由此，质心c 可以写成： c ：堡：s e 3 8c 2 森2 s e3 8 其中s = 霹( 尺：一霹) ，其式子3 8 只有当p e = 墨一r 时才成立，由此，当偏 心较小时，根据3 8 式，流体质心与衣物偏心是成线性关系的，而且其系数s 是 由腔体的内外径以及流体与腔体的体积比所决定的。 当偏心相对较大时，即p p = r 一置，腔内液体走形会趋向于如图3 5 所 示。一般情况下洗衣机在运转时其偏心p e 。图3 6 所示为一种极限状况，在 这种情况下，腔内的流体全部流向腔体的一侧，起作用就相当一个刚性体，在这 种极限状态下其流体的质心用c 表示，经计算可得： 3 r o + r tq 冗 3 9 由此可见，随着偏心e 的无限增大，质心c 趋向于一个常量c 。因此，流体质心 c 可以概述成： r c ： s p ，e e 3 1 0c2 j 1 u 【c 。，e 专 关系式3 1 0 表示了偏心e 和质心c 所呈现出的两种情况，一种是偏心较小的状 况，另一种是偏心很大的状况。而在实际情况下，很难精确的获得偏心e 和质心 c 之间的联系，但根据关系式3 1 0 可以得出偏心e 与质心c 之间的相关信息： 1 偏心e 与质心c 之间的变化关系是连续的； 2 当p p = 兄一r 时，可以认为偏心e 与质心c 是成线性关系的； 1 2 竺硼s b竺删 产一如 产k r r 一幼 一 到一 = 第三章洗衣机平衡环的数学模型 3 随着偏心po ，质心c 斗c 。 依据以上，得出偏心e 与质心c 的关系图，如图3 7 所示。 图3 7e 和c 的关系图 基于以上条件，将3 1 0 式定义成： c ： s g ，p er， 一、1 3 1 l 弘t ”口：删肌k ，g 一；) l e ； 文“ 由应该条件可以得知其中参数口。= s ；，口：= 昙( c 一口。) ，口，= 口：，由此，方 程式3 1 0 可写成： s p ，e 啪。 9 计算带速 v ：垄竺! ：三：! ! 兰堕! 兰q q 5 3 形 6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0 s l o 计算传动比 f ：堕：里：2 0 2 以2 7 4 2 5 1 1 计算皮带根数，由表1 1 8 选取只：o 3 1 ；由表1 1 7 选取k 。= o 9 7 4 ；由 表1 1 1 2 选取k = 1 1 6 ；由表1 1 1 0 选取战= 0 0 9 。根据式1 1 2 2 z = o 8 2 5 ( 昂+ 鲲) k 。k ( 0 3 1 + o 0 9 ) o 9 7 4 1 1 6 = 1 8 3 ，选取z = 2 根 本节部分公式、参数和图表参考机械设计( 第四版) 【3 。 4 2 2 传动主轴强度计算 作为回转运动的零件都要装在轴上来实现其回转运动，大多数轴还起着传递 1 9 江南大学硕士学位论文 扭矩的作用。轴要用滑动轴承或滚动轴承来支承。 轴的材料主要采用碳素钢和合金钢。碳素钢比合金钢价廉，对应力集中的敏 感性较小，所以应用较为广泛。常用的碳素钢有3 0 5 0 钢，最常用的是4 5 钢。 本实验装置的传动轴选用常用的4 5 钢。别外，为保证其力学性能，应进行调质 或正火处理。 为本实验装置所设计的传动轴其工作能力决定于它的强度和刚度，如在高速 转下则还决定于它的振动稳定性。在设计轴时，应按工作能力准则进行设计计算 和校核计算。在结构设计上，需要考虑用轴向固定的方法使它们在轴上有确定的 位置，为了传递扭矩，轴上零件还应作周向固定，对轴与其他零件( 如滑动轴承) 间有相对滑动的表面应有耐磨性的要求，轴的加工、热处理、转配、检验、维修 等都应具有良好的工艺性。 轴的强度计算主要有三种方法：许用切应力计算；许用弯曲应力计算；安全 系数校核计算【3 2 】。 许用切应力计算只需知道转矩的大小，方法简便，但计算精度较低。它主要 用于下列情况：1 ) 传递以转矩为主的传动轴：2 ) 初步估算轴径以便进行结构设 计；3 ) 不重要的轴。弯矩等的影响，可在计算中降低许用切应力。 许用弯曲应力计算必须先知道作用力的大小和作用点的位置、轴承跨距、各 段轴径等参数。为此，常先按转矩估算轴径并进行轴的结构设计后，即可画出轴 的弯距合成图，然后计算危险截面的最大弯曲应力。它主要用于计算一般重要的、 弯扭复合的轴，计算精度中等。 安全系数校核计算也要在结构设计后进行，不仅要定出轴的各段直径，而且 要定出过度圆角、轴毂配合、表面粗糙度等细节。它主要用于重要的轴，计算精 度较高，但计算较复杂，且常需有足够的资料才能进行。安全系数校核计算能判 断各危险截面的安全程度，从而改善各薄弱环节，有利于提高轴的疲劳强度。 以上三种方法可单独使用或逐个使用。一般转轴按许用弯曲应力计算已经足 够可靠，不一定再用安全系数法校核。强度计算不能满足要求时，应修改结构设 计，两者常相互配合、交叉进行。 2 0 第四章平衡环的实验系统设计 图4 _ 4 传动主轴结构简图 根据实验要求，设计出传动主轴的结构简图如图4 4 所示。针对实验过程中 离心力对主轴的作用，对主轴进行前两种方法的强度计算。 已知：实验采集点的轴径d _ 2 5 n u n ，有效轴长h = l o o l l ：n ，最大转速 国= 1 0 0 0 盔i n = 1 0 4 8 朋，偏心块的实际偏心距l b o 1 6 5 m ，实际输出功率 p = o 3 砌。 1 ) 按许用切应力计算 1 计算主轴所受转距 r = 9 5 5 1 0 6 = 9 5 5 1 0 6 o o o = 2 8 6 5 肌掰，其中，p 为轴传递的功 率( 1 【w ) ，n 为轴的转速( i n ) 。 2 计算轴的切应力 f 7 ：要：i 妥：黑：o 9 1 6 8 m 砌，其中，为轴的抗扭截面系数。 孵o 2 d o 2 2 5 3 。一 。 ( m 所3 ) 。根据表1 6 2 选取4 5 钢的许用切应力k 】的范围在3 5 m p a 左右，即 勺 k 】。 3 计算轴的最小直径 d ： 鉴堕坐塑- 7 4 2 聊朋 2 5 晰埘 vo 2 3 5 1 0 0 0 综上，按照许用切应力计算主轴符合计算强度要求。 2 l 江南大学硕士学位论文 2 ) 按许用弯曲应力计算 1 计算偏心块的最大离心力f ，设定偏心块质量m = o 5 k g f = m 尺缈2 = 0 5 o 1 6 5 1 0 4 8 2 = 9 0 6 1 2 计算轴的最大弯距m m = 只h = 9 0 6 1 1 0 0 = 9 0 6 1 0 加m 3 计算当量弯距m ，式中口是根据转矩性质而定的应力校正系数。对于不 变的转距，取口= 譬爿；对于脉冲的转距，取口= 隹爿；对于对称循环的转距， 取口= l 。k 。6 】、【c r 0 6 】和阢6 】分别为材料在静、脉动循环和对称循环应力状态 下的许用弯曲应力，其值可由表1 6 3 选取。必须说明，所谓不变的转距只是理 论上可以这样认为，实际上机器运转不可能完全均匀，且有扭转振动的存在，故 为安全计，常按脉动转矩计算。主轴材料选用4 5 钢调质，仃8 = 6 5 0 必砌， = 3 6 蚴。用插入法由表1 6 3 查得：b 0 6 】- 1 0 2 5 膨p 口，b - 1 6 】= 6 0 m p 口，计 算得出应力校正系数口：# 二爿：旦：o 5 9 。 k 6j 1 0 2 5 m = m 2 + 0 r ) 2 = 9 0 6 1 0 2 + ( o 5 9 2 8 6 5 ) 2 = 9 0 6 2 5 8 m 聊 4 计算弯曲应力 吒：等：? 冬：嬲：5 8 肱砌 6 0 膨p 口，即满足c r 6 b - 1 6 】 。 形o 1 d o 1 2 5 91 ” 5 计算轴的最小直径 d ：；墅塑：2 4 砌肌 2 5 聊，l = ，j 一= ，- ，m m z 】m m v0 1 6 0 综上，按照许用弯曲应力计算主轴符合计算强度要求。 本节部分公式、参数和图表参考机械设计( 第四版) 【3 2 】。 2 2 第四章平衡环的实验系统设计 4 2 3 夹紧定位机构设计 图4 5 夹紧定位机构简图 1 螺栓；2 压板；3 中心轮：4 销；5 挺杆；6 压头；7 转台；8 健；9 主轴 夹紧定位机构是整个实验装置的关键部分。该部分不仅要实现与主轴的同步 旋转运动，还要实现对平衡环的装夹以及中心定位。具体结构如图4 5 所示。主 轴通过健连接带动转台旋转运动，转台上的三个压头分别镶嵌在转台上的三条导 槽内，并带动压头与转台一起旋转运动。中心轮与压头通过三根等长的挺杆连接， 通过旋转中心轮同步撑开压头，使平衡环始终定位在轴心上，压头是通过支撑平 衡环内壁来夹紧平衡环的。 4 2 4 机架设计以及整体性能分析 由于整个实验台的传动是用皮带轮带动的，因此实验台的机架需要保证皮带 是水平的而且是张紧的。基于以上考虑，试验台的机架分为两块：一块是电机机 架；另一块是主体机架。以便在装配时可以保证皮带是水平的而且的张紧的，以 装配的方式来满足其要求。整个机架结构合理，便于制造，刚度和强度满足要求， 稳定性较好，机体表面经发黑处理，既能够防锈又美观大方。 整个平衡环的试验台如图4 6 所示。试验台配置了一台三相交流电机，通过 皮带轮向主轴传递所需动力，且传动平稳。在转速控制上，我们采用一台变频器 拖动一台电机的连线方法，这样通过频率的变化可方便实现转速的调节，基本满 足了模拟波轮洗衣机脱水时的转速。 江南大学硕士学位论文 图4 6 平衡环实验台 43 实验系统传感测量与数据采集单元设计 平衡环测试试验台需要对主轴的应变量进行测量。本宴验设计采用了以计算 机、无线传感器、变频器和主体试验台为核心硬件的测试系统。软件部分为北京 必创科技有限公司提供的采集软件以及相关数据分析软件。 4 3l 应变式传感器的工作原理 传感器是指能够感觉规定的被测罱并按照一定的规律转换成可用输出信号 的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成口”。基于电磁原理和固体物理学 理论的测量原理，传感器可分为应变式、电位式、电感式、羞动变压器式、电涡 流式传感器等。 电阻应变式传感器自诞生以柬已有6 0 多年的历出了，也是目前应用最广泛 的传感器之一与硅压阻式传感器相比其热漂移小温度特性好，在力、载荷、 扭矩及位移测量中占据着不可替代的重要位霄。它的i ：作过程可以分为三个相互 关联的阶段。第一阶段：被测负荷作用在弹性体卜，使弹性体产生相应的弹性变 形；第二阶段：通过粘贴在弹性体卜的电阻应变汁，使弹性体的弹性变肜转换为 电阻应变计的阻值变化( 增大或者减小) ：第三阶段：l 耳通过测量电路将电阻应 变计电阻的变化，转换为电信号( 电压或电流) 输m 。由此可以看出，电阻应变 式传感器是由弹性体、电阻应变计和测量电路三个主要部分组成。 常用的电阻应变讨由敏感栅、基底、覆盖层和引线等部分组成。核心部分为 敏感栅，一股由某种会属丝绕制而成。金属细丝的直径在0 叭5 m m 00 5 咖。 第四章平衡环的实验系统设计 电阻值有6 0 q 、1 2 0 q 、2 0 0 q 等各种规格，以1 2 0 q 最常用。应变计常用的结 构形式有丝式、箔式、薄膜式等。 测量电路是指将传感器输出的电量变成便于显示、记录、控制和处理的有用 电信号的电路。常用的测量电路有交、直流电桥及其它特殊的电路，如高阻抗输 入电路、脉冲宽度调制电路、振荡回路等。其中直流电桥能够把被测的非电量转 换成电阻的变化，再变成电压的变化，主要用于应变式传感器。目前金属电阻应 变式传感器的直流电桥通常都采用惠斯登电桥结构。图4 7 中r l 、r 2 、r 3 、r 4 为 四个桥臂电阻，e 为激励电源，则电桥的输出电压为： r ，一 墨! 墨二墨2 墨! u o 一陋i + 尺2x 尺3 + 尺。) 】 当电桥处于平衡状态时即蜀尺，= r 2 凡，此时的= o 。 当 局= 焉= 坞= 心= 凡时，即各桥臂应变计电阻标称值完全相等、型号相同，称 为等臂电桥。 当桥路电阻发生变化时，从心= 鼢，则电桥的输出为： = 盟学产型 式中k _ 应变计灵敏度系数； s 各电阻的线应变值。 凸 图4 7 惠斯登电桥 4 3 2 应变式传感器的选型 1 敏感栅和基底材料的选择 6 0 以内、长时间、最大应变量在1 0 u i i l m 以下的应变测量，一般