（环境工程专业论文）滚筒洗衣机噪声控制研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 在环境保护意识逐渐增强的现在，噪声作为一种污染源已经引起了人们的高 度重视，大多数使用者对洗衣机的要求已不仅仅是洗涤衣物，而且要求洗衣机能 够做n d , 振动低噪声的静音洗涤。本研究针对某滚筒洗衣机的振动噪声较大的现 象，对该洗衣机进行了测试分析和减振降噪的研究。 首先根据国家标准g b t 4 2 8 8 2 0 0 3 家用电动洗衣机噪声测试方法对洗衣 机进行振动噪声测试，测得洗衣机脱水时的声功率级，分析其振动频谱和噪声频 谱，在此基础上识别洗衣机主要的振动噪声源。再根据国家标准g b t 1 0 0 6 9 旋 转电机噪声测定方法及限值测定本洗衣机配用电机的噪声，并分析影响电机噪 声的主要因素，提出改进思路。 为了弄清该洗衣机的固有特性，对洗衣机箱体进行了试验模态分析，识别出 其箱体的振动模态参数，同时利用大型有限元分析软件a n s y s 建立箱体有限元模 型，对其进行了计算模态分析。将计算结果与试验结果相比较，验证了有限元模 的正确性。 依据模态分析的结果，对洗衣机箱体进行模拟改进，通过建立有限元模型进 行谐响应分析，证明提高箱体刚度可以收到减振效果。最后用计算流体力学软件 f l u e n t 对电机端盖以及内筒底部支架处产生的气流噪声进行了仿真分析，并依据 分析结果提出了改进方案。 关键词：滚筒洗衣机，振动噪声，有限元法，模态分析，谐响应分析，气流噪声 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sas o u r c eo fp o l l u t i o n , n o i s eh a sa t t r a c t e dp e o p l em u c hm o r ea t t e n t i o nw h e np e o p l e w e r em o r ea n dm o r ec a r eo fe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n m o s tp e o p l e sr e q u i r e m e n tf o r w a s h i n gm a c h i n e i sn o to n l yw a s h i n gc l o t h e s , b u ta l s oh o p et h a tt h e yc a nw o r kw i t hl i t t l e n o i s ea n dv i b r a t i o n t h en o i s ea n dv i b r a t i o no fs o m er o l l i n gw a s h i n gm a c h i n ei ss e v e r e , s o w em a k e s o m em e a s u r e m e n ta n da n a l y s i st od e c r e a s et h en o i s ea n dv i b r a t i o no ni t a ta r s t , a c c o r d i n gt ot h en a t i o n a ls t a n d a r d so fg b t 4 2 8 8 2 0 0 3 h o u s e h o l de l e c t r i c w a s h i n gm a c h i n e s ) ) ，n o i s ea n d v i b r a t i o no ft h ea u t o m a t i cr o u i n gw a s h i n gm a c h i n ew e r e t e s t e d ，i t ss o u n dp o w e rl e v e lw a sm e a s u r e dw h e nt h ew a s h i n gm a c h i n ew a sw o r k i n go n d e h y d r a t i n g , i t sn o i s ea n dv i b r a t i o ns p e c t r aw e r eo b t a i n e d , a n di t sm a i ns o u r c e so f n o i s e a n dv i b r a t i o nw e r ei d e n t i f i e d i na d d i t i o n , a c c o r d i n gt ot h et e s ts t a n d a r d so fg b t 1 0 0 6 9 t h et e s t i n gm e t h o da n dl i m i tv a l u eo fr o l l i n ge l e c t r i c a lm o t o r ) ) ，凌en o i s eo ft h e e l e c t r i c a lm o t o r , w h i c hi su s e di nt h er o l l i n gw a s h i n gm a c h i n e ，w a sm e a s u r e da l s o t h e m a i nf a c t o r st h a ta f f e c t e dt h en o i s eo ft h ee l e c t r i c a lm o t o rw e r ca n a l 弘e d 。b a s e do nt h e w o r k sa b o v e ，s o m ea d v i c e sw e r ep r e s e n t e di no r d e rt od e c r e a s ei t sn o i s e i no r d e rt oo b t a i nt h ei n t r i n s i cc h a r a c t e r i s t i co ft h er o l l i n gw a s h i n gm a c h i n ec a b i n e t , a ne x p e r i m e n t a lm o d a la n a l y s i so nt h er o l l i n gw a s h i n gm a c h i n ec a b i n e tw a sp e r f o r m e d t h e nt h em o d a lp a r a m e t e r sw e r ei d e n t i f i e d a tt h es a m et i m e ，af i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t h ec a b i n e tw a se s t a b l i s h e db yf t m t ed e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y st oa n a l y z et h e m o d a lc a l c u l a t i o n t h er e s u l t sf r o mt e s ta n dc a l c u l a t i o na r ei n9 0 0 da g r e e m e n te a c h o t h e r , w h i c hi n d i c a t et h a tt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e le s t a b l i s h e di sc o r r e c t b a s e do nt h em o d a la n a l y s i sr e s u l t sa b o v e ，s o m es i m u l a t i n gi m p r o v e m e n t so nt h e c a b i n e tw e r ec o n d u c t e d t h ev i b r a t i o nr e s p o n s ea n a l y s i sw a sp e r f o r m e d 姆e s t a b l i s h i n g f i n i t ee l e m e n tm o d e l ，i n c r e a s i n gi t sr i g i d i 哆w a sp r o v e da ne f f e c t i v em e a s u r e m e n tf o r d e c r e a s i n gt h ec a b i n e tv i b r a t i o n a tl a s t , as i m u l a t i n ga n a l y s i so fa e r o d y n a m i cn o i s e a r o u n dt h es t r i n ga n dt h ee n dc o v e ro ft h ee l e c t r i c a lm o t o rw e r ec o n d u c t e db yt h e c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss o f t w a r ef l u e n t b a s e do nt h ec o m p u t a t i o n a lr e s u l t s a b o v e ，s o m es u g g e s t i o n sw e r ee x p o u n d e dt od i m i n i s ht h ea e r o d y n a m i cn o i s e k e yw o r d s ：r o n m gw a s h i n gm a c h i n e ，v i b r a t i o na n dn o i s e ，m o d a la n a l y s i s , f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，h a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s ，a e r o d y n a m i c n o i s e 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：撅起 土沪- 1 年lz 月 日 指导教师签名今言音 ) 哆年l 工只? 各日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：街患 日期：2 。1 年i 明1 7 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 洗衣机从诞生之日起，它就开始逐步将人们从传统的人工洗涤衣物等繁琐而 又必不可少的日常家庭杂务中解放出来。时代的进步，更加使得洗衣机成为一种 常备的家用电器，而随着科技的发展，人们对生活质量的要求也越来越高，在环 境保护意识逐渐增强的现在，噪声作为一种污染源已经引起人们的高度重视，所 以大多数使用者对洗衣机的要求已不仅仅是衣物的洗涤，而且要求它能够做n d , 振动低噪声的静音洗涤。国家标准规定：洗衣机洗涤、脱水时的噪声按声功率级 计，均不应大于7 5 分贝( a 计权) 【1 1 。噪声大小已经成为人们在选购洗衣机时的一 个重要参考指标。因此，“绿色家电这类概念被提出，严格限定了家用电器在工 作状态所产生的噪声量级，控制洗衣机噪声已成为洗衣机设计的关键问题之一【2 】。 1 2 课题研究的意义和国内外研究现状 1 2 1 课题研究的意义 我国自1 9 7 9 年开始生产洗衣机，当时主要是引进日本的顶装式波轮洗衣机技 术。我国洗衣机行业发展非常迅速，经过短短的十几年，年产量便位居世界之首， 目前洗衣机行业已经成为我国家电行业的支柱产业，虽然国产全自动洗衣机的很 多项性能指标，已接近或达到了国际先进水平。但是，我国洗衣机的设计制造还 仍然停留在模仿型和经验型阶段，并没有完全掌握洗衣机设计制造的关键技术。 特别是国产滚筒洗衣机，由于进入国内消费市场时间较短，产品的技术性能尚不 够稳定、成熟，特别是在产品的振动与噪声方面与国外有不小的差距【3 】。 为此，本文将要对滚筒洗衣机进行振动噪声测试，分析其振动噪声特性，找 出其主要振动噪声源；研究箱体的固有振动特性，对洗衣机进行模拟改进设计， 寻求较好的改进方案，以达到减小洗衣机振动噪声的目的，对提高国产滚筒洗衣 机的市场竞争力以及改善居民生活工作环境有着重要意义。 江苏大学硕士学位论文 1 2 2 国内外研究现状及发展 自1 8 7 4 年美国的比尔本乃克斯通发明了第一台木制手摇洗衣机以来，洗衣 机制造技术得到迅速发展。本世纪三十年代，美国本乃克斯航空公司制造出世界 上第一台自动前装式滚筒洗衣机；1 9 3 9 年美国西屋公司开始生产全自动顶装搅拌 式洗衣机；日本在引进美国和英国技术的基础上，于1 9 5 7 年把喷流式改为波轮式， 增加全自动反转水流以减少衣物的缠绕，同时将波轮移至桶底，1 9 6 8 年推出全自 动顶装式波轮洗衣机。经过这一百多年的不断探索和改进，洗衣机设计制造技术 得到迅速发展，经历了普通型、半自动、全自动的发展过程，其功能也越来越完 善【4 】。最近几十年，人们研究的领域也在不断的扩大，包括洗衣机的振动噪声控制、 结构设计和动态分析、洗衣机的控制技术等方面，而振动噪声成为其中最重要的 焦点之一【5 1 。 为了降低洗涤过程的噪音，多年来技术人员付出了辛勤的劳动，提出了许多 卓有成效的解决办法。如把洗衣机工作分阶段研究噪音产生的原因，从采用的材 料到零部件的加工装配都进行了有益的探索，总结出许多的宝贵经验。人们发现， 洗衣机噪音最为突出的阶段是衣物洗涤后的脱水阶段。在这个阶段中，噪音来自 于脱水筒高速旋转，由衣物的不平衡引起的振动，这直接影响了洗衣机质量的提 高，并且限制了洗衣机进一步向高转速的发展。 国外的科研工作者从理论上来研究洗衣机简体的振动机理。1 9 8 7 年， b a g c p a l l i 从理论和实验角度比较分析了滚筒式和波轮式洗衣机，预测了爬行力的 范围。1 9 9 1 年，z u o x i n 提出平衡环这样的概念，并建议以此来提高洗衣机在脱水 阶段的稳定- t 生t 6 , 7 1 。1 9 9 3 年，0 s t u r k a y 实现了计算机仿真和洗衣机的优化设计。 d c c o n r a d 和w s o e d e l 建立了滚筒式和波轮式洗衣机的“爬行”模型，发现波轮 式洗衣机的“爬行”是周期性的，而滚筒式洗衣机的“爬行 是单向的。他们还 分析了箱体“爬行 的临界状况和临界时的洗衣机转速和平衡块的质量等参数【8 ，9 】。 我国洗衣机行业由于起步较晚，走引进技术的道路，未能对引进技术进行深 入的研究和发展，使得目前国内洗衣机的设计和新品开发仍然停留在模仿型和经 验型阶段，还没有完全掌握洗衣机设计制造的关键技术，使国产洗衣机行业发展 受到严重制约，特别是振动噪声方面国内整体研究水平不高。虽然国内各滚筒洗 衣机厂家的科技人员，都在进行洗衣机减振、降噪的研究，可由于关系到各产品 2 江苏大学硕士学位论文 的技术机密，各个厂家各自为战，互相之间缺乏交流，所以产品在振动噪声控制 方面有所欠缺。对照2 0 0 4 年颁布的国家标准g b l 9 6 0 6 家用和类似用途家用电器 噪声限值，大多数国产洗衣机的噪声指标仅仅达到国家标准的c 级，有的甚至 只有d 级，与国外相比还存在较大的差距。 表1 16 8 1 9 6 0 6 家用和类似用途家用电器噪声限值洗衣机噪声限值( 单位d b ( a ) ) a 级b 级c 级d 级 6 26 56 8 7 2 但是我国学者通过不懈努力也取得了巨大成就。他们对大型工业洗衣机进行 了研究，建立滚筒式洗衣机的动特性设计的系统振动计算模型，给出了计算方法， 同时将有限元法引入框架结构的研究。与此同时，很多高校以及研究机构都在大 力研究改进洗衣机的振动噪声。他们在平衡系统、减振器等的设计方面取得了较 大的成果。值得一提的是海尔在自动档、j i t ( j u s ti nt i m e ) 衣干即停等滚筒技 术方面取得新突破，达到国际领先水平。 现在市场上的洗衣机基本实现了微电脑化、传感器化，而且由于洗衣机控制 技术和水流技术的发展，出现了不缠绕、不损伤洗涤物的“新水流 洗衣机。目 前洗衣机的研究正朝着智能化、机电一体化、小型化、节水节能和低振动噪声的 方向发展。 1 。3 课题的主要研究内容 根据课题的研究需要，确定本文的主要研究内容如下： 根据国家标准g b t 4 2 8 8 2 0 0 3 家用电动洗衣机噪声测试方法对洗衣机进 行振动噪声测试，测得洗衣机脱水时的声功率级，分析其振动频谱和噪声频谱， 在此基础上识别洗衣机主要的振动噪声源，为减小洗衣机的振动噪声做好基础准 备。由于识别出洗衣机配用电机是主要噪声源之一，所以需要对电机进行噪声测 试分析。根据国家标准g b t 1 0 0 6 9 旋转电机噪声测定方法及限值第一部分： 旋转电机噪声测定方法测定本洗衣机配用电机的噪声，并分析影响电机噪声的 主要因素，提出改进思路。此外，为了弄清该洗衣机的固有特性，对洗衣机箱体 进行了试验模态分析，识别出其箱体的振动模态参数。同时利用大型有限元分析 软件a n s y s 建立箱体有限元模型，对其进行了计算模态分析。将计算结果与试验 3 江苏大学硕士学位论文 结果相比较，验证了有限元模型的正确性。再依据模态分析的结果，对洗衣机箱 体进行模拟改进，通过建立的有限元模型进行谐响应分析，证明提高箱体刚度可 以收到减振效果。最后用计算流体力学软件f l u e n t 对电机端盖以及内筒底部支架 处产生的气流噪声进行了仿真分析，并依据分析结果提出了改进方案。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章洗衣机振动噪声测试分析 2 1 洗衣机振动噪声测试与分析 2 1 1 洗衣机结构及主要振动噪声源 全自动洗衣机的结构如图2 1 所示，一般由箱体、电机、内、外筒、悬挂弹 簧、阻尼减振器等组成。在这些部件中，位于箱体中央的是内筒，外筒套在内筒 外围构成套缸结构。这组套缸通过两根悬挂弹簧和两个阻尼减振器与箱体相连。 而电机、皮带轮、内外筒组成传动链，完成洗涤、脱水等功能【1 0 ，1 1 】。 i i 琵盛 一毒一 l 霸 鸶。杉w 妒1 ，么衙氐、丫 b f 。一一：) 、戮灌燃 f瀚腻f 坶 厶 礓嵇 b l j l u 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 一配重块2 一悬挂弹簧3 一内筒4 一外筒组件5 一大皮带轮6 一内筒支架 7 一阻尼减振器8 一箱体9 一小皮带轮1 0 一电机 图2 1 滚筒洗衣机结构示意图 从噪声产生的原理来划分，全自动洗衣机的噪声可分为如下四类【1 2 】： ( 1 ) 电机噪声：电机噪声也可以分为三类，即电磁噪声、气流噪声和机械噪 声。此外，电机作为振动噪声源，不仅可以直接产生振动噪声，而且由于声激励 5 江苏大学硕士学位论文 还可以使结构薄板产生振动，产生二次声，也可以因为电机振动和产生的固体声 向洗衣机支承系统、外壳等部位传递，使外壳箱体振动而辐射产生噪声。 ( 2 ) 结构振动噪声：洗衣机的箱体是用薄板制成，刚性差，受激振容易辐射 出较大的噪声。而且在洗衣机脱水时，由于结构件的质量不平衡和衣物在脱水筒 内的分布不均衡，引起系统振动，并因此产生噪声1 1 3 l 。 ( 3 ) 气流噪声：洗衣机脱水时高速旋转，洗衣机内筒支架与空气之间产生相 对运动会扰动空气发出强烈的气流噪声，此外电机转子高速旋转也会产生气流噪 声。 ( 4 ) 其它部件的噪声：这主要是进、排水的电磁阀线圈产生的振动噪声【2 1 。 2 1 2 洗衣机噪声源识别 噪声源识别的试验分析方法主要包括：近场测量法、分别运转法、选择隔声 法、频谱分析法、相干分析法等等【1 4 ，1 5 】。本文采用了近场测量、振动测量和频谱 分析等几种方法相结合来识别主要噪声源。滚筒洗衣机的振动噪声测试系统如图 2 2 所示，上半部分测量洗衣机各种工况下的噪声级，下半部分测试洗衣机的振动 情况，左面的声级计用于测量近场声压级和采集声信号。 声级计 图2 2 噪声与振动测试系统示意图 按照国家标准g b t 4 2 8 8 2 0 0 3 关于家用电动洗衣机噪声测试标准要求，将 洗衣机放在半消音室内进行声功率级测量，在测量的包络面上取四个测点，分别为 前面、左面、后面、右面四个测量包络面的中心点，其位置如图2 3 所示： 6 江苏大学硕士学位论文 图2 3 洗衣机噪声测点位置图 图中，l ：，厶分别为洗衣机的长、宽、高；测量表面的数值根据公式( 2 1 ) 所得【1 6 1 ： 口一1 + 每，6 1 + i l 2 ，c = 1 + l 3 ( 2 1 ) 根据实际测量，洗衣机的长、宽、高分别为： l 1 0 6 m ，l 2 - 0 5 3 m ，l 3 - 0 8 5 m 将数据代入公式( 2 1 ) 可得： 口= 1 3 m ，b = 1 2 6 5 m ，c = 1 8 5 m 。 按照国家标准g b t 4 2 8 8 - - 2 0 0 3 关于家用电动洗衣机噪声测量方法，洗衣机 噪声的声功率级按公式( 2 2 ) 计算： 羔 l w 一( l p 一2 ) + l g 岛 ( 2 2 ) 式中工洗衣机噪声声功率级； l a 计权平均声压级，d b ( h ) ； s 测量包络面面积，s 一4 x ( a 木b + a c + b 幸c ) - 4 x 6 4 2 - 2 5 6 4 m 2 ； & 标准面积，s o - 伽2 ； 其中是四个点的平均a 计权声压级，按公式( 2 3 ) 取其算术平均值： i = 三山：+ l e 3 + l e 4 ) ( 2 3 ) 江苏大学硕士学位论文 式中l p l ，l 尸2 ，l ，3 ，l p 4 四个测点的a 计权声压级； 将以上数据带入公式( 2 2 ) 可得： l = l p + 1 2 1( 扣) ( 2 4 ) 在不同工况下测得结果如表2 1 所示： 表2 1 洗衣机噪声测量结果 工况 1234 l pk 负载d b ( a ) 7 1 46 6 16 9 66 5 16 8 0 58 0 1 5 负载d b 8 2 78 0 38 1 27 9 4 空载d b ( a ) 6 0 25 9 25 9 95 9 25 9 6 27 1 7 2 空载d b 6 7 06 5 06 9 8 6 7 o 表中负载表示在滚筒内放入的5 9 k g 的洗涤衣物。 负载脱水时各点的噪声都明显变大且点1 、3 增加值最大，说明滚筒高速旋转 时衣物产生的偏心力也是影响噪声的主要因素之一。 表2 2 空载拆除皮带前后噪声测量结果( 单位d b ( a ) ) 工况 1234 l p k 拆除前 6 0 25 9 25 9 95 9 25 9 6 27 1 7 2 拆除后5 7 35 6 55 8 95 7 45 7 5 26 9 6 2 滚筒噪声 5 7 15 5 85 3 05 4 55 5 46 7 5 6 由上表可以看出，由于拆除皮带后滚筒不再转动，点l 、2 、4 声压级有较大 幅度的下降且比点3 降低的值大。这是由于点3 靠近电机，电机转速不变所以其值 变化也不大；而靠近滚筒的1 、2 、4 由于滚筒停止转动所以声压级有较大幅度下 降。拆除皮带后的噪声主要由电机引起，而拆除前后两者的差值为滚筒不再转动 所导致。从表中可以看出电机所引起的噪声大，由此可知电机是洗衣机的主要噪 声源，应该想方设法如提高电机质量，增加电机的安装精度等降低电机本身的噪 声。此外可以通过提高滚筒皮带轮的安装精度，改善轴承等地方的润滑状况等降 低滚筒的噪声，还可以在后盖板上贴吸声材料，在缝隙处用橡皮条密封加强隔音 效果等措施降低洗衣机的噪声。 为了进一步识别主要噪声源，在不同工况下测量了洗衣机近场9 个点的近场 8 江苏大学硕士学位论文 噪声。近场测量点的布置如图2 4 所示： 2 洗衣机 1 一前面中心处 3 一后面中心处 5 一前面门缝右上角处 7 一后面盖板右上角处 9 一上面盖板右侧中心处 9 2 一左侧面中心处 4 一右侧面中心处 6 一上面盖板左侧中心处 8 一后面盖板右下角处 图2 4 洗衣机近场噪声测点位置图 图中点l 、2 、3 、4 主要是为了测量各个面的声辐射，点5 、6 、9 主要是为了 测量其缝隙处的密封性能，点7 是为测量滚筒的噪声大小，点8 是为了测量电机 的噪声大小。 不同工况下测试结果如表2 3 所示： 表2 3 不同工况下近场测试结果( 单位d b ( a ) ) 测点位置 1 23456789 负载 7 3 57 0 46 6 56 8 77 0 56 8 27 3 17 5 o7 0 3 空载 6 8 76 6 36 5 66 3 76 7 o6 6 67 0 37 0 26 8 1 为了确定滚筒以及电机对噪声大小的影响，比较拆除皮带前后的近场各点的 声压级，其结果见表2 4 ： 表2 4 空载拆除皮带前后近场声测试结果( 单位d b ( a ) ) 测点位置 l2 3 456 789 拆除前 6 8 76 6 36 5 66 3 76 7 06 6 67 0 37 0 26 8 1 拆除后 6 4 36 3 66 3 36 3 36 4 16 6 0 6 8 77 0 0 6 6 7 9 江苏大学硕士学位论文 由表2 2 和表2 4 可以看出，拆除皮带后滚筒不再转动，1 m 远处四个测量包 络面中心点的噪声级变小；近场各点的噪声级也变小，特别是靠近滚筒处的点7 和点l 噪声更是明显变小。这进一步说明了电机和滚筒是影响洗衣机噪声的主要 因素之一。 将采集到的近场噪声信号进行处理，得到噪声频谱图。图2 5 到图2 7 所示 是几个代表性测点的近场噪声频谱： 9 0 8 0 穹 蒋7 0 韫 6 0 5 0 4 点 l 3 点 冀 l 崩 ，i l 一一2 点 般；饥夯j_ a 艺：i i j j 删 1 燃 厂”。5 t d瓣 f u b 燃 謦yv 。 。_，一” v 01 0 02 0 03 0 0 & 0 05 0 06 0 0 频率：h z 图2 5 负载近场线性噪声频谱图 3 点 4 点 一，占 已 、 01 0 0 2 0 0 一曼0 0 4 0 05 0 06 0 0 频率：h z 图2 6 空载近场缌挂噪声频谱图 1 0 0 0 o 0 0 9 8 7 5 5 鲁一鬟咀忆 江苏大学硕士学位论文 8 0 号7 0 辩 幽 舨6 0 5 0 1 日点 3 点 毋w洲 | i弧 掣j 斟l k p p 机 ，l 、7 y 。 y 、 01 0 02 0 03 0 0 4 0 05 0 06 0 0 频率：h z 图2 7空载拆除皮带近场缌陛噪声频谱图 从图2 5 和图2 6 可以看出，空载和负载时信号的峰值主要在1 5 3 h z 、4 5 9 h z 、 1 8 3 甜拓处。而脱水时的洗衣机滚筒转速为9 2 0 r p m r a i n ，转频为1 5 3 h z ，电机转 速为l 1 0 0 0 r m i n ，转频为1 8 3 3 h z 。噪声的主要峰值都发生在洗衣机的转频的谐频 处。如4 5 9 h z 为洗衣机转频的三倍，而洗衣机内筒的支撑结构有支架，所以应该 是该峰值的主要原因，而1 8 3 6 h z 处为电机的转频，所以应该是由电机所引起。比 较图2 6 和2 7 可知，拆除皮带后脱水时大皮带轮不再转动，滚筒也处于静止状 态，所以峰值也明显降低，由此可推知滚筒是主要噪声源之一。 2 1 3 振动频谱分析 因为洗衣机脱水时振动比较严重，为了对脱水情况下的振动进行测试，将三 个加速度传感器贴在洗衣机左面中心、后面中心和右面中心采集其振动信号，经 过信号调理器后用信号采集处理系统处理，得到振动频谱。图2 8 到2 1 0 是各种 不同工况下的振动加速度频谱图： 1 1 江苏大学硕士学位论文 口1 口口8 n 口口6 皇 目d m 口0 2 d 口口5 口a 4 锚0 0 3 苗口d 2 口叭 口 一左边中点 一庙边甲扁 l 皇。 fl鱼航。i 刚1 虬l 氏。 - j - j - 5 口10 02 口口 3 0 04 口05 0 0 f ： 图2 8 加载振动频谱图 一左面中点 c ：看1 1 = l ，口叫t 1 不l l ju 。 jl ， b 。矗d - j ! t 厶一nj !h k ，1 一，、j o k ! ! ! 1 dl 口口2 d o3 0 04 口口 5 0 0 f ：h z 图2 9 空载振动频谱图 一左面中心 一后面中心。 i 。也艘 b ! 如【“。l 一一 l 。 。，以 口1 口口 2 0 03 0 04 口口5 0 0 f h z 图2 1 0 拆除皮带振动频谱图 l 8 6 4 2 口 l 口 0 0 0 c m 仉 m 匝 n 曹苗 江苏大学硕士学位论文 由图2 8 到图2 9 可以看出，加速度峰值主要集中在4 5 9 h z 、9 1 8 h z 和1 8 3 6 h z 处。是洗衣机转频以及其3 倍、6 倍等整倍数，由此可见洗衣机振动噪声与内筒支 撑结构等有重要关系。而1 8 3 6 h z 为电机的转频，所以应该是由电机引起的。比 较图2 9 和图2 1 0 可以发现拆除皮带后由于滚筒不再转动，所以振动也减小很多。 由此可知负载后随着偏心质量增大，振动噪声也随之增大；应该选用合适的支撑 滚筒的悬挂弹簧和阻尼减振器以减小滚筒振动向箱体的传递；可以在箱体的侧面 内壁上贴上吸声材料消耗一部分声能；在缝隙处贴上密封圈以减少噪声的向外传 播。而且从各个噪声与振动频谱图可以看出，左右两个侧面以及后盖的振动噪声 也比较明显，所以需要对箱体进行模态分析。 2 2电机噪声测试与分析 由图2 5 到图2 7 可以看出电机是洗衣机最主要的噪声源之一，所以应该对 电机进行噪声测试分析。 2 2 1 电机噪声分类 电机噪声主要由电磁、气流、机械等三种原因产生。相对应地可以将电机噪 声分为下述三类【1 7 l ： ( 1 ) 电磁噪声：电磁噪声主要是由在时间和空间上作变化、并由电机各部分 之间作用的电磁拉力引起的。即电机空隙中的磁场脉动，引起定子、转子和整个 电机结构的振动所产生的一种低频噪声。其数值大小决定于电磁负荷与电机的设 计参数。 电磁噪声主要是结构噪声，分为恒定电磁噪声、与负载有关的磁噪声等。需要 调整定、转子槽的配合以及定、转子偏心或气隙的大小和长度等来减小电磁噪声。 ( 2 ) 气流噪声：气流噪声是电机转动时，转子上某些凸出部位使得空气产生 冲击和摩擦所形成，其大小主要决定于其风量大小。在高速运转情况下，此项噪 声所占比例较大，是电机噪声的主要部分。主要有涡流噪声和笛鸣噪声两种。涡 流噪声主要是由转子引起的冷却空气湍流在旋转表面交替出现涡流引起的。而笛 鸣噪声是通过压缩空气，或空气在固定障碍物上擦过而产生的【1 8 1 9 , 2 0 。 一般可以采用密封的隔声罩，将噪声“密封在里面，增大转动部件和固定 部件之间的间隙是降低笛鸣噪声的有效办法。另外，降低转子表面圆周速度、减 小电机的表面积和转子表面粗糙度( 例如在转子表面包上包络面使其变的光滑) 1 3 江苏大学硕士学位论文 三个参数，也可以降低气流噪声。 ( 3 ) 机械噪声：机械噪声是电机运转部分的摩擦、撞击、不平衡以及结构共 振形成的噪声。机械原因引起的噪声种类很多，也很复杂。噪声源主要有：自身 噪声源，负载感应噪声源，辅助零部件的机械噪声源。归结为加工工艺、加工精 度、装配质量等问题产生。电机的机械噪声一般是由电刷与、轴承、转子、通风 系统等产生。据此可将机械噪声分为电刷噪声、风扇噪声、负载噪声等。旋转电 机噪声主要是机械噪声，大型、高速电机易产生这种噪声1 8 ，1 9 2 0 1 。 转子动平衡不好是产生机械振动和机械噪声最常见的原因之一。提高转子动 平衡精度则可以有效降低这种噪声。安装、调整不良，定、转子部件固有频率和 旋转频率一致时也会产生机械噪声1 2 1 1 。 2 2 2 噪声测量及其结果 根据国家标准g b t 1 0 0 6 9 旋转电机噪声测定方法及限值第一部分：旋转电机 噪声测定方法测定本洗衣机配用电动机的声压级阎。按照标准，若电机轴中心高或 者电机高度的一半为9 0 m m 及以下，则采用半球测试面，测试半球面的半径为0 4 m ， 测试半径的中心为通过电机中心的垂线与反射地面的交点。测点1 、2 、3 、4 布置在 电机前后左右四个互相垂直的方向上，如图2 1 1 所示。标准要求，若相邻测点间的 声级差大于5 d b ，则应在其间增加测点，直至小于5 d b 为止，测点高为0 2 5 m 。 按照标准计算该电机声功率级的公式为圈： l w = l p + 1 0 l g 二 ( 2 5 ) 5 0 式中 三p a 计权平均声压级，d b ( a ) ； k a 计权声功率级，d b ( a ) ； s 测试半球面面积，s 一2 m 2 2 3 1 4 0 1 6 1 0 0 4 8 m 2 ： & 基准面积，s o l m 2 ； 电机的a 计权平均声压级计算公式为： 一1 l p = 仁_ p 1 + p 2 + l p 3 + 工p 4 ) ( 2 6 ) 斗 三n ，p 2 ，l p 3 ，l e d 四个测点的a 计权声压级 将各个数据带入式( 2 5 ) 可得： 1 4 江苏大学硕士学位论文 l w = l p + 0 0 2 一一一 ，一， l 、 ， j 1 、 、 ，一- f 、 ，一：、 l 蹿 、 | 、l 一一j i 一一 t1j il |l ， 幸 ， 一 ， 图2 1 1 旋转电机半球面测量示意图 测量结果如表2 4 所示： 表2 4 电机噪声测定结果( 单位：d b ( a ) ) 测点l234 l p l w 噪声级 7 1 57 3 87 2 97 5 27 3 3 5 7 3 3 7 2 2 3 电机噪声频谱分析 为了对电机进行噪声信号的频谱分析，本实验用近场测量法采集电机前后左 右四个面中心点以及前面轴承端盖处处五个点的近场线性噪声信号。其位置分布 如图2 1 2 所示。 江苏大学硕士学位论文 。1 一 i 2 i 点电丰脚端面中心 2 点电机左面中心 3 点电机后面中心? 4 点电机右面中心? 5 点电机轴承端盖处 图2 1 2电机近场测点分布图 用传声器接收噪声信号传到声级计，再经过信号处理系统转换为频率电压值， 进而得出噪声频谱图。本文电机的l 、2 、3 点噪声频谱如图2 1 3 所示。 - - 1 点 2 点 i m 、 v k a nu w 吣 vw h u n 价删 以 o6 0 01 2 0 01 8 0 02 4 0 03 0 0 0 频率：弛 ( a ) 1 、2 点噪声频谱图 1 6 约 目。曝出缸 江苏大学硕士学位论文 1 0 0 酋9 0 可 鞲 龃 韫 7 0 6 0 3 点 4 点 5 点 0 b 妊i i 札h 氩- 刈i i ji 棉f 1 毋， 几 p刎 1 1 i i _ i i断删w 鼍1 9 叫叫 删 u 【| u 略f：一、o 喇凇，蒜 。，。气 k h ：0 “ o1 4 0 0 2 b o o 4 2 0 05 6 0 07 0 0 0 频率：i i z ( b ) 3 、4 、5 点噪声频谱图 图2 1 3 电机近场噪声频谱 由以上图形可见各个图的峰值主1 8 3 3 h z 、3 6 6 6 h z 等处，电机的电磁噪声在 低频段，是引起低频噪声的原因之一。电机的额定转速为l 1 0 0 0 r m i n ，转频为 1 8 3 3 h z 。所以峰值频率在1 8 3 3 h z 处的振动应该是由电机引起的，峰值3 6 6 6 h z 是 转频的二倍，应该和电刷以及电机定子的结构有很大关系。可以采取一些措施降 低电机噪声，如增加机座刚度以减少由于定、转子气隙场中基波旋转力产生的振 动和噪声。提高气隙装配时的均匀度，以利于降低电磁噪声。在转子上包上光滑 的包络面以减少气流扰动、改变电机端盖口形状以降低气流噪声。清洁电刷表面 且保证电刷材料硬度不能过大，提高安装精度等措施来降低电机的各种噪声。 1 7 江苏大学硕士学位论文 第三章洗衣机箱体模态分析 由于洗衣机的两个侧面以及后盖存在较为严重的振动情况，所以需要对箱体 进行模态分析以确定用于描述结构系统动态特性的固有频率、阻尼比和振型的模 态参数。其分析包括试验模态分析和计算模态分析，对其结构系统进行分析、评 价，从而找出结构系统在动态特性上所存在的问题。 3 1 试验的原理 所谓试验模态分析就是在机械上人为的布点，对各点施加激振力，同时测 量其响应，由此求出机械上各点的频响函数，最终得出各个模态参数的方法。洗 衣机箱体是连续振动系统，在实际进行振动分析、参数识别时一般需要把结构离 散为有限个自由度的离散振动系统。在物理坐标下其运动方程为 2 3 ，2 4 , 2 5 l ： 瞰】僻+ 【c 】僻+ 瞵】似= 俨 ( 3 1 ) 式中 瞰】质量矩阵；【c 】阻尼矩阵；【k 】刚度矩阵； 田加速度矩阵； 封速度矩阵； 耐位移矩阵； 俨) 负载矩阵 对( 3 1 ) 式两边进行傅立叶变换，可得： ( j 研c 】+ 【k 卜功2 瞰】) 弘( 国) = 俨( 砷 ( 3 2 ) 式中，弘( 叻 一系统响应频谱。 由振动理论知，对线性时不变系统，系统的任何一点响应均可表示为各阶模 态响应的线性组合。对i 点的响应 而( 国) - 乏办g 舻) ( 3 3 ) j - l 式中：丸第f 个测点，第阶模态的振型系数。 由各测点的振型系数所组成的列向量为 册j 一( 么j ，2 j 九，九) r ，称为第阶 模态向量，它反映该阶模态的振动形状。由各阶模态向量组成的矩阵称为模态振 型矩阵，记为： 【m 】一【 矽 。， 矽】：， 矽) 。】， ( 3 4 ) 1 8 江苏大学硕士学位论文 由式( 3 3 ) 、( 3 4 ) 可得系统的位移响应列向量为： 僻= 【叫 酊 ( 3 5 ) 式中： q 卜一引入的模态坐标向量 根据模态振型与质量矩阵瞰】和刚度矩阵瞵】的性质，可以得到频响函数矩阵： ，2 喜若筹备 慨6 ， 式中：m ；模态质量，k ；模态刚度 q 模态阻尼系数 系统的任一频响函数均可表示为其各阶模态导纳的线性组合，所以可从试验 测得频响函数，通过试验模态分析获得系统的模态参数。 3 2 洗衣机箱体的模态试验 3 2 1 建立网格化后的洗衣机箱体模型 为了尽可能全面反应洗衣机箱体的结构特点，本试验选取箱体左下角顶点为 原点，共布置了1 7 7 个测点。在试验模态分析软件s t a r 5 0 中编辑箱体各个测点 坐标以及测点间连线，建立网格化后的箱体模型。 试验模态分析软件s t a r 5 0 是美国s d 公司开发的用于结构试验模态分析和结 构动力修改的测试分析系统，其主要功能是： ( 1 ) 根据结构的几何尺寸，对能反映结构特点和关键部位进行测点的选择。 建立各测点的坐标，对结构进行网格化，建立结构的计算机模型。 ( 2 ) 分析由各i e e e 4 8 8 接口输入的各测点的频响函数，确定结构的模态频率 及识别结构的模态参数。在确定模态频率的基础上，选择适当的拟合方法对各点 的频响函数进行自动拟合，得到结构的模态频率、模态阻尼、模态振型等主要模 态参数。 3 2 2 测试分析系统 测试分析系统如图3 1 所示，一般主要包括三个部分，即激励部分( 激振器) 、 传感部分( 包括传感器和放大器) 和分析部分( 包括分析系统等) 2 6 1 。本试验激 振器选用力锤，进行模态试验时，首先力锤敲击箱体产生激振力，引起箱体振动， 江苏大学硕士学位论文 再将力信号和装在试件上的加速度传感器测量的响应信号进行放大，输送到s d 3 8 0 动态信号分析仪中，得到的频响函数经由i e e e 4 8 8 接口传给微型计算机，由计算 机中的结构动态分析软件s t a r 5 0 进行曲线拟合进而得到箱体的模态参数。 图3 1 模态试验测试示意图 3 2 3 试验结构的支撑方式 模态试验中试验的边界条件对结果影响非常大。试验中对于大型物件可以用 接地支撑，体积、重量较小的物件可以用弹性体悬挂或者支撑起来。在本试验中 把洗衣机箱体放在弹性较好的车轮内胎上，使其尽量处于无约束“自由自由 状态，以求其固有特性。 3 2 4 试验信号的采集