滾筒洗衣機(jī)減振技術(shù)的發(fā)展

劉家峰， 吉衛(wèi)喜

（江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫214122）

1 引言

近年來，滾筒式洗衣機(jī)由于洗凈比高，耗水量和耗電量小，衣物磨損率低等優(yōu)勢，受到越來越多的消費(fèi)者歡迎。但是滾筒洗衣機(jī)脫水甩干時的振動問題已成為制約其發(fā)展的一個嚴(yán)重障礙。找到滾筒洗衣機(jī)振動的主要原因并尋求最優(yōu)化的解決方案變得十分迫切。

2 滾筒洗衣機(jī)的振動原因及影響

根據(jù)洗衣機(jī)的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動方式等特點(diǎn)，首先對滾筒洗衣機(jī)的振動原因進(jìn)行了分析。滾筒洗衣機(jī)的滾筒多為水平放置，工作時滾筒繞著水平軸做上下空間的立體回轉(zhuǎn)，質(zhì)心在某一平面內(nèi)做上下往復(fù)運(yùn)動，考慮到重力加速度的疊加因素，會給滾筒洗衣機(jī)帶來振動問題［1］。

滾筒洗衣機(jī)通常采用電機(jī)作為動力源，電機(jī)在工作運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的振動，變成滾筒洗衣機(jī)的一個振源，通過洗衣機(jī)支撐系統(tǒng)的傳遞作用，使?jié)L筒洗衣機(jī)的外殼產(chǎn)生振動，而且電機(jī)通過皮帶輪、齒輪箱等傳動部件帶動內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)，傳動部件的不平衡同樣會產(chǎn)生激勵力，引起洗衣機(jī)的振動［2－3］。

滾筒洗衣機(jī)的內(nèi)筒在旋轉(zhuǎn)時，由于衣物的存在，滾筒內(nèi)部會產(chǎn)生偏心負(fù)載，使?jié)L筒受到變載荷和變方向偏心激勵的作用，引起洗衣機(jī)的振動。而且洗衣機(jī)在脫水運(yùn)行時，為了使衣物中的洗滌劑殘留物盡量少，同時減少漂洗的用水量和次數(shù)，滾筒洗衣機(jī)滾筒通常都具有較高的轉(zhuǎn)速，此時，在偏心負(fù)載的作用下，滾筒洗衣機(jī)的振動將更加劇烈。

滾筒洗衣機(jī)的振動會產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪音，影響其各個元器件和整機(jī)的使用壽命，而且嚴(yán)重影響人在使用過程中的舒適性，與追求宜人性、安全性和舒適性的人機(jī)工程學(xué)要求相矛盾。因此，能否有效地控制洗衣機(jī)的振動已經(jīng)成為滾筒洗衣機(jī)能否進(jìn)一步發(fā)展的重要因素。新型高效的減振系統(tǒng)的研究已逐漸成為滾筒洗衣機(jī)的研究熱點(diǎn)。

3 傳統(tǒng)的滾筒洗衣機(jī)的減振方法

傳統(tǒng)的滾筒洗衣機(jī)主要是從優(yōu)化洗衣機(jī)的結(jié)構(gòu)、控制振源和切斷振動的傳播途徑等三個方面來減小洗衣機(jī)的振動。

3.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)

在洗衣機(jī)的設(shè)計過程中，要注意洗衣機(jī)整體結(jié)構(gòu)的合理性，盡量使?jié)L筒洗衣機(jī)的質(zhì)量對稱分布；合理安排振源的位置，將振源設(shè)置在靠近滾筒洗衣機(jī)質(zhì)心的地方，這樣有利于系統(tǒng)激振響應(yīng)的衰減和動態(tài)性能的改善，同時要搞清楚振源的作用力及大小，然后針對性地改進(jìn)洗衣機(jī)的結(jié)構(gòu)和布局，最大限度地減弱振動的影響。在不影響整機(jī)強(qiáng)度的前提下，選用低剛度材料，盡量減小洗衣機(jī)的整體剛度，以此降低整體的固有頻率，達(dá)到提高減振性能的目的［4］。

3.2 懸掛系統(tǒng)與配重

懸掛系統(tǒng)包括兩根上吊簧和兩根下阻尼支撐，通過切斷振源的傳播路徑來降低從盛水桶傳遞到箱體上的振動。配重塊包括后配重，左前配重以及右前配重。通過使用配重塊，外筒的重心將移到外筒軸心和中心平面的交點(diǎn)上，外筒上的每一個質(zhì)點(diǎn)將做圓周運(yùn)動的平動，從而達(dá)到減小滾筒洗衣機(jī)振動的目的；另外通過增加配重的方式來增加外筒的重量，進(jìn)而增加外筒的穩(wěn)定性，以平衡或抵消內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的振動及對外筒的影響［5－6］。

事實(shí)上現(xiàn)有滾筒洗衣機(jī)的減振方法并不能從根本上解決振動問題，或是解決了洗衣機(jī)的振動問題，但是為了減小振動，導(dǎo)致洗衣機(jī)的配重越來越大，已經(jīng)占到了整個滾筒洗衣機(jī)重量的一半，以至于滾筒洗衣機(jī)的重量是普通的波輪洗衣機(jī)的兩倍，不僅使成本增加，還帶來了諸如運(yùn)輸之類的問題。同時，采用配重塊平衡技術(shù)雖然降低了工作振動，但由于采用壓迫式方法降低振動，限制了產(chǎn)品高度，造成取放衣物不便等。

圖1 傳統(tǒng)的滾筒洗衣機(jī)的減振系統(tǒng)

4 新型實(shí)用減振方法

由于傳統(tǒng)的滾筒洗衣機(jī)減振不好，一些新的減振方法被逐步提出。

4.1 被動平衡技術(shù)

首先引入了被動平衡技術(shù)，將固體平衡環(huán)裝在洗衣機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件-內(nèi)筒上，運(yùn)用平衡環(huán)減小內(nèi)筒衣物引起的的偏心，從而達(dá)到減小滾筒旋轉(zhuǎn)時振動的目的。由于內(nèi)筒可以看做是整個滾筒洗衣機(jī)振動的振源，采用平衡環(huán)技術(shù)可以有效地減小整個滾筒洗衣機(jī)的振動，由于平衡環(huán)可以自動平衡偏載，因而可以取代或減小外筒配重的質(zhì)量，使得洗衣機(jī)整體重量大大減輕。平衡環(huán)還可以動態(tài)補(bǔ)償洗衣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的偏心力，因此內(nèi)筒的直徑可以做得更大，滿足消費(fèi)者對大容量滾筒洗衣機(jī)的需求［7］。隨著被動平衡技術(shù)在滾筒洗衣機(jī)上的不斷應(yīng)用，帶有平衡環(huán)的滾筒洗衣機(jī)終將會實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

圖2 利ADAMS建立的固體平衡環(huán)模型

4.2 直驅(qū)電機(jī)

考慮到洗衣機(jī)實(shí)際上是一種機(jī)電一體化產(chǎn)品，可以從機(jī)電一體化系統(tǒng)的角度出發(fā)，尋找洗衣機(jī)減振的新方法。

滾筒洗衣機(jī)一般都是使用單向交流異步電機(jī)，電機(jī)一般通過帶傳動、行星減速器以及蝸輪蝸桿和曲柄連桿機(jī)構(gòu)與洗滌軸相連接，這樣的鏈接方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時占用了較大的空間，也是引起洗衣機(jī)振動的主要原因。此外，單向交流異步電機(jī)單位體積功率偏小、起動力矩偏弱、過載能力不足、可控性較差，難以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)的最佳化，極易引起系統(tǒng)振動。因此根據(jù)現(xiàn)有的電機(jī)技術(shù)，采用力矩和功率較大的直驅(qū)電機(jī)，使電機(jī)的輸出軸直接與洗滌軸相連接，去掉電機(jī)與洗滌軸之間的傳動機(jī)構(gòu)，可以很好地減小洗衣機(jī)的振動［8］。

雖然采用直驅(qū)電機(jī)可以很好地減小洗衣機(jī)的振動與噪聲等問題，但是由于洗衣機(jī)在洗滌時要求電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，力矩較大；而在脫水時要求力矩要小，轉(zhuǎn)速要高，這是一對相互制約的電機(jī)特性，對電機(jī)的性能要求非常高，因此高性能的電機(jī)技術(shù)的研發(fā)成為發(fā)展?jié)L筒洗衣機(jī)減振技術(shù)的一個重要方面。

4.3 變頻技術(shù)

隨著變頻技術(shù)的快速發(fā)展，利用數(shù)字變頻調(diào)速技術(shù)改進(jìn)滾筒洗衣機(jī)的振動特性是一個非常好的方法。利用變頻技術(shù)，實(shí)時監(jiān)測洗衣機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，根據(jù)得到的反饋信號及時的調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速與功率，使電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)較大范圍的調(diào)整，滿足洗衣機(jī)在洗滌、漂洗、高速脫水等工作狀態(tài)下對速度的要求。滾筒洗衣機(jī)采用變頻技術(shù)不僅能有效控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，還能簡化洗衣機(jī)結(jié)構(gòu)，提高整機(jī)的控制性能和操作性能，減小整體的振動特性。

滾筒洗衣機(jī)在啟動和停止的過程中會不可避免地落入共振區(qū)，為了避免振動，當(dāng)系統(tǒng)的激勵頻率以較大的加速度通過共振區(qū)時，共振響應(yīng)將大大減小［4］。但是對于加速度的選擇，也需要綜合考量各種因素。首先對于一般的普通異步電機(jī)，雖然理論上的升速率很高，但由于電機(jī)本身的驅(qū)動特性限制，內(nèi)筒的實(shí)際轉(zhuǎn)速一般都小于電機(jī)轉(zhuǎn)速，此外，如果速度提升過快，當(dāng)達(dá)到預(yù)定的脫水轉(zhuǎn)速時，衣物的含水量基本沒有減少，此時衣物會產(chǎn)生較大的偏心負(fù)載，引起系統(tǒng)的振動。因此在利用變頻技術(shù)控制脫水轉(zhuǎn)速的同時，需要首先通過理論計算和實(shí)驗(yàn)綜合確定各種負(fù)載狀況下，振動系統(tǒng)固有頻率和需要抑制較大振動的頻率范圍。再次，在考慮電機(jī)特性情況下，計算出各種負(fù)載下電機(jī)通過共振區(qū)域的最佳升速率；確定低速情況下，為保證系統(tǒng)不平衡力較小的升速率。根據(jù)以上參數(shù)，編寫電機(jī)升速控制程序。在實(shí)際使用中，需要運(yùn)用載荷識別技術(shù)，確定洗衣機(jī)每次洗衣的實(shí)際負(fù)載量。

同時，在洗衣機(jī)的脫水運(yùn)轉(zhuǎn)過程當(dāng)中，利用變頻技術(shù)，可以實(shí)時地檢測洗衣機(jī)的脫水運(yùn)轉(zhuǎn)情況，當(dāng)脫水過程中出現(xiàn)劇烈振動的情況時，引發(fā)振動檢測系統(tǒng)，并將獲得的信號迅速反饋給滾筒洗衣機(jī)的控制系統(tǒng)，及時地調(diào)整洗衣機(jī)的脫水轉(zhuǎn)速，以達(dá)到有效控制脫水時振動突出的問題［4］。

4.4 模糊控制理論在滾筒洗衣機(jī)中的運(yùn)用

隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，針對滾筒洗衣機(jī)的振動系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性振動系統(tǒng)的特點(diǎn)，模糊控制逐漸在滾筒洗衣機(jī)驅(qū)動控制算法中得到運(yùn)用，提高了滾筒洗衣機(jī)的智能化與可靠性。模糊控制是非線性的控制方法，主要針對那些無法建立數(shù)學(xué)模型或者數(shù)學(xué)模型相當(dāng)不完善的系統(tǒng)。其控制規(guī)則的建立要通過人們以往經(jīng)驗(yàn)或者進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)來加以制定，并且需要借助微控制器將采集信息轉(zhuǎn)換成控制量來完成自動控制。

對于普通的滾筒洗衣機(jī)，一般采用控制面板上的固定旋鈕控制滾筒旋轉(zhuǎn)速度、起停時間、脫水時間等功能。這種人為控制的操作，不能根據(jù)洗滌時衣物的多少以及面料質(zhì)地等情況來進(jìn)行具體的洗滌選擇。但是通過模糊控制理論，則可以實(shí)現(xiàn)滾筒洗衣機(jī)洗滌情況的自動選擇。采用模糊控制技術(shù)，在滾筒洗衣機(jī)內(nèi)部設(shè)置有微控制器和多種精確的智能傳感器，它們能模仿人類的感知能力及思維對洗衣程序進(jìn)行控制。各種傳感器相當(dāng)于人的耳、鼻、眼、皮膚等，可自動檢測判斷衣物的重量、面料、臟污程度、洗滌液溫度等，并把這些信息傳遞給CPU。CPU對收到的信息進(jìn)行綜合判斷后，自動設(shè)定最佳轉(zhuǎn)速、最佳洗滌時間和最佳水位，控制各執(zhí)行部件自動完成整個洗衣過程。采用模糊技術(shù)控制的洗衣機(jī)，用戶只要按一下觸鍵，洗衣機(jī)就能自動算出最佳注水量、水流形式、洗滌動作和洗滌時間，使洗衣節(jié)能、節(jié)時并達(dá)到最佳洗滌效果和最低的衣物磨損率。模糊控制技術(shù)的應(yīng)用使洗衣機(jī)達(dá)到了一個新的技術(shù)水平［2］。

圖3 利用虛擬樣機(jī)軟件ADAMS對滾筒洗衣機(jī)進(jìn)行仿真分析的一般步驟

5 虛擬樣機(jī)技術(shù)的運(yùn)用

虛擬樣機(jī)技術(shù)是計算機(jī)輔助工程的一個重要分支。在滾筒洗衣機(jī)的開發(fā)與設(shè)計階段，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，建立滾筒洗衣機(jī)的動力學(xué)模型，通過對建立的滾筒洗衣機(jī)的虛擬模型進(jìn)行一些參數(shù)的仿真模擬，可以避免建立實(shí)體樣機(jī)的成本，同時虛擬樣機(jī)技術(shù)可以實(shí)時地進(jìn)行產(chǎn)品性能測試，迅速地找出滾筒洗衣機(jī)的不足。本文介紹的滾筒洗衣機(jī)的一些減振方法都可以通過建立滾筒洗衣機(jī)的虛擬樣機(jī)實(shí)現(xiàn)。通過虛擬樣機(jī)模型，可以實(shí)時地修改滾筒洗衣機(jī)的結(jié)構(gòu)；通過完整的約束與載荷，可以模擬出滾筒洗衣機(jī)實(shí)際運(yùn)行時的情況，這時候通過改變懸掛系統(tǒng)的彈簧剛度與阻尼器的阻尼來觀察滾筒洗衣機(jī)振動變化，從而可以找出最優(yōu)的彈簧剛度和阻尼。包括變頻技術(shù)等一些振動優(yōu)化方法同樣可以利用虛擬樣機(jī)中的過程函數(shù)仿真實(shí)現(xiàn)。因此，虛擬樣機(jī)技術(shù)是滾筒洗衣機(jī)減振方法研究中的一個重要的途徑。

6 滾筒洗衣機(jī)減振技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與傳統(tǒng)機(jī)械減振方法在通用性方面的限制，從機(jī)電一體化的角度出發(fā)，綜合利用機(jī)械、電子、電機(jī)、人工智能及虛擬樣機(jī)等各個方面的技術(shù)進(jìn)行洗衣機(jī)減振系統(tǒng)的研究已成為一個必然的趨勢，特別是虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為滾筒洗衣機(jī)的各種減振方法的實(shí)施提供了很好的技術(shù)支持。隨著對這些技術(shù)的綜合利用與不斷創(chuàng)新，滾筒洗衣機(jī)的振動問題也會逐步得到解決，其市場占有率也會逐步增加。

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［7］ 許梁，時妍玲，李文偉.復(fù)式平衡環(huán)技術(shù)在滾筒洗衣機(jī)上的研究與應(yīng)用［C］//2011年中國家用電器技術(shù)大會，2011：242-246.

［8］ 劉慶亮.洗衣機(jī)驅(qū)動方式上的突破-直驅(qū)電機(jī)［J］.家用電器，2001（12）：22-24.