無配重滾筒洗衣機的振動控制方法探討

遲宗銳， 欒厚利， 金 平

（青島海爾洗衣機有限公司， 山東 青島 266101）

0 引言

滾筒洗衣機屬于內筒繞水平軸旋轉的洗滌方式，在脫水過程中由于負載沿內筒壁的分布不可能絕對均勻，造成了一定程度的偏心， 這個偏心量是造成整機振動大的主要原因。為了解決這個問題，目前市場上所有滾筒洗衣機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，作用就是增大整個內外筒部件的重量， 使整機脫水時在存在一定偏心量的情況下，減小整機的振動幅度。但這種方法也存在很大的缺陷：①整機重量增大，造成運輸或搬運不便；②配重的存在使洗滌內外筒的空間變小，即洗滌容量減少。 為增大洗滌容量，減小整機重量，我們需要研究一款去掉配重的滾筒洗衣機，難題在于去掉配重后，整機的振動會加大。

本文的研究內容是去掉配重后， 如何在增大洗滌容量、 減小整機重量的前提下保證整機振動達到洗衣機國家標準GB/T 4288-2008《家用和類似用途電動洗衣機》[1]，滿足消費者在振動性能方面的使用需求。

本文以無配重滾筒洗衣機為分析對象， 根據洗衣機振動產生原理，建立數字化幾何模型，采用有限元解析法對無配重滾筒洗衣機振動情況進行模擬分析， 并提出了在外筒前部兩個減震器之間增加一個橫向減震器的解決方案，有效地降低了無配重滾筒洗衣機的振動。

1 無配重滾筒洗衣機振動分析

1.1 滾筒洗衣機振動分析原理

普通滾筒洗衣機由掛簧和減震器組成， 在實際進行振動分析、 參數識別時一般需要把結構離散為有限個自由度的離散振動系統。 在物理坐標下其運動方程為[2]：

在進行振動分析時， 可以分析為內外筒部件在脫水過程中的加速度變化造成的振動力。 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力。從式中可以看出，減震器和掛（壓）簧的不同組合可以評價出較好的減震系統。

關于減震器和掛（壓）簧的組合，前期的專家和學者做了很多的研究， 一般是通過3D 模型的動力學分析，建立滾筒洗衣機的矩陣表達式振動方程， 得到動態和靜態的最佳振動特性，從而確定減震器和掛（壓）簧的最佳規格，指導技術人員設計最佳的整機振動系統[3]。

1.2 建立無配重滾筒洗衣機幾何模型

無配重滾筒洗衣機是滾筒洗衣機一種新的技術（目前市場上還未出現此類產品），本文在進行動態分析時，建立如圖1 所示模型。

為保證滾筒洗衣機在用戶使用過程中不出現脫水時振動方面的問題，根據以往實驗結果，必須滿足在1kg 偏心負載的情況下，整機能夠順利脫水到轉速800rpm 以上，期間無外筒撞殼體或整機移位的問題。

圖1 無配重滾筒洗衣機的動態分析模型Fig.1 Dynamic analysis model of drum washing machine without balance weight

1.3 無配重滾筒洗衣機內外桶部件振動解析結果分析

振動解析條件：偏心塊質量為1kg，位置位于內筒的前側，因為通過實驗驗證， 1kg 偏心塊放置在內筒前端對整機振動的影響遠遠大于放置在內筒后端的影響， 只要保證1Kg 偏心塊放置在內筒前端時振動性能達標， 那么偏心塊放置在內筒后端的振動性能就沒有問題。 所以本文只對偏心塊放置在內筒前端的情況下進行解析， 結果振動曲線如圖2 所示。

圖2 方案振動解析結果Fig.2 Vibration analysis results of scheme

從圖中可以看出，在20s～35s 的時間區間內發生共振現象。偏心塊1kg 放在內筒前端時外筒在水平方向的振幅中心是278mm，共振時最大振幅為330mm，外筒的最大偏移量為52mm， 大大超過外筒與殼體之間的設計間隙15mm，這樣會發生外筒撞殼體現象，并會出現整機移位。

1.4 無配重滾筒洗衣機外筒模塊幾何模型優化

從圖2 中的振動解析結果可以看出，機器在20s～35s之間的振動主要表現為水平方向的振幅超過外筒與箱體間的間隙，出現撞筒問題。

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

圖3 橫向減振器安裝結構示意圖Fig.3 Installation structure of transverse shock absorber

1.5 無配重滾筒洗衣機減震系統優化后內外筒部件振動結果分析

為了驗證上述方案的效果， 我們制作了如圖3 所示的減振系統及樣機，根據不同參數模型的振動解析結果，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。 由于受整機空間限制，本文采用DOE 實驗設計中的兩水平因子進行設計，并根據滾筒洗衣機實際結構情況進行優化，確定L（Linkage Length）=129mm 和D（Linkage Distance）=72mm。 接著對該模型進行了振動解析分析，為了更清楚的看出其效果，我們對其振動分析與圖2做了對比。 與之前的結果相比，機器在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明顯的波動峰， 外筒的最大水平偏移量為13mm，小于外筒與殼體之間的設計間隙15mm，不會發生外筒撞殼體的現象， 表明增加橫向減震器可以解決無配重滾筒洗衣機所存在的外筒撞殼體問題。

2 振動測試

為了驗證整機減振效果， 我們制作了樣機并按照國家標準GB/T 4288-2008《家用和類似用途電動洗衣機》進行了振動測試，測試結果如下：

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

（2）帶橫向減震器的洗衣機最大振幅為0.22mm，不帶橫向減震器的洗衣機最大振幅為0.48mm。 不帶橫向減震器的洗衣機實驗中發生了內外筒部件撞右側面的噪音問題，在振動性能方面屬于不合格問題。

通過整機實驗測試， 我們分析了殼體側面不同位置在水平方向的振動測試數據和曲線， 說明了帶橫向減震器的整機減振方式的有效性。

3 結束語

本文以無配重滾筒洗衣機為分析對象， 根據洗衣機振動產生原理，建立數字化幾何模型，采用有限元解析法對無配重滾筒洗衣機振動情況進行模擬分析。 分析結果顯示機器在20s～35s 區間在水平方向上出現較大振動，會出現外筒撞殼體的問題。 本文提出了在外筒前部兩個減震器之間增加一個橫向減震器的解決方案， 有效地抑制了無配重滾筒洗衣機在水平方向上的振動。