多士爐緩沖降噪技術研究

陸 鵬 袁 超 張 艷

（博西華電器（江蘇）有限公司 南京 210046）

引言

隨著人們對高品質(zhì)生活的不斷追求，操作方便，價格便宜，安全可靠已經(jīng)成為用戶對多士爐的最基本的要求。多士爐運行中面包的彈出是否穩(wěn)定安全且沒有異常噪音，很大程度上影響著用戶對多士爐的體驗。隨著人們對電器操作性能及安全性能的要求提高，為了在結(jié)束烘烤后，面包自動彈出便于拿取并防止燙傷，這就要求多士爐能夠自動彈出面包，并且達到恰當?shù)母叨炔伙w出腔體且無特殊噪音[1]。同時考慮到多種使用或安全要求，對多士爐的結(jié)構(gòu)設計有較高的要求，為了有效的降低其成本同時保證高效安全的滿足用戶需求成了各個家電廠商的追求。

1 現(xiàn)有技術分析

多士爐的控制方式常見的有彈跳式和電機控制兩種方式[2]，目前多數(shù)產(chǎn)品為彈跳式多士爐，這種多士爐有操作方便，造價低的特點。由于彈跳式多采用拉深彈簧復位，為了防止面包在烤完彈出時飛出爐膽，同時考慮到多種使用或安全要求，對緩沖機構(gòu)有較高的要求。目前實現(xiàn)彈跳式多士爐的緩沖，一般有金屬彈簧來實現(xiàn)緩沖和自動彈出功能。

為了讓用戶在使用過程中有安全及良好的操作體驗，通常有以下幾點要求：面包彈出時不能飛出爐膽防止燙傷（簡稱面包不飛包要求）；烘烤完成常規(guī)尺寸（長×寬×厚=a×b×c）的面包后，面包彈出高度需要超出爐身一段距離（h0）以方便抓取（簡稱面包彈出高度要求）。

1.1 結(jié)構(gòu)組成

多士爐的彈簧緩沖機構(gòu)最常見的有拉伸彈簧、導軸、壓縮彈簧、緩沖板、提手架、壓條座、磁吸片組件、推條等組成。常見結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 彈簧緩沖機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

1.2 動作過程分析

彈簧式緩沖機構(gòu)的動作過程如下：按下推條提手，提手上連接的磁吸片組件下壓電磁鐵上的觸點開關，電磁鐵通電吸合，此時發(fā)熱絲開始工作，工作結(jié)束后電磁鐵斷電脫開，拉伸彈簧拉動面包及緩沖機構(gòu)（推條座、提手、磁吸組件、壓條座等）上升，運動到頂部時使得壓縮彈簧壓縮緩沖，防止面包飛出，靜止后拉伸彈簧和壓縮彈簧保持面包高出爐頂，工作完成。

2 多士爐緩沖降噪技術研究

2.1 彈簧緩沖機構(gòu)理論模型的探討

多士爐完成烘烤后，釋放電磁鐵的運動過程可視為拉伸彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)換成動能及勢能的過程。而結(jié)束加熱后，面包被彈出，面包與緩沖機構(gòu)達到力平衡狀態(tài)。具體分析如下：

2.1.1 理論模型

按壓提手使電磁鐵吸合后，緩沖機構(gòu)主要儲存的能量來自于拉伸彈簧的彈性勢能。電磁鐵釋放后，拉伸彈簧帶動機構(gòu)及面包上升，拉伸彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)換為面包和機構(gòu)的重力勢能、機構(gòu)的動能以及運動過程中損失的內(nèi)能。完成加熱后，提升機構(gòu)（包含面包）的力平衡。

2.1.2 理論模型計算的初步探討

以我司某型號的緩沖結(jié)構(gòu)為例，進行理論分析，運動過程的簡化原理圖形如圖2、圖3。

1）面包不飛包要求的物理模型

烘烤結(jié)束面包彈出時，面包不能飛出爐膽可理解為面包飛出時，重心不能超出爐膽頂部。進一步的，即為面包離開推條向上飛前的一瞬間，面包剩余的動能應小于面包重心飛過爐膽頂部所需克復的重力勢能，結(jié)合圖2、圖3推導出公式如下：

圖2 按下提手時的結(jié)構(gòu)簡圖

圖3 面包離開推條前瞬間結(jié)構(gòu)簡圖

式中:

Ea—面包離開推條前的瞬間面包的剩余動能；

Ua—彈簧在拉伸到圖1位置時具備的勢能；

Ub—圖3中拉伸彈簧的勢能；

Uc—壓縮彈簧在圖3位置的能量；

M—提升部分（包含面包）的質(zhì)量；

Δh1—面包離開推條前提升機構(gòu)上升的高度，由圖2、圖3可知Δh1=ha-hb；

Ek—系統(tǒng)的能量損失（包含摩擦力的影響）；

m—面包的質(zhì)量；

ha—按下提手后面包重心距離推條的深度；

hb—面包離開推條前的一瞬間重心距離爐膽頂部的距離。

彈簧的勢能計算[3]。拉伸、壓縮彈簧的特性線呈直線的，其剛度系數(shù)為常數(shù)，拉伸過程中彈簧所吸收的能量稱為變形能。彈簧的勢能為:

式中：

U—彈性勢能；

F—彈簧的拉力；

x—彈簧的拉伸量。

拉伸彈簧在圖2位置時的勢能公式為：

式中：

ka—彈性系數(shù)；

la—拉簧的拉伸長度。

根據(jù)圖2，la=l1-la0，la0表示拉伸彈簧的初始長度。

拉伸彈簧在圖3位置時的勢能公式為：

式中：

ka—彈性系數(shù)；

lb—拉簧的拉伸長度。

根據(jù)圖3，lb=l2-la0,la0為拉簧的原長。

壓縮彈簧在圖3位置時的彈性勢能為：

式中：

kb—彈性系數(shù)；

lc—壓簧的收縮長度。

根據(jù)圖3，lc=lb0-l3，lb0為壓簧的原長。

2）面包彈出高度要求的物理模型

面包的彈出高度實際上可以近似視為面包在靜止狀態(tài)下，露出爐身頂部的高度，及拉伸彈簧的拉力等于面包及提升機構(gòu)的重力與壓縮彈簧的力平衡，原理簡圖如下：

因此，根據(jù)圖4，推導公式為：

式中：

Fa1—彈簧在圖4狀態(tài)下的拉力；

M—提升機構(gòu)（包括面包）的總重力；

l4—圖4狀態(tài)下彈簧拉伸長度；

l5—圖4狀態(tài)壓簧的長度；

圖4 面包彈出靜止狀態(tài)簡圖

a—標準面包高度；

h0—要求的面包超出爐頂部的高度值。

因此在這種彈簧式緩沖結(jié)構(gòu)中，設計時可參考上述公式進行計算，從而確定各部件的設計及彈簧參數(shù)的計算[2]。

2.2 緩沖降噪優(yōu)化方案

在彈跳式多士爐的設計中，利用硅膠件的彈性進行緩沖也是較好的方法。

2.2.1 緩沖降噪優(yōu)化方案設計

硅膠緩沖機構(gòu)的機構(gòu)組成與兩板式的基本結(jié)構(gòu)類似，只是取消了壓縮彈簧，在緩沖板上設計凸臺，上升的過程中使得緩沖板上的凸臺與嵌在側(cè)板的硅膠部件接觸，通過硅膠部件吸收能量來進行緩沖。硅膠緩沖機構(gòu)通常有側(cè)板（帶有凸臺）、拉伸彈簧、導軸、緩沖板、硅膠緩沖件、提手架、壓條座、磁吸片組件、推條等組成。常見結(jié)構(gòu)圖如圖5。

圖5 硅膠緩沖機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 動作過程分析

硅膠式緩沖機構(gòu)與彈簧式緩沖機構(gòu)的動作過程基本一致，不同的是，提升部件在運動到頂部時硅膠緩沖部件與側(cè)板上的凸臺接觸，硅膠緩沖部件發(fā)生變形吸收能量，防止面包飛出。靜止后拉伸彈簧保持面包高出爐頂，工作完成。

2.2.3 硅膠緩沖機構(gòu)理論模型的探討

相似的，整個運動過程中，釋放電磁鐵后拉伸彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)換成動能及勢能，與彈簧式緩沖機構(gòu)不同的是，緩沖板與硅膠緩沖件的接觸直接減少了系統(tǒng)的能量，達到緩沖的效果。最終靜止時，整個系統(tǒng)處在力平衡狀態(tài)，硅膠緩沖機構(gòu)不對系統(tǒng)作用。具體分析如下：

2.2.4 理論模型

與彈簧式緩沖機構(gòu)相同，按壓提手使電磁鐵吸合后，緩沖機構(gòu)主要儲存的能量來自于拉伸彈簧的彈性勢能。電磁鐵釋放后，拉伸彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)換為面包和推條等零件的重力勢能、系統(tǒng)的動能、硅膠緩沖部件的緩沖變形能以及運動過程中損失的內(nèi)能。加熱完成后，提升部分（包含面包）處在力平衡狀態(tài)。

2.2.5 模型計算的初步探討

運動過程的簡化原理圖形如圖6、圖7。

1）面包不飛包要求的物理模型

與彈簧緩沖機構(gòu)類似的，面包不飛包要求實際上是面包剩余的動能應小于面包重心飛過爐膽頂部所需克復的重力勢能，結(jié)合圖6、圖7推導公式如下：

圖6 按下提手時的結(jié)構(gòu)簡圖

圖7 面包離開推條前瞬間結(jié)構(gòu)簡圖

式中：

Eb—面包離開推條前的瞬間的動能；

Ud—拉簧儲中的能量；

Ue—拉伸彈簧到圖7位置時剩余的能量；

Uf—硅膠部件吸收的能量；

M—提升機構(gòu)（包含面包）的總質(zhì)量；

Δh2—面包離開推條前提升機構(gòu)上升的高度，由圖6、圖7可知Δh2=hc-hd；

Ek—系統(tǒng)運動過程中消耗的內(nèi)能；

m—面包的質(zhì)量；

hd—面包離開推條前的一瞬間重心距離爐膽頂部的距離。

彈性勢能的計算。根據(jù)公式（2）并結(jié)合圖6，推導出拉伸彈簧彈性勢能為：

式中：

kf—拉簧的彈性系數(shù)；

ld—彈簧拉伸量，結(jié)合圖6可知ld=l6-lc0，lc0為拉伸彈簧的初始長度。

根據(jù)公式（2）并結(jié)合圖（7），推導出拉伸彈簧在圖（7）狀態(tài)下剩余彈性是能為：

式中：

le—彈簧拉伸量，結(jié)合圖7可知le=l7-lc0。

硅膠形變能的計算[4]。由于硅膠形變能理論計算較為復雜，一般可通過有限元仿真的方法得到硅膠形變的能量[5]，在此不做展開。

2）面包彈出高度要求的物理模型

面包的彈出高度實際上可以近似視為面包在靜止狀態(tài)下，露出爐身頂部的高度。由于此時硅膠緩沖部件已經(jīng)不對提升系統(tǒng)起作用，實際即為拉伸彈簧的拉力等于面包及提升機構(gòu)的重力的力平衡狀態(tài)下，面包凸出爐膽的高度，原理簡圖如圖9。

圖9 面包彈出靜止狀態(tài)簡圖

結(jié)合圖（9），推導出公式為：

圖8 有限元仿真計算示例

式中：

l8—靜止狀態(tài)下，拉伸彈簧的伸長量。

在這種硅膠式緩沖結(jié)構(gòu)中，設計時可參考上述公式進行設計計算，從而初步確定各部件的設計參數(shù)。其中可以通過有限元分析軟件仿真得出硅膠緩沖部件吸收的能量。

3 結(jié)論

在多士爐的設計中，緩沖機構(gòu)的合理設計，對操作體驗和安全性能起著至關重要的作用。通過在我司多士爐產(chǎn)品上的驗證，可以看出優(yōu)化方案可以有效降低彈出高度的穩(wěn)定性且避免異響。探討了彈跳式多士爐常用緩沖機構(gòu)的物理模型，并進行了理論分析和模型建立。通過該系統(tǒng)模型總結(jié)了設計方法,為結(jié)構(gòu)設計人員提供了設計經(jīng)驗，避免了在傳統(tǒng)設計中常出現(xiàn)的設計缺陷，大幅度的提高了設計成功率。