滾筒洗衣機減振技術(shù)的發(fā)展

劉家峰， 吉衛(wèi)喜

（江南大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇無錫214122）

1 引言

近年來，滾筒式洗衣機由于洗凈比高，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者歡迎。但是滾筒洗衣機脫水甩干時的振動問題已成為制約其發(fā)展的一個嚴重障礙。找到滾筒洗衣機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 滾筒洗衣機的振動原因及影響

根據(jù)洗衣機的結(jié)構(gòu)以及運動方式等特點，首先對滾筒洗衣機的振動原因進行了分析。滾筒洗衣機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)運動，考慮到重力加速度的疊加因素，會給滾筒洗衣機帶來振動問題［1］。

滾筒洗衣機通常采用電機作為動力源，電機在工作運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的振動，變成滾筒洗衣機的一個振源，通過洗衣機支撐系統(tǒng)的傳遞作用，使?jié)L筒洗衣機的外殼產(chǎn)生振動，而且電機通過皮帶輪、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，引起洗衣機的振動［2－3］。

滾筒洗衣機的內(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，引起洗衣機的振動。而且洗衣機在脫水運行時，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)，滾筒洗衣機滾筒通常都具有較高的轉(zhuǎn)速，此時，在偏心負載的作用下，滾筒洗衣機的振動將更加劇烈。

滾筒洗衣機的振動會產(chǎn)生強烈的噪音，影響其各個元器件和整機的使用壽命，而且嚴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工程學(xué)要求相矛盾。因此，能否有效地控制洗衣機的振動已經(jīng)成為滾筒洗衣機能否進一步發(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的研究熱點。

3 傳統(tǒng)的滾筒洗衣機的減振方法

傳統(tǒng)的滾筒洗衣機主要是從優(yōu)化洗衣機的結(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的振動。

3.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)

在洗衣機的設(shè)計過程中，要注意洗衣機整體結(jié)構(gòu)的合理性，盡量使?jié)L筒洗衣機的質(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，然后針對性地改進洗衣機的結(jié)構(gòu)和布局，最大限度地減弱振動的影響。在不影響整機強度的前提下，選用低剛度材料，盡量減小洗衣機的整體剛度，以此降低整體的固有頻率，達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上，外筒上的每一個質(zhì)點將做圓周運動的平動，從而達到減小滾筒洗衣機振動的目的；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］。

事實上現(xiàn)有滾筒洗衣機的減振方法并不能從根本上解決振動問題，或是解決了洗衣機的振動問題，但是為了減小振動，導(dǎo)致洗衣機的配重越來越大，已經(jīng)占到了整個滾筒洗衣機重量的一半，以至于滾筒洗衣機的重量是普通的波輪洗衣機的兩倍，不僅使成本增加，還帶來了諸如運輸之類的問題。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)的滾筒洗衣機的減振系統(tǒng)

4 新型實用減振方法

由于傳統(tǒng)的滾筒洗衣機減振不好，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)裝在洗衣機的旋轉(zhuǎn)部件-內(nèi)筒上，運用平衡環(huán)減小內(nèi)筒衣物引起的的偏心，從而達到減小滾筒旋轉(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，使得洗衣機整體重量大大減輕。平衡環(huán)還可以動態(tài)補償洗衣機運轉(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，滿足消費者對大容量滾筒洗衣機的需求［7］。隨著被動平衡技術(shù)在滾筒洗衣機上的不斷應(yīng)用，帶有平衡環(huán)的滾筒洗衣機終將會實現(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

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

滾筒洗衣機一般都是使用單向交流異步電機，電機一般通過帶傳動、行星減速器以及蝸輪蝸桿和曲柄連桿機構(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，也是引起洗衣機振動的主要原因。此外，單向交流異步電機單位體積功率偏小、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)有的電機技術(shù)，采用力矩和功率較大的直驅(qū)電機，使電機的輸出軸直接與洗滌軸相連接，去掉電機與洗滌軸之間的傳動機構(gòu)，可以很好地減小洗衣機的振動［8］。

雖然采用直驅(qū)電機可以很好地減小洗衣機的振動與噪聲等問題，但是由于洗衣機在洗滌時要求電機轉(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特性，對電機的性能要求非常高，因此高性能的電機技術(shù)的研發(fā)成為發(fā)展?jié)L筒洗衣機減振技術(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)改進滾筒洗衣機的振動特性是一個非常好的方法。利用變頻技術(shù)，實時監(jiān)測洗衣機的運轉(zhuǎn)情況，根據(jù)得到的反饋信號及時的調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速與功率，使電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)較大范圍的調(diào)整，滿足洗衣機在洗滌、漂洗、高速脫水等工作狀態(tài)下對速度的要求。滾筒洗衣機采用變頻技術(shù)不僅能有效控制電機轉(zhuǎn)速，還能簡化洗衣機結(jié)構(gòu)，提高整機的控制性能和操作性能，減小整體的振動特性。

滾筒洗衣機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?。?］。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，雖然理論上的升速率很高，但由于電機本身的驅(qū)動特性限制，內(nèi)筒的實際轉(zhuǎn)速一般都小于電機轉(zhuǎn)速，此外，如果速度提升過快，當(dāng)達到預(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驗綜合確定各種負載狀況下，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，在考慮電機特性情況下，計算出各種負載下電機通過共振區(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)，編寫電機升速控制程序。在實際使用中，需要運用載荷識別技術(shù)，確定洗衣機每次洗衣的實際負載量。

同時，在洗衣機的脫水運轉(zhuǎn)過程當(dāng)中，利用變頻技術(shù)，可以實時地檢測洗衣機的脫水運轉(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的控制系統(tǒng)，及時地調(diào)整洗衣機的脫水轉(zhuǎn)速，以達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中的運用

隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，針對滾筒洗衣機的振動系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性振動系統(tǒng)的特點，模糊控制逐漸在滾筒洗衣機驅(qū)動控制算法中得到運用，提高了滾筒洗衣機的智能化與可靠性。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)驗或者進行大量的實驗來加以制定，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，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)地等情況來進行具體的洗滌選擇。但是通過模糊控制理論，則可以實現(xiàn)滾筒洗衣機洗滌情況的自動選擇。采用模糊控制技術(shù)，在滾筒洗衣機內(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，用戶只要按一下觸鍵，洗衣機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)用使洗衣機達到了一個新的技術(shù)水平［2］。

圖3 利用虛擬樣機軟件ADAMS對滾筒洗衣機進行仿真分析的一般步驟

5 虛擬樣機技術(shù)的運用

虛擬樣機技術(shù)是計算機輔助工程的一個重要分支。在滾筒洗衣機的開發(fā)與設(shè)計階段，利用虛擬樣機技術(shù)，建立滾筒洗衣機的動力學(xué)模型，通過對建立的滾筒洗衣機的虛擬模型進行一些參數(shù)的仿真模擬，可以避免建立實體樣機的成本，同時虛擬樣機技術(shù)可以實時地進行產(chǎn)品性能測試，迅速地找出滾筒洗衣機的不足。本文介紹的滾筒洗衣機的一些減振方法都可以通過建立滾筒洗衣機的虛擬樣機實現(xiàn)。通過虛擬樣機模型，可以實時地修改滾筒洗衣機的結(jié)構(gòu)；通過完整的約束與載荷，可以模擬出滾筒洗衣機實際運行時的情況，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中的過程函數(shù)仿真實現(xiàn)。因此，虛擬樣機技術(shù)是滾筒洗衣機減振方法研究中的一個重要的途徑。

6 滾筒洗衣機減振技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與傳統(tǒng)機械減振方法在通用性方面的限制，從機電一體化的角度出發(fā)，綜合利用機械、電子、電機、人工智能及虛擬樣機等各個方面的技術(shù)進行洗衣機減振系統(tǒng)的研究已成為一個必然的趨勢，特別是虛擬樣機技術(shù)的發(fā)展，為滾筒洗衣機的各種減振方法的實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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