雙環道液體平衡環減振性能研究*

劉培坤，劉培源，張悅刊，楊興華，王 紅

(山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590)

0 引 言

波輪洗衣機在高速脫水過程中，脫水桶內分布不均勻的衣物在隨脫水桶旋轉過程中產生巨大的離心力，導致懸掛系統劇烈的偏心振動，懸掛系統偏心過大會撞擊洗衣機箱體，降低洗衣機的使用壽命。液體平衡環是降低波輪洗衣機懸掛系統偏心振動的重要部件[1-3]，具有結構簡單、減振性能好、無需人工操作等優點。

林浩等[4]利用Adams多體動力學仿真軟件對波輪洗衣機脫水階段的動態特性進行了仿真，合理解釋了液體平衡環的作用機理；劉家峰[5]研究了帶球體平衡環的滾筒洗衣機，得出球體平衡環對滾桶洗衣機主要的振動自由度可起到明顯的振動抑制作用；JUNG C H等[6-7]應用CFD方法對液體平衡環進行三維數值模擬，研究了平衡環結構參數對其流動特性的影響，但對于凸筋形狀對其流動特性的影響并未深入研究；劉蕙源等[8]對平衡環偏心旋轉離心力的現有理論計算模型進行了優化，并利用CFD方法驗證了其合理性和有效性。

本文將設計一種雙環道液體平衡環，然后進行試驗研究。

1 液體平衡環結構及工作原理

1.1 液體平衡環的結構

液體平衡環外觀為圓環結構，內部配有隔板、凸筋結構和鹽水溶液，隔板將液體平衡環內部劃分為若干環道，凸筋將平衡環環道分隔成若干腔室，合理的凸筋結構有利于控制脫水啟動階段環內液體的晃動，提高液體平衡環的穩定性。環道數量、凸筋的結構和數量與容積比(鹽水溶液體積與平衡環腔體容積的比值)對液體平衡環的減振性能和使用壽命影響較大。與傳統液體平衡環的結構相比，雙環道液體平衡環的環道數量由單環道變為雙環道(環道總寬度不變)；凸筋數量由20片減至12片，凸筋結構將A、C組合結構改為B結構；容積比由50%增至55%。

兩種液體平衡環結構如圖1所示。

1.2 工作原理

平衡環在洗衣機脫水過程中隨脫水桶一起轉動。在脫水過程中，偏心衣物U隨脫水桶高速旋轉過程中會產生巨大的離心力Fu，而平衡環腔內的液體會自動流向與偏心衣物相對的一側，液體質心C會產生與Fu方向相反的離心力F來抑制偏心產生的離心力Fu，實現自動糾偏。

脫水過程中液體平衡環的作用力模型如圖2所示。

平衡環內部流體質心C提供的離心力F可表示為：

F=m(e+c)ω2

(1)

式中：m—平衡環內部液體提供的離心力；e—偏心距；c—液體等效質心C偏離幾何形心S的距離；ω—穩態轉速。

2 液體平衡環的數值模擬

2.1 幾何模型和網格劃分

本研究利用Solidworks軟件建立傳統液體平衡環和雙環道液體平衡環內部流場的三維模型，外壁直徑為460 mm、內壁直徑386 mm、高度為88 mm。將模型導入ICEM網格劃分軟件，采用網格尺寸為6 mm的六面體結構網格單元對其進行網格劃分，如圖3所示。

圖3 液體平衡環計算域網格劃分

傳統液體平衡環的網格單元數量共計85 381，雙環道液體平衡環的網格單元數量共計85 697。

以傳統液體平衡環為例，不同網格尺寸下平衡環提供的離心力曲線如圖4所示。

圖4 不同網格尺寸下平衡環提供的離心力曲線(e=0.004 m)

由圖4可知：當網格尺寸在3 mm～6 mm之間時，離心力數值波動很小，但網格數量顯著增加，造成計算時間增加和難度加大，綜合考慮，筆者選取網格尺寸為6 mm作為標準尺寸數值。

2.2 邊界條件及求解器設置

為對比分析兩種液體平衡環的減振性能，本研究采用Fluent 14.5對其進行氣—液兩相模擬計算。選用VOF多相流模型追蹤自由液面，VOF模型基本相為空氣，密度為1.225 kg/m3，粘度為0.000 01 Pa·s。第二相為水，溫度為常溫，密度為998.2 kg/m3，粘度為0.001 Pa·s。加載UDF源項，定義偏心距為X軸負方向。欠松弛因子為0.001。求解器采用基于壓力隱式瞬態三維求解器，壓力與速度的耦合方式為PISO，壁面邊界條件設置壁面無滑移條件。

加載UDF源項是指平衡環內部流體的流動遵循非慣性坐標系下的動量定律，模擬偏心負載引起的偏心距，更加貼合波輪洗衣機運行過程中液體平衡環的實際運動。

3 模擬結果分析

3.1 離心力對比

液體平衡環提供的離心力是衡量其減振性能的重要指標。

兩種液體平衡環的離心力曲線如圖5所示。

圖5 兩種液體平衡環提供的離心力曲線

由圖5可以看出：兩種液體平衡環的離心力曲線在啟動階段均未出現上下波動，即兩種液體平衡環均可以穩定運行；兩種液體平衡環從啟動階段到達穩定階段所用時間相同，均在10 s左右達到穩定，即兩種液體平衡環均可以及時抑制懸掛系統的偏心振動；兩種液體平衡環在不同偏心距條件下提供的離心力變化趨勢相同，離心力隨偏心距的增加而增大，即液體平衡環減振性能隨偏心距增加而提高；在偏心距相同(偏心產生的離心力Fu相同)時，雙環道液體平衡環提供的離心力明顯大于傳統液體平衡環，即雙環道液體平衡環的減振性能優于傳統液體平衡環。

3.2 靜壓分布對比

液體平衡環內部液體對壁面壓力場分布是衡量液體平衡環壽命的重要參數。

兩種液體平衡環內部流場的壓力云圖如圖6所示。

圖6 兩種液體平衡環壓力云圖(e=0.004 m)

由圖6可以看出：兩種液體平衡環內部流場的最大壓力均集中分布在X軸正方向的外壁處，這是由于偏心設置分布在X軸負方向，洗衣機在脫水過程中，平衡環內部液體會向偏心位置的對面方向流動聚集，實現自動糾偏，與液體平衡環工作原理相呼應；雙環道液體平衡環內部液體對器壁的壓力明顯小于傳統液體平衡環，而平衡環內部液體對壁面壓力過大會降低其使用壽命，故雙環道液體平衡環有助于提高其使用壽命。

4 試驗研究

波輪洗衣機的懸掛系統多體動力學測試平臺如圖7所示。

圖7 懸掛系統多體動力學測試平臺

本研究將波輪洗衣機的盛水桶外表面A、B、C、D4點設置為位移測試點，通過傳感器將洗衣機脫水時4個測試點的X方向、Y方向和Z方向的位移傳給計算機進行試驗數據分析，4個測試點與箱體外殼距離最近的位移方向分別是Ax、Bx、Cy、Dy(定義：Ax—測試點A在X方向的位移)。

試驗工況分兩種：T1000g(將1 000 g偏載塊固結于脫水桶內壁頂部位置)和B2000g(2 000 g偏載塊固結于脫水桶內壁底部位置)，如圖8所示。

圖8 試驗工況示意圖

本研究分別對搭載兩種液體平衡環的洗衣機懸掛系統進行偏心振動測試，試驗數據如表1所示。

表1 波輪洗衣機懸掛系統位移測試數據表

由表1可以看出：

(1)兩種工況的測試位移對比。在T1000g工況條件下的洗衣機懸掛系統在水平方向(X、Y方向)位移明顯大于在B2000g工況時的位移，以測試點位移Bx為例，T1000g工況時搭載傳統液體平衡環的懸掛系統位移為22 mm，而其在B2000g工況時的位移為11.33 mm，T1000g工況條件下搭載雙環道液體平衡環的懸掛系統位移是17.67 mm，而其在B2000g工況時的位移為11.17 mm，故與B2000g工況相比，T1000g工況時懸掛系統偏心振動更劇烈，其發生筒體撞擊箱體外殼的概率更大；

(2)兩種懸掛系統的測試位移對比。以T1000g工況為例，搭載雙環道液體平衡環的懸掛系統在水平方向位移顯著減小，搭載傳統液體平衡環的懸掛系統在測試點Cy位移為23 mm，而搭載雙環道液體平衡環的懸掛系統位移為18.17 mm，懸掛系統在水平方向的偏心位移最大降低了21%，即雙環道液體平衡環減振性能優于傳統液體平衡環，波輪洗衣機懸掛系統偏心過大的現象得到了明顯改善。

5 結束語

本研究對雙環道液體平衡環和傳統液體平衡環的減振性能進行了仿真模擬及試驗研究。兩種模型模擬結果對比顯示：雙環道液體平衡環提供的離心力增大明顯，在洗衣機脫水過程中雙環道液體平衡環抵抗筒體偏心振動的性能增強，從而減小了筒體在水平方向的位移；同時，雙環道平衡環內部液體在脫水過程中對內壁面的壓力變小，從而提高了液體平衡環的使用壽命。

懸掛系統對比試驗結果表明：搭載雙環道液體平衡環的懸掛系統在水平方向的位移降低顯著，從而驗證了模擬結果的準確性，避免了懸掛系統偏心過大造成的筒體撞箱現象的發生，脫水過程中的噪音問題也隨之得到改善。

參考文獻(References):

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[4] 林 浩，張秋菊，陳海衛.基于Adams的頂裝式波輪洗衣機平衡環的研究與仿真[J].機電一體化，2008(5):80-82.

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[7] JUNG C H, KIM C S， CHOI Y H. A computational study on the flow characteristics of a self-compensating liquid balancer[J].JournalofMechanicalScienceandTechnology，2011，25(6):1465-1474.

[8] 劉蕙源，楊一帆，陳 碩，等.洗衣機液體平衡環偏心旋轉研究[J].力學季刊，2015，36(3):427-433.