家用洗碗機振動噪聲優化設計

張薇

摘要：通過對內膽底板進行結構優化，優化后的洗碗機內膽整體振動響應優于原設計，且洗碗機噪聲由原來的52.72dB降低為38.87dB，達到了噪聲低于39dB的設計要求，提升了該產品的市場競爭力。

關鍵詞：洗碗機;振動噪聲;數值模擬;結構優化

1引言

近年來隨著人民生活水平的提高，家用洗碗機逐步得到普及，振動和噪聲成為用戶關注和選擇家用洗碗機的重要性能指標之一[1]。傳統洗碗機的減振降噪往往依靠大量的實驗進行振動噪聲的研究和產品結構的改進，不僅浪費人力物力，而且研發周期較長。隨著計算機技術的發展，借助數值仿真技術與少量試驗相結合的方法，能夠極大的提高產品的設計效率，節約研發成本，縮短研發周期[2]。為降低某款家用洗碗機的振動和噪聲，提高其市場競爭力，通過試驗與數值仿真相結合的方式，分析某洗碗機結構振動和噪聲的產生源頭，從結構共振和振動噪聲能量傳遞入手，對該洗碗機的內膽和水杯結構進行結構優化，降低洗碗機的振動和噪聲。

2洗碗機結構和工作原理

某家用洗碗機三維結構，如圖1所示。其工作原理為，水通過入水口進入洗碗機水杯，通過電熱元件對水加熱，然后洗滌泵將水杯中的水抽出，熱水流通過一個或多個噴臂高壓噴出，噴臂在水流的反作用力下旋轉，使水噴到洗碗機內部各個角落，沖洗餐具，在高溫水流和洗滌劑作用下，可有效除去餐具上的油污。最后水仍舊落入水箱，沖洗下來的渣子被網格擋住，油漬飄浮在水面上，通過排污口排出。這樣熱水可循環使用，以節約用水和能耗。

3樣機振動噪聲測試

3.1樣機噪聲測試

該洗碗機的降噪目標是將噪音控制在39dB以下，從而使該產品的噪聲達到國際領先水平。依據：《IEC60704-1：1997家用及類似用途電器發出的氣載噪聲的測試規程—通用要求》和《IEC60704-2-3：2005家用電器確定空氣噪聲的試驗方法—對洗碗機的特殊要求》，對洗碗機樣機進行噪音測試[4]，測試結果，如圖2所示。從噪音頻譜上可以看出，噪音較大處主要集中在100和200Hz附近，噪音的分貝值達到了52.72dB。為了了解洗碗機哪些結構輻射噪聲，需要測試洗碗機外殼的振動。

3.2樣機振動測試由于洗碗機箱體外殼和內膽之間有減振隔音裝置，其工作時主要從箱門一側輻射噪聲，因此振動測試主要集中在箱門一側。振動測試位置分布，如圖3所示。

樣機在正常洗滌工作狀態下，外殼振動測試結果，如圖4所示。通過外殼的振動測試，發現振源（噪音源）主要來自于洗碗機的下部，并且振動的主要頻率也是100Hz和200Hz左右。從外殼的振動測試結果表明，振動主要來源于下面的電機及泵體。而振動頻率是由于電機轉動而產生的受迫振動還是某些結構發生共振引起的，需要通過對洗碗機進行模態分析確定。通過模態分析可以了解洗碗機部件在某易受影響的頻率范圍內的各階主要模態的特性，從而可以預測結構在此頻段內，在外部或內部各種振源作用下產生的實際振動響應。

4洗碗機部件模態分析

4.1洗碗機模態分析材料參數洗碗機箱體主要結構材料有ABS塑料、PP+T20塑料、鋼材和EPDM橡膠，其材料屬性，如表1所示。

4.3內膽模態分析

洗碗機噪聲主要由電機噪聲、洗滌噪聲、流體噪聲組成，引起洗碗機噪聲的原因比較復雜，通過對內膽進行模態分析，研究噪聲產生的主要原因是否是由于內膽的共振。由于洗碗機結構較為復雜，為便于進行有限元分析，需要對洗碗機結構進行適當的簡化。由于內膽主要為薄板結構，因此內膽采用殼單元進行網格劃分，劃分后單元數為29142，用質量塊簡化托盤、碗欄組件、水杯、電機的質量，內膽與質量塊之間用梁單元連接。洗碗機內膽和有限元模型。內膽前十階模態分析結果，內膽整體各階模態頻率較小，前十階模態頻率最大為52.7Hz較100Hz小很多。因此洗碗機產生較大振動和噪聲的主要原因并不是內膽整體的共振。

4.4內膽底板模態分析

由于電機安裝在內膽底板上，因此需要關注內膽底板的共振頻率。為此，對內膽底板進行模態分析，其前十階模態頻率。由于電機的激勵頻率為100Hz，因此需要關注底板100Hz附近的頻率和模態。底板前十階固有頻率中第五階模態的固有頻率114Hz，較接近100Hz。因此，為減小電機激勵對底板共振的影響，需要對底板進行結構優化，可通過添加加強筋的方式增加底板的剛度，從而提高底板第五階模態的固有頻率。

5洗碗機結構優化設計

5.1內膽底板結構優化方案

利用Optistruct軟件通過加入加強筋的方式對內膽底板進行結構優化。在優化內膽底板時，需要綜合考慮底板的對稱性和排渣的通暢性。以底板的固有頻率為目標函數，施加對稱約束和方向約束。通過計算得到結構優化的結果，如圖4（a）所示。其中一個表示筋深度10mm，另一個表示0，中間表示（0～10）mm之間。由于這個結果很不規則，只能作為加筋的參考。

根據上面的加筋思路，結合實際，前面原來小橫筋去掉，加3條縱筋，后面原來寬筋去掉，加2條縱筋，左右各加1條橫筋，寬度均為40mm，深度5mm，優化后內膽底板布局，如圖4（b）所示。底板第五階模態優化前后對比。優化前模態（左）freq=114Hz、優化后模態（右）freq=128Hz，第五階模態固有頻率增加了14Hz，結構優化后的內膽底板的第5階模態固有頻率顯著增加，能夠有效的避免內膽底板的共振。為了解內膽底板優化后內膽整體的振動響應情況，需要對內膽整體進行諧響應分析。利用RADIOSS軟件對內膽底板優化后的內膽整體進行諧響應分析。內膽在100Hz激勵下優化前后內膽特定位置的振動響應對比曲線。從內膽整體的諧響應仿真分析結果可以看出，在幾乎所有頻率段優化設計的振動響應都是優于原始設計的。

5.2優化后樣機噪音測試

根據之前的試驗和仿真分析，通過優化內膽底板結構來避免內膽底板的共振，從而降低洗碗機的振動和噪音。對優化后的洗碗機樣機進行噪音測試，結果，如圖10所示。從圖10的樣機聲功率級曲線可以看出，優化后的樣機噪聲為38.87dB<39dB，滿足該洗碗機減振降噪的設計要求，這里所采用的洗碗機減振降噪方案是可行的。

6結論

（1）振源（噪音源）主要來自于洗碗機的下部的電機和水泵，并且振動和噪聲的主要頻率是100Hz和200Hz左右;（2）通過對洗碗機箱門進行模態分析，結果表明箱門結構的固有頻率對洗碗機的噪聲有較大的影響;（3）洗碗機產生較大振動不是由洗碗機內膽整體的共振引起的，而內膽底板的第五階模態為114Hz比較接近100Hz，內膽底板的共振對結構振動和噪聲的影響較大;（4）通過對內膽底板進行結構優化有效提高了內膽底板的第五階模態頻率，避免了內膽底板的共振;（5）通過優化洗碗機內膽底板結構，優化后樣機噪聲為38.87dB，滿足<39dB的設計要求。

參考文獻：

[1]李曾婷.洗碗機能效水效標準：門檻高，仍在討論中[J].電器，2018（06）：23.

[2]鄧雅靜.洗碗機：家電行業的下一個洗衣機？[J].電器，2018（06）：14-16.

[3]魯建國.家用洗碗機已建立較為完整的質量標準評價體系[J].家電科技，2017（10）：14.

[4]李曾婷.洗碗機能效標準已報批，2017年底有望發布[J].電器，2017（06）：28-29.

[5]徐明.洗碗機立柱支撐分析與優化設計[J].日用電器，2015（09）：61-64.

[6]盧銘娜.對智能控制在家用洗碗機UL美國市場安全認證中的思考[J].中外企業家，2015（20）：186.