滾筒洗衣機的平衡環減震控制方法

遲宗銳 秦 娜

（青島海爾洗衣機有限公司，山東 青島 266101）

0 前言

目前滾筒洗衣機用戶的最大問題是振動大，噪聲大。滾筒洗衣機在脫水時，滾筒內的衣物會分布不均勻，運轉時產生很大的振動。如果不進行及時修正，滾筒轉速越高，振動就會越強烈。該文探討了滾筒洗衣機脫水時的減震控制方法，以解決用戶使用時出現的振動大和噪聲大的問題。

1 滾筒洗衣機振動來源分析

普通滾筒洗衣機整機結構如圖1 所示。

圖1 普通滾筒洗衣機整機減震結構簡圖

偏心負載離心力的方程，如公式（1） 所示。

式中：F為偏心負載離心力；mu為偏心負載質量；r為 內筒半徑；ω為內筒旋轉的角速度。

由公式（1）可以看出，在偏心負載mu相同的條件下，內筒直徑r越大，或者轉速ω越大，產生的離心力F越大，最終造成洗衣機內外筒振動越大。

根據國家標準GB/T 4288—2018《家用和類似用途電動洗衣機》[1]，關于振動性能（第5.9 條）的規定：洗衣機機箱前、后、左、右各側面中央部位的振幅，額定洗滌容量為5 kg 及5 kg 以下應不大于0.6 mm；額定洗滌容量在5 kg 以上應不大于0.8 mm。洗衣機必須達到上述標準，這是消費者的基本使用要求。

關于降低滾筒洗衣機振動的方法，相關資料顯示，目前國內外學者是通過2 個方面進行研究的：一部分學者通過動力學研究，采用增加配重的方式來減小振動，或者借助液體平衡環的自平衡作用來減小振動[2-3]；另一部分學者通過研究電機驅動技術、傳感器感知和控制技術、綜合變頻控制技術來實現對整機的振動控制[4]。該文研究的是通過液體平衡環的自平衡作用來減小振動。

1 平衡環的工作原理研究

目前洗衣機中平衡環一般采用被動平衡機構，被動平衡機構源于圓盤轉子的自動定心現象。早在1985 年，圓盤轉子自動定心現象由Foiles 在推導圓盤轉子無阻尼振動方程并加以求解的過程中發現，即在遠高于臨界轉速的情況下，轉子會圍繞其質心旋轉[5]。

設定e為系統偏心距，u為轉子質心相對幾何形心的距離，k為彈簧形變系數；c為阻尼系數；m為系統質量；ω為旋轉角速度，ωn為系統固有頻率，ξ為系統阻尼比。k/m=ωn

2，c/m=2ξωn，推導可得e相對u的振幅因子A如公式（2）所示。

當ω/ωn→∞時，A→1，即系統偏心距趨向圓盤偏心距，此時圓盤整體將圍繞其質心旋轉，該種現象即為圓盤轉子的自動定心。

基于圓盤轉子自動定心理論，洗衣機平衡環的工作原理如下，設定O為系統幾何形心，U為偏心衣物，M為系統等效質心，m1與m2為2 個在平衡環圓形軌道內可以自由運動的質量體。在整機達到平衡狀態后，內筒會繞其質心M轉動。對平衡環內質量體m1進行受力分析，離心力可分解為切向力與軸向力。轉動過程中，質量體m1在切向力驅動下沿外部軌道順時針轉動；同理，質量體m2也會在離心力的作用下，沿外部軌道逆時針轉動。最終，質量體m1與m2趨于穩定，形成某一位置的等效質量，從而可以在很大程度上抑制衣物U的影響。這就是平衡環的工作原理。

對于內腔為液體的平衡環，在洗衣機脫水穩定后平衡環內的液體在離心力的作用下分布如圖2 所示，圖中O為系統旋轉中心，S為系統幾何形心，M為液體等效質心，U為偏心質量質心，其質量大小為mu。偏心U偏離幾何形心S的距離為l，系統總體偏心距為系統幾何形心相對系統旋轉中心O的距離e，液體等效質心M偏離幾何形心S的距離為r。Fu、Fs、Ft和Fy分別為偏心U所受離心力、支撐結構恢復力、系統所受離心力和液體受到的等效離心力。

在洗衣機脫水穩定的狀態下，系統各方向受力平衡，如公式（3） 所示。

圖2 液體平衡環

Fu、Fs、Ft和Fy的大小分別如公式（4） 、公式（5） 、公式（6） 和公式（7） 所示。

式中：ω為滾筒穩態旋轉角速度；k為支撐結構剛度；m為系統質量；my為平衡環內液體質量。

根據圖2，令偏心負載相對于系統旋轉中心的距離ru=l-e，在洗衣機系統脫水平衡時 ，如公式（9） 所示。

整理上式可得，如公式（10） 所示。

公式（10） 描述了平衡環存在的情況下系統總體偏心距。同理，當不采用液體平衡環時，即ρhπRo

2=0，系統的偏心距，如公式（11） 所示。

將不采用液體平衡環與采用液體平衡環的偏心距之比稱為液體平衡環的抑振比δ，由公式（10） 和公式（11）推導可得液體平衡環的抑振比，如公式（12） 所示。

洗衣機在脫水穩態階段旋轉角速度ω ωn，如公式（13） 所示。

δ本質上反映了液體平衡環抑制系統偏心的能力，抑振比δ越大，平衡環對偏心負載的抑制能力越強。從上式不難看出，系統質量m一定的情況下，可通過增大平衡環內液體的密度ρ、腔體的深度h或平衡環外徑Ro來提高液體平衡環的抑振比。

2 2種新型平衡環技術在滾筒洗衣機振動控制中的應用

通過上述平衡環工作原理的研究，得出了以下結論：影響洗衣機振動位移的因素是平衡環的外徑和高度，平衡環腔中填充物的密度。根據對相關技術的研究和應用，結合平衡環的抑振比公式，該文提出了以下2 種新型平衡環技術方案。

2.1 鋼球平衡環+液體平衡環混合技術

根據公式（13） ，為了增大平衡環的抑振比，在其他參數不變的情況下，可以通過增大液體的密度ρ來實現。普通平衡環一般在腔體內添加NaCl 溶液或CaCl2溶液，密度約為1.17 g/cm3～1.19 g/cm3。為了增加腔體內液體相對密度，技術人員于2008 年研究出了鋼球平衡環技術，即用鋼球+硅油組合代替NaCl 溶液或CaCl2溶液。由于鋼球的密度遠遠大于液體的密度，使腔體內液體相對密度大大提高，從而有效地提高減振效果。根據實際應用和實驗驗證，液體平衡環和鋼球+硅油平衡環可以混合應用，以獲得更好的減振效果，所以申請了發明專利“滾筒式洗衣機的平衡環裝置”[6]。其基本原理如下：鋼球+硅油+鹽水平衡環的結構如圖3 所示。平衡環由內外2 層組成，形成A、B 2 個腔，A 腔內裝有一定數量鋼球，為了避免鋼球在運動過程中碰撞產生噪聲，在此腔內注入適量一定黏度的硅油。B 腔內注入適量鹽水。當偏心負載較小時，鋼球平衡環能夠較快地發揮作用，抑制偏心負載產生的不平衡力；當偏心負載較大時，首先起作用的是鋼球平衡環，隨著甩干轉速的提高，偏心負載產生的離心力增加，鹽水平衡環開始起作用，使洗衣機能夠平穩提速，逐漸達到最高轉速。海爾集團開發的復式卡薩帝高端滾筒洗衣機采用的就是該種技術。

圖3 鋼球+硅油+鹽水平衡環結構

2.2 多腔多環平衡環技術

如圖4 所示，在平衡環外層Ro與內層Ri間再添加N個分隔層R1，R2，…，RN，把環內腔體分為N+1 個環形，使平衡環呈現多環結構，從而在一定程度上減弱液體壓力的影響。實踐證明，該種措施可顯著改善液體平衡環的抑振性能。在多環結構下，根據公式（8） 計算液體作用力的方程，如公式（14） 所示。