劉家峰， 吉衛(wèi)喜

（江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無(wú)錫214122）

1 引言

近年來(lái)，滾筒式洗衣機(jī)由于洗凈比高，耗水量和耗電量小，衣物磨損率低等優(yōu)勢(shì)，受到越來(lái)越多的消費(fèi)者歡迎。但是滾筒洗衣機(jī)脫水甩干時(shí)的振動(dòng)問(wèn)題已成為制約其發(fā)展的一個(gè)嚴(yán)重障礙。找到滾筒洗衣機(jī)振動(dòng)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(jī)的振動(dòng)原因及影響

根據(jù)洗衣機(jī)的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)方式等特點(diǎn)，首先對(duì)滾筒洗衣機(jī)的振動(dòng)原因進(jìn)行了分析。滾筒洗衣機(jī)的滾筒多為水平放置，工作時(shí)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(yùn)動(dòng)，考慮到重力加速度的疊加因素，會(huì)給滾筒洗衣機(jī)帶來(lái)振動(dòng)問(wèn)題［1］。

滾筒洗衣機(jī)通常采用電機(jī)作為動(dòng)力源，電機(jī)在工作運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，變成滾筒洗衣機(jī)的一個(gè)振源，通過(guò)洗衣機(jī)支撐系統(tǒng)的傳遞作用，使?jié)L筒洗衣機(jī)的外殼產(chǎn)生振動(dòng)，而且電機(jī)通過(guò)皮帶輪、齒輪箱等傳動(dòng)部件帶動(dòng)內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)，傳動(dòng)部件的不平衡同樣會(huì)產(chǎn)生激勵(lì)力，引起洗衣機(jī)的振動(dòng)［2－3］。

滾筒洗衣機(jī)的內(nèi)筒在旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于衣物的存在，滾筒內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生偏心負(fù)載，使?jié)L筒受到變載荷和變方向偏心激勵(lì)的作用，引起洗衣機(jī)的振動(dòng)。而且洗衣機(jī)在脫水運(yùn)行時(shí)，為了使衣物中的洗滌劑殘留物盡量少，同時(shí)減少漂洗的用水量和次數(shù)，滾筒洗衣機(jī)滾筒通常都具有較高的轉(zhuǎn)速，此時(shí)，在偏心負(fù)載的作用下，滾筒洗衣機(jī)的振動(dòng)將更加劇烈。

滾筒洗衣機(jī)的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪音，影響其各個(gè)元器件和整機(jī)的使用壽命，而且嚴(yán)重影響人在使用過(guò)程中的舒適性，與追求宜人性、安全性和舒適性的人機(jī)工程學(xué)要求相矛盾。因此，能否有效地控制洗衣機(jī)的振動(dòng)已經(jīng)成為滾筒洗衣機(jī)能否進(jìn)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(jī)的研究熱點(diǎn)。

3 傳統(tǒng)的滾筒洗衣機(jī)的減振方法

傳統(tǒng)的滾筒洗衣機(jī)主要是從優(yōu)化洗衣機(jī)的結(jié)構(gòu)、控制振源和切斷振動(dòng)的傳播途徑等三個(gè)方面來(lái)減小洗衣機(jī)的振動(dòng)。

3.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)

在洗衣機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要注意洗衣機(jī)整體結(jié)構(gòu)的合理性，盡量使?jié)L筒洗衣機(jī)的質(zhì)量對(duì)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(jī)質(zhì)心的地方，這樣有利于系統(tǒng)激振響應(yīng)的衰減和動(dòng)態(tài)性能的改善，同時(shí)要搞清楚振源的作用力及大小，然后針對(duì)性地改進(jìn)洗衣機(jī)的結(jié)構(gòu)和布局，最大限度地減弱振動(dòng)的影響。在不影響整機(jī)強(qiáng)度的前提下，選用低剛度材料，盡量減小洗衣機(jī)的整體剛度，以此降低整體的固有頻率，達(dá)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(guò)切斷振源的傳播路徑來(lái)降低從盛水桶傳遞到箱體上的振動(dòng)。配重塊包括后配重，左前配重以及右前配重。通過(guò)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(diǎn)上，外筒上的每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)將做圓周運(yùn)動(dòng)的平動(dòng)，從而達(dá)到減小滾筒洗衣機(jī)振動(dòng)的目的；另外通過(guò)增加配重的方式來(lái)增加外筒的重量，進(jìn)而增加外筒的穩(wěn)定性，以平衡或抵消內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)及對(duì)外筒的影響［5－6］。

事實(shí)上現(xiàn)有滾筒洗衣機(jī)的減振方法并不能從根本上解決振動(dòng)問(wèn)題，或是解決了洗衣機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題，但是為了減小振動(dòng)，導(dǎo)致洗衣機(jī)的配重越來(lái)越大，已經(jīng)占到了整個(gè)滾筒洗衣機(jī)重量的一半，以至于滾筒洗衣機(jī)的重量是普通的波輪洗衣機(jī)的兩倍，不僅使成本增加，還帶來(lái)了諸如運(yùn)輸之類的問(wèn)題。同時(shí)，采用配重塊平衡技術(shù)雖然降低了工作振動(dòng)，但由于采用壓迫式方法降低振動(dòng)，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(jī)的減振系統(tǒng)

4 新型實(shí)用減振方法

由于傳統(tǒng)的滾筒洗衣機(jī)減振不好，一些新的減振方法被逐步提出。

4.1 被動(dòng)平衡技術(shù)

首先引入了被動(dòng)平衡技術(shù)，將固體平衡環(huán)裝在洗衣機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件-內(nèi)筒上，運(yùn)用平衡環(huán)減小內(nèi)筒衣物引起的的偏心，從而達(dá)到減小滾筒旋轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)的目的。由于內(nèi)筒可以看做是整個(gè)滾筒洗衣機(jī)振動(dòng)的振源，采用平衡環(huán)技術(shù)可以有效地減小整個(gè)滾筒洗衣機(jī)的振動(dòng)，由于平衡環(huán)可以自動(dòng)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(jī)整體重量大大減輕。平衡環(huán)還可以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償洗衣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)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(fèi)者對(duì)大容量滾筒洗衣機(jī)的需求［7］。隨著被動(dòng)平衡技術(shù)在滾筒洗衣機(jī)上的不斷應(yīng)用，帶有平衡環(huán)的滾筒洗衣機(jī)終將會(huì)實(shí)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(jī)

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

滾筒洗衣機(jī)一般都是使用單向交流異步電機(jī)，電機(jī)一般通過(guò)帶傳動(dòng)、行星減速器以及蝸輪蝸桿和曲柄連桿機(jī)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(shí)占用了較大的空間，也是引起洗衣機(jī)振動(dòng)的主要原因。此外，單向交流異步電機(jī)單位體積功率偏小、起動(dòng)力矩偏弱、過(guò)載能力不足、可控性較差，難以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最佳化，極易引起系統(tǒng)振動(dòng)。因此根據(jù)現(xiàn)有的電機(jī)技術(shù)，采用力矩和功率較大的直驅(qū)電機(jī)，使電機(jī)的輸出軸直接與洗滌軸相連接，去掉電機(jī)與洗滌軸之間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以很好地減小洗衣機(jī)的振動(dòng)［8］。

雖然采用直驅(qū)電機(jī)可以很好地減小洗衣機(jī)的振動(dòng)與噪聲等問(wèn)題，但是由于洗衣機(jī)在洗滌時(shí)要求電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，力矩較大；而在脫水時(shí)要求力矩要小，轉(zhuǎn)速要高，這是一對(duì)相互制約的電機(jī)特性，對(duì)電機(jī)的性能要求非常高，因此高性能的電機(jī)技術(shù)的研發(fā)成為發(fā)展?jié)L筒洗衣機(jī)減振技術(shù)的一個(gè)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(jìn)滾筒洗衣機(jī)的振動(dòng)特性是一個(gè)非常好的方法。利用變頻技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)洗衣機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，根據(jù)得到的反饋信號(hào)及時(shí)的調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速與功率，使電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)較大范圍的調(diào)整，滿足洗衣機(jī)在洗滌、漂洗、高速脫水等工作狀態(tài)下對(duì)速度的要求。滾筒洗衣機(jī)采用變頻技術(shù)不僅能有效控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，還能簡(jiǎn)化洗衣機(jī)結(jié)構(gòu)，提高整機(jī)的控制性能和操作性能，減小整體的振動(dòng)特性。

滾筒洗衣機(jī)在啟動(dòng)和停止的過(guò)程中會(huì)不可避免地落入共振區(qū)，為了避免振動(dòng)，當(dāng)系統(tǒng)的激勵(lì)頻率以較大的加速度通過(guò)共振區(qū)時(shí)，共振響應(yīng)將大大減?。?］。但是對(duì)于加速度的選擇，也需要綜合考量各種因素。首先對(duì)于一般的普通異步電機(jī)，雖然理論上的升速率很高，但由于電機(jī)本身的驅(qū)動(dòng)特性限制，內(nèi)筒的實(shí)際轉(zhuǎn)速一般都小于電機(jī)轉(zhuǎn)速，此外，如果速度提升過(guò)快，當(dāng)達(dá)到預(yù)定的脫水轉(zhuǎn)速時(shí)，衣物的含水量基本沒(méi)有減少，此時(shí)衣物會(huì)產(chǎn)生較大的偏心負(fù)載，引起系統(tǒng)的振動(dòng)。因此在利用變頻技術(shù)控制脫水轉(zhuǎn)速的同時(shí)，需要首先通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)綜合確定各種負(fù)載狀況下，振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率和需要抑制較大振動(dòng)的頻率范圍。再次，在考慮電機(jī)特性情況下，計(jì)算出各種負(fù)載下電機(jī)通過(guò)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(jī)升速控制程序。在實(shí)際使用中，需要運(yùn)用載荷識(shí)別技術(shù)，確定洗衣機(jī)每次洗衣的實(shí)際負(fù)載量。

同時(shí)，在洗衣機(jī)的脫水運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程當(dāng)中，利用變頻技術(shù)，可以實(shí)時(shí)地檢測(cè)洗衣機(jī)的脫水運(yùn)轉(zhuǎn)情況，當(dāng)脫水過(guò)程中出現(xiàn)劇烈振動(dòng)的情況時(shí)，引發(fā)振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，并將獲得的信號(hào)迅速反饋給滾筒洗衣機(jī)的控制系統(tǒng)，及時(shí)地調(diào)整洗衣機(jī)的脫水轉(zhuǎn)速，以達(dá)到有效控制脫水時(shí)振動(dòng)突出的問(wèn)題［4］。

4.4 模糊控制理論在滾筒洗衣機(jī)中的運(yùn)用

隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)滾筒洗衣機(jī)的振動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性振動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，模糊控制逐漸在滾筒洗衣機(jī)驅(qū)動(dòng)控制算法中得到運(yùn)用，提高了滾筒洗衣機(jī)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(duì)那些無(wú)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(guò)人們以往經(jīng)驗(yàn)或者進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)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(lái)完成自動(dòng)控制。

對(duì)于普通的滾筒洗衣機(jī)，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(shí)間、脫水時(shí)間等功能。這種人為控制的操作，不能根據(jù)洗滌時(shí)衣物的多少以及面料質(zhì)地等情況來(lái)進(jìn)行具體的洗滌選擇。但是通過(guò)模糊控制理論，則可以實(shí)現(xiàn)滾筒洗衣機(jī)洗滌情況的自動(dòng)選擇。采用模糊控制技術(shù)，在滾筒洗衣機(jī)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(duì)洗衣程序進(jìn)行控制。各種傳感器相當(dāng)于人的耳、鼻、眼、皮膚等，可自動(dòng)檢測(cè)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(duì)收到的信息進(jìn)行綜合判斷后，自動(dòng)設(shè)定最佳轉(zhuǎn)速、最佳洗滌時(shí)間和最佳水位，控制各執(zhí)行部件自動(dòng)完成整個(gè)洗衣過(guò)程。采用模糊技術(shù)控制的洗衣機(jī)，用戶只要按一下觸鍵，洗衣機(jī)就能自動(dòng)算出最佳注水量、水流形式、洗滌動(dòng)作和洗滌時(shí)間，使洗衣節(jié)能、節(jié)時(shí)并達(dá)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(jī)達(dá)到了一個(gè)新的技術(shù)水平［2］。

圖3 利用虛擬樣機(jī)軟件ADAMS對(duì)滾筒洗衣機(jī)進(jìn)行仿真分析的一般步驟

5 虛擬樣機(jī)技術(shù)的運(yùn)用

虛擬樣機(jī)技術(shù)是計(jì)算機(jī)輔助工程的一個(gè)重要分支。在滾筒洗衣機(jī)的開發(fā)與設(shè)計(jì)階段，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，建立滾筒洗衣機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)對(duì)建立的滾筒洗衣機(jī)的虛擬模型進(jìn)行一些參數(shù)的仿真模擬，可以避免建立實(shí)體樣機(jī)的成本，同時(shí)虛擬樣機(jī)技術(shù)可以實(shí)時(shí)地進(jìn)行產(chǎn)品性能測(cè)試，迅速地找出滾筒洗衣機(jī)的不足。本文介紹的滾筒洗衣機(jī)的一些減振方法都可以通過(guò)建立滾筒洗衣機(jī)的虛擬樣機(jī)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)虛擬樣機(jī)模型，可以實(shí)時(shí)地修改滾筒洗衣機(jī)的結(jié)構(gòu)；通過(guò)完整的約束與載荷，可以模擬出滾筒洗衣機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的情況，這時(shí)候通過(guò)改變懸掛系統(tǒng)的彈簧剛度與阻尼器的阻尼來(lái)觀察滾筒洗衣機(jī)振動(dòng)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(dòng)優(yōu)化方法同樣可以利用虛擬樣機(jī)中的過(guò)程函數(shù)仿真實(shí)現(xiàn)。因此，虛擬樣機(jī)技術(shù)是滾筒洗衣機(jī)減振方法研究中的一個(gè)重要的途徑。

6 滾筒洗衣機(jī)減振技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與傳統(tǒng)機(jī)械減振方法在通用性方面的限制，從機(jī)電一體化的角度出發(fā)，綜合利用機(jī)械、電子、電機(jī)、人工智能及虛擬樣機(jī)等各個(gè)方面的技術(shù)進(jìn)行洗衣機(jī)減振系統(tǒng)的研究已成為一個(gè)必然的趨勢(shì)，特別是虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為滾筒洗衣機(jī)的各種減振方法的實(shí)施提供了很好的技術(shù)支持。隨著對(duì)這些技術(shù)的綜合利用與不斷創(chuàng)新，滾筒洗衣機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題也會(huì)逐步得到解決，其市場(chǎng)占有率也會(huì)逐步增加。

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