許梁 呂佩師 李文偉
青島海爾滾筒洗衣機(jī)有限公司 山東青島 266101
隨著洗衣機(jī)向著大容量(幾何尺寸變大,剛度變低)、高轉(zhuǎn)速及復(fù)合式分區(qū)洗筒結(jié)構(gòu)的趨勢(shì)快速發(fā)展,其工作頻率越來(lái)越接近于洗衣機(jī)的共振頻率(臨界轉(zhuǎn)速),特別是隨著家電行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈,爭(zhēng)相對(duì)復(fù)合式分區(qū)洗筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新研究開(kāi)發(fā),造成復(fù)合式筒部件質(zhì)量加大、共振頻率進(jìn)一步降低,一旦洗衣機(jī)最高轉(zhuǎn)速接近或達(dá)到其共振頻率,內(nèi)外筒之間的跳動(dòng)變形會(huì)猛然增加,嚴(yán)重的會(huì)出現(xiàn)內(nèi)外筒碰磨,出現(xiàn)嚴(yán)重振動(dòng)噪音問(wèn)題及結(jié)構(gòu)安全失效。因此洗衣機(jī)尤其是復(fù)合式滾筒的避共振設(shè)計(jì)變得尤為重要。
洗衣機(jī)共振頻率計(jì)算,傳統(tǒng)的方式是進(jìn)行有限元模態(tài)分析(Normal Mode),或通過(guò)模態(tài)錘擊、激振實(shí)驗(yàn)對(duì)物理樣機(jī)進(jìn)行頻率實(shí)測(cè),但上述方法的不足之處是無(wú)法考慮內(nèi)筒的轉(zhuǎn)動(dòng)影響,從而無(wú)法考慮由于轉(zhuǎn)動(dòng)影響引起的動(dòng)態(tài)陀螺效應(yīng)對(duì)洗衣機(jī)共振頻率的改變。
滾筒洗衣機(jī)筒總成由內(nèi)外筒組成,內(nèi)筒通過(guò)軸與軸承與外筒進(jìn)行連接,內(nèi)筒可視為高速旋轉(zhuǎn)的柔性轉(zhuǎn)子。對(duì)于滾筒洗衣機(jī)筒部件轉(zhuǎn)子系統(tǒng),其內(nèi)筒會(huì)受到陀螺力矩作用,因而需要研究陀螺效應(yīng)對(duì)其的影響。隨著滾筒洗衣機(jī)內(nèi)筒容量的擴(kuò)大及轉(zhuǎn)速的提升,作用在內(nèi)筒及軸上的陀螺力矩更加顯著。對(duì)于滾筒洗衣機(jī)筒部件來(lái)說(shuō),內(nèi)筒轉(zhuǎn)子的進(jìn)動(dòng)頻率隨其自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速變化,特別是當(dāng)內(nèi)筒在滿負(fù)載狀態(tài)(轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大)及額定速度旋轉(zhuǎn)時(shí),陀螺力矩作用不可以忽略。若在內(nèi)外筒系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和分析階段忽略陀螺效應(yīng)的影響,將會(huì)導(dǎo)致分析結(jié)果嚴(yán)重失真,造成嚴(yán)重的安全及可靠性問(wèn)題。
本文將以某款滾筒洗衣機(jī)為例,研究考慮陀螺效應(yīng)對(duì)滾筒洗衣機(jī)系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速的影響,討論以多柔體動(dòng)力學(xué)分析方法進(jìn)行系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算。
對(duì)于一般機(jī)械系統(tǒng),通過(guò)有限元法可以得到其動(dòng)力學(xué)方程:
式中:[M]為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣;[C]為系統(tǒng)阻尼矩陣;[K]為系統(tǒng)剛度矩陣;{u&&}、{u&}和{u}分別為系統(tǒng)位移、速度和加速度向量;{F}為系統(tǒng)外部激振力向量。
對(duì)于轉(zhuǎn)子系統(tǒng),考慮陀螺效應(yīng)后,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程變?yōu)閇4]:
式中:Ω為軸的轉(zhuǎn)速;[Jp]和[G]分別為極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣和陀螺矩陣,為反對(duì)稱陣。
陀螺力矩的方向垂直于進(jìn)動(dòng)平面,當(dāng)陀螺力矩為正(正進(jìn)動(dòng))時(shí),會(huì)使得自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)向進(jìn)動(dòng)軸,相當(dāng)于增大了軸系的抗彎剛度,使轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速提高;當(dāng)陀螺力矩為負(fù)(反進(jìn)動(dòng))時(shí),會(huì)使得自轉(zhuǎn)軸偏離進(jìn)動(dòng)軸,相當(dāng)于降低了軸系的抗彎剛度,使轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速減小[5]。
文獻(xiàn)[6]在考慮陀螺力矩對(duì)軸臨界轉(zhuǎn)速的影響的前提下,通過(guò)影響系數(shù)建立了方程,并給出了臨界轉(zhuǎn)速的解。
對(duì)于轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)有限元分析,“陀螺效應(yīng)”一直是制約其發(fā)展的“瓶頸”問(wèn)題[3],但多篇文獻(xiàn)提到ANSYS有限元分析軟件在進(jìn)行轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算時(shí),可以考慮 “陀螺效應(yīng)”對(duì)臨界轉(zhuǎn)速的影響。文獻(xiàn)[1],[3],[7]論述了使用ANSYS軟件,對(duì)于已建立的有限元模型,在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)對(duì)軸施加不同的轉(zhuǎn)速,采用QR Damp模態(tài)求解方法計(jì)算轉(zhuǎn)子在各轉(zhuǎn)速下的各階固有頻率。
本文從多柔體動(dòng)力學(xué)仿真分析入手,計(jì)算滾筒洗衣機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速,并與不考慮陀螺效應(yīng)影響的模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行比較,考察陀螺效應(yīng)對(duì)滾筒洗衣機(jī)系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速的影響,并由此提供一種求解滾筒洗衣機(jī)系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算方法。
本文首先進(jìn)行不考慮陀螺效應(yīng)影響的滾筒洗衣機(jī)自由模態(tài)分析(懸掛約束近似自由),由于質(zhì)量是關(guān)鍵的動(dòng)力學(xué)參數(shù)之一,故分析分為空筒和滿載兩種工況,圖1(a)、(b)分別為空筒和滿載的驅(qū)動(dòng)部有限元模型,洗衣機(jī)配重以集中質(zhì)量代替。
略去前六階剛體模態(tài),驅(qū)動(dòng)部的前兩階彈性模態(tài)振型均表現(xiàn)為內(nèi)、外筒的相對(duì)彎曲擺動(dòng),兩階模態(tài)的彎曲擺動(dòng)方向大致垂直,由于外筒底在圓周方向剛度有差異,所以會(huì)出現(xiàn)頻率相近但不相等的兩階模態(tài),本文僅列出第一階彈性模態(tài)。圖2、3分別為空筒及滿載工況下,驅(qū)動(dòng)部第一階模態(tài)振型圖,其固有頻率分別為57.4Hz,40.3Hz,二者振型一致,但固有頻率差別明顯,可見(jiàn)內(nèi)筒質(zhì)量對(duì)驅(qū)動(dòng)部固有頻率影響顯著。
以上為不考慮陀螺效應(yīng)影響的有限元模態(tài)分析,為計(jì)及陀螺效應(yīng),現(xiàn)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)部(內(nèi)外筒系統(tǒng))的柔體動(dòng)力學(xué)分析,圖4為建立的同一型號(hào)洗衣機(jī)的剛?cè)峄旌蟿?dòng)力學(xué)模型,同樣考慮空筒和滿載,分三種工況:(1)空筒&小偏心(規(guī)格A);(2)空筒&中等偏心(規(guī)格B);(3)滿載&中等偏心(規(guī)格B)。
圖5、6、7分別為上述三種工況下內(nèi)筒前端某節(jié)點(diǎn)的位移-轉(zhuǎn)速曲線,從曲線中可以明顯觀察到共振現(xiàn)象,并讀出考慮陀螺效應(yīng)影響的驅(qū)動(dòng)部臨界轉(zhuǎn)速。
將三種工況下的模態(tài)分析固有頻率和柔體動(dòng)力學(xué)分析臨界轉(zhuǎn)速匯列于表1。
圖1 驅(qū)動(dòng)部(內(nèi)外筒總成)有限元模型
圖2 驅(qū)動(dòng)部(空筒)模態(tài)分析(Normal Mode)第一階模態(tài)振型圖(57.4Hz)
圖3 驅(qū)動(dòng)部(滿載)模態(tài)分析(Normal Mode)第一階模態(tài)振型圖(40.3Hz)
圖4 Virtual.lab Motion剛?cè)峄旌夏P?/p>
圖5 內(nèi)筒前端某節(jié)點(diǎn)位移—轉(zhuǎn)速曲線(空筒&偏心A)
圖6 內(nèi)筒前端某節(jié)點(diǎn)位移—轉(zhuǎn)速曲線(空筒&偏心B)
圖7 內(nèi)筒前端某節(jié)點(diǎn)位移—轉(zhuǎn)速曲線(滿載&偏心B)
表1 模態(tài)頻率與臨界轉(zhuǎn)速對(duì)比
可以看出,對(duì)滾筒洗衣機(jī)驅(qū)動(dòng)部而言,陀螺效應(yīng)使得驅(qū)動(dòng)部臨界轉(zhuǎn)速降低,因空筒工況下模態(tài)頻率所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速較高,陀螺效應(yīng)的影響更顯著,所以與模態(tài)分析固有頻率相比,臨界轉(zhuǎn)速降低幅度也更為明顯。
經(jīng)過(guò)以上分析和研究,可以得出以下結(jié)論:
(1)由于質(zhì)量對(duì)共振頻率影響明顯,滿載工況下驅(qū)動(dòng)部臨界轉(zhuǎn)速明顯低于空筒工況,基于安全設(shè)計(jì),洗衣機(jī)驅(qū)動(dòng)部(內(nèi)外筒系統(tǒng))臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算應(yīng)考慮滿載工況;
(2)滾筒洗衣機(jī)考慮陀螺效應(yīng)影響時(shí),與模態(tài)分析固有頻率相比,驅(qū)動(dòng)部臨界轉(zhuǎn)速降低,基于安全設(shè)計(jì),洗衣機(jī)驅(qū)動(dòng)部臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算需考慮陀螺效應(yīng)影響;
(3)對(duì)于大容量、高轉(zhuǎn)速及復(fù)合式分區(qū)洗筒結(jié)構(gòu)洗衣機(jī)設(shè)計(jì),由于質(zhì)量的增加及陀螺效應(yīng)影響更需要對(duì)其進(jìn)行柔體動(dòng)力學(xué)分析,以保證結(jié)構(gòu)剛度要求,獲得低振動(dòng)的最佳用戶體驗(yàn)。
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