王 成 吳增元 鄭葉紅

（惠而浦(中國)股份有限公司 合肥 230022）

引言

洗衣機(jī)的振動性能一直是用戶評價(jià)產(chǎn)品優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，洗衣機(jī)研發(fā)人員也不斷地尋找振動優(yōu)化的方案[1]。洗衣機(jī)底腳對產(chǎn)品的振動等級有著重大的影響，所以底腳振動性能是產(chǎn)品研發(fā)人員需要重視的參數(shù)指標(biāo)。振動性能優(yōu)秀的底腳需要，一、產(chǎn)品在工作頻率范圍內(nèi)盡量不產(chǎn)生共振；二、底腳粘滯性較好，保證底腳具有良好的阻尼比和摩擦系數(shù)[2]。所以，開發(fā)人員在產(chǎn)品開發(fā)過程中，需要對底腳的振動性能進(jìn)行系統(tǒng)分析。產(chǎn)品開發(fā)過程中的測試過程是研發(fā)環(huán)節(jié)中比較耗時(shí)耗力的過程，底腳的振動性能分析過程也存在同樣的問題。通過文本研究，可以實(shí)現(xiàn)快速地對底腳振動性能進(jìn)行對比分析，有利于降低產(chǎn)品開發(fā)過程中的時(shí)間和人力的成本。

1 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 測試系統(tǒng)環(huán)境搭建

1.1.1 硬件搭建

1）洗衣機(jī)簡化振動模型搭建

洗衣機(jī)振動系統(tǒng)是一種多自由度的負(fù)載振動系統(tǒng)，通過數(shù)值計(jì)算獲取整機(jī)振動性能的方法是一個(gè)復(fù)雜和繁瑣的過程，并且數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與真實(shí)情況的振動數(shù)據(jù)不可避免的存在或多或少的偏差，所以復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算不適合快速產(chǎn)品開發(fā)的工程應(yīng)用。

可以通過簡化洗衣機(jī)的振動模型方法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模型和實(shí)際整機(jī)振動性能進(jìn)行對標(biāo)的方法獲取模型與實(shí)際整機(jī)振動性能的關(guān)系，然后通過簡化模型的測試就可以獲得整機(jī)的振動性能。

洗衣機(jī)的整體如圖4所示，可以簡化成一個(gè)質(zhì)量快，四個(gè)底腳簡化成一個(gè)底腳（底腳為彈簧和阻尼器集合），這就變成一個(gè)最簡單的帶有阻尼器的單自由的振動系統(tǒng)。如圖1所示，通過圓形質(zhì)量和一個(gè)底腳組合，底腳安裝于圓形質(zhì)量快的中心位置。

2）PC、LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和傳感器

測試系統(tǒng)需要一臺PC，用于運(yùn)行LMS測試軟件并記錄采集數(shù)據(jù)；需要一套LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于模擬信號轉(zhuǎn)數(shù)字信號；還需要單向加速度傳感器和力錘傳感器各一個(gè)，用于將實(shí)際的物理信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號。

3）硬件連接和傳感器測試點(diǎn)設(shè)置

PC、LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和傳感器的連接如圖2所示。PC與LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)線連接，用于數(shù)字信號的相互傳輸；LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與傳感器通過數(shù)據(jù)線連接，LMS采集系統(tǒng)為傳感器提供恒流源，傳感器反饋給LMS采集系統(tǒng)模擬電壓電信號。

分析系統(tǒng)的底腳振動性能，即上下運(yùn)動的振動分析，所以力錘的錘擊點(diǎn)選擇圓形質(zhì)量快的中心點(diǎn)位置且力錘垂直向下錘擊；由于質(zhì)量快是近似剛體的部件，所以單向加速度傳感器放置在質(zhì)量快的平面的任何一個(gè)固定位置，保證單向加速度傳感器的方向朝上（或朝下）即可。圖3為測試點(diǎn)示意圖。

1.1.2 軟件搭建

LMS公司的Test lab軟件包含豐富的工程模塊，可以根據(jù)實(shí)際需求選擇相應(yīng)的測試模塊。本系統(tǒng)選擇FRF測試模塊。

1.2 測試系統(tǒng)重復(fù)性評估

如圖5所示兩種樣品的FRF曲線，其中1_1、1_2、1_3和 2_1、2_2、2_3分別是1號和2號樣品的三次測試。如表1所示，兩種樣品的三次測試結(jié)果的均值和極差值可以基本判斷測試系統(tǒng)重復(fù)性滿足要求。

1.3 簡化模型振動性能與實(shí)際整機(jī)振動性能對標(biāo)

1.3.1 共振頻率點(diǎn)對標(biāo)原理

圖1 振動模型

圖2 測試硬件設(shè)備

圖3 測試點(diǎn)示意圖

圖4 整機(jī)

圖5 頻響曲線

由于單自由度的振動系統(tǒng)的共振頻率與質(zhì)量和彈簧彈性系數(shù)有關(guān)[3]，由于整機(jī)系統(tǒng)作為一個(gè)質(zhì)量M，四個(gè)底腳構(gòu)成的彈性系數(shù)K，則共振頻率計(jì)算公式如式1；振動模型是圓形質(zhì)量快質(zhì)量m和一個(gè)彈性系數(shù)k的底腳構(gòu)成，并且k/K=a、m/M=b，則共振頻率與實(shí)際整機(jī)的共振頻率關(guān)系見如式2。根據(jù)式2可以預(yù)測模型的振動頻率點(diǎn)與整機(jī)振動頻率點(diǎn)為線性關(guān)系。

1.3.2 減振能力對標(biāo)原理

由于整機(jī)振動幅值是不同頻率下不同大小激勵力產(chǎn)生的振動幅值，而頻響函數(shù)的幅度值是不同頻率下同等大小激勵力產(chǎn)生的振動幅值取對數(shù)，所以頻響曲線中不同頻率點(diǎn)的幅度值大小不能代表整機(jī)不同轉(zhuǎn)速下振動優(yōu)劣。但是，如果不同底腳的頻響曲線的共振頻率點(diǎn)一致（或者相近），則對應(yīng)兩種底腳在整機(jī)情況下的共振轉(zhuǎn)速也一致（或相近），因?yàn)橥D(zhuǎn)速下的整機(jī)振動激勵力基本一致，所以此時(shí)頻響曲線共振點(diǎn)的幅度大小可以對標(biāo)底腳減振能力優(yōu)劣。

1.3.3 實(shí)際對標(biāo)

選取兩種已知振動性能的底腳樣品進(jìn)行對標(biāo)分析。兩個(gè)樣品在振動模型上測試的頻響曲線如圖5所示，橫坐標(biāo)是頻率，縱坐標(biāo)是對數(shù)幅度值；兩種底腳樣品的實(shí)際整機(jī)振動特性如圖7所示，橫坐標(biāo)是洗衣機(jī)轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)是洗衣機(jī)單邊振動幅值，曲線圖例和圖6一致。實(shí)際整機(jī)振動性能和模型振動性能測試關(guān)鍵數(shù)據(jù)如表2所示，從表中可以實(shí)際整機(jī)共振轉(zhuǎn)速與模型共振頻率的比例為8.62、8.69，驗(yàn)證了整機(jī)和模型共振頻率點(diǎn)線性關(guān)系正確；由于這兩個(gè)頻響曲線共振點(diǎn)相近，可以通過FRF曲線的幅度值對標(biāo)底腳樣品1的整機(jī)振動性能更優(yōu)，圖6中的實(shí)際振動曲線驗(yàn)證了底腳樣品1振動性能更優(yōu)。

表1 共振點(diǎn)數(shù)據(jù)

2 測試數(shù)據(jù)分析與實(shí)際整機(jī)驗(yàn)證

通過振動模型采集四種底腳樣品的頻響曲線，如圖8所示。圖中1#是目前性能最好的底腳，2#、3#和4#是新開發(fā)的底腳。根據(jù)1.3所述，對標(biāo)可得到整機(jī)1 400 rpm轉(zhuǎn)速對應(yīng)模型中的161 Hz。圖中可以得到三個(gè)結(jié)論：①3#和4#共振頻率在1 400 rpm范圍內(nèi)；②1#和2#底腳共振頻率避開了1 400 rpm轉(zhuǎn)速范圍；③因?yàn)?#和2#的共振頻率接近且1#比2#在共振點(diǎn)的幅度值小，所以預(yù)測1#的減振阻尼效果比2#優(yōu)秀。

圖6 底腳對標(biāo)樣品在模型上的頻響曲線

圖7 底腳對標(biāo)樣品在整機(jī)上振動曲線

表2 底腳對標(biāo)樣品分別在模型和整機(jī)上的共振點(diǎn)數(shù)據(jù)

圖8 底腳測試樣品在模型上的頻響曲線

圖9 底腳測試樣品在整機(jī)上的振動曲線

通過實(shí)際整機(jī)的測試結(jié)果如圖9所示（圖例與圖8一致），可以驗(yàn)證上述結(jié)論1和2的正確性，由于轉(zhuǎn)速限制，暫時(shí)不能驗(yàn)證3的結(jié)論，但也可以作為快速評估的參考。

3 結(jié)論

本文從振動系統(tǒng)的簡化和測試系統(tǒng)環(huán)境搭建到模型和實(shí)際整機(jī)參數(shù)對標(biāo)和測試數(shù)據(jù)分析，完整的介紹了一個(gè)快速評價(jià)底腳振動性能的方案。根據(jù)本文的評價(jià)方法，研發(fā)設(shè)計(jì)人員可以快速完成對底腳樣品的性能分析，檢驗(yàn)人員可以快速的對入廠單品進(jìn)行抽樣驗(yàn)證。通過本文，希望和行業(yè)一起交流學(xué)習(xí)，文中的不足之處也希望同行人員可以給予指正。