薛銅龍， 屈陽(yáng)

（河南理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 焦作454003）

0 引 言

干洗機(jī)是借助化學(xué)溶劑與機(jī)械能的共同作用洗滌衣物的機(jī)械，并且能夠?qū)σ挛镞M(jìn)行脫劑、烘干，同時(shí)對(duì)洗滌后的溶劑具有過(guò)濾凈化、回收再利用等功能。干洗比一般的水洗去污能力強(qiáng)，干洗后衣物不易褪色，不產(chǎn)生褶皺，深得人們的喜愛(ài)。另一方面，普通水洗洗衣機(jī)由于洗滌助劑的漂除需要大量的淡水，而干洗技術(shù)不需要淡水，節(jié)約了淡水資源，因此干洗技術(shù)目前得到快速發(fā)展。

新型石油溶劑的應(yīng)用對(duì)干洗機(jī)的性能也提出了更高的要求，比如要求干洗機(jī)滾筒具有較高的轉(zhuǎn)速，隨著滾筒轉(zhuǎn)速的提高，干洗機(jī)的振動(dòng)也更加劇烈，進(jìn)而出現(xiàn)各種由振動(dòng)引起的故障。本文主要是針對(duì)干洗機(jī)高轉(zhuǎn)速下的劇烈振動(dòng)問(wèn)題展開(kāi)研究，對(duì)新型干洗機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有重要的理論價(jià)值和工程指導(dǎo)意義。

1 基于ADAMS懸浮系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的建立

1.1 模型的簡(jiǎn)化及假設(shè)

ADAMS/View的機(jī)械系統(tǒng)仿真模塊的功能是比較強(qiáng)大的，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的仿真，但在仿真時(shí)也沒(méi)必要過(guò)分追求模型的細(xì)節(jié)部分與實(shí)際情況完全一致，只需考慮影響虛擬樣機(jī)性能的關(guān)鍵構(gòu)件即可。懸浮系統(tǒng)的關(guān)鍵部件主要有減振彈簧、阻尼器、配重等。為了保證仿真分析的精度，在虛擬樣機(jī)中這些關(guān)鍵部件應(yīng)與物理樣機(jī)保持一致。為了方便研究，在建模中對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，例如忽略螺栓、螺母、墊片等質(zhì)量較小的零部件；不考慮各運(yùn)動(dòng)副間的摩擦；除彈簧和阻尼器外，其他零部件均視為剛體；不平衡衣物造成的偏心質(zhì)量視為定質(zhì)量，并始終剛性地固定在內(nèi)筒壁上等。

1.2 定義屬性和添加約束關(guān)系

ADAMS/View中，給每個(gè)構(gòu)件賦予材料、質(zhì)量和名稱等屬性。根據(jù)各構(gòu)件間的實(shí)際關(guān)系定義他們之間的約束類型，主要構(gòu)件之間的約束關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 主要構(gòu)件之間的約束關(guān)系

1.3 模型的驗(yàn)證

為了保證建立的虛擬樣機(jī)的準(zhǔn)確性，必須對(duì)樣機(jī)進(jìn)行全面的檢查，包括自由度、夠件屬性、過(guò)約束情況等。在建模過(guò)程中也要隨時(shí)檢查，以便準(zhǔn)確找到錯(cuò)誤位置。Adams對(duì)模型具有自查功能，驗(yàn)證結(jié)果如圖1所示，模型驗(yàn)證正確。完善后的虛擬樣機(jī)模型如圖2所示。

圖1 模型驗(yàn)證信息

圖2 滾筒懸浮系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型

2 懸浮系統(tǒng)振動(dòng)特性分析

為了便于描述滾筒懸浮系統(tǒng)整體的振動(dòng)情況，本文建立一個(gè)隨體坐標(biāo)系XYZ，并固定于O點(diǎn)滾筒質(zhì)心處，如圖3所示，X向表示水平方向，Y向表示垂直方向，Z向表示沿滾筒軸向。本文取滾筒質(zhì)心O點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)，根據(jù)此測(cè)量點(diǎn)O的振幅來(lái)研究懸浮系統(tǒng)的振動(dòng)性能。

2.1 滾筒轉(zhuǎn)速和偏心質(zhì)量大小對(duì)滾筒振幅的影響

圖3 虛擬樣機(jī)隨體坐標(biāo)系示意圖

2.1.1 偏心質(zhì)量的確定

根據(jù)實(shí)際測(cè)試，一般滾筒洗衣機(jī)在額定洗滌容量下甩干，工作所產(chǎn)生的偏心質(zhì)量為額定洗滌容量的10%～20%的范圍內(nèi)[1-2]。

本型號(hào)干洗機(jī)的額定洗滌容量為15 kg，偏心質(zhì)量按照額定洗滌容量的最大值20%計(jì)算，即15 kg×20%=3 kg?？紤]到實(shí)際工作條件下可能出現(xiàn)超載情況，取最大偏心質(zhì)量5 kg。

為了研究滾筒轉(zhuǎn)速和偏心質(zhì)量大小對(duì)滾筒振幅的影響，將偏心質(zhì)量按1 kg、3 kg、5 kg分3組進(jìn)行仿真。每組按內(nèi)筒轉(zhuǎn)速為400 r/min（2400°/s）和650 r/min（3900°/s）兩種工況條件進(jìn)行。通常忽略洗衣機(jī)滾筒的軸向振動(dòng)[3-6]，因此本文重點(diǎn)研究X向（水平方向）、Y向（垂直方向）的振動(dòng)。驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速在5 s內(nèi)增加至400 r/min（2400°/s），然后保持勻速。從靜平衡位置處開(kāi)始仿真。仿真運(yùn)行結(jié)束后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)整理。

2.1.2 仿真結(jié)果分析

圖4、圖5分別為內(nèi)筒轉(zhuǎn)速為400 r/min和650 r/min時(shí)，3組偏心質(zhì)量對(duì)滾筒振幅的影響規(guī)律。通過(guò)分析圖4與圖5可知：偏心質(zhì)量不變時(shí)，滾筒在X、Y方向的振幅隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，轉(zhuǎn)速的增大還改變了滾筒的振動(dòng)頻率，使振動(dòng)加劇。當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著偏心質(zhì)量的增大，滾筒在X、Y方向的振幅呈增大的趨勢(shì)，且比轉(zhuǎn)速增大時(shí)更顯著。轉(zhuǎn)速和偏心質(zhì)量的增大都是引起振動(dòng)加劇的主要原因。

圖4 內(nèi)筒轉(zhuǎn)速400 r/min

圖5 內(nèi)筒轉(zhuǎn)速650 r/min

此外，通過(guò)仿真分析還發(fā)現(xiàn)，滾筒在X、Y方向的最大振幅均出現(xiàn)在0～5 s內(nèi)，即滾筒加速階段，這主要是因?yàn)樵谶@一階段經(jīng)過(guò)了引起共振的臨界轉(zhuǎn)速；在經(jīng)過(guò)最大振幅之后，滾筒振幅開(kāi)始減小，最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)，這主要是因?yàn)轵?qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速不斷增大，經(jīng)過(guò)了臨界轉(zhuǎn)速區(qū)，最終保持不變，且在整個(gè)過(guò)程中阻尼器不斷地耗散振動(dòng)產(chǎn)生的能量。

2.2 偏心質(zhì)量的位置對(duì)滾筒振幅的影響

在實(shí)際工況下偏心衣物在內(nèi)筒中的分部是不均勻的，為了便于進(jìn)行仿真分析，本文將偏心質(zhì)量在內(nèi)筒中的分布分為前、中、后、對(duì)稱4種類型，如圖6所示。在驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速650 r/min、偏心質(zhì)量為3 kg的工況下，通過(guò)仿真分析可以得到四類偏心質(zhì)量分布情況下滾筒最大振幅如圖7 所示，由圖7可知：

1）與其他3類偏心分布相比，Ⅰ類偏心分布情況下，滾筒在X、Y方向的最大振幅均較大，因?yàn)闈L筒軸在后部，前部偏心具有較大的彎矩，所以對(duì)滾筒振動(dòng)的影響比較明顯。因此Ⅰ類偏心質(zhì)量分布情況是最為惡劣的工況條件。

圖6 偏心質(zhì)量的分布類型

2）每一類偏心質(zhì)量分布對(duì)滾筒兩個(gè)方向振幅影響程度也各不相同，因此偏心質(zhì)量的分布位置也是影響懸浮系統(tǒng)振動(dòng)特性的主要因素，但是由于洗滌過(guò)程中，偏心質(zhì)量的分布是不可控的，所以只能通過(guò)其他途徑盡可能地將其影響降至最低。在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用Ⅰ類偏心質(zhì)量分布的工況，可以得到更好的優(yōu)化結(jié)果。

圖7 不同偏心分布下的滾筒最大振幅值

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于MSC. ADAMS建立了干洗機(jī)懸浮系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型；以滾筒振幅為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)該虛擬樣機(jī)模型在不同驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速、不同偏心質(zhì)量下仿真結(jié)果的分析，探究懸浮系統(tǒng)工作過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性與其振動(dòng)機(jī)理，可知造成懸浮系統(tǒng)振動(dòng)的主要因素是偏心質(zhì)量和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速的變化，通過(guò)對(duì)4種類型偏心質(zhì)量分布下滾筒最大振幅的比較，偏心質(zhì)量的分布位置也是影響懸浮系統(tǒng)振動(dòng)特性的主要因素，同時(shí)分析出了最為惡劣的工況，也是優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)的最佳工況。虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)流程回避了對(duì)各種非線性復(fù)雜因素進(jìn)行理論分析的困難，使研究更接近實(shí)際。