滚筒洗衣机减振技术的发展

刘家峰， 吉卫喜

（江南大学机械工程学院，江苏无锡214122）

1 引言

近年来，滚筒式洗衣机由于洗净比高，耗水量和耗电量小，衣物磨损率低等优势，受到越来越多的消费者欢迎。但是滚筒洗衣机脱水甩干时的振动问题已成为制约其发展的一个严重障碍。找到滚筒洗衣机振动的主要原因并寻求最优化的解决方案变得十分迫切。

2 滚筒洗衣机的振动原因及影响

根据洗衣机的结构以及运动方式等特点，首先对滚筒洗衣机的振动原因进行了分析。滚筒洗衣机的滚筒多为水平放置，工作时滚筒绕着水平轴做上下空间的立体回转，质心在某一平面内做上下往复运动，考虑到重力加速度的叠加因素，会给滚筒洗衣机带来振动问题［1］。

滚筒洗衣机通常采用电机作为动力源，电机在工作运转时产生的振动，变成滚筒洗衣机的一个振源，通过洗衣机支撑系统的传递作用，使滚筒洗衣机的外壳产生振动，而且电机通过皮带轮、齿轮箱等传动部件带动内筒旋转，传动部件的不平衡同样会产生激励力，引起洗衣机的振动［2－3］。

滚筒洗衣机的内筒在旋转时，由于衣物的存在，滚筒内部会产生偏心负载，使滚筒受到变载荷和变方向偏心激励的作用，引起洗衣机的振动。而且洗衣机在脱水运行时，为了使衣物中的洗涤剂残留物尽量少，同时减少漂洗的用水量和次数，滚筒洗衣机滚筒通常都具有较高的转速，此时，在偏心负载的作用下，滚筒洗衣机的振动将更加剧烈。

滚筒洗衣机的振动会产生强烈的噪音，影响其各个元器件和整机的使用寿命，而且严重影响人在使用过程中的舒适性，与追求宜人性、安全性和舒适性的人机工程学要求相矛盾。因此，能否有效地控制洗衣机的振动已经成为滚筒洗衣机能否进一步发展的重要因素。新型高效的减振系统的研究已逐渐成为滚筒洗衣机的研究热点。

3 传统的滚筒洗衣机的减振方法

传统的滚筒洗衣机主要是从优化洗衣机的结构、控制振源和切断振动的传播途径等三个方面来减小洗衣机的振动。

3.1 优化结构

在洗衣机的设计过程中，要注意洗衣机整体结构的合理性，尽量使滚筒洗衣机的质量对称分布；合理安排振源的位置，将振源设置在靠近滚筒洗衣机质心的地方，这样有利于系统激振响应的衰减和动态性能的改善，同时要搞清楚振源的作用力及大小，然后针对性地改进洗衣机的结构和布局，最大限度地减弱振动的影响。在不影响整机强度的前提下，选用低刚度材料，尽量减小洗衣机的整体刚度，以此降低整体的固有频率，达到提高减振性能的目的［4］。

3.2 悬挂系统与配重

悬挂系统包括两根上吊簧和两根下阻尼支撑，通过切断振源的传播路径来降低从盛水桶传递到箱体上的振动。配重块包括后配重，左前配重以及右前配重。通过使用配重块，外筒的重心将移到外筒轴心和中心平面的交点上，外筒上的每一个质点将做圆周运动的平动，从而达到减小滚筒洗衣机振动的目的；另外通过增加配重的方式来增加外筒的重量，进而增加外筒的稳定性，以平衡或抵消内筒旋转时产生的振动及对外筒的影响［5－6］。

事实上现有滚筒洗衣机的减振方法并不能从根本上解决振动问题，或是解决了洗衣机的振动问题，但是为了减小振动，导致洗衣机的配重越来越大，已经占到了整个滚筒洗衣机重量的一半，以至于滚筒洗衣机的重量是普通的波轮洗衣机的两倍，不仅使成本增加，还带来了诸如运输之类的问题。同时，采用配重块平衡技术虽然降低了工作振动，但由于采用压迫式方法降低振动，限制了产品高度，造成取放衣物不便等。

图1 传统的滚筒洗衣机的减振系统

4 新型实用减振方法

由于传统的滚筒洗衣机减振不好，一些新的减振方法被逐步提出。

4.1 被动平衡技术

首先引入了被动平衡技术，将固体平衡环装在洗衣机的旋转部件-内筒上，运用平衡环减小内筒衣物引起的的偏心，从而达到减小滚筒旋转时振动的目的。由于内筒可以看做是整个滚筒洗衣机振动的振源，采用平衡环技术可以有效地减小整个滚筒洗衣机的振动，由于平衡环可以自动平衡偏载，因而可以取代或减小外筒配重的质量，使得洗衣机整体重量大大减轻。平衡环还可以动态补偿洗衣机运转过程中产生的偏心力，因此内筒的直径可以做得更大，满足消费者对大容量滚筒洗衣机的需求［7］。随着被动平衡技术在滚筒洗衣机上的不断应用，带有平衡环的滚筒洗衣机终将会实现量产。

图2 利ADAMS建立的固体平衡环模型

4.2 直驱电机

考虑到洗衣机实际上是一种机电一体化产品，可以从机电一体化系统的角度出发，寻找洗衣机减振的新方法。

滚筒洗衣机一般都是使用单向交流异步电机，电机一般通过带传动、行星减速器以及蜗轮蜗杆和曲柄连杆机构与洗涤轴相连接，这样的链接方式结构复杂，同时占用了较大的空间，也是引起洗衣机振动的主要原因。此外，单向交流异步电机单位体积功率偏小、起动力矩偏弱、过载能力不足、可控性较差，难以实现驱动系统的最佳化，极易引起系统振动。因此根据现有的电机技术，采用力矩和功率较大的直驱电机，使电机的输出轴直接与洗涤轴相连接，去掉电机与洗涤轴之间的传动机构，可以很好地减小洗衣机的振动［8］。

虽然采用直驱电机可以很好地减小洗衣机的振动与噪声等问题，但是由于洗衣机在洗涤时要求电机转速较低，力矩较大；而在脱水时要求力矩要小，转速要高，这是一对相互制约的电机特性，对电机的性能要求非常高，因此高性能的电机技术的研发成为发展滚筒洗衣机减振技术的一个重要方面。

4.3 变频技术

随着变频技术的快速发展，利用数字变频调速技术改进滚筒洗衣机的振动特性是一个非常好的方法。利用变频技术，实时监测洗衣机的运转情况，根据得到的反馈信号及时的调整电机的转速与功率，使电机转速实现较大范围的调整，满足洗衣机在洗涤、漂洗、高速脱水等工作状态下对速度的要求。滚筒洗衣机采用变频技术不仅能有效控制电机转速，还能简化洗衣机结构，提高整机的控制性能和操作性能，减小整体的振动特性。

滚筒洗衣机在启动和停止的过程中会不可避免地落入共振区，为了避免振动，当系统的激励频率以较大的加速度通过共振区时，共振响应将大大减小［4］。但是对于加速度的选择，也需要综合考量各种因素。首先对于一般的普通异步电机，虽然理论上的升速率很高，但由于电机本身的驱动特性限制，内筒的实际转速一般都小于电机转速，此外，如果速度提升过快，当达到预定的脱水转速时，衣物的含水量基本没有减少，此时衣物会产生较大的偏心负载，引起系统的振动。因此在利用变频技术控制脱水转速的同时，需要首先通过理论计算和实验综合确定各种负载状况下，振动系统固有频率和需要抑制较大振动的频率范围。再次，在考虑电机特性情况下，计算出各种负载下电机通过共振区域的最佳升速率；确定低速情况下，为保证系统不平衡力较小的升速率。根据以上参数，编写电机升速控制程序。在实际使用中，需要运用载荷识别技术，确定洗衣机每次洗衣的实际负载量。

同时，在洗衣机的脱水运转过程当中，利用变频技术，可以实时地检测洗衣机的脱水运转情况，当脱水过程中出现剧烈振动的情况时，引发振动检测系统，并将获得的信号迅速反馈给滚筒洗衣机的控制系统，及时地调整洗衣机的脱水转速，以达到有效控制脱水时振动突出的问题［4］。

4.4 模糊控制理论在滚筒洗衣机中的运用

随着智能控制技术的发展，针对滚筒洗衣机的振动系统是一个复杂的非线性振动系统的特点，模糊控制逐渐在滚筒洗衣机驱动控制算法中得到运用，提高了滚筒洗衣机的智能化与可靠性。模糊控制是非线性的控制方法，主要针对那些无法建立数学模型或者数学模型相当不完善的系统。其控制规则的建立要通过人们以往经验或者进行大量的实验来加以制定，并且需要借助微控制器将采集信息转换成控制量来完成自动控制。

对于普通的滚筒洗衣机，一般采用控制面板上的固定旋钮控制滚筒旋转速度、起停时间、脱水时间等功能。这种人为控制的操作，不能根据洗涤时衣物的多少以及面料质地等情况来进行具体的洗涤选择。但是通过模糊控制理论，则可以实现滚筒洗衣机洗涤情况的自动选择。采用模糊控制技术，在滚筒洗衣机内部设置有微控制器和多种精确的智能传感器，它们能模仿人类的感知能力及思维对洗衣程序进行控制。各种传感器相当于人的耳、鼻、眼、皮肤等，可自动检测判断衣物的重量、面料、脏污程度、洗涤液温度等，并把这些信息传递给CPU。CPU对收到的信息进行综合判断后，自动设定最佳转速、最佳洗涤时间和最佳水位，控制各执行部件自动完成整个洗衣过程。采用模糊技术控制的洗衣机，用户只要按一下触键，洗衣机就能自动算出最佳注水量、水流形式、洗涤动作和洗涤时间，使洗衣节能、节时并达到最佳洗涤效果和最低的衣物磨损率。模糊控制技术的应用使洗衣机达到了一个新的技术水平［2］。

图3 利用虚拟样机软件ADAMS对滚筒洗衣机进行仿真分析的一般步骤

5 虚拟样机技术的运用

虚拟样机技术是计算机辅助工程的一个重要分支。在滚筒洗衣机的开发与设计阶段，利用虚拟样机技术，建立滚筒洗衣机的动力学模型，通过对建立的滚筒洗衣机的虚拟模型进行一些参数的仿真模拟，可以避免建立实体样机的成本，同时虚拟样机技术可以实时地进行产品性能测试，迅速地找出滚筒洗衣机的不足。本文介绍的滚筒洗衣机的一些减振方法都可以通过建立滚筒洗衣机的虚拟样机实现。通过虚拟样机模型，可以实时地修改滚筒洗衣机的结构；通过完整的约束与载荷，可以模拟出滚筒洗衣机实际运行时的情况，这时候通过改变悬挂系统的弹簧刚度与阻尼器的阻尼来观察滚筒洗衣机振动变化，从而可以找出最优的弹簧刚度和阻尼。包括变频技术等一些振动优化方法同样可以利用虚拟样机中的过程函数仿真实现。因此，虚拟样机技术是滚筒洗衣机减振方法研究中的一个重要的途径。

6 滚筒洗衣机减振技术发展趋势

随着科学技术的发展与传统机械减振方法在通用性方面的限制，从机电一体化的角度出发，综合利用机械、电子、电机、人工智能及虚拟样机等各个方面的技术进行洗衣机减振系统的研究已成为一个必然的趋势，特别是虚拟样机技术的发展，为滚筒洗衣机的各种减振方法的实施提供了很好的技术支持。随着对这些技术的综合利用与不断创新，滚筒洗衣机的振动问题也会逐步得到解决，其市场占有率也会逐步增加。

［1］ 简义.为什么滚筒洗衣机的振动大［J］.家用电器，2002（4）：28-29.

［2］ 罗宝台.低振动滚筒洗衣机脱水减振技术的研究［D］.杭州：浙江大学电气工程学院，2010.

［3］ 顾乾坤，张世平，李才友，等.小振动低噪音洗衣机的开发［J］.2003，23（5）：42-44.

［4］ 夏虹.滚筒洗衣机的减振方法［J］.家用电器，2002（3）：27-28.

［5］ 孙益民.滚筒洗衣机振动特性分析与仿真［D］.无锡：江南大学，2008.

［6］ 高建.滚筒洗衣机动态仿真及关键零部件优化［D］.天津：天津大学，2008.

［7］ 许梁，时妍玲，李文伟.复式平衡环技术在滚筒洗衣机上的研究与应用［C］//2011年中国家用电器技术大会，2011：242-246.

［8］ 刘庆亮.洗衣机驱动方式上的突破-直驱电机［J］.家用电器，2001（12）：22-24.