автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Снижение вибраций в подвижных конструкциях с автобалансирующим устройством и корректирующей массой-жидкостью

министерство общего и профессионального образования рф казанский государственный технический университет имени а. н. туполева

На правах рукописи

Иванов Андрей Геннадьевич

СНИЖЕНИЕ ВИБРАЦИЙ В ПОДВИЖНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ С АВТОБАЛАНСИРУЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ И КОРРЕКТИРУЮЩЕЙ МАССОЙ - ЖИДКОСТЬЮ.

(05.02.02 - машиноведение и детали машин)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор Паймушин В.Н., доктор химических наук, профессор Скворцов В.Г.

г. Казань - 1998 г

- 2 -ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ..........................................................................................................................................2

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................................................6

ГЛАВА I

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИНАМИКИ ПОДВИЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ И СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ИХ ВИБРОЗАЩИТЫ В БЫТОВЫХ СТИРАЛЬНЫХ МАШИНАХ............................................12

1.1 Процесс центробежного отжима - как основной

технологический процесс в исследуемой проблеме............................................12

1.2 Обзор конструкций отжимных устройств с вращением относительно вертикальной оси ....................................................................................................14

1.3 Отжимные устройства с подвеской внутренних подвижных частей на шарнирных опорах-растяжках...............................................................................18

1.4 Автобалансирующие устройства со свободным перемещением корректирующих масс............................................................................................22

1.5 Выводы..............................................................................................................27

ГЛАВА II

КОЛЕБАНИЯ В УСТРОЙСТВАХ, ИМЕЮЩИХ КОРПУС, ШАРНИРНЫЕ ОПОРЫ-РАСТЯЖКИ, ВНУТРЕННЮЮ ЧАСТЬ С ВРАЩАЮЩИМСЯ ОТНОСИТЕЛЬНО ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСИ ДЕБАЛАНСОМ......................................................................................29

2.1 Выбор расчетной схемы и математической модели бытовой стиральной машины с центробежным отжимом......................................................................29

2.2 Процесс торможения отжимного резервуара (барабана)..............................35

2.3 Динамика механической системы на этапах разгона, торможения, установившегося неравномерного вращения отжимного резервуара..................36

2.4 Динамика механической системы стиральной машины при равномерном вращении отжимного резервуара и условия

для поддержания такого вращения........................................................................41

2.5 Затухающие колебания в механических системах, имеющих маятниковую подвеску и отличающихся расстоянием от оси

шарнира до центра тяжести внутренней подвижной части................................44

2.6 Устойчивость состояния равновесия в статическом положении..................48

2.7 Оценка вибраций корпуса стиральной машины............................................49

ГЛАВА III

УСТРОЙСТВО ГАШЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ ВНУТРЕННЕЙ ЧАСТИ И КОРПУСА В ПОДВИЖНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ..............59

3.1 Компановка устройства внутри корпуса.........................................................59

3.2 Описание устройства гашения колебаний корпуса и внутренней

части стиральной машины с центробежным отжимом и вращением отжимного резервуара относительно вертикальной оси........................................................63

3.3 Устойчивость состояния равновесия внутренней подвижной части в статическом положении.........................................................................................69

3.4 Рекомендуемый процесс торможения барабана.............................................69

3.5 Автобалансирующее устройство со свободным премещением корректирующей массы-жидкости........................................................................71

3.6 Характеристика автобалансирующего устройства со свободным пермещением корректирующей массы-жидкости................................................79

3.7 Применение гироскопического эффекта........................................................89

3.8 Три вида колебательных систем внутренней подвижной части

бытовых стиральных машин с вертикальной осью вращения............................93

3.8.1 Колебательная система I вида..............................................................95

3.8.2 Колебательная система II вида.............................................................96

3.8.3 Колебательная система III вида............................................................97

3.9 Характеристика существующих устройств гашения колебаний внутренней подвижной части и корпуса бытовых стиральных машин, центрифуг с вертикальной осью вращения..........................................................98

ГЛАВА IV

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА, ИМЕЮЩЕГО КОРПУС, ШАРНИРНЫЕ ОПОРЫ-РАСТЯЖКИ, ВНУТРЕННЮЮ ЧАСТЬ С ВРАЩАЮЩИМСЯ

4.1 Динамическая модель механической системы:

корпус - внутренняя часть с вращающимся относительно вертикальной оси дебалансом - шарнирные опоры-растяжки, на примере бытовой стиральной

машины с центробежным отжимом....................................................................105

4.2 Расчет параметров автобалансирующего устройства...................................107

4.3 Исследование задающей функции крутящего момента M(t) во время разгона отжимного резервуара..........................................................................................111

4.4 Оценка влияния гироскопических сил.........................................................116

4.5 Выбор длины опор-растяжек .........................................................................118

4.6 Нахождение функций положения внутренней части стиральной машины, включающей отжимной резервуар, на этапе разгона.........................................119

4.7 Оценка вибраций корпуса..............................................................................122

ГЛАВА У

ЭКСПЕРИМЕТАЛЫЮЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕМАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ БЫТОВОЙ СТИРАЛЬНОЙ ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКОЙ МАШИНЫ "ВОЛГА-11А" ВО

ВРЕМЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ОПЕРАЦИИ - ОТЖИМ БЕЛЬЯ....................................................123

5.1 Результаты предшествующих работ..............................................................123

5.2 Описание конструкции полуавтоматической стиральной

машины "Волга-11 А"...........................................................................................124

5.3 Описание экспериментальной установки.....................................................127

5.4 Два характерных этапа при вращении.........................................................129

5.5 Применение гироскопического эффекта......................................................131

5.6 Сложение простых видов движения..............................................................133

5.7 Модернизация диафрагмы..............................................................................133

5.8 Эффект увеличения способности внутренней подвижной части стиральной машины: барабан-опора-платформа противостоять действию дебалансного груза при уменьшении жесткости диафрагмы..............................................................136

5.9 Характерные ошибки при модернизации диафрагмы.................................138

5.10 Рекомендации по модернизации диафрагмы..............................................143

5.11 Модернизация балансировочного кольца...................................................143

5.12 Описание конструкции модернизированного балансировочного кольца.. 146

5.13 Экспериментальное сравнение трех видов колец......................................146

5.14 Эффект повышения способности внутренней подвижной части стиральной машины сопротивляться дебалансу при использовании

шарикового кольца и включения в схему управления пускового конденсатора .........................................................................................................150

5.15 Модернизация подвески ...............................................................................153

5.16 Результаты эксперимента по модернизации подвески...............................155

5.17 Преимущества короткой подвески, расположенной вертикально над подвеской, имеющей длинные штоки.................................................................160

5.18 Модернизация активатора стиральной машины........................................161

5.19 Применение лепесткового клапана в гидросистеме..................................162

ЗАКЛЮЧЕННОЕ И ВЫВОДЫ........................................................................................................163

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................................................................166

ПРИЛОЖЕНИЕ.................................................................................................................................182

- 6 -ВВЕДЕНИЕ

Подвижные конструкции с автобалансирующим устройством широко используются в бытовых стиральных автоматических, полуавтоматических машинах, центрифугах. С учетом мировой практики, в настоящее время наиболее перспективными являются модели автоматических стиральных машин с вертикальной осью вращения, совмещающих в одном барабане процессы стирки и центробежного отжима /19, 119-124, 137, 138, 129, 130, 145-150, 157, 164, 174, 175/. Такие стиральные машины позволяют максимально автоматизировать процесс обработки белья и сократить время работы оператора /19/. Однако их эксплуатационные показатели не отвечают современным требованиям, ибо:

- угловая скорость движения отжимного резервуара во время центрифугирования недостаточна для обеспечения качественного отжима белья;

- наблюдается высокий уровень вибраций в режиме отжима, обусловленных большой неуравновешенностью загрузки (дебалансом);

- в основных узлах стиральной машины действуют большие динамические усилия, снижающие их прочность, надежность и долговечность /19/.

Стремление увеличить производительность стиральных машин при сохранении объема загрузки и улучшения качества отжима привело к тому, что окончательный отжим белья производится в режиме центрифугирования с частотой вращения отжимного резервуара до 1000 об/мин и более /119/. Это в свою очередь приводит к резкому возрастанию динамических нагрузок и вибраций как машины в целом, так и ее внутренней подвижной части в особенности. Поэтому перед создателями стиральных машин наиболее остро стоит проблема повышения их динамической устойчивости /19/.

Анализируя состояние рынка отечественных бытовых стиральных машин, можно отметить довольно низкий их потребительский уровень по следующим критериям: металлоемкости, динамическим нагрузкам, вибрации в основных узлах, надежности. Практика эксплуатации полуавтоматической стирально-отжимной машины "Волга-11 А" показала, что в процессе выполнения центробежного отжима белья имеют место значительные вибрации как вращающегося барабана, так и всей машины в целом. В некоторых случаях из-за значительной неуравновешенности барабана с бельем амплитуды его колебаний возрастают до таких значений, что происходит срабатывание блокировочного выключателя, и машина останавливается. Это не позволяет осуществить выпуск машины серии "Волга" в варианте с автоматическим управлением /39/.

В настоящей работе рассматривается проблема виброзащиты подвижных конструкций в бытовых стиральных машинах с вертикальной осью вращения с использованием устройства гашения их колебаний, имеющего оптимальную по способности противостоять действию дебаланса конструкцию маятниковой подвески, а также автобалансирующее устройство со свободным перемещением корректирующей массы-жидкости. Актуальность задачи исследования динамики подвижных конструкций стиральных машин с вертикальной осью вращения с использованием предлагаемого устройства гашения их колебаний и расчета оптимальных параметров этого устройства определяется необходимостью уменьшения материалоемкости, уменьшения вибраций и динамических усилий в конструкциях стиральных машин, повышения скорости центрифугирования.

Цель работы состоит в исследовании динамики подвижных конструкций бытовых стиральных машин с вертикальной осью вращения, разработке способа снижения их вибраций на этапах разгона барабана и установившегося вращения.

Предлагаемое устройство гашения колебаний внутренней подвижной части и корпуса стиральной машины с центробежным отжимом, с вращением отжимного резервуара относительно верикальной оси содержит две опоры-растяжки или более, шарнирно соединенные с корпусом и внутренней подвижной частью стиральной машины. Опоры-растяжки ориентированы в пространстве вертикально и выполнены в виде элементов, демпфирующих, или компенсирующих отклонение внутренней подвижной части от положения равновесия, например, пружины с поршнем в стакане, которые установлены на металлическом стержне-штоке. Особенностью данного устройства является то, что нижний конец опор-растяжек соединен с внутренней подвижной частью выше ее центра тяжести. Это устройство содержит балансировочное кольцо, заполненное раствором высокой плотности, входящее в состав внутренней подвижной части и установленное в верхней части отжимного резервуара (барабана). Предлагаемое балансировочное кольцо создает условия для стабилизации оси вращения отжимного резервуара при быстром центрифугировании. Расположение элементов связи внутренней подвижной части стиральной машины перпендикулярно направлению действия центробежной силы инерции, приложенной к дебалансной массе создает оптимальную виброизоляцию корпуса. При соединении нижнего конца опор-растяжек с внутренней подвижной частью выше ее центра тяжести повышается устойчивость последней, одновременно уменьшается длина опор-растяжек, что способствует накоплению значительной потенциальной энергии и, соответственно к снижению колебаний внутренней подвижной части на этапе разгона барабана. В предлагаемом устройстве происходит согласование поступательного движения внутренней подвижной части стиральной машины со стабилизирующим действием гироскопических сил.

Устройство решает задачу снижения вибраций корпуса стиральной машины в режиме установившегося вращения отжимного резервуара и повышения способности внутренней подвижной части противостоять действию дебалансной силы на этапе разгона отжимного резервуара.

Данная работа представляет собой часть научно-исследовательских и конструкторских разработок, проводимых с целью модернизации серийной стиральной машины серии "Волга", а также создания бытовой автоматической машины с вертикальной осью вращения этой серии.

В диссертационной работе использовались математическое моделирование на ПЭВМ и экспериментальные методы исследований. Математическая модель описывает пространственные колебания внутренней части и корпуса стиральной машины с вертикальной осью вращения. Алгоритм по расчету оптимальных параметров математической модели основан на использовании системы дифференциальных уравнений и анализа кинематических и динамических моделей взаимодействия элементов конструкции стиральной машины.

Научная новизна заключается в в следующем:

1. Разработана математическая модель, описывающая пространственные колебания внутренней части и корпуса стиральной машины с вертикальной осью вращения, определены оптимальные параметры модели, характеризующие динамическую устойчивость конструкции стиральной машины.

2. На основе предложенного экспериментального метода исследования подвижной конструкции бытовой стиральной машины с вертикальной осью вращения определены условия для эффективного гашения колебаний внутренней части и корпуса стиральной машины. Описаны основные модернизации подвижной конструкции стиральных машин такого типа.

3. Разработана конструкция устройства гашения колебаний внутренней части и корпуса стиральной машины, содержащего балансировочное кольцо со свободным перемещением корректирующей массы-жидкости. Предложен и использован алгоритм по выбору оптимальных параметров этого устройства. Впервые подобран ряд растворов высокой плотности для заполнения внутренней полости автобалансирующего устройства и определена модернизация конструкций существующих автобалансирующих устройств с вертикальной осью вращения.

4. Предложен и использован алгоритм по выбору кинематических характеристик основного вращательного движения барабана стиральной машины.

5. Разработано программное обеспечение для исследования и анализа кинематических и динамических моделей взаимодействия элементов подвижной конструкции стиральной машины с вертикальной осью вращения.

На защиту выносится методика исследования динамики подвижных конструкций бытовых стиральных машин с вертикальной осью вращения и способ снижения их вибраций с использованием устройства, выполненного в виде двух и более опор-растяжек, ориентированных в пространстве вертикально и содержащего автобалансирующее устройство со свободным перемещением корректирующей массы-жидкости.

Практическая ценность работы состоит в том, что результаты исследования применимы для совершенствования выпускаемых бытовых стиральных машин и центрифуг с вертикальной осью вращения. Проведенные экспериментальные исследования показали эффективность предлагаемого устройства гашения колебаний внутренней и корпуса стиральной машины при использовании его в конструкциях отечественных бытовых стиральных машин с вертикальной осью вращения серий "Волга", "Приморье", "Иволга", "Алтай-Электрон" и других, с вертикальной осью вращения.

Реализация подвески и модернизированного балансировочного кольца в стиральной машине серии "Волга" позволила на этапе разгона барабана и установившегося вращения повысить на 80% способность внутренней подвижной части сопротивляться действию центробежной силы инерции, приложенной к дебалансной массе, в 2 раза снижаются вибрации корпуса стиральной машины и шумы. Предложенные модернизации в рамках технол�