迟宗锐 秦 娜

（青岛海尔洗衣机有限公司，山东 青岛 266101）

0 前言

目前滚筒洗衣机用户的最大问题是振动大，噪声大。滚筒洗衣机在脱水时，滚筒内的衣物会分布不均匀，运转时产生很大的振动。如果不进行及时修正，滚筒转速越高，振动就会越强烈。该文探讨了滚筒洗衣机脱水时的减震控制方法，以解决用户使用时出现的振动大和噪声大的问题。

1 滚筒洗衣机振动来源分析

普通滚筒洗衣机整机结构如图1 所示。

图1 普通滚筒洗衣机整机减震结构简图

偏心负载离心力的方程，如公式（1） 所示。

式中：F为偏心负载离心力；mu为偏心负载质量；r为 内筒半径；ω为内筒旋转的角速度。

由公式（1）可以看出，在偏心负载mu相同的条件下，内筒直径r越大，或者转速ω越大，产生的离心力F越大，最终造成洗衣机内外筒振动越大。

根据国家标准GB/T 4288—2018《家用和类似用途电动洗衣机》[1]，关于振动性能（第5.9 条）的规定：洗衣机机箱前、后、左、右各侧面中央部位的振幅，额定洗涤容量为5 kg 及5 kg 以下应不大于0.6 mm；额定洗涤容量在5 kg 以上应不大于0.8 mm。洗衣机必须达到上述标准，这是消费者的基本使用要求。

关于降低滚筒洗衣机振动的方法，相关资料显示，目前国内外学者是通过2 个方面进行研究的：一部分学者通过动力学研究，采用增加配重的方式来减小振动，或者借助液体平衡环的自平衡作用来减小振动[2-3]；另一部分学者通过研究电机驱动技术、传感器感知和控制技术、综合变频控制技术来实现对整机的振动控制[4]。该文研究的是通过液体平衡环的自平衡作用来减小振动。

1 平衡环的工作原理研究

目前洗衣机中平衡环一般采用被动平衡机构，被动平衡机构源于圆盘转子的自动定心现象。早在1985 年，圆盘转子自动定心现象由Foiles 在推导圆盘转子无阻尼振动方程并加以求解的过程中发现，即在远高于临界转速的情况下，转子会围绕其质心旋转[5]。

设定e为系统偏心距，u为转子质心相对几何形心的距离，k为弹簧形变系数；c为阻尼系数；m为系统质量；ω为旋转角速度，ωn为系统固有频率，ξ为系统阻尼比。k/m=ωn

2，c/m=2ξωn，推导可得e相对u的振幅因子A如公式（2）所示。

当ω/ωn→∞时，A→1，即系统偏心距趋向圆盘偏心距，此时圆盘整体将围绕其质心旋转，该种现象即为圆盘转子的自动定心。

基于圆盘转子自动定心理论，洗衣机平衡环的工作原理如下，设定O为系统几何形心，U为偏心衣物，M为系统等效质心，m1与m2为2 个在平衡环圆形轨道内可以自由运动的质量体。在整机达到平衡状态后，内筒会绕其质心M转动。对平衡环内质量体m1进行受力分析，离心力可分解为切向力与轴向力。转动过程中，质量体m1在切向力驱动下沿外部轨道顺时针转动；同理，质量体m2也会在离心力的作用下，沿外部轨道逆时针转动。最终，质量体m1与m2趋于稳定，形成某一位置的等效质量，从而可以在很大程度上抑制衣物U的影响。这就是平衡环的工作原理。

对于内腔为液体的平衡环，在洗衣机脱水稳定后平衡环内的液体在离心力的作用下分布如图2 所示，图中O为系统旋转中心，S为系统几何形心，M为液体等效质心，U为偏心质量质心，其质量大小为mu。偏心U偏离几何形心S的距离为l，系统总体偏心距为系统几何形心相对系统旋转中心O的距离e，液体等效质心M偏离几何形心S的距离为r。Fu、Fs、Ft和Fy分别为偏心U所受离心力、支撑结构恢复力、系统所受离心力和液体受到的等效离心力。

在洗衣机脱水稳定的状态下，系统各方向受力平衡，如公式（3） 所示。

图2 液体平衡环

Fu、Fs、Ft和Fy的大小分别如公式（4） 、公式（5） 、公式（6） 和公式（7） 所示。

式中：ω为滚筒稳态旋转角速度；k为支撑结构刚度；m为系统质量；my为平衡环内液体质量。

根据图2，令偏心负载相对于系统旋转中心的距离ru=l-e，在洗衣机系统脱水平衡时 ，如公式（9） 所示。

整理上式可得，如公式（10） 所示。

公式（10） 描述了平衡环存在的情况下系统总体偏心距。同理，当不采用液体平衡环时，即ρhπRo

2=0，系统的偏心距，如公式（11） 所示。

将不采用液体平衡环与采用液体平衡环的偏心距之比称为液体平衡环的抑振比δ，由公式（10） 和公式（11）推导可得液体平衡环的抑振比，如公式（12） 所示。

洗衣机在脱水稳态阶段旋转角速度ω ωn，如公式（13） 所示。

δ本质上反映了液体平衡环抑制系统偏心的能力，抑振比δ越大，平衡环对偏心负载的抑制能力越强。从上式不难看出，系统质量m一定的情况下，可通过增大平衡环内液体的密度ρ、腔体的深度h或平衡环外径Ro来提高液体平衡环的抑振比。

2 2种新型平衡环技术在滚筒洗衣机振动控制中的应用

通过上述平衡环工作原理的研究，得出了以下结论：影响洗衣机振动位移的因素是平衡环的外径和高度，平衡环腔中填充物的密度。根据对相关技术的研究和应用，结合平衡环的抑振比公式，该文提出了以下2 种新型平衡环技术方案。

2.1 钢球平衡环+液体平衡环混合技术

根据公式（13） ，为了增大平衡环的抑振比，在其他参数不变的情况下，可以通过增大液体的密度ρ来实现。普通平衡环一般在腔体内添加NaCl 溶液或CaCl2溶液，密度约为1.17 g/cm3～1.19 g/cm3。为了增加腔体内液体相对密度，技术人员于2008 年研究出了钢球平衡环技术，即用钢球+硅油组合代替NaCl 溶液或CaCl2溶液。由于钢球的密度远远大于液体的密度，使腔体内液体相对密度大大提高，从而有效地提高减振效果。根据实际应用和实验验证，液体平衡环和钢球+硅油平衡环可以混合应用，以获得更好的减振效果，所以申请了发明专利“滚筒式洗衣机的平衡环装置”[6]。其基本原理如下：钢球+硅油+盐水平衡环的结构如图3 所示。平衡环由内外2 层组成，形成A、B 2 个腔，A 腔内装有一定数量钢球，为了避免钢球在运动过程中碰撞产生噪声，在此腔内注入适量一定黏度的硅油。B 腔内注入适量盐水。当偏心负载较小时，钢球平衡环能够较快地发挥作用，抑制偏心负载产生的不平衡力；当偏心负载较大时，首先起作用的是钢球平衡环，随着甩干转速的提高，偏心负载产生的离心力增加，盐水平衡环开始起作用，使洗衣机能够平稳提速，逐渐达到最高转速。海尔集团开发的复式卡萨帝高端滚筒洗衣机采用的就是该种技术。

图3 钢球+硅油+盐水平衡环结构

2.2 多腔多环平衡环技术

如图4 所示，在平衡环外层Ro与内层Ri间再添加N个分隔层R1，R2，…，RN，把环内腔体分为N+1 个环形，使平衡环呈现多环结构，从而在一定程度上减弱液体压力的影响。实践证明，该种措施可显著改善液体平衡环的抑振性能。在多环结构下，根据公式（8） 计算液体作用力的方程，如公式（14） 所示。