В процессе эксплуатации стиральных машин часто возникает проблема их сильной вибрации и неконтролируемого перемещения по полу. Основная причина этого явления — неравномерное распределение белья внутри вращающегося барабана, особенно на высоких оборотах отжима. В данной статье мы подробно исследуем причины этой неустойчивости и представляем эффективное решение — метод активной балансировки, который позволяет стабилизировать работу машины без утяжеления её конструкции.
Проблема легковесных и компактных моделей
Современные тенденции дизайна бытовой техники стремятся к компактности и облегчению веса. Однако у легких стиральных машин есть существенный недостаток: при неравномерной загрузке белья в режиме отжима возникают мощные центробежные силы, способные раскачать и сдвинуть корпус с места. Простое решение — сделать машину тяжелее — противоречит идее её компактности, особенно для малогабаритных квартир. Поэтому инженерам пришлось искать более изящные технологические решения, основанные на точном моделировании физических процессов.
Моделирование для поиска решения
Для анализа проблемы была выбрана упрощенная модель стиральной машины с горизонтальной осью вращения и фронтальной загрузкой. Именно такая конфигурация считается наиболее подверженной вибрациям по сравнению с моделями с вертикальной осью. Целью моделирования было понять динамику неконтролируемых смещений и протестировать метод активной балансировки для их устранения.
Ключевые допущения модели
Чтобы сделать моделирование управляемым, были приняты следующие упрощающие допущения:
- Барабан и бак считаются абсолютно жесткими конструкциями.
- Единственное возможное относительное движение между ними — вращение барабана вокруг своей оси.
- Белье вращается с той же скоростью, что и барабан, создавая значительную центробежную силу.
- Машина не может опрокинуться и всегда остается в контакте с твердой поверхностью пола.
- Трение между ножками машины и полом описывается классической моделью трения Кулона с постоянным коэффициентом.
Геометрия и устройство виртуальной модели
При создании модели особое внимание уделялось внутренней компоновке. Обычно противовесы располагаются и спереди, и сзади барабана, но для упрощения в модели был оставлен только передний противовес, центр масс которого совпадал с центром барабана. Важно было учесть суммарную массу барабана вместе с бельем.
Барабан соединялся с баком и специальным «слотом» через шарниры, а сам слот — с противовесом через призматический стык. Эти соединения являются ключевыми для системы активной балансировки, принцип работы которой описан ниже. В данной модели призматический стык был заблокирован, так как не использовался, а соединение барабан/слот блокировалось, когда балансировка была неактивна.
Контакт машины с полом моделировался через четыре независимые опорные ножки на днище. Благодаря упругости их креплений, силы, действующие на каждую ножку, можно было рассматривать отдельно.
Принцип активной балансировки и «предел скольжения»
В модели рассматривался тип неустойчивости, приводящий к вращательному скольжению (развороту машины на месте), так как он возникает при меньших скоростях, чем поступательное смещение.
Ключевым параметром для оценки устойчивости стал «предел скольжения» — разница между максимально возможной силой трения и реально действующей силой. Когда этот предел для трёх или более опор достигает нуля, машина начинает проскальзывать. Критическая скорость, при которой это происходит, определяет порог безопасной эксплуатации.
Чтобы повысить устойчивость, нужно нейтрализовать корень проблемы — неуравновешенную центробежную силу от белья. Принцип активной балансировки заключается в приложении равной по величине, но противоположно направленной силы. Это достигается корректировкой положения противовеса.
Балансировка осуществляется по двум параметрам: угловому положению (направление силы) и радиальному (величина силы). Угловая коррекция выполняется поворотом слота с противовесом относительно барабана, а радиальная — перемещением противовеса внутри слота. В нашем моделировании использовалась только угловая коррекция, так как радиальное положение было предварительно настроено исходя из веса белья.
Обратите внимание: Кофемашина - машина для удовольствия.
Система управления, зная скорость и ускорение барабана, может включать балансировку превентивно, не дожидаясь критического снижения предела скольжения.Результаты моделирования: наглядное сравнение
Запустив симуляцию, сначала было проанализировано поведение машины без системы балансировки.
Слева: Вращение машины (увеличено в 100 раз). Справа: Вращение барабана и сила трения, действующая на опоры (опорные ножки, стойки) стиральной машины.Затем была активирована система балансировки. Графики, отображающие общий дисбаланс сил как во вращающейся, так и в неподвижной системе координат, ясно показали резкое снижение дисбаланса сразу после её включения.
Слева: Общий дисбаланс сил во вращающейся системе координат. Справа: Общий дисбаланс сил в неподвижной системе координат.Анализ пределов скольжения дал ещё более убедительные результаты. Без балансировки передняя опора имела меньший запас устойчивости, чем задняя, что приводило к развороту машины. Общий предел скольжения часто падал до нуля, вызывая проскальзывание. После включения балансировки общий предел скольжения значительно вырос, что свидетельствует о стабилизации.
Слева: Пределы скольжения опор 1 и 3 в отсутствие активной балансировки. Справа: Общий предел скольжения стиральной машины при наличии и без активной балансировки.Также было подтверждено, что активная балансировка эффективно подавляет вращение машины вокруг вертикальной оси.
Вращение стиральной машины вокруг оси-Z при наличии и отсутствии активной балансировки.Дополнительные исследования показали оптимальный режим работы корректирующего мотора: он включается по необходимости и отключается после стабилизации системы. Также был рассчитан требуемый угол коррекции для достижения баланса.
Слева: Скорость вращения мотора коррекции и барабана. Справа: Необходимый угол коррекции в системе активной балансировки.Таким образом, моделирование доказало, что система активной балансировки является эффективным инструментом для устранения вибраций и неконтролируемых смещений стиральных машин. Теперь вы можете самостоятельно изучить эту модель.
Материалы для самостоятельного изучения
- Скачайте Модель: Неконтролируемые смещения стиральной Машины (Walking Instability in a Washing Machine)
- Похожая блог-статья: Моделирование вибраций и шума в стиральной машине
#наука #физика #технологии #программы #численные методы #fem #comsol
Еще по теме здесь: Новости науки и техники.
Источник: Неустойчивость стиральных машин.