При эксплуатации машин может возникнуть проблема их неконтролируемых смещений из-за неравномерного распределения белья в барабане. Мы проанализировали причины неконтролируемых смещений, возникающих в режиме отжима стиральной машины, и использовали метод активной балансировки для устранения неустойчивости такого рода.
Легковесная стиральная машина
Легковесность стиральных машин в сочетании с неравномерным распределением белья в барабане может привести к возникновению в их работе неконтролируемых смещений.
В режиме отжима, белье внутри стиральной машины порождает центробежные силы столь значительные, что они могут ее дестабилизировать — она начнет перемещаться. Конечно, можно решить эту проблему путем утяжеления конструкции, но как тогда быть с ее компактностью? Ведь она предназначается для работы в условиях малогабаритного жилья, так что это не вариант. За поиском других путей решения, следует обратиться к моделированию.
Моделирование портативных стиральных машин
Для этой задачи, мы выбрали упрощенную модель стиральной машины с горизонтальной осью вращения и фронтальной загрузкой белья (модель с горизонтальной осью обладает большей неустойчивостью, чем ее вертикальная версия). В рамках этой модели, мы хотим выяснить, каким образом неконтролируемые смещения влияют на стиральную машину в режиме отжима. Для того чтобы избавиться от неуравновешенности барабана, в нашей модели используется метод активной балансировки.
Допущения модели
В модели делается несколько упрощающих предположений.
Допущения относительно барабана и бака:
- Оба являются жесткими конструкциями.
- Вращение вокруг оси барабана является единственным относительным движением между барабаном и баком.
- Белье вращается со скоростью барабана и эта скорость достаточно высока, чтобы породить значительные центробежные силы.
Допущения относительно взаимодействия машины с окружающей обстановкой:
- Стиральная машина не может опрокинуться. Во время моделирования, она, не отрываясь, остается на твердой поверхности.
- Для моделирования трения между стиральной машиной и основанием, используется модель трения Кулона с постоянным коэффициентом трения.
Разработка геометрии модели
При настройке модели, нужно со вниманием отнестись к внутреннему устройству стиральной машины. Противовесы, вообще говоря, должны размещаться как на передней, так и на задней части барабана. Однако, для простоты моделирования, мы сохранили противовес только в передней части, убедившись, что его центр масс совпадает с центром масс барабана. При вычислении суммарной массы необходимо помнить, что к массе барабана добавляется масса белья.
Барабан посредством шарниров соединяется с баком и слотом, а призматический стык связывает слот с противовесом. Оба соединения слота, шарнир, соединяющий с барабаном, и призматический стык, необходимы для системы активной балансировки, принцип действия которой мы рассмотрим в следующем разделе. (Обратите внимание, что в нашей модели призматический стык постоянно заблокирован, поскольку он не используется, в то время как соединение барабан/слот блокируется только когда система балансировки не активна.)
Стиральная машина контактирует с основанием в четырех отдельных точках, посредством плоских опорных ножек, укрепленных на ее днище. Из-за упругости соединений, мы можем рассматривать силы, действующие на каждую из опор, независимым образом.
Пределы скольжения и активная балансировка
В нашей модели, несбалансированность стиральной машины может привести к нескольким типам скольжения. Однако, для наших целей, мы ограничимся только несбалансированностью, приводящей к вращательному скольжению, поскольку оно наступает при более низких скоростях вращения, чем трансляционное (или поступательное) скольжение.
Мы измеряем устойчивость нашей модели стиральной машины, используя понятие предел скольжения. Пределом скольжения называется разность между максимальной и реально действующей силой трения. В нашем случае, он определяет значение критической скорости эксплуатации, при которой еще возможно избежать неконтролируемых смещений, возникающих при достижении пределом скольжения нулевого значения. Наша машина начнет скользить, когда три или более ее опор будут иметь нулевой предел скольжения.
Чтобы добиться большей стабильности системы, необходимо сначала устранить причину ее неустойчивости. В данном случае, виновником выступаетнескомпенсированная центробежная сила, действующая со стороны вращающегося белья. Для борьбы с ней, мы прикладываем равную ей по величине и противоположную по направлению силу. В этом состоит принцип действия системы активной балансировки.
Установить баланс сил в нашей машине можно, корректируя угловое и радиальное положение противовеса.
Обратите внимание: Кофемашина - машина для удовольствия.
Угловая коррекция служит для фиксации направления центробежных сил и достигается вращением слота с противовесом относительно барабана. Радиальное положение фиксирует величину центробежной силы и регулируется перемещением противовеса в слоте. В нашем моделировании используется только угловая коррекция, поскольку радиальное положение противовеса уже выставлено, исходя из веса белья.Наша модель позволяет легко управлять системой активной балансировки. Так как значения угловой скорости и ускорения барабана известны, то можно активировать систему балансировки в конкретный момент времени, не дожидаясь пока предел скольжения приблизиться к нулевому значению.
Результаты
После того, как были учтены все вышеперечисленные факторы, запускаем процесс моделирования. Прежде всего (Сначала) посмотрим на поведение нашей стиральной машины без применения активной балансировки:
Слева: Вращение машины (увеличено в 100 раз). Справа: Вращение барабана и сила трения, действующая на опоры (опорные ножки, стойки) стиральной машины.Теперь посмотрим, что происходит при активации системы балансировки в процессе моделирования. Для этого будем наблюдать за общим дисбалансом сил в системе двумя способами.
Наш первый график отображает дисбаланс сил во вращающейся системе координат и показывает четкую корреляцию между временем активации системы балансировки и уменьшением дисбаланса. Аналогичный эффект наблюдается и в неподвижной системе координат.
Слева: Общий дисбаланс сил во вращающейся системе координат. Справа: Общий дисбаланс сил в неподвижной системе координат.Взглянем на нашу модель с точки зрения (со стороны) пределов скольжения. Прежде всего, проанализируем различное поведение отдельных опор в отсутствие активной балансировки. Сравним пределы скольжения опор в передней (опора 1) и задней (опора 3) частях стиральной машины. График внизу слева показывает, что передняя опора имеет меньший предел скольжения, чем задняя, и, следовательно, начнет скользить первой, что приведет к развороту конструкции.
Включая в рассмотрение все опоры в нашей модели, мы видим, что общий предел скольжения очень быстро достигает нулевого уровня и периодически повторяет это в течение коротких промежутков времени. Это означает, что в эти моменты стиральная машина будет испытывать неконтролируемые смещения. На правой стороне графика также показано, что после активации системы балансировки общий предел скольжения существенно увеличивается.
Слева: Пределы скольжения опор 1 и 3 в отсутствие активной балансировки. Справа: Общий предел скольжения стиральной машины при наличии и без активной балансировки.Активная балансировка оказывается также полезной при рассмотрении движения стиральной машины вокруг вертикальной оси. На графике ниже показано, что вращательная неустойчивость устраняется при использовании механизма балансировки.
Вращение стиральной машины вокруг оси-Z при наличии и отсутствии активной балансировки.Моделировались также и другие характеристики нашей бытовой стиральной машины. При рассмотрении скорости вращения барабана (revolutions per minute — RPM) и мотора коррекции, было обнаружено, что эффективным режимом работы мотора коррекции является — старт, по мере необходимости, и остановка, после стабилизации системы. Мы также рассчитали соответствующей угол коррекции для стабилизации системы.
Слева: Скорость вращения мотора коррекции и барабана. Справа: Необходимый угол коррекции в системе активной балансировки.Создание системы активной балансировки помогло устранить в нашей модели причины возникновения неконтролируемых смещений при отжиме белья. Теперь ваша очередь попробовать сделать это самостоятельно — скачайте модель по ссылке ниже, и начинайте.
Для дальнейшего 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.