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滚筒洗衣机悬挂系统仿真设计

2023-10-27 628

随着科技进步的提高,消费者对诸如洗衣机、电冰箱等家电的用户舒适性、安全性、智能化、轻量化等越来越重视。滚筒洗衣机以其洗净比高、衣物缠绕率低、节能节水等优点,广受消费者青睐。本案例以某型号滚筒洗衣机为研究对象,具体零部件组成如图1所示。主要由箱体、吊簧及减振器、筒体悬挂组件组成。


1 滚筒洗衣机整机结构图

滚筒洗衣机悬挂系统的设计在振动性能中起着至关重要的作用。对于一个真实的物理模型,想要完全模拟真实运动情况是不可能的,且也是没必要的,只需要抓住主要研究对象,忽略一些次要因素的影响,比较接近的仿真出机械系统真实运动规律即可。所以本案例做出以下几条假设:

(1)忽略吊簧和阻尼器的质量,把它们看成理想的元件。

(2)不考虑各个运动副之间的摩擦阻力,所有零部件之间的装配为理想装配。

(3)除了弹簧和阻尼器以外,其它部件全部视为刚体。

(4)将偏心衣物看作质量不改变的刚体,固定于洗衣机内筒上。

(5)箱体视为刚体,且固定在大地上,弹簧、阻尼器固定于箱体。

将悬挂系统抽象为由滚筒系统(内外筒、电机、配重),偏心负载(脱水衣服),吊弹簧和阻尼器组成的振动系统。振动系统包含六个自由度:沿坐标轴三个方向的平移自由度,和围绕坐标轴的三个旋转自由度。悬架系统结构及参数示意简图如图2所示。


图2 悬架系统结构及参数示意简图

Adams是目前常用的多体动力学仿真软件,通过建立多体动力学模型进行仿真分析,可以帮助设计人员发现设计缺陷并提出改进建议。该软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库以及完全参数化的机械系统几何模型。求解器使用拉格朗日方程方法,在多刚性系统动力学理论中建立系统动力学方程,虚拟机械系统的静力学、运动学和动力学分析,输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。利用Adams软件,用户可以快速、方便地创建完全参数化的机械系统几何模型。在几何模型上施加力、力矩和运动激励,执行一组与实际状况相同的运动仿真测试,所得的测试结果就是机械系统工作过程的实际运动情况。

将滚筒洗衣机悬挂系统的CAD组件通过Parasolid模型数据接口导入AdamsView里,并根据组件之间的连接关系建立相应的运动副,见表1。用ADAMS/View的弹簧模块定义吊簧和阻尼器,刚度、阻尼系数、安装角度参照表2,同时,将适当的预载荷添加到两个弹簧中以平衡系统的重力,约束和预载完成后悬架系统的模型如图3所示。

1 悬挂系统主要构件约束关系

2 悬挂系统各个参数



3滚筒洗衣机悬挂系统多体动力学模型

在本案例中,通过向外筒和内筒之间的旋转副添加旋转驱动来代替电机的作用。在滚筒洗衣机的脱水工作情况下,衣物不平衡离心力是整个机器振动的原始因素。为了使旋转曲线平滑过渡,避免突然变化,内筒设置为STEP函数,设置完成以后的速度曲线如图4所示,旋转方向为逆时针。


4内筒转速曲线

滚筒洗衣机振动的主要原因是滚筒的振动,振幅太大的话会和箱体发生碰撞,为了不让它们相撞,且延长洗衣机部件的使用时间,就要设置合理的空隙。选用门封前端面中心作为测量点,如图5所示。将测量点q的振幅作为研究脱水阶段悬架系统的目标函数。


5 测量点q位置

设置100s为整个模拟时间,每一步的时间长度为0.05s,并从静态平衡位置开始模拟。得出了测量点q的幅度如图6所示。从图中可以看出,测量q的最大振幅出现在第一加速的过程中,最后振动幅度稳定在2.25mm内,经过时域分析,ADAMS仿真模型可以达到预期的运动。


6 测量点q位移随时间变化曲线

使用以上多体动力学分析模型,可以任意修改设计参数,快速验证测量点位移的变化趋势,为优化方向提供指导。

基于ADAMS软件的多体动力学分析具有实验测试无法比拟的优点,首先实验测试前的准备、实验台的搭建、传感器的安装等耗时耗力,而模拟过程十分的方便。其次,仿真测试除了可以输出位移曲线外,还可以根据实际情况,输出加速度曲线、速度曲线,并可以方便的对曲线进行编辑、导出仿真数据或者图片、视频等。最后软件仿真可以任意修改模型的参数,可以方便进行下一步的优化和模型的修改,大大缩短了研发周期。

参考文献:

[1]包文杰.滚筒洗衣机悬挂系统的优化[D].东南大学.

[2]郭远虎,刘雷.基于ADAMS的滚筒洗衣机悬挂系统参数优化[J].机械工程师, 2017(2):3.

[3]张建明,徐飞.基于MSC.ADAMS的洗衣机振动系统建模与仿真[J].家电科技, 2007(1):2.


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