CC BY
56
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
УДК 648.322
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОИЗВОЛЬНО РАСПОЛОЖЕННОГО УПРУГОГО ЭЛЕМЕНТА ЖИДКОСТНОГО АВТОБАЛАНСИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ СТИРАЛЬНЫХ МАШИН БАРАБАННОГО ТИПА
Л.С. Желтушкин1, С.Н. Алехин2, С.П. Петросов3, Г.В. Лепеш4
1-3Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет» (ИСО и П (филиал) ДГТУ), 346500, г. Шахты, Ростовской области, ул. Шевченко, 147;
4Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики (СПбГУСЭ),
191015, Санкт-Петербург, ул. Кавалергардская, 7, лит. А
В статье приведена методика, позволяющая проводить анализ силовых, жесткостных и геометрических параметров произвольно расположенных упругих элементов автобалансирующих устройств жидкостного типа.
Ключевые слова: стиральная машина, вибрация, автобалансирующие устройства, упругие элементы.
RESEARCH ANY THE LOCATED ELASTIC ELEMENT OF THE LIQUID AUTOBALANCING DEVICE FOR WASHING MACHINES OF DRUM TYPE
L.S. Zheltushkin, S. N. Alekhin, S. P. Petrosov, G. V. Lepesh
Institute of a services sector and businesses (branch) of Federal public budgetary educational institution of higher education "The Don state technical university” (ISO and P (branch) of DGTU),
346500, Shahty, Rostov region, Shevchenko St., 147; St. -Petersburg state university of service and economy (SPbSUSE), 191015, St.-Petersburg, street Kavalergardsky, 7, lit. A.
In the given article presents the methods enabling to carry out analysis of power, stiffness and geometric parameters of randomly located elastic elements auto-balancer devices liquid type.
Keywords: washing machine, vibration, auto-balancer device, the elastic elements.
Особенностью некоторых роторных ного типа является наиболее эффективным спо-
машин является изменение величины дисба- собом борьбы с вибрацией [1], [2]. Однако, в
ланса ротора в период его вращения при вы- настоящее время АБУ не нашли широкого
полнении машиной своих технологических применения в стиральных машинах из-за ряда
функций. Когда по условиям работы невоз- причин, основными из которых являются
можно остановить машину для устранения не- сложность конструкции АБУ и высокая стои-
уравновешенности, то применяют автоматиче- мость стиральной машины, использующей
скую балансировку ротора [1]. АБУ. Решение данных проблем связано с опре-
Одними из известных роторных машин деленными трудностями, вызванных, главным
с переменной массой ротора являются стираль- образом, недостатком научных исследований,
ные машины барабанного типа, технологиче- посвященных вопросам разработки конструк-
ской особенностью которых является измене- ций АБУ и выбору их рациональных парамет-
ние инерционных параметров ротора и геомет- ров, обеспечивающих максимальную эффек-
рии распределения текстильных изделий в про- тивность, экономичность и целесообразность
цессе выполнения центробежного отжима. использования АБУ.
Применение автобалансирующих уст- Одними из наиболее распространенных
ройств (АБУ) в стиральных машинах барабан- АБУ, применяемых во многих роторных маши-
нах, в том числе, в стиральных машинах барабанного типа являются пассивные устройства шарового типа. Это объясняется относительной простотой конструкции пассивных АБУ, в том числе шаровых, в отличие от активных, а также появлением в последнее время ряда научных работ, посвященных исследованию АБУ данного типа, в частности [2], [6]и др.
Вместе с тем, наличие сил трения в такой системе АБУ, а также сил сопротивления движению шаров, вызванных инерционностью системы, дискретность масс уравновешивающих инерционных элементов приводит к ряду недостатков при использовании АБУ шарового типа, в частности, к запаздыванию реакции системы на устранение неуравновешенности ротора (стирального барабана), к снижению точности уравновешивания, повышенному шуму, износу и другим негативным факторам.
В последнее время появились работы по исследованию пассивных АБУ жидкостного типа, которые лишены многих недостатков, присущих шаровым АБУ [7] и др.
Вместе с тем, несмотря на то, что основные положения уравновешивания в жидкостных АБУ являются общими для всех типов и конструкций таких устройств, однако, наличие значительного разнообразия конструкций АБУ жидкостного типа, а также режимных или технологических условий образования дисбаланса, приводит к необходимости проведения исследования каждого отдельного вида пассивных АБУ жидкостного типа.
Одними из наиболее перспективных АБУ жидкостного типа являются конструкции [3], [4], [5], в которых стиральный барабан состоит из коаксиально расположенных наружной и внутренней цилиндрических емкостей, связанных между собой с помощью упругих элементов, позволяющих внутренней емкости упруго перемещаться внутри наружной емкости под действием центробежных сил от неуравновешенных масс текстильных изделий при отжиме. При этом, рабочая жидкость, заключенная герметично между боковыми поверхностями емкостей барабана, обеспечивает создание уравновешивающих масс. На рис.1 показан один из вариантов реализации данного устройства.
На рис.2 показана схема перемещения внутренней емкости при действии на нее внешней силы - центробежной силы ЕЦ, возникающей при неравномерной раскладке текстильных изделий при отжиме. На схеме для исключения загромождения рисунка показана лишь пружина 5 с двумя положениями упругих элементов -
при отсутствии действия силы Ец (точка 5') и при действии силы Ец (точка 5'').
Одним из основных параметров, определяющих эффективность функционирования данной конструкции АБУ, является приведенная жесткость упругих элементов системы в направлении действия центробежной силы ЕЦ, которая определяется жесткостями каждого из установленных упругих элементов, и определяющая силы сопротивления системы перемещению внутренней емкости.
шины с пассивным автобалансирующим устройством жидкостного типа: 1 - стиральный бак; 2 -электропривод; 3 - стиральный барабан; 4 - вал; 5 -подшипниковая опора; 6 - наружная цилиндрическая емкость; 7 - внутренняя цилиндрическая емкость; 8, 9 - эластичные изоляторы;
10 - отверстия перфорации; 11 - эластичные каналы; 12 - упругие элементы; 13 - шарнир
Для нахождения жесткости упругого элемента системы в направлении действия центробежной силы Ец и создаваемой им силы сопротивления рассмотрим схему перемещения произвольно взятой пружины, закрепленной к наружной емкости в точке К (рис.3) и к внутренней емкости в точке К, расположенной под углом Опр к оси Z, при действии силы Ец на внутреннюю емкость вдоль оси Z.
Внутренняя емкость смещается под действием силы Ец вдоль оси Z на величину А! (рис.2 и 3). Соответственно, на эту же величину смещаются все точки внутренней емкости вдоль оси Z, в том числе и точки крепления упругих элементов к внутренней емкости (на рис.3 произвольная точка К смещается на величину А! вдоль оси Z в новое положение К'). Угол между прежним направлением действия
упругих элементов (К - К) и новым направлением (К - К') обозначим как Ьпр.
В соответствии с [1] каждый упругий элемент может быть представлен в виде системы упругих взаимно перпендикулярных элементов, т.е. в виде проекций векторов жесткости на оси неподвижной системы ОYZ.
Тогда пружина в положении (К - К') может быть представлена одной из проекций на ось Z в виде пружины в положении (К - К 'г), а жесткость пружины спрг в положении (К - К' г) будет определяться формулой:
где: спр - жесткость пружины; рпр2 - угол между направлениями действия пружины (К - К") и
(К - К '*).
Здесь:
Рпрг апр - ь пр. (2)
Для определения угла Ьпр проведем отрезок К'А ± КО. Тогда из прямоугольного треугольника КАК" будем иметь:
К"А=Д 8Іпап
(3)
с СОЭ (Зп
(1)
Ец - центробежная сила, вызванная неравномерным распределением текстильных изделий; А! - смещение внутренней емкости под действием силы Ец; 5 - расстояние между боковыми поверхностями емкостей барабана; 1, 2, 3, 4 - точки крепления пружин к наружной емкости; 1', 2' , 3' , 4' - точки крепления пружин к внутренней емкости без приложения силы Ец; 1' ', 2'' , 3'' , 4' ' - точки крепления пружин к внутренней емкости при
приложении силы Ец
КА=Д/ ео8апр.
(4)
(5)
Также имеем:
КА=КК+К А, или с учетом замены:
КА=5+А! ео8 апр. (6)
Из прямоугольного треугольника КАК" получим:
КК" = ^(КА)2 + (КА)2 , (7)
или после преобразования с учетом (3) и (6):
КК'' = а/(Д/ біп а їб) + (8 + Д/ соб а їб)
а также:
КК" = д/д/2 +82 + 28Д/ соб аїб .
(8)
(9)
їап Ьї
Угол Ьпр определим из соотношения
КА
КА
*ап Рїб =
Д/ біп а
їб
8 + Д/ соб а.
(10)
с
2
б
б
откуда:
Ґ
Рї б = агСап
А/ бій а
Л
їб
8 + А/ соб а.
(11)
С учетом этого формула (2) примет вид:
Ґ
Рї
А/ бій а.
Л
8 + А/ соб а
. (12)
їб у
Длину проекции пружины /прг на ось 2 определим как сумму:
/прг=5со8апр +А1. (14)
Откуда, сила сопротивления ¥пръ пружины в направлении оси 2 может быть определена по формуле:
-^прг спрг*А1, (15)
или, с учетом замен:
Тогда жесткость пружины спрг в положении (К - К'г) с учетом (1) и (12) будет определяться формулой:
^бг = СїбА/ соб
а їб - агСап
Ґ
аї б - агйап
А/ бій а.
8 + А/ соб а.
Л
б У
(13)
^ А/ бій аїб ^ ^ 8 + А/ соб аї б у (16)
Рисунок 3. Схема перемещения произвольно взятой ¿-той пружины при действии силы ^ц вдоль оси 2:
Кв - радиус внутренней емкости барабана; Ян - радиус наружной емкости барабана
Рассмотрим, как будет изменяться сила сопротивления пружины ^пр2 в зависимости от угла наклона пружины апр к оси 2.
Зададимся значениями спр, А1 и 5. В бытовых стиральных машинах для упругой подвески моечного узла применяют две или четыре пружины жесткостью спр=2500...4000 Н/м. С учетом того, что в рассматриваемом АБУ количество пружин, очевидно, не может быть меньше шести, то примем спр=500 Н/м.
Расстояние 5 между стенками внутренней и наружной емкостей барабана с учетом ограничения габаритных размеров стиральной машины предположительно не должно быть более 0,05 м, т.е. 5<0,05 м.
Как известно, амплитуда виброперемещений подвесной части стиральных машин при центробежном отжиме в установившемся режиме обычно не превышает 0,003 м, при резонансе 0,009 м [5]. Тогда, с учетом того, что внутренняя емкость должна перемещаться под действием возмущающей силы на относительно значимое расстояние, примем А/=0,01 м.
На рис.4 показана полученная зависимость силы сопротивления ^пр2 пружины от угла ее наклона апр.
Расчеты показали, что максимальные значения сил упругого сопротивления пружины, как и предполагалось, соответствуют углам апр=0° и апр=180°, то есть, в случае расположе-
б
б
б
ния пружины вдоль оси 2 и направления действия приложенной силы ^ц.
Угол а, град
Рисунок 4. Зависимость силы сопротивления пружины от угла ее наклона апр
Вместе с тем, обращает на себя внимание тот факт, что локальный минимум на графике ^^(ащ,) не соответствует, как можно было предварительно предположить, углу апр=90°, а несколько смещен в сторону апр>90°. Это объясняется особенностями геометрических соотношений между параметрами изменения длины и угла наклона пружины, расположенной в окрестности угла апр=90°, при перемещении внутренней емкости по оси 2. При этом очевидно, что величина смещения локального минимума исследуемой функции вдоль оси аргумента апр непостоянна и определяется такими параметрами как спр, А1 и 5.
Таким образом, выше была получены формулы, позволяющие определять параметры перемещения произвольно расположенного упругого элемента и силы его сопротивления при воздействии внешней (центробежной) силы, вызванной неуравновешенными массами отжимаемых текстильных изделий. Полученные формулы позволяют при дальнейших исследованиях данного АБУ проводить анализ сило-
вых, жесткостных и геометрических параметров системы упругих элементов рассматриваемого устройства с целью выбора их рациональных значений, обеспечивающих максимальную эффективность данного АБУ.
Литература
1. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. Т. 6. Защита от вибрации и ударов — М.: Машиностроение, 1981. 456 с.
2. Малыгин, А.В. Снижение виброактивности стирально-отжимных машин бытового назначения [Текст]: дис. ...канд. техн. наук: 05.02.13: Малыгин А.В. - М., 1991.- 127с.
3. А.с. 1581795 СССР МПК5 Б 06 Г 37/00. Машина для стирки и отжима белья [Текст] / В.И. Малыхин, С.Н. Алехин (СССР). - № 4442163;
заявл. 15.06.1988; Опубл. 30.07.1990, Бюл. № 28. -12 с.
4. Пат. 2469138 РоссийскаяФедерация, МПК
Б06Г39/00. Стиральная машина барабанного типа [Текст] / Алехин С.Н., Петросов С.П., Алехин А.С., Кузнецов А.Е. ; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") № 2011128109/12 Опуб. 10.12.2012, Бюл. №34.
5. Пашков, Е. Н. Динамика роторных систем с жидкостными автоматическими балансирующими устройствами [Текст]: дис. ...канд. техн. наук: 01. 02.
06. Пашков, Е. Н. 2010 - 130с.
6. Махов Д. П. Разработка и исследование способа снижения виброактивности стиральных машин барабанного типа при отжиме [Текст]: дис. ...канд. техн. наук: 05.02.13: Махов Дмитрий Петрович. 2009. - 200с.
7. Автобалансирующие устройства прямого действия / А.А. Гусаров. - М.:Наука, 2002.-119 с.
8. Пашков Е. Н. Динамика роторных систем с жидкостными автоматическими балансирующими устройствами [Текст]: дис. ...канд. техн. наук: 01. 02. 06 Пашков Евгений Николаевич. - М 2010.-130с.
1 Желтушкин Леонид Сергеевич — аспирант кафедры "Машины и оборудование бытового и жилищнокоммунального назначения", ИСО и П (филиал) ДГТУ, моб.: +7906 182 54 00, e-mail: leоnid.aspr@yandex.ru;
2Алехин Сергей Николаевич — кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры "Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения ", ИСО и П (филиал) ДГТУ, моб.: +7 906 182 54 00, email: alex_cn@mail.ru;
3 Петросов Сергей Петрович — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой "Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения", ИСО и П (филиал) ДГТУ, тел:+7 928 213 36 04, e-mail: petrosov217@rambler.ru;
4Лепеш Григорий Васильевич — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой "Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения", СПбГУСЭ, тел.: (812) 368 42 89, моб.: +7 921 751 28 29, e-mail: gregoryl@yandex.ru
