CC BY
41
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
УДК 648.23
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЕМКОСТИ АВТОБАЛАНСИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА С ВЫТЕСНЯЕМОЙ ЖИДКОСТЬЮ СТИРАЛЬНЫХ МАШИН
С.Н. Алехин1, Л.С. Желтушкин2, А.С. Алехин3
Институт сферы обслуживания и предпринимательства {филиал) Донского государственного технического университета (ИСОиП {филиал) Д1 ТУ),
346500, Шахты, ул. Шевченко, 147
В работе приведены теоретические основы процесса перемещения внутренней емкости автобалансирующего устройства с вытесняемой жидкостью стиральных машин и процесса формирования уравновешивающих масс. Разработана методика расчета основных параметров процесса перемещения внутренней емкости.
Ключевые слова: стиральная машина, центробежный отжим, вибрация, колебания, автобалансирующее устройство.
RESEARCH OF PROCESS OF RELOCATION OF INTERNAL CAPACITY OF THE AUTOBALANCING DEVICE WITH THE FORCED-OUT LIQUID OF WASHING MACHINES
S. N. Alekhin, L.S. Zheltushkin, A.S. Alekhin
Institut service sector and enterprise (branch) of the Don State Technical University (ISOiP (branch) DGTU), 346500, Schachty, str. Shevchenko, 147 Theoretical bases of process of conveyance of internal capacity of the autobalancing device with the forced-out liquid of washing machines and process of formation of the counterbalancing masses are given in work. The method of calculation of critical parameters of process of conveyance of internal capacity is developed.
Keywords: the washing machine, a centrifugal extraction, vibration, fluctuations, the autobalancing device.
Одним из наиболее перспективных способов снижения виброактивности стиральных машин с горизонтальной осью вращения является использование жидкостных автобалансирующих устройств (АБУ) пассивного типа. Обоснованность данного вывода связана, в первую очередь, с появлением новых схем и технологий использования свойств жидкостных АБУ, позволяющих при незначительных затратах наих модернизацию повысить эффективность борьбы с вибрацией в стиральных машинах при центробежном отжиме.
В настоящее время одними из таких перспективных АБУ являются устройства, в которых уравновешивающие массы формируются за счёт рабочей жидкости, заполняющей без пустот межстенную герметичную полость и вытесняемую внутренней ёмкостью с упругими связями, к которой приложена центробежная сила от неуравновешенных масс текстильных изделий, в область противоположную направлению действия этой силы (так называемые, жидкостные АБУ с вытесняемой жидкостью) [1], [2].
1 Алехин Сергей Николаевич - кандидат технических наук, профессор кафедры "Технические системы ЖКХ и сферы услуг" ПСОиП (филиал) ДГТУ, моб.: +7 903 402 91 70, e-mail: alexcn&mail.ru;
2Желтушкин Леонид Сергеевич - аспирант кафедры "Технические системы ЖКХ и сферы услуг" ПСОиП (филиал) ДГТУ, моб.: +7 906 618 54 00, e-mail: leonid.asvr&vandex.ru:
3Алехин Алексей Сергеевич - кандидат технических наук, доцент кафедры "Технические системы ЖКХ и сферы услуг" ПСОиП (филиал) ДГТУ, моб.: +7 960 46 45 955, e-mail: alekalh&vandex. г и
Однако, жидкостные АБУ с таким принципом действия до настоящего времени не нашли широкого применения в стиральных машинах, что связано, главным образом, с практически отсутствием результатов научных исследований данных устройств и обоснованных рекомендаций по выбору их рациональных параметров, обеспечивающих эффективность снижения виброактивности при отжиме.
Для решения поставленных задач проведем анализ процесса перемещения внутренней емкости АБУ при действии на нее неуравновешенной силы К,б. На рис. 1 показана схема смещения внутренней ёмкости при силовом воздействии на неё центробежной силы Рц,б вдоль оси ОХ от неуравновешенных масс текстильных изделий (белья) тб в период центробежного отжима.
В результате действия на внутреннюю ёмкость силы Рц.б=тбо'зБ2ге.б, где т6 - масса текстильных изделий (белья), кг; аБ - частота вращения барабана при отжиме, рад/с; ге,6 -эксцентриситет неуравновешенных масс текстильных изделий, м, происходит её смещение относительно оси вращения барабана на величину А1, что приводит к формированию дополнительной неуравновешенной силы Рц,в:
Рц.в=тваБ2 А/, (1)
где тв - масса внутренней ёмкости, кг; А1 -смещение внутренней ёмкости под действием силы к,0- вдоль оси ОХ (другими словами, эксцентриситет массы внутренней ёмкости относительно оси вращения барабана), м.
Рисунок 1 - Схема смещения внутренней ёмкости: - диаметр барабана (диаметр на-
ружной ёмкости), йвЛ - диаметр внутренней ёмкости; г- эксцентриситет центра масс кольца рабочей жидкости; Д/ - силовое смещение внутренней ёмкости; - внешнее силовое воздействие в виде центробежной силы от неуравновешенных масс текстильных изделий (белья) т6 в период центробежного отжима; - уравновешивающая сила
При этом эксцентриситет ге.б центра масс отжимаемых текстильных изделий увеличивается на величину А/. Тогда центробежная сила Рц.о от неуравновешенных масс отжимаемых текстильных изделий с учётом эксцентриситета (ге.о+А/) будет определяться зависимостью:
Рц.б=тб(йБ2(ге.б+Ы). (2)
Таким образом, при смещении внутренней ёмкости формируется суммарное усилие (центробежная сила Рц от неуравновешенных масс барабана) Рц=Рц.в+Рц.б, направленное вдоль линии действия центробежной силы к,б и воздействующее таким образом через упругие элементы АБУ на её внешний каркас и, соответственно, на подвесную часть стиральной машины в виде динамической нагрузки:
или
р,=аБ- [твА1 + тб(ге.б+А1)\, F4=а б2 [т6ге.6 + (тб +тв)А1].
(3)
(4)
Силовому воздействию силы Рц на внутреннюю ёмкость оказывается упругое сопротивление со стороны упругих элементов АБУ в виде силы Ру„:
Руп = А/ • с, (5)
где с - жёсткость упругих элементов АБУ в направлении действия силы Рц,б вдоль оси ОХ, Н/м.
Так как в рассматриваемой системе выполняется условие:
F4=Fy,b
(6)
то в соответствии с (4) и (5) будем иметь:
(Об2 [т6ге.б + (т6 +тв)А1]=А/ • п. (7)
Откуда перемещение внутренней ёмкости при воздействии на неё силы Рц будет определяться зависимостью:
Д/ =
™5Ге.5®Б
с-(тб+те)
ш;
(8)
Полученная формула (8) соответствует тем решениям, которые ранее были получены при рассмотрении задач подобного типа. В частности в книге [3] приводится аналогичное решение при рассмотрении движения тела с упругой связью вдоль стержня, вращающегося вокруг оси.
Отметим, что функция (8) имеет смысл
при с — (тб + тв')со2Б >0. То есть, система упругих элементов АБУ будет адекватно реагировать на входное силовое воздействие и выполнять свои функции при условии:
о (пи +/и,)со
2
(9)
где, обозначив неуравновешенную массу (т6+тв} вращающегося барабана через тБ, получим:
с>(тБ&Б).
(10)
Определим возможные диапазоны жёсткости с упругих элементов АБУ. Зададимся значениями входящих в правую часть неравенства (9) параметров. Значения загрузки машины примем исходя из наиболее применяемых величин: т0=5...6 кг (в соответствии с конструктивными особенностями стиральных машин). Текущие значения массы отжимаемых текстильных изделий тб и эксцентриситет ге,б , изменяющихся в течение процесса центробежного отжима, будем определять в соответствии с методикой, приведённой в диссертации Фети-
сова И.В. [4]. Для этого примем частоту вращения барабана при установившемся процессе отжима пБуст= 1000 мин"1 (со104.72 рад/с). Масса тв внутренней ёмкости (в машинах без АБУ - барабана тБ) обычно находится в пределах тв=тБ= 1,0...2,0 кг, примем тв=тБ= 1,5 кг.
Для принятых диапазонов параметров правой части неравенства (9) определим интервал её значений. Графики значений выражения
(ітБыБ)
при различных величинах т6 исо/; приведены на рис.2 и 3.
300000
250000
200000
150000
100000
50000
0
I и ^0=5,2- кП \ 'и V 1 1 1 1 ^0=5,б-кП
т0-~ 5,8* КГІ 710= 6-кгЦ
10,5 04 31,6 42,2 52,7 63,2 00 со" Г-- ча со 00 сто со со га в 1П о ращ Ю о єни ■Л о я т о рал ю о 1/С ю о ю о ю о ю о Ю о Ю о
Рисунок 2 - Графики значений выражения (п1Ба>Б ) в зависимости отсод при различных величинах т6 (для оценки неравенства (9)
Рисунок 3 - Графики значений выражения (п1Ба>Б ) в зависимости от т6 при различных величинах о),; (для оценки неравенства (9)
Как показывают полученные данные, для принятых значений конструктивных и режимных параметров стиральной машины максимальные значения выражения (тБа>Б) соответствуют моменту начала установившегося вращения барабана при аБус„,=104,72 рад/с и находятся в пределах от 220454,2 Н/м (для тб=5
кг) и 261255,2 Н/м (для тб=6 кг), причём значения {гпБЮд) растут пропорционально росту
массы тб отжимаемых текстильных изделий.
Полученные данные позволяют сделать вывод, что для принятых диапазонов значений конструктивных и режимных параметров стиральной машины должно выполняться условие:
0(220454,2...261255,2) Н/м (11)
в зависимости от массы текстильных изделий т6.
Рассчитаем, используя формулу (8), значения перемещений А/ для диапазона жёсткости с=( 100000... 1100000) Н/м.
Графики зависимости А/=Дю£) приведены на рис.4. Причём, с учётом того, что для всех значений принятого диапазона загрузки
машины т0=5...6 кг отрицательные значения А/ наблюдаются на всех графиках при жёсткости с= 100000 Н/м (что соответствует условию неравенства (11)), ТО есть СИЛЫ упругости Ру„ упругих элементов АБУ меньше приложенной нагрузки в виде силы Рц, то на рис.4 показаны два графика - при т,,=5 кг и «?„=6 кг - так как качественное поведение остальных графиков при т0=5,2; 5,4; 5,6 и 5,8 кг аналогично.
а) при от0=5 кг
0,08
0,06
0,04
5 0,02 тз
Ф г,
і 0
О)
I -0,02
5
ш
а.
ф -0,04 -0,06 -0,08 -0,1
10,5 21,1 31,6 42,2 52,7 63,2 73,8 84,3 94 9 105 105 105 105 105 105 105 105 105 105 105
1 с
г
V/ С- О О 000 З/м
частота вращения \м, рад/с
б) при »/()= 6 кг
Рисунок 4 - Г рафики функции А/=Доз /;) (для диапазона с= 100000... 1000000 Н/м)
Для дальнейшего анализа полученных графиков исследуемой функции А/=Дю£) не будем учитывать значения перемещений А/ при жёсткости с= 100000 Н/м (так как, как было указано выше, при этом не выполняется условие (11), то есть такая жёсткость недостаточна для создания адекватного упругого сопротивления упругих элементов АБУ центробежной силе р,,
приложенной к внутренней ёмкости АБУ). Полученные графики представлены на рис.5.
Анализ полученных данных показывает, что функция А/=Дсо£) имеет локальный максимум, соответствующий началу установившегося режима вращения барабана при часто-тео)/;= 104.72 рад/с и обусловленный режимными особенностями протекания процесса отжи-
ма. Здесь рост значений А/ на левой ветви кривой графиков обусловлен ростом частоты вращения барабана при его разгоне отю£=0 до ®бУсп,=104,72 рад/с, а соответственно и ростом центробежной СИЛЫ Рц.
Последующее снижение значений А/ на правой ветви кривой графиков обусловлено снижением центробежной силы Рц, что вызвано
снижением массы отжимаемых текстильных изделий тб.
Аналогичное поведение функции возмущающей силы К,=Д(»в) показано в диссертации Фетисова И.В. [4], что говорит о достоверности полученных результатов исследования функции А/=Дсо£).
а) при т0=5 кг
0,07
0,06
0,05
~о
Ф
S
X
ф
3
ф
s
ф
0,04
0,03
с=300000 Н/м с=500000 Н/м\ с=700000 Н/м c=9000Q0
>=1100000 Н/м 1300000 Н/м
1500000 Н/м
1700000 Н/м .с= 1900000 Н/м
10,54 21,08 31,62 42,16 52,71 63,25 73,79 84,33 94,87 104,7 104,7 104,7 104,7 104,7 104,7 104,7 104,7 104,7 104,7 104,7
частота вращения w, рад/с
0,02
0,01
0
б) при т0=6 кг
Рисунок 5 -Графики функции Д/=Дозв) (для диапазона с=300000... 1000000 Н/м)
Рассмотрим изменение величины перемещения А/ в зависимости от жёсткости с упругих элементов АБУ. Анализ графиков на рис.5 показывает, что поведение функции А/=Дс) для одного и того же периода времени отжима носит качественно одинаковый характер при различных значениях жёсткости с. Таким образом, достаточно рассмотреть поведение функции А/=Дс) для одного периода времени отжима, в
качестве которого примем время отжима, соответствующее максимальному перемещению А1тах подвесной части, что соответствует, как было показано выше, началу установившегося вращения барабана при установившейся частоте к)Буст (в данном случае это 104.72
рад/с).
На рис. 6 показан график зависимости А/тах=Дс) при «>£,,„„=104,72 рад/с.
Рисунок 6 -Зависимость Д/тах=Дс)
Полученные результаты показывают, что в данном случае перемещение А/ является нелинейной функцией жёсткости с (как это очевидно и из формулы (8)), хотя, как известно, в традиционных упругих системах наблюдается линейная связь между приращением (или сокращением) А/ длины упругого элемента и его
•• л; р
жесткостью с: Д/ = — .
с
Такой «парадокс» объясняется тем, что для линейной зависимости А/тах=Дс) необходимо, чтобы и приложенная сила Р носила также линейный характер. Вместе с тем, в упругой системе АБУ происходит процесс формирования перемещений А/ внутренней ёмкости под действием силы Рц, при котором изменение жёсткости с ведёт изначально к линейному изменению перемещения А/, которое, в свою очередь, в соответствии с формулой (4) определяет приложенную нагрузку в виде силы Рц, которая, также в свою очередь, определяет величину перемещения А/, что в итоге формирует нелинейную зависимость А/тах=Дс).
Анализ функции А/тах=Дс) также указывает на то, что в принятом диапазоне жёсткости с=300000... 1000000 Н/м (для принятых конструктивных и режимных параметров стиральной машины, кроме с= 100000 Н/м) упругих элементов АБУ были получены приемлемые значения перемещения А1 внутренней ёмкости, не превышающие 0,07 м, реализация которых вполне возможна в реальных стиральных машинах барабанного типа.
Предложенный в данной работе научный подход к определению перемещения внутренней ёмкости АБУ и полученные математические зависимости позволяют более детально исследовать процесс формирования уравновешивающих масс и сил в АБУ с вытесняемой жидкостью.
Литература
1. Желтушкин Л.С. Автобалансировочное устройст-
во жидкостного типа для стиральных машин с центробежным отжимом. / Л. С. Желтушкин,
С.Н.Алехин // Вестник Северо-Кавказского гуманитарного института: ежеквартальный научно-
практический журнал, г.Ставрополь,- №1(5)2013,-Ростов-на-Дону: ИП Соколовская С.Н. (типография «Аспект»), 2013,- 365 с.- С. 166-170.
2. Патент на изобретение №2516147 РФ, кл. СШОбБ 37/00. Стиральная машина барабанного типа / Алехин С.Н., Петросов С.П., Желтушкин Л.С., Алехин А.С., Лалетин В.И., Кузнецов А.Е. Опуб. 20.05.2014, Бюл.№14.
3. Бать М.И. Теоретическая механика в примерах и задачах. Т2. Динамика / М.И. Бать, Г.Ю. Джанелидзе, А. С. Кельзон. - М: Наука, 1968. - 608 с.
4. Фетисов И.В. Исследование случайных воздействий на вибрационные характеристики стиральных машин барабанного типа при отжиме: Дис. ...канд. техн. Наук: 05.02.13 / В.Г. Фетисов. - Шахты, 2011. -204 с..’
