基于ADAMS的干洗机滚筒悬浮系统振动特性研究

薛铜龙， 屈阳

（河南理工大学 机械与动力工程学院，河南 焦作454003）

0 引 言

干洗机是借助化学溶剂与机械能的共同作用洗涤衣物的机械，并且能够对衣物进行脱剂、烘干，同时对洗涤后的溶剂具有过滤净化、回收再利用等功能。干洗比一般的水洗去污能力强，干洗后衣物不易褪色，不产生褶皱，深得人们的喜爱。另一方面，普通水洗洗衣机由于洗涤助剂的漂除需要大量的淡水，而干洗技术不需要淡水，节约了淡水资源，因此干洗技术目前得到快速发展。

新型石油溶剂的应用对干洗机的性能也提出了更高的要求，比如要求干洗机滚筒具有较高的转速，随着滚筒转速的提高，干洗机的振动也更加剧烈，进而出现各种由振动引起的故障。本文主要是针对干洗机高转速下的剧烈振动问题展开研究，对新型干洗机的设计开发具有重要的理论价值和工程指导意义。

1 基于ADAMS悬浮系统虚拟样机的建立

1.1 模型的简化及假设

ADAMS/View的机械系统仿真模块的功能是比较强大的，可以实现对复杂机械系统的仿真，但在仿真时也没必要过分追求模型的细节部分与实际情况完全一致，只需考虑影响虚拟样机性能的关键构件即可。悬浮系统的关键部件主要有减振弹簧、阻尼器、配重等。为了保证仿真分析的精度，在虚拟样机中这些关键部件应与物理样机保持一致。为了方便研究，在建模中对模型进行简化，例如忽略螺栓、螺母、垫片等质量较小的零部件；不考虑各运动副间的摩擦；除弹簧和阻尼器外，其他零部件均视为刚体；不平衡衣物造成的偏心质量视为定质量，并始终刚性地固定在内筒壁上等。

1.2 定义属性和添加约束关系

ADAMS/View中，给每个构件赋予材料、质量和名称等属性。根据各构件间的实际关系定义他们之间的约束类型，主要构件之间的约束关系见表1。

表1 主要构件之间的约束关系

1.3 模型的验证

为了保证建立的虚拟样机的准确性，必须对样机进行全面的检查，包括自由度、够件属性、过约束情况等。在建模过程中也要随时检查，以便准确找到错误位置。Adams对模型具有自查功能，验证结果如图1所示，模型验证正确。完善后的虚拟样机模型如图2所示。

图1 模型验证信息

图2 滚筒悬浮系统虚拟样机模型

2 悬浮系统振动特性分析

为了便于描述滚筒悬浮系统整体的振动情况，本文建立一个随体坐标系XYZ，并固定于O点滚筒质心处，如图3所示，X向表示水平方向，Y向表示垂直方向，Z向表示沿滚筒轴向。本文取滚筒质心O点作为测量点，根据此测量点O的振幅来研究悬浮系统的振动性能。

2.1 滚筒转速和偏心质量大小对滚筒振幅的影响

图3 虚拟样机随体坐标系示意图

2.1.1 偏心质量的确定

根据实际测试，一般滚筒洗衣机在额定洗涤容量下甩干，工作所产生的偏心质量为额定洗涤容量的10%～20%的范围内[1-2]。

本型号干洗机的额定洗涤容量为15 kg，偏心质量按照额定洗涤容量的最大值20%计算，即15 kg×20%=3 kg。考虑到实际工作条件下可能出现超载情况，取最大偏心质量5 kg。

为了研究滚筒转速和偏心质量大小对滚筒振幅的影响，将偏心质量按1 kg、3 kg、5 kg分3组进行仿真。每组按内筒转速为400 r/min（2400°/s）和650 r/min（3900°/s）两种工况条件进行。通常忽略洗衣机滚筒的轴向振动[3-6]，因此本文重点研究X向（水平方向）、Y向（垂直方向）的振动。驱动转速在5 s内增加至400 r/min（2400°/s），然后保持匀速。从静平衡位置处开始仿真。仿真运行结束后，对数据进整理。

2.1.2 仿真结果分析

图4、图5分别为内筒转速为400 r/min和650 r/min时，3组偏心质量对滚筒振幅的影响规律。通过分析图4与图5可知：偏心质量不变时，滚筒在X、Y方向的振幅随转速的增大而增大，转速的增大还改变了滚筒的振动频率，使振动加剧。当转速一定时，随着偏心质量的增大，滚筒在X、Y方向的振幅呈增大的趋势，且比转速增大时更显著。转速和偏心质量的增大都是引起振动加剧的主要原因。

图4 内筒转速400 r/min

图5 内筒转速650 r/min

此外，通过仿真分析还发现，滚筒在X、Y方向的最大振幅均出现在0～5 s内，即滚筒加速阶段，这主要是因为在这一阶段经过了引起共振的临界转速；在经过最大振幅之后，滚筒振幅开始减小，最终达到稳态，这主要是因为驱动转速不断增大，经过了临界转速区，最终保持不变，且在整个过程中阻尼器不断地耗散振动产生的能量。

2.2 偏心质量的位置对滚筒振幅的影响

在实际工况下偏心衣物在内筒中的分部是不均匀的，为了便于进行仿真分析，本文将偏心质量在内筒中的分布分为前、中、后、对称4种类型，如图6所示。在驱动转速650 r/min、偏心质量为3 kg的工况下，通过仿真分析可以得到四类偏心质量分布情况下滚筒最大振幅如图7 所示，由图7可知：

1）与其他3类偏心分布相比，Ⅰ类偏心分布情况下，滚筒在X、Y方向的最大振幅均较大，因为滚筒轴在后部，前部偏心具有较大的弯矩，所以对滚筒振动的影响比较明显。因此Ⅰ类偏心质量分布情况是最为恶劣的工况条件。

图6 偏心质量的分布类型

2）每一类偏心质量分布对滚筒两个方向振幅影响程度也各不相同，因此偏心质量的分布位置也是影响悬浮系统振动特性的主要因素，但是由于洗涤过程中，偏心质量的分布是不可控的，所以只能通过其他途径尽可能地将其影响降至最低。在优化设计时，可以采用Ⅰ类偏心质量分布的工况，可以得到更好的优化结果。

图7 不同偏心分布下的滚筒最大振幅值

3 结 语

本文基于MSC. ADAMS建立了干洗机悬浮系统的虚拟样机模型；以滚筒振幅为研究对象，通过对该虚拟样机模型在不同驱动转速、不同偏心质量下仿真结果的分析，探究悬浮系统工作过程的动态特性与其振动机理，可知造成悬浮系统振动的主要因素是偏心质量和驱动转速的变化，通过对4种类型偏心质量分布下滚筒最大振幅的比较，偏心质量的分布位置也是影响悬浮系统振动特性的主要因素，同时分析出了最为恶劣的工况，也是优化设计时的最佳工况。虚拟样机设计流程回避了对各种非线性复杂因素进行理论分析的困难，使研究更接近实际。