Снижение сил сопротивления при вращении стирального барабана в процессе отжима

Известно, что энергопотребление стиральных машин при вращении барабана в процессе центробежного отжима определяется суммой сил сопротивлений, одной из которых является сила трения F тр , возникающая в подшипниковой опоре барабана [1]. Установлено, что основным фактором, обусловливающим силу F тр является переменная нагрузка, возникающая при воздействии на систему неуравновешенной (центробежной) силы F _ц от неуравновешенных масс текстильных изделий в период отжима.

Наиболее эффективным способом снижения динамических нагрузок, а соответственно и энергопотребления, в стиральных машинах при центробежном отжиме является ис- пользование автобалансирующих устройств (АБУ).

В последнее время в ряде публикаций ([2], [3] и др.) появилось описание конструкций жидкостного АБУ пассивного типа с вытесняемой жидкостью, обладающей рядом важных преимуществ по сравнению с известными устройствами. Особенностью АБУ данного типа является наличие уравновешивающей жидкости, заключенной в герметичной заполненной без пустот межстенной полости, образованной боковыми стенками двух цилиндрических ёмкостей – внутренней, являющейся, по сути, стиральным барабаном, упруго перемещающейся внутри наружной ёмкости, соединённой с валом привода.

В работах [4] и [5] были описаны отдельные вопросы теоретических основ определения параметров АБУ данного типа, в том числе остаточной неуравновешенной силы. Вместе с тем, многофакторность процесса уравновешивания определила сложность реализации проведения расчётов, изложенных отдельными частями в опубликованных работах.

В данной работе авторами приведены результаты анализа теоретических основ определения конструктивных и силовых параметров АБУ, установлены базовые формулы и разработана на их основе методика расчёта.

Исходными параметрами для расчёта являются:

• -    величина номинальной загрузки машины сухими текстильными изделиями т ₀ , кг;

• -    диаметр d _B , м, внутренней ёмкости АБУ (укажем, что здесь диаметр d в , по сути, является диаметром барабана d _Б для стиральных машин без АБУ и определяется по известным формулам в зависимости от загрузки машины т о );

• -    длина L _B , м, внутренней ёмкости АБУ (укажем, что здесь длина L в , по существу, является длиной барабана L _Б для стиральных машин без АБУ и определяется по известным формулам в зависимости от загрузки машины m 0 и диаметра d _B );

• -    масса т в , кг, внутренней ёмкости, зависящая от конструктивных особенностей машины и барабана;

• -    частота вращения ю _Буст барабана в период установившегося процесса отжима;

• -    плотность уравновешивающей жидкости р ж (укажем, что плотность наиболее известных жидкостей изменяется обычно в незначительных пределах: р ж =800^1200 кг/м³, однако, следует отметить, что плотность растворов может быть несколько выше, например солевых до 1400 кг/м³);

• -    величина остаточной осадки упругих элементов АБУ h сж , которая в зависимости от схемы установки упругих элементов может быть равной нулю h _сж =0 или иметь какое-либо значение, определяемое характеристиками упругих элементов;

• -    текущие значения в произвольный момент периода отжима T _om.i массы т б отжимаемых изделий, эксцентриситета г еб и частоты вращения барабана ю _Б определяют по методике, приведённой в диссертации Фетисова И.В. [6].

Определяемые параметры: с - суммарная жёсткость упругих элементов АБУ; A l -перемещение внутренней ёмкости; D_h - наружный диаметр барабана; т ж - масса уравновешивающей жидкости; L _ж - длина межстенной полости; AF _ц - остаточная сила.

Последовательность выполнения расчёта:

• 1)    Так как было установлено [4], что полное уравновешивание возможно только в определенный момент периода отжима T _om.i =т_{о т}._ур , соответствующего определенной частоте ®R i =^Б ур > вращения барабана, то предварительно необходимо произвести выбор данного момента периода отжима τ от.ур , при котором выполняется условие полного уравновешивания:

F ц = F yp , где F _ц - центробежная (неуравновешенная) сила от неуравновешенных масс отжимаемых текстильных изделий; F _уp - уравновешивающая сила от массы уравновешивающей жидкости в межстенной полости.

При этом, наиболее предпочтительными являются два варианта: 1 - выбор т _от._ур , при котором неуравновешенная (центробежная) сила F _ц принимает максимальное значение F _{ц шах}; 2 - выбор т _от._ур , при котором наступает резонанс колебательной системы τ от.рез . Здесь момент наступления резонанса т _от._рез и момент т от. max , при котором формируется максимальное значение F _ц max , вычисляется по методике, приведённой в диссертации Фетисова И.В. [6], причём, установлено, что максимальное значение неуравновешенная сила F _ц принимает в момент окончания периода разгона барабана и начала периода установившегося вращения. Однако, возможны и другие варианты выбора ^т от.ур .

• 2)    Для данного выбранного момента периода отжима т от.ур определяют текущие значения массы т _б.ур отжимаемых изделий, эксцентриситета г _е._б._ур и частоты вращения барабана <у_Б._ур по методике, как было указано выше, приведённой в диссертации Фетисова И.В. [6].

• 3)    Задают диапазон возможных значений диаметра наружной ёмкости D н , исходя из ус ^лови я: d h ^[ d e ^{+2( A} l ^{+ h} сж )], где ^h сж 0... ^h сж. шах .

Здесь минимальные значения D_{h шin} ограничены диаметром внутренней ёмкости d _в , а максимальные - габаритными размерами машины, что предполагает максимальное значение диаметра D_{h шах}=0,6 м. Таким образом, имеем: d _B < D_h <0,6 м. Однако, могут быть приняты и другие максимальные значения диаметра D_{h шах}.

• 4)    Задают значение коэффициента длины межстенной полости k Lж . Так как предполагается, что длина L _ж межстенной полости не может больше длины L _Б барабана, то есть, k t min < ^ж < k t шах , где коэффициент длины барабана обычно принимают k L =0,3...0,8, то и значения k _Lж находятся также в диапазоне к _Бж =0,3...0,8 с учётом условия k L ш_Ш < к ьж <  k t шах .

• 5)    Определяют массу уравновешивающей жидкости т _ж по формуле:

  m_ж

  
  

  ф_м² - d_e ²).    ,

  нв

  Lж в ^р ж .

  
  

  6) Определяют величину перемещения А 1 ур для выбранного момента т от.ур периода отжима, соответствующего полному уравновешиванию, по формуле:

  
  

  10) Определяют остаточную силу

  АF _ц =( F _ц - F _yp ) для всего периода отжима по формуле:

  
  

  АF ц

  
  

  (

  ^тб r e . б ^{+А 1 т}б ^{+ т}в

  I

  
  

  —

  
  

  m

  
  
  
  

  ^{А 1} ур

  
  

  ^тб . ур r e . б . ур ⁽ d h   ^dв '

  
  

  m „d^ — ( m^ + т т \d„ — d^ ) ж в      б . ур     в н     в

  
  

  Если полученные значения не удовлетворяют заданным требованиям, то производится корректировка значения k _Lж и расчёт повторяют. Из полученных значений для дальнейшего расчёта выбирают наиболее приемлемые с точки зрения конструктивных требований к стиральной машине.

  7) Определяют минимально допустимое значение суммарной жёсткости с , Н/м, упругих элементов АБУ по условию:

  с > ( m б ю Б ) ,

  где т Б = ( т б + т в ) - неуравновешенная масса барабана.

  Здесь возможны два случая: 1 – расчёт с производят для момента т от.ур периода отжима по формуле с>(т_{Б yp}2By _Р), при этом, на ос-

  
  

  тальных промежутках периода отжима возможно возникновение непредсказуемой значительной неуравновешенной силы F ц ; 2 – расчёт с производят для всего периода отжима, на основании которого выбирают максимальное значение с , соответствующая максимальному значению F ц max , при этом на остальных промежутках периода отжима возникает неуравновешенная сила F ц , не превышающая, как показали исследования, неуравновешенную силу F ц в стиральных машинах без АБУ. Таким образом, наиболее предпочтительным является 2-й вариант. Первый вариант может быть принят в случае острой необходимости снижения именно резонансных колебаний в ущерб другим значениям колебаний.

  • 8)    Вычисляют суммарную жёсткость с , Н/м, упругих элементов АБУ для условий 1-го или 2-го случая, используя формулу:

  2 ^тб^ге 6^ю c = Ы Б ^{+ (} т б ⁺ т в ^Б ,

  при этом, должно быть учтено условие: с > ^{( т} Б ^ю Б ' .

  • 9)    Вычисляют перемещение А l внутренней ёмкости для всего периода отжима по фор-

  
  

  муле:

  
  

  А l =

  
  

  ^тб re . б ^ю Б c ^{—( т}б ^{+ т}в ^)ю Б

  
  

  d в ²

  
  

  D _H2 — d_e ², нв

  
  

  ю Б .

  
  

  причём для выбранного момента т от.ур периода отжима должно выполняться условие АF _ц =0.

  Приведённая методика позволяет определять основные параметры АБУ с вытесняемой жидкостью. Итоговый результат вычислений, выраженный в определении остаточной неуравновешенной силы А F _ц , позволяет использовать полученные данные при исследовании сил сопротивления при вращении стирального барабана в период центробежного отжима текстильных изделий с целью выбора рациональных параметров АБУ, обеспечивающих эффективное снижение динамических нагрузок и, как следствие, энергопотребления стиральных машин.

  
  

  Литература

  • 1.    Лебедев В.С. Технологические процессы машин и аппаратов в производствах бытового обслуживания / В.С. Лебедев. – М.: Легпромбытиздат, 1991. – 336 с.

  • 2.    Желтушкин Л.С. Автобалансировочное устройство жидкостного типа для стиральных машин с центробежным отжимом. / Л.С.Желтушкин, С.Н.Алехин // Вестник Северо-Кавказского гуманитарного института: ежеквартальный научнопрактический журнал. г.Ставрополь.– №1(5)2013.– Ростов-на-Дону: ИП Соколовская С.Н. (типография «Аспект») , 2013.– 365 с.– С.166-170.

  • 3.    Патент на изобретение №2516147 РФ, кл. С1D06F 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.

  • 4.    Алехин С.Н. Исследование процесса перемещения внутренней емкости автобалансирующего устройства с вытесняемой жидкостью стиральных машин / С.Н.Алехин, Л.С.Желтушкин, А.С.Алехин // Технико-технологические проблемы сервиса/ – 2014, №3(29) – с. 32-37.

  • 5. Алехин С.Н. Формирование уравновешивающих масс при силовом смещении внутренней ёмкости автобалансирующего устройства стиральной машины / С.Н.Алехин, Л.С.Желтушкин, А.С.Алехин, А.Е.Кузнецов // В мире научных открытий. Красноярск: Научно-инновационный центр. 2014. №6.1(54) (Естественные и технические науки). – с.640-656.

  • 6.    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.