波轮洗衣机平衡环的基本设计原理及优化设计

厉华

【摘 要】平衡环组件是洗衣机脱水桶组件的重要组成部分，平衡环组件设计会直接影响到洗衣机的振动性能的好坏和噪音的高低。论文除了讲述在设计平衡环应该考虑或者注意的内容外，还结合作者在生产和市场反馈碰到的设计难题采取对策，并对设计技巧进行说明。

【Abstract】The balance ring component is an important part of the tumble dryer assembly of the washing machine. The design of the balance ring component will directly affect the vibration performance of the washing machine and the noise level. In addition to the contents that should be considered or paid attention to in the design of the balance ring， the author also adopts the countermeasures in combination with the design difficulties encountered in the production and market feedback， and explains the design techniques.

【关键词】平衡环；盛水桶振动形态；流体移动分析；优化设计

【Keywords】balance ring； vibration form of the bucket； fluid movement analysis； optimization design

【中图分类号】TM925 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）05-0193-04

1 引言

随着人们生活水平的逐步提高及生活节奏的加快，洗衣机产品已经成为现代家庭生活中一个必不可少的必需品，现在基本上每户家庭都已经拥有了一台全自动洗衣机了，洗衣机产品的振动噪音及长期使用性也随之更加受到人们的关注，而平衡环组件是影响洗衣机振动和噪音的一个极其重要的零件，一个好的平衡环组件的设计不仅可以减少洗衣机的振动性能，有效改善噪音水平，从而确保洗衣机长期运行的可靠性，而且可以通过优化设计，提高产品的维修便利性。整体而言，洗衣机的平衡环的设计既可以提升产品的基本性能，又可以提升维修的便利性。因此洗衣机平衡环的优化设计是非常有必要的，本文将采用平衡环实现平衡性矫正的原理分析，平衡环设计的基本思路及针对近几年市场投诉应对的优化设计，进行一些观点的阐述，并结合实际的案例进行验证，希望给技术人员进行平衡环的设计，少走一些弯路，或者针对设计人员在应对市场上碰到类似问题点时，希望可以受到一点提示启发。

2 原理分析

2.1 不同脱水转速盛水桶的振动形态

图1不同脱水转速下盛水桶的振动形态表示了由于脱水桶的不同转速情况下盛水桶的振动形态。洗涤物在偏置一边的状态开始脱水，洗涤物产生不平衡的作用力，盛水桶产生较大的横向振幅。我们把这个叫做1次共振点。该状态在现在的全自动洗衣机构造上，大约在60r/min。接下去到了约190r/min，发生2 次共振点。此时盛水桶会产生较大的纵向晃动。发生2次共振点的转速，由于吊杆和缓冲弹簧的系数等不同会有些偏差。当脱水转速进一步提高时，就形成由纵向振动和横向振动合成的正常脱水振动。

2.2 脱水桶转速而产生的流体的移动分析

如图2脱水转速而产生的流体移动中可以看出1次共振点前，平衡环内的流体是向不平衡侧移动的。过了1次共振点，在平衡环内筋的作用下，流体是往不平衡侧的相反方向移动的。过了2次共振点后，产生了矫正离心力，开始补正不平衡量，到正常脱水状态时，流体完全向不平衡侧的相反方向移动。

3 平衡环的设计步骤

3.1 基本设计思路

3.1.1 平衡环分割重数的检讨

对于不平衡发生的离心力为尽可能使重心作用力矩为0，并尽可能设计多重平衡环。

这里以NA-F70**为例进行说明。平衡环的各尺寸如图3-b所示，1重构造平衡环尺寸A为30mm，流体装入50%，则B尺寸为15mm，笔者设计了1、2和3重平衡环，并进行样品的试作和实验，所得平衡环与矫正离心力的关系曲线如图3-a。对于1重平衡环，在盛水桶的单向振幅达到15mm时，装入流体达到最大矫正力，在平衡环内的形状如图3-b-1所示，但超过15mm时，矫正离心力反而有所下降。若采用2重、3重构造，随着盛水桶振幅增大，矫正离心力也会增大，但是，在平衡环整体尺寸一定的情况下，在2重、3重构造下，A、B也会变小，盛水桶振幅与矫正离心力的调整比例范围也随之变小。在脱水桶上部放置0.4kg不平衡块产生力的线（模拟脱水过程中的不平衡状态），根据3-a图，利用与矫正离心力的交点，可得出：①重构造的平衡环盛水桶上部横向振幅为12mm；②重構造的平衡环振幅为6mm；③重构造的平衡环则为3mm。，这数据也充分说明了在条件允许的情况下，尽可能设计成多重平衡环。

3.1.2 平衡环内部分隔检讨

如前面所述，脱水起动过了1次共振点后，注入流体朝反向不平衡侧流动，引起整机的振动。所以在平衡环分隔筋上设计孔，使液体在脱水起动时向不平衡侧流动，从而减小1次共振点的振幅。因此，需检讨孔的位置。先观察图4-a，在圆柱形的容器中放水，当容器以中心轴开始旋转时，最初只是容器本身的旋转，水是静止的。但由于水的粘性，经过一定时间后，水也以同样角速度进行旋转，此时会产生水面的最高点（Z1）与最低点（Z2）的差h，在平衡环设计时，如图4-b设计内外侧孔各1个，内侧孔的下端与外侧孔的下端的段差要保证h以上。（对于NA-F70**机型：1次共振点脱水桶的转速为60r/min，则ω=6.28。平衡环R1=230mm ，R2=200mm，则h=26mm。）

3.1.3 注入流體的检讨

3.1.3.1 作为注入平衡环流体的必要条件：

①-15℃以上不能冻结；②物性要稳定，最好是即使在发生漏液情况下，不会对顾客的人身安全及财产造成影响；③ 选择的液体与平衡环使用材料相互无影响；④价格最好要低廉。

表1列有几种可参考的材料，就整体考虑的角度，还是NaCl最为实用，故现在设计中平衡环中注入的基本上都为盐水。（注：○表示最优， △ 表示一般，×表示不可取）

3.1.3.2 注入平衡环流体量的检讨

根据设计经验，静态平衡环内液量预设值需高出挡筋h1=5mm以上（如图4-b）。更具体的液量可参照以下方式进行确定。（以双重平衡环为例）

液量探讨的具体方式如下：固定平衡环内圈平衡环液量，再往外圈里面按照10ml/次追加，进行无负荷脱水，对图5中的盛水桶A＼B两点的振幅及GB规定位置箱体振动值进行测试并记录，数据取好后，再在脱水桶一侧（脱水桶上部，平衡环下侧位置）追加0.4kg的不平衡块（模拟脱水过程中的不平衡状态），进行试验，同样得到一组振幅值及箱体的振动值，综合以上无负荷及0.4kg不平衡块的振幅及箱体振动数据，可以得出固定平衡环内圈情况下外圈最优化的液量的值。按照同样的方法可以得出内圈的液量的最优化的液量；综合所有的数据，就可以得出平衡环内外圈液量。

3.1.4 平衡环强度的设计

如图6所示：施加F=800N（80kgf）的力时，变形量18mm以下（设计经验值）。

注：因为平衡环的形状及内部加强筋的设计分布不一样，强度也不一样，所以要确认每个方向。

3.2 优化设计思路

3.2.1 平衡环内部追加调整质心位置的平衡块

在实际的平衡环的设计过程中，由于追加了软化剂盒和线屑过滤器等其它结构，会产生无论怎样调整平衡环的液量也无法得到比较理想的振动效果。

对策：对平衡环的质心是否在中心位置进行分析（NX9.0自带此功能）。如果是质心不在中心的情况，则可以参考设计图7的结构，在平衡环下圈设计对应的卡槽，在卡槽内放入铁质的平衡块，通过软件分析，把质心的位置调整到中心（0.0）去，如需调整的铁质平衡块重量超过20g（经验值），则考虑分成2块或者多块。

实例证明：该方法可以改善由于质心不在中间导致振动大的原因。

3.2.2 平衡环内追加防止抖动的结构

抖动是指洗衣机在正常脱水的时候，会突然发生振动变大的现象，该种现象一般是有一定的规律的。如果平衡环设计中不考虑设计防抖动的结构，平衡环的模具品出来后，出现洗衣机的抖动的现象概率会非常大，箱体表面的振动值会在脱水时的瞬间变得很大，会超过GB/T 4288-2008《家用和类似用途电动洗衣机》振动性能规定的范围，当然也会引起顾客的投诉。

我们来分析抖动产生原因：如下图8-a，这应该是目前市场上大多数平衡环筋的设计形状，由于筋的高度设计没有和平衡环上环的筋连接。在额定转速的时候，平衡环内的液体转速会出现瞬间速度跟不上平衡环的速度的情况，这种情况下，就会出现抖动的现象。作为对策：可以选择在平衡环内对称的位置（180°位置）设计两根平衡环上下环连接的筋（如图8-b所示）。设计了这样的筋后，可以始终让平衡环内液体的转速和平衡环转速保持一致，就可以有效解决洗衣机抖动现象。

3.2.3 平衡环环上部设计一条防擦桶的筋

现在市场反馈中，经常会有平衡环和盛水桶相擦后，盛水桶被磨穿的市场不良现象，维修人员最清楚，如果更换盛水桶，基本上整台洗衣机都要拆卸一遍，是非常费工时的。

要解决盛水桶被磨穿的市场不良现象，我们也有过很多提案，最优化也是最有效的是在平衡环上追加设计一根防擦桶的筋。接下来我们具体来讲述筋的设计要点如下：设计间隙A值一定要比间隙B值要小（如图9Ⅰ 部放大图）；二是该筋在高度方向设计，即使发生桶倾斜，该筋在高度方向也一定要高出框架的下基准面；按照这样设计追加筋后，即使发生异常不平衡，在平衡环和盛水桶摩擦之前，平衡环上面的筋就和盛水桶框架进行摩擦了。进行维修的时候，只需要更换框架和平衡环就可以了，可以大大减少维修工时了。

4 总结

以上文章基本包含了平衡环设计的所有内容，我们再总结一下：技术人员要进行平衡环的设计的话，按照造型的需要首先考虑平衡环的重数，然后再考虑平衡环内部分隔筋的形状，设计完成后进行样品的试作，按照上文3.1.3中讲述的方法确定出平衡环液量；另外设计时应该将质心位置尽量设计到平衡环的原点，同时必须考虑平衡环的设计强度，如果样品有出现抖动的现象的话，按照上文中讲述的方式设计平衡环上下环连接筋。如果造型允许的话，尽可能在平衡环上部设计一根防擦桶的筋，这可以有效解决由于脱水桶组件异常振动引起平衡环组件擦坏盛水桶，当然文章中也可能在一些地方说明得不够具体和清晰，希望读者多多见谅。