家用洗碗机振动噪声优化设计

毛璐瑶，郭伟科，吴智恒，张华伟

（广东省智能制造研究所，广东 广州 510651）

1 引言

近年来随着人民生活水平的提高，家用洗碗机逐步得到普及，振动和噪声成为用户关注和选择家用洗碗机的重要性能指标之一[1]。传统洗碗机的减振降噪往往依靠大量的实验进行振动噪声的研究和产品结构的改进，不仅浪费人力物力，而且研发周期较长。随着计算机技术的发展，借助数值仿真技术与少量试验相结合的方法，能够极大的提高产品的设计效率，节约研发成本，缩短研发周期[2]。为降低某款家用洗碗机的振动和噪声，提高其市场竞争力，通过试验与数值仿真相结合的方式，分析某洗碗机结构振动和噪声的产生源头，从结构共振和振动噪声能量传递入手，对该洗碗机的内胆和水杯结构进行结构优化，降低洗碗机的振动和噪声。

2 洗碗机结构和工作原理

某家用洗碗机三维结构，如图1所示。其工作原理为，水通过入水口进入洗碗机水杯，通过电热元件对水加热，然后洗涤泵将水杯中的水抽出，热水流通过一个或多个喷臂高压喷出，喷臂在水流的反作用力下旋转，使水喷到洗碗机内部各个角落，冲洗餐具，在高温水流和洗涤剂作用下，可有效除去餐具上的油污。最后水仍旧落入水箱，冲洗下来的渣子被网格挡住，油渍飘浮在水面上，通过排污口排出。这样热水可循环使用，以节约用水和能耗[3]。

图1 洗碗机三维结构图Fig.1 Three-Dimensional Structure of Dishwasher

3 样机振动噪声测试

3.1 样机噪声测试

该洗碗机的降噪目标是将噪音控制在39dB以下，从而使该产品的噪声达到国际领先水平。依据：《IEC 60704-1：1997家用及类似用途电器发出的气载噪声的测试规程—通用要求》和《IEC 60704-2-3：2005家用电器确定空气噪声的试验方法—对洗碗机的特殊要求》，对洗碗机样机进行噪音测试[4]，测试结果，如图2所示。从噪音频谱上可以看出，噪音较大处主要集中在100和200Hz附近，噪音的分贝值达到了52.72dB。为了了解洗碗机哪些结构辐射噪声，需要测试洗碗机外壳的振动。

图2 噪声测试结果Fig.2 Noise Test Results

3.2 样机振动测试

由于洗碗机箱体外壳和内胆之间有减振隔音装置，其工作时主要从箱门一侧辐射噪声，因此振动测试主要集中在箱门一侧。振动测试位置分布，如图3所示。

图3 洗碗机振动测试位置分布Fig.3 Vibration Test Location Distribution of the Dishwasher

样机在正常洗涤工作状态下，外壳振动测试结果，如图4所示。通过外壳的振动测试，发现振源（噪音源）主要来自于洗碗机的下部，并且振动的主要频率也是100Hz和200Hz左右。从外壳的振动测试结果表明，振动主要来源于下面的电机及泵体。而振动频率是由于电机转动而产生的受迫振动还是某些结构发生共振引起的，需要通过对洗碗机进行模态分析确定。通过模态分析可以了解洗碗机部件在某易受影响的频率范围内的各阶主要模态的特性，从而可以预测结构在此频段内，在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应[5]。

图4 振动测试结果Fig.4 Vibration Test Results

4 洗碗机部件模态分析

4.1 洗碗机模态分析材料参数

洗碗机箱体主要结构材料有ABS塑料、PP+T20塑料、钢材和EPDM橡胶，其材料属性，如表1所示。

表1 材料力学参数Tab.1 Mechanical Parameter of the Materials

4.2 箱门模态分析

图5 洗碗机箱门几何模型Fig.5 Geometric Model of Dishwashers’Doors

表2 洗碗机各部件前十阶模态固有频率Tab.2 The Dishwasher Parts First Ten Order Modal Frequencies

由于洗碗机箱门是洗碗机向外界辐射噪声的主要部件之一。因此，研究洗碗机振动噪声与结构固有频率的关系，洗碗机箱门是重点需要关注的对象。利用CAE软件Hyperworks对洗碗机的零部件进行网格划分、模态分析及结构优化。洗碗机门的几何模型，如图5所示。洗碗机内外门为薄板结构，利用Hypermesh划分网格，然后利用Radioss对洗碗机的内门和外门作模态分析[6]，前十阶模态固有频率，如表2所示。从表2中对洗碗机内门和外门的模态分析结果可以看出，内门薄板结构第1阶和第6阶模态的固有频率分别在100Hz和200Hz附近，外门第2、3、4阶的模态频率在100Hz附近。结合前面的试验结果，振动和噪声主要集中在100Hz和200Hz附近，说明洗碗机箱门结构固有频率对洗碗机噪声有较大的影响。由于洗碗机薄板结构较多，并且在100Hz和200Hz附近有比较多的薄板模态。由于结构表面声压和结构表面振动速度成正比[7]，因而对于薄板其模态的振幅与噪音辐射成正比关系，因此可以通过改变这些结构辐射噪音的模态的方式来降低噪音，如：（1）可提高模态频率减小振幅，或者避免结构共振；（2）减小洗碗机内部激励源传到箱门的能量。

4.3 内胆模态分析

洗碗机噪声主要由电机噪声、洗涤噪声、流体噪声组成，引起洗碗机噪声的原因比较复杂，通过对内胆进行模态分析，研究噪声产生的主要原因是否是由于内胆的共振。由于洗碗机结构较为复杂，为便于进行有限元分析，需要对洗碗机结构进行适当的简化。由于内胆主要为薄板结构，因此内胆采用壳单元进行网格划分，划分后单元数为29142，用质量块简化托盘、碗栏组件、水杯、电机的质量，内胆与质量块之间用梁单元连接。洗碗机内胆和有限元模型，如图6所示。内胆前十阶模态分析结果，如表2所示。从表2可以看出，内胆整体各阶模态频率较小，前十阶模态频率最大为52.7Hz较100Hz小很多。因此洗碗机产生较大振动和噪声的主要原因并不是内胆整体的共振。

图6 洗碗机内胆几何模型和有限元模型Fig.6 Geometry Model and Finite Element Model of Disherwasher’S Tank

4.4 内胆底板模态分析

由于电机安装在内胆底板上，因此需要关注内胆底板的共振频率。为此，对内胆底板进行模态分析，其前十阶模态频率，如表2所示。由于电机的激励频率为100Hz，因此需要关注底板100Hz附近的频率和模态。从表2可以看出，底板前十阶固有频率中第五阶模态的固有频率114Hz，较接近100Hz。因此，为减小电机激励对底板共振的影响，需要对底板进行结构优化，可通过添加加强筋的方式增加底板的刚度，从而提高底板第五阶模态的固有频率。

5 洗碗机结构优化设计

5.1 内胆底板结构优化方案

利用Optistruct软件通过加入加强筋的方式对内胆底板进行结构优化[8]。在优化内胆底板时，需要综合考虑底板的对称性和排渣的通畅性。以底板的固有频率为目标函数，施加对称约束和方向约束。通过计算得到结构优化的结果，如图7（a）所示。其中一个表示筋深度10mm，另一个表示0，中间表示（0～10）mm之间。由于这个结果很不规则，只能作为加筋的参考。

图7 内胆底板结构优化结果Fig.7 Structure Optimization Results of the Tank Bottom

根据上面的加筋思路，结合实际，前面原来小横筋去掉，加3条纵筋，后面原来宽筋去掉，加2条纵筋，左右各加1条横筋，宽度均为40mm，深度5mm，优化后内胆底板布局，如图7（b）所示。底板第五阶模态优化前后对比，如图8所示。优化前模态（左）freq=114Hz、优化后模态（右）freq=128Hz，第五阶模态固有频率增加了14Hz，结构优化后的内胆底板的第5阶模态固有频率显著增加，能够有效的避免内胆底板的共振。为了解内胆底板优化后内胆整体的振动响应情况，需要对内胆整体进行谐响应分析。利用RADIOSS软件对内胆底板优化后的内胆整体进行谐响应分析。内胆在100Hz激励下优化前后内胆特定位置的振动响应对比曲线，如图9所示。从内胆整体的谐响应仿真分析结果可以看出，在几乎所有频率段优化设计的振动响应都是优于原始设计的。

图8 内胆底板第5阶模态优化结果前后对比Fig.8 Contrast of Before and After the Fifth Order Modal Optimization of the Tank Floor

图9 优化前后振动响应比较Fig.9 Comparison Between the Vibration Response Before and After Optimization

5.2 优化后样机噪音测试

图10 优化后的样机噪声测试结果图Fig.10 Result of Optimization of the Sample Noise Test

根据之前的试验和仿真分析，通过优化内胆底板结构来避免内胆底板的共振，从而降低洗碗机的振动和噪音。对优化后的洗碗机样机进行噪音测试，结果，如图10所示。从图10的样机声功率级曲线可以看出，优化后的样机噪声为38.87dB＜39dB，满足该洗碗机减振降噪的设计要求，这里所采用的洗碗机减振降噪方案是可行的。

6 结论

（1）振源（噪音源）主要来自于洗碗机的下部的电机和水泵，并且振动和噪声的主要频率是100Hz和200Hz左右；（2）通过对洗碗机箱门进行模态分析，结果表明箱门结构的固有频率对洗碗机的噪声有较大的影响；（3）洗碗机产生较大振动不是由洗碗机内胆整体的共振引起的，而内胆底板的第五阶模态为114Hz比较接近100Hz，内胆底板的共振对结构振动和噪声的影响较大；（4）通过对内胆底板进行结构优化有效提高了内胆底板的第五阶模态频率，避免了内胆底板的共振；（5）通过优化洗碗机内胆底板结构，优化后样机噪声为38.87dB，满足＜39dB的设计要求。

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