Расчет общей жесткости упругих элементов жидкостного автобалансирующего устройства, установленных без предварительного натяжения и сжатия

Одним из наиболее перспективных направлений снижения вибрации стиральных машин при центробежном отжиме является использование жидкостных автобалансирующих устройств (АБУ) пассивного действия.

В настоящее время активно ведутся разработки конструкции жидкостного АБУ ([1], [2], [3]), представляющего стиральный барабан с двойными боковыми стенками, внутреннее пространство между которыми ограничено герметичными эластичными элементами и заполнено рабочей жидкостью (рис. 1).

Рис. 1. Схема жидкостного АБУ: F — центробежная сила, приложенная к внутренней емкости в результате неравномерного распределения текстильных изделий; Dl — смещение внутренней емкости под действием силы F; d — расстояние между боковыми поверхностями емкостей барабана; a_у — угол между осью упругого элемента и линией действия приложенной силы F; Da_у — угол между осями упругих элементов

Причем, боковые поверхности внутренней и наружной емкостей барабана связаны между собой с помощью упругих элементов, позволяющих перемещаться внутренней емкости под воздействием центробежной силы от неуравновешенных масс текстильных изделий в период отжима. Таким образом возникает уравновешивающая сила от массы рабочей жидкости, перемещающейся в противоположном действию центробежной силы направлении. Синхронное вращение внутренней и наружной емкостей обеспечивается за счет четырехзвенного шарнира, устанавливаемого между торцевыми задними стенками емкостей.

В работе [4] приведена методика расчета параметров пространственной ориентации упругих элементов АБУ данного типа. Однако, вопросы, связанные с определением общей жесткости системы и, соответственно, суммарных сил упругого сопротивления при действии на внутреннюю емкость внешней силы, являются в настоящее время неизученными.

При исследовании общей жёсткости ∑с_у системы упругих элементов АБУ примем условие, что коэффициент жёсткости при растяжении с_у.р равен коэффициенту жёсткости при сжатии с_у.сж, т. е. с_у=с_у.р=с_у.сж, что соответствует большинству типов применяемых в технических системах пассивных (т. е. неуправляемых) упругих элементов в их рабочем диапазоне и, в том числе, наиболее распространенным упругим элементам — стальным витым цилиндрическим пружинам.

Для определения общей жёсткости упругих элементов рассматриваемой системы АБУ следует учитывать, что возможны следующие варианты установки упругих элементов (пружин):

1)      без предварительного натяжения и сжатия;

2)      с предварительным натяжением;

3)      с предварительным сжатием.

В первом случае, когда упругие элементы устанавливаются без предварительного натяжения и сжатия, при перемещении внутренней ёмкости на величину Dl под действием приложенной силы часть упругих элементов растягиваются, а другая часть, противоположно расположенных упругих элементов, сжимаются.

Очевидно, что в этом случае общая жёсткость ∑с_у системы упругих элементов АБУ будет определяться суммой жёсткостей всех упругих элементов системы в направлении вектора смещения внутренней ёмкости, т. е. в направления действия приложенной к внутренней ёмкости силы F.

Анализ схемы устройства АБУ позволил установить, что жесткость каждого упругого элемента с_уF вдоль направления действия приложенной к внутренней емкости силы F может быть определена по формуле:

,

где a_у — угол наклона оси упругого элемента относительно линии действия приложенной к внутренней емкости силы F; Dl — перемещение внутренней ёмкости под действием силы F; d =(D_н — d_в) — расстояние между боковыми стенками наружной и внутренней емкостями; D_н — диаметр наружной емкости; d_в — диаметр внутренней емкости.

Тогда при наличии в системе n_у упругих элементов, установленных через равные промежутки, равные углу , общая жёсткость ∑с_уF системы упругих элементов АБУ вдоль направления действия приложенной к внутренней емкости силы F будет равна:

,

где a_у1 — угол наклона оси упругого элемента, наиболее близко расположенного относительно линии действия приложенной к внутренней емкости силы F.

Очевидно, что при изменении угла наклона a_у1 в диапазоне возможных его значений a_у1=0…Da_у будут происходить изменения общей жесткости системы ∑с_уF также в диапазоне ее возможных значений, т. е. от минимального ∑с_уFmin (максимального ∑с_уFmax) до максимального ∑с_уFmax (минимального ∑с_уFmin) значения.

Для адекватного реагирования системы АБУ на воздействие приложенной силы F при различной ее случайной ориентации относительно упругих элементов системы, определяемой углами a_у1 и Da_у, необходимо, чтобы диапазон разброса значений ∑с_уF был минимальным. Можно предположить, что для выполнения этого условия необходимо иметь как можно большее количество упругих элементов n_у и их число должно быть четным.

Исходя из конструктивных соображений можно также предположить, что наименьшее возможное количество упругих элементов должно быть не менее шести, т.е n_у≥6.

Для оценки разброса значений ∑с_уF при n_у=6 (=60°, a_у1=0…60°), n_у=7 (=51,43°, a_у1=0…51,43°), n_у=8 (=45°, a_у1=0…45°), n_у=9 (=40°, a_у1=0…40°) примем исходные расчетные данные с учетом конструктивных особенностей стиральных машин: с_у=500 Н/м; d=0,05 м; Dl=0,01м.

На рис.2–5 показаны зависимости общей жесткости ∑с_уF системы упругих элементов АБУ при различных значениях количества упругих элементов n_у и угла a_у1.

Рис. 2. Зависимость общей жесткости ∑с_уF при n_у=6 и a_у1=0…60°

Рис. 3. Зависимость общей жесткости ∑с_уF при n_у=7 и a_у1=0…51,43°

Рис. 4. Зависимость общей жесткости ∑с_уF при n_у=8 и a_у1=0…45°

Рис. 5. Зависимость общей жесткости ∑с_уF при n_у=9 и a_у1=0…40°

Разброс значений общей жесткости D∑с_уF системы упругих элементов АБУ составил:

при n_у=6         –          82,47 Н/м (4,40 %);

при n_у=7         –          208,40 Н/м (9,94 %);

при n_у=8         –          40,73 Н/м (1,61 %);

при n_у=9         –          145,39 Н/м (5,24 %).

Полученные данные показывают, что наибольший разброс значений общей жесткости D∑с_уF наблюдается для нечетного количества упругих элементов n_у. Кроме этого, показано, что с увеличением значения n_у разброс D∑с_уF уменьшается. Это подтверждает сделанное выше предположение, что для адекватного реагирования системы АБУ на воздействие приложенной силы F количество упругих элементов n_у должно быть четным и иметь максимально возможное значение.

Результаты и рекомендации, полученные в статье, могут быть использованы при проектировании жидкостного АБУ с рациональными параметрами системы упругих элементов.

Литература:

1.      А.с. 1581795 СССР МКИ D 06 F 37/00. Машина для стирки и отжима белья [Текст] / Малыхин В. И., Алехин С. Н.(СССР). — 4442163, заявл. 15.06.1988; опубл. 30.07.1990, — 3с.: ил.

2.      Патент 2469138 Российская Федерация, С1 D06F39/00 (2006.01).Стиральная машина барабанного типа [Текст] Алехин С. Н., Петросов С. П., Алехин А. С., Кузнецов А. Е.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса» (ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС») 2011128109/12; Опуб. 10.12.2012, Бюл.№ 34. — 3с.: ил.

3.      Стиральная машина барабанного типа. Решение о выдаче патента на изобретение. Заявка № 2012141624/12(067025). Дата подачи заявки 28.09.2012. Алехин С. Н., Петросов С. П., Желтушкин Л. С., Алехин А. С., Лалетин В. И., Кузнецов А. Е.

4.      Исследование произвольно расположенного упругого элемента жидкостного автобалансирующего устройства для стиральных машин барабанного типа [Текст] / Желтушкин Л. С., Алехин С. Н., Петросов С. П., Лепеш Г. В. Технико-технологические проблемы сервиса. № 2 (24), 2013г. — СПб: СПбГУСЭ, 2013.– 123 с. С.34–38.