波轮式洗衣机振动和噪声测试与分析 - 上海交通大学课程中心.doc

工 程 力 学 实 验 课 程综合开放实验论文项目名称：洗衣机振动测试与分析论文题目：波轮式洗衣机振动和噪声测试与分析学生姓名：徐向荣、熊正寰、覃思程、朱璇、李昂学生学号：5080109195/5080109194/5080109191/5080109202/5080109187所在院（系）：船舶海洋与建筑工程学院指导教师：余征跃上海交通大学2010年 7月 6日波轮式洗衣机振动和噪声测试与分析学院班级：船舶海洋与建筑工程学院F0801007班学生姓名：徐向荣、熊正寰、覃思程、朱璇、李昂指导老师：余征跃摘要本文旨在探究洗衣机噪声来源以及影响振动的因素。以实验室的“日立XQB50-S720”洗衣机为实验对象，通过测量洗衣机的振动和噪声，分析洗衣机在各工作状态下产生噪声的主要原因。通过实验发现洗衣过程中，脱水时的噪声明显大于洗涤时。因此减噪应主要着重脱水阶段。洗衣机在脱水状态下振动和噪声最强烈；前侧振动强于左右两侧。脱水时洗衣机的噪声主要来自机壳振动，同时受电磁噪音、电机轴的窜动音等影响。关键词：洗衣机，振动，噪声1、绪论随着人们生活水平的提高，洗衣机已成为生活中常用的电器。在给人们提供便利的同时，洗衣机却也一直存在着一个问题，即洗衣机的振动和噪声问题。振动过大会对洗衣机造成伤害，缩短其使用寿命，而噪声则让用户感到烦扰。而在南区19栋宿舍楼下的三台波轮式洗衣机由于自身老化和频繁使用，振动和噪声的问题显得尤为突出，严重干扰了周围同学的休息。受此问题启发，又恰逢工程力学实验课需要自选课题，本小组成员本着用实验解决实际问题的想法，提出了“洗衣机振动和噪声测试与分析”这一实验课题。我们希望通过该实验找出洗衣机噪声来源、影响振动的因素，并在此基础上提出解决问题的方法、建议。2、研究内容及方法2.1 波轮式洗衣机结构波轮式洗衣机主要由机壳、悬挂系统和工作单元三大部分构成。工作元件通过悬挂系统（四根吊杆）与机壳连接，其主要由平衡环、盛水桶、脱水桶、电机与离合器等部件构成。2.2 洗衣机噪音产生的原因2.2.1 离合器噪音洗衣机离合器是实现洗涤、脱水运动、刹车及脱水洗涤转换功能的一个基本结构单元。其各功能及各功能间转换的实现是通过离合簧、离合套、下轴套、棘爪和棘轮间各部件的相万动作来完成。作为机械装置，首先存在着制造加工精度和装配质量等问题，若离合器中齿轮轴和波轮轴不在同一轴线上，这时脱水运转的噪音就会通过支撑轴承传出来;另外，若轴承滚道内混入了杂质、缺油或滚珠出现了锈蚀、破裂时，也会在脱水时产生噪音。2.2.2 电机噪音电机可以说是洗衣机的心脏，也是洗衣机洗涤时的噪音源。洗衣机电机在设计过程中，由于各种参数和性能指标之间存在着错综复杂的关系，设计方案中往往由于考虑不周而经常出现如:电磁噪音、电机轴的窜动音等。2.2.3 脱水振动及传递噪音在脱水时，要想使洗涤物在洗涤桶内壁周围自动均匀的贴附是比较困难的，洗涤物经常会处于不平衡状态，这也是产生工作时振动的一个主要原因。2.3 实验方法以实验室的“日立XQB50-S720”洗衣机为实验对象，通过测量洗衣机的振动和噪声，分析洗衣机在各工作状态下产生噪声的主要原因。2.3.2 实验仪器压电式传感器：是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。放大器：将传感器采集到的信号进行放大，便于之后的分析信号采集分析仪：将信号传输至电脑，使电脑能够直接分析实验数据电脑：利用“DASP”软件对实验数据进行分析14232.3.1 实验前标定：声压传感器K=600mV/Pa 振动传感器K=150mV/（m.s-2）2.3.2 布点方案：由于洗衣机为桶状外形，振动最大应在中央部位，因此将测点选在前、左、右侧的中央部位。查阅国家标准后，发现国标的测试要求也是在各面中央。推断与国标相符，测点位置如图所示。1,2,3,4通道分别为声压传感器、前侧振动传感器、右侧振动传感器和左侧振动传感器。 2.3.3 实验工况依次为：不加衣物洗涤、1Kg衣物洗涤、2Kg衣物洗涤、3Kg衣物洗涤、4Kg衣物洗涤。采样频率:1000.000Hz，随机采样由于实验条件所限，无法测量漂洗时数据，因此测试时洗衣机状态为标准洗衣，水位为中水位，洗衣过程为10分钟洗涤后5分钟脱水。实验时，衣物加至4kg时，洗衣机已经难以转动，因此该工况下仅进行了脱水实验。根据洗衣机型号，该洗衣机的额定洗涤量应为5kg，而实际上洗涤量小于4kg，因此洗衣机在该方面未达标。3、研究结果及讨论3.1 洗衣机洗衣过程整体状态分析首先通过第一次实验（不加衣物洗涤）的数据来分析洗涤和脱水过程中洗衣机振动基本情况从多踪时域波形图（图一、二）可以看出，洗衣机在洗涤状态下时，振动是周期性的，可见电机的转动不是连续匀速的，而是不断的加速和减速的过程。而脱水状态下的振动则是连续的，可见脱水时电机出于连续转动状态。图三图形说明:信号的时域波形曲线。（1通道）上图曲线为全程时域波形图。从噪声的单踪时域分析图（图三）的上部图形可知，洗衣过程中，脱水时的噪声明显大于洗涤时。因此减噪应主要着重脱水阶段。图四图形说明:信号的时域波形曲线。（2通道，脱水状态）上图曲线为全程时域波形图。由2通道单踪时域分析图可知，在脱水的初始阶段，洗衣机前侧振动较大，且有周期性。可见脱水初期，为了使衣物平整，采用间歇脱水，即电机启动数秒，停止数秒，使洗涤内桶的转速逐渐与电机转速相一致后，电机再完全启动。之后电机则保持连续转动。在洗涤状态下，电机的转速不是固定的，因此机壳的振动频率也是不断变化的，但是从噪声的自谱分析图（图七）中可以看出，无论振动的频率如何变化，噪声的频率总为48Hz，因此我们可以认为，洗涤时的噪声主要来自电机的电磁噪音、电机轴的窜动音等，而受振动的影响极小。在洗涤和脱水之间的过渡状态，机壳的振动几乎为零，而噪声声压却几乎和洗涤时一致，自谱分析也显示其频率与洗涤时一致，因此可以认为该阶段的噪声同样来自电机的电磁噪音、电机轴的窜动音等。在脱水状态下，电机的转速固定，根据2,3,4通道的自谱分析图（图九、十、十一），机壳的振动频率约为12Hz，计算得电机转速为720r/min。虽然我们未能查到实验用洗衣机的电机参数，但是一般波轮式洗衣机脱水转速在300r/min900r/min。可以认为测得的数据无误。根据1通道的自谱分析图（图八），脱水状态下噪声的频率除了原有的48Hz外，还有12Hz，且12Hz的振幅较大。可以认为，脱水时洗衣机的噪声主要来自机壳振动，同时受电磁噪音、电机轴的窜动音等影响。在噪声分析领域，常常使用1/3倍频程分析。1/3倍频程作用主要是分析噪声能量的频率分布。另外做分析的时候加了计权网络可起到滤波功能。每个倍频程或者1/3倍频程的获得是通过带通滤波实现的。但是作为总的倍频程或者1/3倍频程分析来看，主要是为了研究信号能量在不同频带的分布。使用1/3倍频程主要是因为人耳对声音的感觉，其频率分辨能力不是单一频率，而是频带，而1/3倍频程曾经被认为是比较符合人耳特性的频带划分方法，不过现在心理声学里提出了Critical Band这么个频带划分方法，听说更符合人耳特性。对脱水状态下的噪声进行1/3倍频程分析（图二十），可以看到在100Hz左右的频带上能量分布最大。之前测得振动频率约为12Hz，两者正好约为8倍的关系，为倍频关系。因此前面分析所得的关于噪声来源的结论是无误的。洗衣机各面振动比较分析m/ssm/ss 洗涤状态 脱水状态2,3,4通道振幅比较（分别对应图中1,2,3）由图可知：洗涤时，三侧面振动强度差别不大；脱水时，正面振动强度明显大于左右两侧的振动。另外，两图比较可知，脱水时洗衣机的振动强度远大于洗涤时的振动。根据第一组实验，可以确定：洗衣机在脱水状态下振动和噪声最强烈；前侧振动强于左右两侧。因此之后的对比实验分析将着重于脱水状态，振动情况仅选取2通道数据分析。3.2 各工况下数据比较3.2.1 各工况下脱水状态噪声声压数据表（图八、十二、十三、十四、十五）：工况（衣物量）0kg1kg2kg3kg4kg声压/Pa0.104880.143090.093730.13940.14108声压级/dB74.477.173.476.977.0声压级计算公式为：声压级（分贝）= 20lgP/P0（P0=0.00002Pa）。根据国家标准GBT 4288-2008 家用和类似用途电动洗衣机，洗衣机洗涤、脱水时的声功率级噪声值均应不大于72dB。根据此标准，该洗衣机在各工况下均超标。比较各工况下的声压级可知，加入2kg衣物时，洗衣机脱水时产生的噪声最小。3.2.2 各工况下脱水状态2通道振动情况比较（图九、十六、十七、十八、十九）：工况（衣物量）0kg1kg2kg3kg4kg振幅（m/ss）1.490753.8914.064455.369593.91479由以上数据，可知加入衣物后机壳振动明显强于不加衣物时。在加入衣物的情况下，加3kg衣物时振动最大，1kg时最小。考虑噪声和振动两方面因素，建议使用该洗衣机时，每次加入的衣物在2kg左右较为合适。3.3 宿舍楼下洗衣机对比最后在宿舍楼下同样进行了一次测试，仅针对脱水状态。实验中测得有效声压为0.3971Pa，计算得声压级为86.0dB。远远超出国标中的72dB。查阅资料可知，噪声级为3040分贝是比较安静的正常环境；超过50分贝就会影响睡眠和休息。由于休息不足，疲劳不能消除，正常生理功能会受到一定的影响；70分贝以上干扰谈话，造成心烦意乱，精神不集中，影响工作效率，甚至发生事故；长期工作或生活在90分贝以上的噪声环境，会严重影响听力和导致其他疾病的发生。因此，宿舍楼下洗衣机的噪声会严重影响周围同学的生活和学习。4、总结与建议实验室洗衣机多个方面不达国家标准，但超出不多，对使用影响不大。宿舍楼下的洗衣机噪声远超国家标准，86dB的噪声对周围同学的生活影响较大。在实验室洗衣机的测试情况下，发现加入衣物的量对振动和噪声有一定影响，建议洗衣时加入衣物在2kg左右较为合适。对于宿舍楼洗衣机，如果能够得到学校允许，可以采取以下方式进行减噪：1、由于脱水时噪声部分来自振动，而前箱板振动最大，所以可以在前箱板的内侧贴上胶皮或泡沫塑料，胶片可以直接从汽车废内胎中获得，该方法简单且成本低。2、由于部分噪声来自电机，宿舍楼下洗衣机老化严重，电机问题很多，因此，如果学校能够给予资金，可以更换洗衣机的电机。3、实验中，观察到宿舍楼下洗衣机并非直接放置在平地上，而是用砖石垫着，这使得洗衣机放置不平，会增大洗衣机的振动，因此建议在洗衣机下换上整块的平底。4、衣物量对噪声的影响非常明显，本次实验由于时间和精力问题，未能对宿舍楼下的洗衣机进行一一测试，因此不能确定每台洗衣机的合适的洗衣量。如果有可能，可以在之后抽空测试，将结果制成便笺贴于洗衣机上，提醒同学们洗衣时注意加入的衣物量。在目前的情况下，我们还是建议学校相关部门能够以人为本，将严重老化的洗衣机更换，从而使洗衣机噪声对周围同学的影响降至最低。当然，洗衣机减噪的主要措施仍应从内部着手。洗衣机厂家应从离合器和电机两方面着手。一方面，增加离合器加工精度，减少脱水时离合器产生的噪声。另一方面，改进电机性能，可以通过改善硅钢片材质性能，提高轴承挡加工质量，改善套轴承工艺，保证轴承质量，采用优质润滑脂，选择与电机相配的启动电容，增强转、定子槽数的匹配性来加以解决。以目前市场的洗衣机有些使用的是塑封电机，可将噪音降至54分贝以下，消费者在普通居住环境下基本上是听不到运转声。也有一些洗衣机采用直流变频波轮，拥有领先的“无碳刷”设计和多级变速洗涤设计，与传统洗衣机相比，可实现噪音降低约10%。参考文献1 陈海卫，傅素芳,张秋菊,赵平,苏高峰. 波轮式全自动洗衣机振动模型的建立. 振动与冲击. 2008,27（1）：159-162.2 方永青. 洗衣机振动、噪音产生的原因及解决措施. 家用电器. 2002（1）：21.3 鲁建国，吕佩师等. GBT 4288-2008. 家用和类似用途电动洗衣机. 中国标准出版社. 北京. 2009.致谢首先，要感谢学院和工程力学实验室为我们提供了这个自主实习的机会，让我们能够做一些我们感兴趣的，与我们生活息息相关的实验，提高了我们的动手能力和创新能力。本课题在选题及研究过程中得到余征跃老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。从课题的选择到项目的最终完成，余征跃老师都始终给予我们细心的指导和支持。在本文的撰写过程中，余征跃老师给予了悉心的指导，使我们克服了众多困难终于完成了本文的撰写工作。老师渊博的知识、严谨求实的治学态度及敬业精神，给我们留下了深刻的印象，在此论文完成之际，谨向余征跃老师致以崇高的敬意和衷心的感谢！附录图一图形说明:各测点的时域波形。（洗涤状态下）图二图形说明:各测点的时域波形。（脱水状态下）图五图形说明:信号的时域波形曲线。（3通道，脱水状态）上图曲线为全程时域波形图。图六图形说明:信号的时域波形曲线。（4通道，脱水状态）上图曲线为全程时域波形图。图形说明: 上图曲线为信号时域波形图。下图中曲线为信号的频谱,其形式为:单峰值 幅值谱(Peak),单位:Pa; 使用线性坐标,横坐标为频率，图中显示的频率范围为:0.00e+0003.91e+002(Hz).图七（1通道洗涤状态）图八（1通道脱水状态）图形说明: 上图曲线为信号时域波形图。下图中曲线为信号的频谱,其形式为:单峰值 幅值谱(Peak),单位:Pa; 使用线性坐标,横坐标为频率，图中显示的频率范围为:0.00e+0003.91e+002(Hz).图九（2通道脱水状态）图形说明: 上图曲线为信号时域波形图。下图中曲线为信号的频谱,其形式为:单峰值 幅值谱(Peak),单位:m/ss; 使用线性坐标,横坐标为频率，图中显示的频率范围为:0.00e+0003.91e+002(Hz).图十（3通道脱水状态）图形说明: 上图曲线为信号时域波形图。下图中曲线为信号的频谱,其形式为:单峰值 幅值谱(Peak),单位:m/ss; 使用线性坐标,横坐标为频率，图中显示的频率范围为:0.00e+0003.91e+002(Hz).图十一（4通道脱水状态）图形说明: 上图曲线为信号时域波形图。下图中曲线为信号的频谱,其形式为:单峰值 幅值谱(Peak),单位:m/ss; 使用线性坐标,横坐标为频率，图中显示的频率范围为:0.00e+0003.91e+002(Hz).图十二（1kg，1通道脱水状态）图形说明: 上图曲线为信号时域波形图。下图中曲线为信号的频谱,其形式为:单峰值 幅值谱(Peak),单位:Pa; 使用线性坐标,横坐标为频率，图中显示的频率范围为:0.00e+0003.91e+002(Hz).图十三（2kg，1通道脱水状态）图形说明: 上图曲线为信号时域波形图。下图中曲线为信号的频谱,其形式为:单峰值 幅值谱(Peak),单位:Pa; 使用线性坐标,横坐标为频率，图中显示的频率范围为:0.00e+0003.91e+002(Hz).图十四（3kg,1通道脱水状态）图形说明: 上图曲线为信号时域波形图。下图中曲线为信号的频谱,其形式为:单峰值 幅值谱(Peak),单位:Pa; 使用线性坐标,横坐标为频率，图中显示的频率范围为:0.00e+0003.91e+002(Hz).0图十五（4kg,1通道脱水状态）图形说明: 上图曲线为信号时域波形图。下图中曲线为信号的频谱,其形式为:单峰值 幅值谱(Peak),单位:Pa; 使用线性坐标,横坐标为频率，图中显示的频率范围为:0.00e+0003.91e+002(Hz).图十六（1kg,2通道脱水状态）图形说明: 上图曲线为信号时域波形图。下图中曲线为信号的频谱,其形式为:单峰值 幅值谱(Peak),单位:m/ss; 使用线性坐标,横坐标为频率，图中显示的频率范围为:0.00e+0003.91e+002(Hz).图十七（2kg,2通道脱水状态）图形说明: 上图曲线为信号时域波形图。下图中曲线为信号的频谱,其形式为:单峰值 幅值谱(Peak),单位:m/ss; 使用线性坐标,横坐标为频率，图中显示的频率范围为:0.00e+0003.91e+002(Hz).图十八（3kg,2通道脱水状态）图形说明: 上图曲线为信号时域波形图。下图中曲线为信号的频谱,其形式为:单峰值 幅值谱(Peak),单位:m/ss; 使用线性坐标,横坐标为频率，图中显示的频率范围为:0.00e+0003.91e+002(Hz).图十九（4kg,2通道脱水状态）图形说明: 上图曲线为信号时域波形图。下