Разработка и исследование стиральной машины с вертикальным барабаном-активатором
На правах рукописи
Лысенко Ярослав Алексеевич
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СТИРАЛЬНОЙ МАШИНЫ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ БАРАБАНОМ-АКТИВАТОРОМ
Специальность 05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы
(коммунальное хозяйство и сфера услуг)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Шахты - 2009
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса» (ГОУ ВПО ЮРГУЭС) на кафедре «Прикладная механика и конструирование машин»
| Научный руководитель | доктор технических наук, профессор Кузнецов Сергей Анатольевич |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор Петросов Сергей Петрович |
| кандидат технических наук, доцент Нефедов Виктор Викторович | |
| Ведущая организация | ЗАО “Прогресс” г. Шахты |
Защита состоится «29» июня 2009 г. в 900 часов на заседании диссертационного совета Д 212.313.01 при Южно-Российском государственном университете экономики и сервиса по адресу: 346500, г. Шахты Ростовской области, ул. Шевченко, 147, ауд. 2 247.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса.
Текст автореферата размещен на сайте ЮРГУЭС: http: www.sssu.ru
Автореферат разослан: «29» мая 2009г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Куренова С.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. В настоящее время выпускается огромное количество стиральных машин, отличающихся друг от друга способами загрузки, активации и отжима белья. Так, активаторные стиральные машины обрабатывают белье с высокой производительностью, но при этом сильно изнашивают белье. Воздушно-пузырьковые стиральные машины, использующие эффект кавитации при стирке, обрабатывают белье также с высокой производительностью и высоким износом белья, при этом используют большое количество воды и порошка. Ультразвуковые стиральные машины при стирке используют акустические колебания, это позволяет снизить износ белья, однако такие машины обладают низкой отстирываемостью, это связано в первую очередь с тем, что белье не подвергается перемешиванию. Вибрационные стиральные машины отличаются интенсивным воздействием на белье посредством мембраны, которая нагнетает потоки воды, но такие машины работают шумно и потребляют большое количество энергии и воды. Что же касается барабанных стиральных машин, то они обрабатывают белье с минимальным износом, но при этом обладают низкой производительностью.
Перенасыщенность рынка бытовой техники практически однотипными стиральными машинами с горизонтальным расположением барабана и прерывистой организацией техпроцесса требует более пристального внимания к менее распространенным конструкциям с вертикальным барабаном и верхней загрузкой. Такие машины не только более удобны в работе, но и более перспективны в плане организации непрерывного техпроцесса, обеспечивающего большую производительность без снижения качества обработки белья.
Таким образом, актуальность темы обусловлена потребностью рынка бытовой техники в высокопроизводительных и компактных автоматических стиральных машинах с вертикальным барабаном, совмещающим роль центрифуги с ролью активатора.
Цель работы. Целью данной диссертационной работы является разработка теоретических предпосылок и создания конструкции принципиально новой стиральной машины с вертикальным барабаном в качестве активатора и с непрерывной организацией техпроцесса обработки белья. Под непрерывной организацией техпроцесса понимается наиболее экономичный и производительный режим работы стиральной машины, при котором барабан не только не изменяет направление своего вращения, но и не останавливается в течение цикла обработки белья.
Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач:
- анализ принципа работы и характера воздействия на обрабатываемое белье существующих разновидностей стиральных машин и их конструктивные особенностей для определения наиболее перспективного способа активации белья;
- обоснование возможности создания и разработка высокопроизводительной стиральной машины с вертикальным барабаном в качестве активатора;
- исследование конструктивных и режимных способов перехода через резонанс с целью выявления наиболее эффективных из существующих;
- экспериментальное определение резонансной угловой скорости вращения стирального барабана;
- определение основных режимных параметров исполнительного механизма экспериментального образца стиральной машины
- создание экспериментального образца стиральной машины с вертикальным барабаном-активатором и непрерывной организацией техпроцесса.
Методология и методы исследования. Решение поставленных задач диссертационного исследования осуществляется на основе методов и средств теории бытовых машин и приборов, проектирования бытовых стиральных машин, сопротивления материалов, теории машин и механизмов, теоретической механики, теории колебаний, теории балансировочной техники, а также с использованием экспериментального метода. Исследования проводились с применением современных компьютерных средств, позволяющих определять параметры и характеристики механических систем путем реализации математических моделей аналитическим, численным и инженерным методами.
Научная новизна:
- обоснована необходимость дополнения к классификации стиральных машин, учитывающего наряду со степенью механизации стиральной машины способ активации раствора;
- анализ способов уравновешивания барабана показал необходимость развития режимных методов борьбы с резонансными явлениями, включающими в себя программные воздействия на привод и барабан;
- предложена торсионная гипотеза возникновения поперечных колебаний вертикального ротора, суть которой состоит в том, что именно крутильные колебания неуравновешенного ротора, находящегося в фазе разгона, приводят в конечном итоге к возникновению поперечных колебаний, к резонансу и к его самоустановке.
- установлена зависимость, учитывающая взаимодействие крутильной и поперечной жесткости в режиме негармонических автоколебаний и разработана математическая модель колебательного процесса, учитывающая нелинейность коэффициента поперечной жесткости в процессе крутильных колебаний ротора;
- разработан диссипативный способ экспериментального исследования резонансных процессов роторных систем, состоящий в двукратном дифференцировании разгонной кривой и предназначенный для применения в системах оперативной индикации начала резонанса.
Практическая ценность:
- предложенные теоретические предпосылки реализованы в конструкции новой стиральной машины с вертикальным барабаном-активатором и непрерывной организацией техпроцесса, сочетающей высокую производительность и качество обработки белья, защищенной патентом РФ;
- доступность и универсальность диссипативного способа исследования резонансных явлений позволила не только реализовать его в конструкции стиральной машины с вертикальным барабаном-активатором с целью оперативного задействования режимных средств преодоления резонанса, но и внедрить его в качестве самостоятельного научного продукта в системах индикации нала резонансной зоны;
- разработан пакет программ для определения основных режимных параметров стиральной машины с вертикальным барабаном-активатором в математической среде Maple и среде Excel с использованием макросов Visual Basic of Applications (VBA);
- разработана инженерная методика расчета режимных и прочностных параметров стиральной машины с вертикальным барабаном-активатором и непрерывным режимом обработки белья.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, представленных в диссертации, подтверждается созданием работоспособного экспериментального образца стиральной машины, результатами экспериментальных исследований взаимодействия поперечных и крутильных колебаний, а также исследования резонансных явлений диссипативным способом с использованием стандартных измерительных приборов, оригинальных технических решений и современных методик ведения исследований и статистической обработки результатов эксперимента.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на научно-технических конференциях Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса (г. Шахты, 2003, 2005, 2006, 2008 гг.) и Южно-Российского государственного технического университета (НПИ), а также совместной научной конференции Восточно-Украинского университета им. В.Даля и Средиземноморского университета АКДЕНИЗ (Турция, Анталия). Разработка экспонировалась на выставках разного уровня, в том числе на Всероссийской выставке-ярмарке научно-исследовательских работ в г. Новочеркасске ИНОВ-2003 и ИНОВ-2007.
Полностью работа обсуждалась и рекомендована к защите на расширенном заседании кафедры «Прикладная механика и конструирование машин» ГОУ ВПО ЮРГУЭС с участием ведущих преподавателей кафедр «Машины и аппараты бытового назначения», «Математика», «Энергетика и безопасность жизнедеятельности», «Информационные системы и радиотехника».
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 8 работ, в том числе одна из перечня ВАК, а также получен патент на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, приложений и содержит 172 страницы машинописного текста, 54 рисунка, 17 таблиц и список литературных источников из 129 наименований.
Диссертация выполнена на кафедре «Прикладная механика и конструирование машин» ГОУ ВПО Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, показана научная и практическая ценность работы.
В первой главе рассмотрена классификация стиральных машин и предложено дополнение к ней, учитывающее способ активации стирального раствора, а также проанализированы конструкции стиральных машин и конструктивные способы снижения колебаний.
Установлено, что, согласно ГОСТ 8051-93, существующие системы признаков стиральных машин учитывают лишь степень механизации машин, при этом способ активации остается неучтенным. Попытки дополнить классификацию свидетельствуют о том, что действующий стандарт не отвечает требованиям времени, т.к. появились пузырьковые и ультразвуковые стиральные машины. Одной из таких попыток является дополнение В.В. Коляды. Автор предлагает классифицировать стиральные машины по способу загрузки и габаритным размерам, однако, данное дополнение не учитывает неавтоматические стиральные машины, которые продолжают пользоваться популярностью среди населения.
Если в качестве основной характеристики стиральной машины принять ее производительность, то самым существенным классификационным признаком следует признать способ активации раствора. Такая тенденция обнаруживается в дополнениях к классификации, предложенных, например, Э.В. Лиром и В.А. Бородиным. Так, Э.В. Лир предлагает делить стиральные машины по способу активации на машины с вращающимися рабочими органами, вибрационные, а также с направленным потоком жидкости или воздуха. Стоит отметить, что для вибрационных стиральных машин в качестве механического источника вибраций могут использоваться роторные вибраторы, а в стиральных машинах с направленным потоком жидкости или воздуха поток также может создаваться вращающейся крыльчаткой или осевым колесом.
Стиральные машины по способу активации стирального раствора В.А. Бородин и С.А. Лихачев подразделяют на:
активаторные;
барабанные;
воздушно-пузырьковые;
ультразвуковые;
вибрационные.
В связи с важностью указанного признака предлагается расширение для классификации, учитывающее наряду со степенью механизации стиральной машины способ ее активации раствора, обозначаемый первой буквой от названия способа активации. В то же время существенным для производительности фактором может оказаться расположение оси барабана – вертикальное или горизонтальное. Большинство барабанных стиральных машин имеет горизонтальный барабан, в то время как вертикальный барабан используется только в качестве центрифуги, но не для активации раствора.
В контексте предложенного расширения первая часть классификации, которая учитывает степень автоматизации, остается неизменной (рис.1), вторая и третья составляющая обозначает способ активации и номинальную загрузку.
Рисунок 1 – Классификационный шифр стиральных машин
Так как в перечисленных способах активации существенное место занимают вибрации, а для барабанных стиральных машин вибрация является нежелательным фактором, был проведен обзор конструктивных способов снижения колебаний, который выявил, что применение демпфирующих, а также автоматических уравновешивающих устройств (АУУ) приводит к усложнению, утяжелению и удорожанию машины. Кроме того, например, АУУ Леблана вносит неуравновешенность в дорезонансной области, АУУ Сирля оказывает тормозящее воздействие на систему, а маятниковые АУУ вносят наибольшие добавочные реакции в опоры. В то же время возможности режимных способов далеко не исчерпаны. К ним относятся повышение мощности привода в момент прохождения через резонанс, так называемый «метод двойного пуска», применение активных магнитных опор и тормозящее воздействие на ротор (барабан).
Во второй главе изложены основные положения торсионной гипотезы колебаний вертикального вала с неуравновешенным ротором (барабаном).
В процессе аналитического обзора источников установлено, что состояние теоретических исследований в области резонансных явлений усилиями ученых приведено к более или менее устоявшимся представлениям, выражающим общепринятый взгляд на природу колебаний и резонанса с учетом факторов, влияющих в той или иной мере на развитие процесса, причем взаимодействие крутильных (торсионных) колебаний и поперечных в известных математических моделях не рассматривалось. Исследованиями колебательных явлений в роторных системах занимались многие ученые: К.В. Фролов, Ф.М. Диментберг, И.И. Блехман, С.П. Тимошенко, А.А. Гусаров, В.К. Асташев, В.Н. Челомей, В.В. Болотин, Г.Г. Азбель, М.Д. Генкин, Э.Л. Айрапетов, С.Э. Хайкин, С.П. Стрелков, Е.Л. Николаи, А.С. Кельзон, К.М. Рагульскис, Ю.И. Гусев, Г.С. Маслов, А.А. Березин, М.Я. Кушуль, С.П. Григорлюк, В.А. Щепетильников, В.К. Житомирский, М.П. Ковалев, М.Е. Левит, И.М. Бабаков, З.Б. Канторович, В.С. Лебедев, М.Ф. Михалев, А.С. Тимонин, Дж. М. Ден-Гартог, К. Мангус, Ф.С. Цзе, К. Matsuura, R. Bishop, A. Parkinson.
Исследования показали, что среди известных способов определения критической угловой скорости вращения ротора наиболее близкое значение к экспериментальному дает формула для определения частоты крутильных колебаний, таблица 1.
Таблица 1 – Расчетные и экспериментальные значения критических угловых скоростей вращения вала
| кр без учета побочных факторов | кр с учетом гироскопического момента | кр с учетом вылета | кр с учетом податливости опор | кр крут. колебания | Экспер. показате-ли |
 |    |    |   |  | - |
| 674 рад/с | 714 рад/с | 305 рад/с | 46 рад/с | 74 рад/с | 65 рад/с |
Из таблицы 1 можно сделать вывод, что крутильные колебания играют не только существенную, но и определяющую роль в резонансных процессах.
Для выяснения природы поперечных колебаний вертикального вала используется общепринятая физическая модель, представляющая собой вертикальный вал на двух опорах с неуравновешенным диском посередине, причем такая модель является упрощенной по отношению к барабану центрифуги, но вполне адекватной для установления наиболее общих закономерностей колебательного процесса.
С учетом крутильных колебаний картина колебательного процесса в плане выглядит так (рис.2): при раскрутке вала на неуравновешенный диск массой m, установленный на валу с эксцентриситетом е, действует центробежная сила инерции F, приложенная к центру масс С, которая заставляет вал прогибаться на величину r и прецессировать, но одновременно, с началом движения, диск сопротивляется вращению с моментом, равным произведению ускорения на момент инерции J0 диска, и отклоняется на угол от линии прогиба.
Координаты центра масс С:
Угол поворота радиус-вектора :
.
Рисунок. 2 – Расчетная схема для поперечных колебаний с амплитудой r с учетом крутильных колебаний диска c амплитудой
Вал находится в равновесии под действием центробежной силы 
и упругой реакции 
,
где 
,
с() – поперечная жесткость вала с учетом угла закручивания вала, которая принимается нелинейной в связи с образованием петли гистерезиса в процессе резонанса.
Прогиб вала r с учетом упругой реакции R на центробежную силу инерции F:
(1)
Очевидно, что прогиб является функцией угла закручивания диска 
. Взаимодействуя с моментом кручения 
, момент упругого сопротивления 
создает крутильные колебания с частотой:
,
где k – жесткость вала при кручении;
– период колебаний, равный 
.
Составляем дифференциальное уравнение крутильных колебаний:
(2)
В связи с переменностью радиус-вектора момент инерции по теореме Штайнера:
(3)
где J0 – момент инерции диска относительно геометрической оси А.
Итак, динамическое состояние вертикальной роторной системы в процессе разгона описывается системой нелинейных уравнений (1), (2) и (3), которая учитывает изменение не только амплитуды колебаний r и угловой скорости, но и изменение момента инерции J, а также нелинейный характер
коэффициента поперечной жесткости с(). Именно влияние угла закручивания вала на поперечную жесткость является средством синхронизации собственных частот разной направленности – поперечных и крутильных, способствуя возникновению поперечных колебаний в режиме автоколебаний.
В соответствии с изложенной торсионной гипотезой, колебания возникают тогда, когда частота вращения становится близкой к частоте собственных крутильных колебаний, то есть период крутильных колебаний равен периоду оборота диска.
Прямая круговая прецессия начинает искажаться, поскольку в первой половине цикла (рис.3,а) угловая скорость смещенного центра масс равна разности между угловой скоростью вращения вала и угловой скоростью вала относительно геометрической оси в процессе крутильных колебаний.
Во второй половине оборота полная угловая скорость представляет собой сумму угловых скоростей вала и диска. Таким образом, во второй фазе суммарная угловая скорость больше, чем в первой, на 2, вследствие чего центробежная сила инерции в этой фазе также увеличивается, но уже в квадрате. Траектория движения геометрического центра диска становится вытянутой несимметричной, вызывая поперечные колебания, также несимметричные. Эта стадия процесса соответствует резонансу (рис.3,б).
Рисунок 3 – Формирование несимметричных поперечных колебаний:
а) исходная круговая прецессия геометрического центра вала А без учета крутильных колебаний; б) искажение прецессии под действием крутильных колебаний в процессе резонанса
Наибольшее влияние на несимметричность поперечных колебаний оказывает взаимодействие крутильных колебаний с поперечными, причем, как показал дополнительный эксперимент (см. гл.3), при увеличении закручивания вала увеличивается его поперечная жесткость. Чтобы данное состояния стало стимулом к уменьшению прогиба вала, то есть к самоустановке, необходимо стабилизировать закрученное состояние вала, то есть остановить крутильные колебания. Вследствие несимметричности амплитуды колебаний и петли упругого гистерезиса наблюдается самозакручивание вала, вызванное его деформациями, постоянно накапливающимися в процессе вращения.
Таким образом, причиной возникновения поперечных колебаний и резонанса являются крутильные колебания, а самоустановке вала способствует увеличение его поперечной жесткости вследствие закручивания.
Таким образом, крутильная гипотеза позволяет обосновать сущность основных режимных способов перехода роторных систем через резонансную зону, к которым относятся так называемый «метод двойного пуска», повышение мощности привода в момент прохождения через резонанс, применение активных магнитных опор и оказание тормозящего воздействия на ротор (барабан). Все эти способы сводятся либо к ускорению вала ротора (барабана) с выведением его в закрученное состояние, либо с притормаживанием ротора (барабана) с той же целью различными способами, в том числе и воздействием окружающей среды.
Установлено, что все исследованные способы требуют точной индикации частоты, соответствующей входу в резонансную зону. Для реализации этих способов необходимо создание системы оперативной индикации начала вхождения роторной системы в резонансную зону.
В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования колебательных процессов роторных систем диссипативным способом и взаимодействия поперечной и крутильной жесткости.
Поскольку резонансные явления сопровождаются диссипацией энергии, диссипация может служить индикатором резонанса. С целью реализации данной идеи разработана установка (рис. 4), которая использует для построения разгонную характеристику.
Рисунок 4 – Схема установки для изучения колебательных процессов роторных систем: 1 – исследуемая роторная система; 2 – магнит; 3 – контактный датчик Холла; 4 – микроконтроллер МК; 5 – интерфейс RS232; 6 – терминал.
Данные о разгоне роторной системы поступают на микроконтроллер МК с датчика оборотов.
В режиме разгона в резонансной области должно наблюдаться рассеяние энергии, сопровождаемое снижением динамики разгона, то есть снижением ускорения. С целью выявления резонансной частоты и зоны резонанса разгонная кривая подвергается двукратному дифференцированию (рис.5). В целом зона резонанса соответствует зоне приблизительно постоянного ускорения 
, когда первая производная 
линейна, а начало резонанса соответствует первому нулевому значению (после зоны действия пускового момента) третьей производной 
, так называемой резкости. Диссипативный способ позволяет установить момент входа в резонансную зону и длительность резонанса, что особенно важно при исследовании резонансных явлений и при использовании режимных способов преодоления резонанса.
Рисунок 5 – Определение резонансной частоты вала ротора
Проведен дополнительный эксперимент по определению зависимости поперечного прогиба r вала (амплитуды колебаний) от закручивающего момента М на динамометрическом стенде с применением динамометрического ключа. По результатам экспериментальных исследований была построена поверхность зависимости поперечной жесткости с от угла закручивания и поперечной нагрузки F (рис.6).
Рисунок 6 – Поверхность зависимости поперечного прогиба от закручивающего момента и поперечной нагрузки
Установлено, что с увеличением угла закручивания поперечная жесткость вала с увеличивается, что способствует уменьшению прогиба r и выходу роторной системы из резонансной области в область самоустановки. В то же время изменение поперечной жесткости не влечет за собой изменения крутильной жесткости, то есть крутильная жесткость остается линейной по отношению к моменту закручивания. Это позволяет получить зависимость поперечной жесткости от крутильной жесткости с() в виде семейства кривых. Среднее арифметическое семейства кривых аппроксимируется полиномом 3-го порядка с целью формализации зависимости с() для вала (Сталь 35, d=0,009м, l=0,4м) (рис.7).
Рисунок 7 – Полином экспериментальной зависимости с()
Полученная зависимость 
позволяет учесть нелинейный характер поперечной жесткости конкретного вала при решении систем уравнений (1), (2) и (3) численным способом.
В четвертой главе подтверждается работоспособность принятых теоретических моделей и возможность их реализации в конструкции стиральной машины с вертикальным барабаном-активатором, разрабатываются инженерные методики расчета основных режимных и конструктивных параметров.
Конструкция предлагаемой стиральной машины (рис. 8) позволяет организовать непрерывный процесс обработки белья, при котором барабан не реверсируется и даже не останавливается.
Процессы стирки и полоскания в стиральной машине осуществляются в дорезонансной области, при этом вертикальный барабан с бельем многократно разгоняется в баке, заполненном стиральным раствором, от 
минимальной угловой скорости вращения до 
максимальной угловой скорости вращения и опять замедляется до 
, затем процесс повторяется.
Это приводит к тому, что белье под действием центробежной силы при разгоне до 
прижимается к стенке барабана и поднимается вдоль образующей, а при замедлении до опускается на дно барабана.
Рисунок 8 – схема стиральной машины с вертикальным барабаном-активатором
Принцип стирки, то есть воздействия на белье, сочетает в себе механическое воздействие на раствор и белье с «эффектом губки». По окончанию процесса стирки угловая скорость вращения стирального барабана увеличивается, при этом стиральный раствор начинает сливаться через сливной клапан.
При отжиме переход через резонансную зону осуществляется при постепенно уменьшающемся уровне стирального раствора, который, притормаживая стиральный барабан, закручивает вал ротора, тем самым увеличивает его жесткость и ускоряет процесс самоустановки, а раствор в баке исполняет роль демпфера. Выбранный способ преодоления резонанса конструктивно проще в сравнении с так называемым «методом двойного пуска» и предполагает самоустановку барабана в режиме адаптации к уровню сливаемого раствора. Эксперимент показал, что длительность резонанса сокращается с 0,4 с до 0,2 с, обеспечивая безопасное преодоление резонансной зоны и снижение вредных влияний вибрации на узлы и подвижные соединения стиральной машины, при этом амплитуда колебаний не достигает своих максимальных значений. Сливаемая в накопительную емкость вода также выполняет роль демпфера, повышая эксплуатационные качества машины и ее надежность.
Определены основные режимные параметры стиральной машины с учетом гидродинамических процессов. Выявлен диапазон рабочих угловой скоростей стирального барабана с учетом фактора разделения и условий виброустойчивости.
Проведен прочностной расчет обечайки стирального барабана, которая находится под совместным действием распределенных по поверхности инерционных нагрузок от собственной массы обечайки 
и массы обрабатываемой среды 
, краевых сил 
и момента 
.
Проведен расчет энергопотребления стиральной машины с вертикальным барабаном-активатором и установлено, что, поскольку полученное значение расхода электроэнергии 0,157 кВтч/кг < 0,19 кВтч/кг, следовательно, разработанная стиральная машина относится к классу энергопотребления А. По эффективности отжима, разработанная стиральная машина относится к классу В.
Организация техпроцесса обработки белья в стиральной машине с вертикальным барабаном-активатором позволяет снизить энергопотребление за счет того, что в процессе стирки исключена полная остановка стирального барабана, а значит, снижаются и инерционные потери. Повышение производительности, то есть сокращение длительности цикла обработки белья, достигается за счет повышения интенсивности активации, применения непрерывной организации техпроцесса и использования накопительной емкости и проточного водонагревателя.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
ОБ ОСНОВНЫХ РЕЗУЛЬТАТАХ РАБОТЫ
1.Проведенный анализ современных стиральных машин, выявил, что современная классификационная система требует дополнения, учитывающего способ активации обрабатываемого белья, поэтому предлагается расширение для классификации, учитывающее наряду со степенью механизации стиральной машины способ активации раствора.
2. Обзор технологий обработки белья показал, что в настоящее время стирка осуществляется в основном в барабанных стиральных машинах. Рабочим органом таких стиральных машин является горизонтальный стиральный барабан, который осуществляет прерывисто-реверсивное вращение со скоростью 50…60 об/мин, в результате чего происходит перелопачивание белья. Такая организация процесса характеризуется низкой производительностью, высоким энергопотреблением, а также высоким уровнем виброактивности.
3. Обзор конструктивных способов снижения вибраций выявил, что применение демпферов, а также автоматических уравновешивающих устройств (АУУ) приводит к усложнению, утяжелению и удорожанию стиральной машины. Кроме того, например, АУУ Леблана вносит неуравновешенность в дорезонансной области, АУУ Сирля оказывает тормозящее воздействие на систему, а маятниковые АУУ вносят наибольшие добавочные реакции в опоры.
4. Установленная в результате аналитического обзора приближенность общепринятой математической модели колебательного процесса неуравновешенного вала объясняется принятой в ней коллинеарностью эксцентриситета и прогиба, а также неподтвержденной линейностью коэффициента жесткости, поэтому данная математическая модель не содержит предпосылок к формализации не только явления самоустановки в зарезонансной зоне, но и самого резонанса, поскольку не раскрывает природу собственно колебаний, проявляющихся в знакопеременной деформации вала.
5. Разработана математическая модель движения центра тяжести вертикальной роторной системы в момент резонанса и самоустановки, учитывающая совместное действие негармонических поперечных и крутильных колебаний, а также нелинейность упругой характеристики материала вала. Установлено, что основной причиной самоустановки роторной системы является увеличение поперечной жесткости вала вследствие его закручивания в процессе торсионных колебаний. Кроме этого, несимметричность траектории движения центра масс ротора в момент резонанса, и, соответственно, несимметричность колебаний обусловлена совместным действием скорости вращения ротора и скорости его крутильных колебаний, изменяющих круговой вектор центробежной силы.
6. Исследованы основные режимные способы перехода роторных систем через резонансную зону и установлено, что данные способы требуют точной индикации частоты, соответствующей входу в резонансную зону. Для реализации этих способов предложена система оперативной индикации начала резонансной зоны и собственно резонансной частоты, основанная на явлении диссипации энергии в процессе резонанса.
7. Разработан способ выявления резонанса на основе учета влияния диссипации на разгон ротора. Данный способ позволяет оперативно выявлять момент начала вхождения роторной системы в зону резонанса и длительность резонанса. Для реализации диссипативного способа разработана установка и программное обеспечение, которые используют разгонную характеристику и ее производные для выявления резонансных частот.
8. Проведены экспериментальные исследования влияния крутильной нагрузки на поперечную жесткость вала, в результате которых установлено, что с увеличением закручивающего момента жесткость вала увеличивается, что способствует выходу роторной системы из резонансной области в область самоустановки.
9. Предложенные теоретические предпосылки реализованы в инженерной методике расчета основных параметров и конструкции новой стиральной машины с вертикальным барабаном-активатором и непрерывной организацией техпроцесса, в которой переход барабана через резонансную зону ускоряется за счет притормаживающего действия водной среды в процессе понижения ее уровня. Определены основные режимные параметры стиральной машины с учетом гидродинамических процессов, протекающих в стиральном барабане, проведен прочностной расчет на прочность стирального барабана, определен угол образующей стирального барабана, а также проведен расчет привода и установлен класс энергопотребления стиральной машины с вертикальным барабаном-активатором.
10. Новизна способа стирки в разработанной стиральной машине состоит в достаточно активном перемешивающем воздействии на раствор и белье со стороны вращающегося гладкого барабана, не изменяющего направление своего вращения и не замедляющегося до полной остановки. Свой вклад в повышение производительности вносят использованные режимные способы быстрого преодоления резонанса, а также емкости-накопители воды, сокращающие время наполнения бака и дополнительно выполняющие роль демпферов колебаний.
Основные результаты диссертации изложены в следующих работах
1. Лысенко Я.А. Метод определения коэффициента полезного действия [Текст] / С.А. Кузнецов, Я.А. Лысенко, А.В. Владимиров; Изв. вузов. Сев.-Кавк.регион. Технич. науки. – 2004. – №2 – С. 90-95.
2. Патент 2230842 Российской Федерации, МПК D 06 F 23/04. Стиральная машина [Текст] / Кузнецов С.А.; Алехин С.Н.; Лысенко Я.А.; заявитель и патентообладатель Южно-Российский университет экономики и сервиса. – 2002135535; заявл. 26.12.2002; опубл. 20.06.2004, Бюл. № 17.
3. Лысенко Я.А. Барабанно-струйная стиральная машина [Текст] / Я.А. Лысенко, С.Н. Алехин, С.А. Кузнецов // Проблемы машиностроения и технического обслуживания в сфере сервиса. Радиоэлектроника, телекоммуникации и информационные технологии: Межвуз. сб. науч. тр. Изд-ва ЮРГУЭС, 2003. – С. 13-15.
4. Кузнецов С.А. Графоаналитический метод определения КПД механизмов [Текст] / С.А. Кузнецов, А.В. Косов, Я.А. // Лысенко. Оборудование предприятий сервиса. Теория и опыт: Межвуз.сб.науч. трудов. – Шахты: Изд-во ЮРГУЭС,2003.-С.154-157.
5. Лысенко Я.А. Анализ конструктивных особенностей основных конструктивных параметров барабанно-струйной стиральной машины [Текст] / Я.А. Лысенко, С.Н. Алехин, С.А. Кузнецов // Проблемы машиностроения и технического обслуживания в сфере сервиса. Радиоэлектроника, телекоммуникации и информационные технологии: Межвуз. сб. науч. тр. – Шахты: Изд-ва ЮРГУЭС, 2005. – С. 32-35.
6. Лысенко Я.А. Современная классификация стиральных машин [Текст] / Я.А. Лысенко, С.А. Кузнецов, В.В. Виноградов // Проблемы машиностроения и технического обслуживания в сфере сервиса. Радиоэлектроника, телекоммуникации и информационные технологии: Межвуз. сб. науч. тр. – Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2006. – С. 9-12.
7. Лысенко Я.А. Диссипативный способ исследования резонансных процессов [Текст] / Я.А. Лысенко, С.А. Кузнецов, И.Е. Старченко, О.В. Жданова // Современные проблемы машиностроения, информационных технологий и радиоэлектроники: Межвуз. сб. науч. тр. – Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2008. – С. 18-20.
8. Лысенко Я.А. Стиральная машина с непрерывной организацией техпроцесса [Текст] / Я.А. Лысенко. // Вiсник схiдноукраинского нацiонального унiверситету iмени В. Даля. - №2 (132) – Луганськ, 2009. – С. 223 - 227.
Подписано в печать 27.05.2009г. Формат 60х84/16.
Бумага офсетная. Ризография. Усл.п.л. 1,0.
Тираж 100экз. Зак. 22.
Отпечатано в типографии: ИП Бурыхин Б.М., 346500 Ростовская обл.,
г. Шахты, ул. Шевченко, 143.
