Đối với máy giặt, lý do chính gây ra rung động trong quá trình quay vắt là do quần áo trong lồng giặt bị ép vào tường bên trong của lồng và phân phối không đồng đều nên gây ra sự mất cân bằng. Khi máy giặt quay với tốc độ càng cao thì lực li tâm càng lớn và điều đó làm cho biên độ rung động lớn hơn xảy ra. Hệ thống treo phải đảm bảo 2 yêu cầu: độ cứng vững cao và khả năng hấp thụ rung động lớn. Trong phần này, dựa trên mô hình và chương trình mô phỏng đã thiết lập và kiểm chứng độ tin cậy ở phần trên, luận văn sử dụng hàm năng lượng hao tán (Ed) để đánh giá khả năng hấp thu rung động của hệ thống giảm chấn. Hàm này được xác định bằng tích của lực ma sát với chuyển dịch trên giảm chấn, cho nên nếu lồng giặt rung động càng lớn thì giá trị của hàm này càng tăng. Một trong những tiêu chí để lựa chọn các thông
số cho hệ thống treo là giá trị của hàm này nhỏ, điều này cũng tương ứng với lực truyền đến vỏ máy nhỏ, máy giặt sẽ hoạt động êm dịu.
Hình 48 chỉ ra sự thay đổi của năng lượng hao tán tại các góc lệch khác nhau của giảm chấn, cụ thể góc D thay đổi từ 0o đến 45o, ứng với hai tốc độ quay
N=600vòng/phút và N=800vòng/phút. Khi lồng giặt quay ở tốc độ 600vòng/phút, tại giây thứ 10, Ed=8.16J (D=10o), 7.38J (D=33o), 8.18J (D=40o) và khi quay ở tốc độ 800vòng/phút, tại giây thứ 10, Ed = 7.20J (D=10o), 6.85J (D=33o) và 11.6J (D=40o).
Hình 48. Đồ thị năng lượng hao tán tại các góc lệch khác nhau của giảm chấn tại N=600 vòng/phút and 800 vòng/phút
Giá trị của góc nghiêng có thể được lưa chọn dựa vào giá trị của năng lượng hao tán. Tuy nhiên, sự thay đổi góc lệch của giảm chấn không ảnh hưởng quá nhiều đến độ lớn của năng lượng hao tán nhưng ảnh hưởng nhiều đến tính ổn định của hệ thống treo. Điều này được chỉ ra trên Hình 49 và Hình 50. Với D nhỏ hơn 30o hoặc lớn hơn 35o, chuyển dịch theo phương x bị giật, các điểm không còn chuyển động ổn định.
Kết quả mô phỏng số cho 10 giây đầu tiên được biểu diễn bằng đồ thị chuyển dịch theo phương x và y tương ứng với quỹ đạo chuyển động của lồng giặt. Mỗi quỹ đạo tương ứng được mô tả bởi một đường cong. Sự đồng tâm của các đường cong thể hiện sự ổn định của hệ thống. Khi D = 10o, Hình 49, 50 chỉ ra rằng quỹ đạo chuyển động là không ổn định theo phương x, với D = 40o, quỹ đạo chuyển động không ổn định theo cả hai phương x và y.
Hình 49. Quỹ đạo của một điểm trên lồng tương ứng với góc lệch của giảm chấn, N = 600 vòng/phút
Hình 50. Quỹ đạo của một điểm trên lồng tương ứng với góc lệch của giảm chấn, N = 800 vòng/phút
Như vậy, để hệ thống treo ổn định và dao động êm dịu, ta nên chọn góc lệch của giảm chấn trong khoảng từ 30o đến 33o, đây cũng là góc lệch giảm chấn được sử dụng trong các loại máy giặt trên thị trường hiện nay.
Một tham số ảnh hưởng lớn hơn tới hàm năng lượng hao tán là số lượng giảm chấn lắp đặt vào hệ thống treo. Một số cấu hình giảm chấn được xem xét như sau (R và L lần lượt là giảm chấn phía bên phải và trái).
Cấu hình giảm chấn
R2L2 R3L3 R2L4 R2L5 R1L1 R2L1
Hình 51. Đồ thị năng lượng hao tán và số lượng giảm chấn tại N=600 vòng/phút and 800 vòng/phút.
Ta thường cho rằng nếu sử dụng càng nhiều giảm chấn thì việc cách ly rung động càng hiệu quả nhưng đồ thị hình 51 chỉ ra không phải như vậy. Ứng với tốc độ quay khác nhau, hệ thống treo chỉ làm việc hiệu quả khi sử dụng hai giảm chấn (1R1L), ba giảm chấn (1R2L), hoặc bốn giảm chấn (2R2L), sáu giảm chấn (3R3L hoặc 2R4L), và bảy giảm chấn (2R5L). Hình 51 chỉ ra rằng số lượng giảm chấn có quan hệ với hàm năng lượng hao tán, sử dụng càng nhiều giảm chấn, năng lượng hao tán càng cao. Tuy nhiên, khi xét tới quỹ đạo chuyển động của lồng chứa ứng với các cấu hình giảm chấn nói trên như trong Hình 52, 53, số lượng giảm chấn càng lớn gây ra sự lệch tâm của các đường quỹ đạo. Do đó, cấu hình giảm chấn phù hợp là: 1R1L, 1R2L, 2R2L và 3R3L.
Hình 52. Đồ thị biểu diễn quỹ đạo của 1 điểm trên lồng giặt và số lượng giảm chấn tại N = 600 vòng/phút
Hình 53. Đồ thị biểu diễn quỹ đạo của 1 điểm trên lồng giặt và số lượng giảm chấn tại N = 800 vòng/phút
Để vừa giảm rung hiệu quả vừa giảm chi phí, phương án chọn ba giảm chấn (1R2L) như trong thiết kế của các nhà sản xuất hiện tại là hợp lí hơn cả, trong đó, vị trí của giảm chấn đơn nằm bên phải hay bên trái là phụ thuộc vào chiều chuyển động của lồng chứa.
KẾT LUẬN 1. Các kết quả chính đạt được
- Xây dựng được 02 mô hình rung động 2D cho máy giặt lồng ngang.
+ Mô hình 1 là mô hình 2D với 2 bậc tự do là dịch chuyển của lồng chứa theo hai phương x và y ứng với góc lệch của lò xo và giảm chấn là không thay đổi so với phương thẳng đứng, lực đàn hồi và lực giảm chấn là tuyến tính.
+ Mô hình 2 là mô hình mới với việc đưa vào mô hình lực cản phi tuyến bậc 2 đối với vận tốc dịch chuyển của xi lanh giảm chấn.
- Từ 02 mô hình toán với các dữ liệu thực tế của máy giặt LG WD 8990TDS, luận văn đã xây dựng 02 chương trình Matlab/Simulink của 02 mô hình toán. Các chương trình viết trên Simulink này đi kèm với file “.m” truyền tham số, cho phép người dùng điều chỉnh các tham số đầu vào theo mong muốn và nhận được các kết quả số ở cả dạng đồi thị và dữ liệu trên Workspace bao gồm: chuyển dịch của lồng chứa theo 2 phương x và y; lực đàn hồi lò xo treo, tổng lực cản trên các giảm chấn ở mỗi bên (chưa cho phép tính ở từng giảm chấn nếu mỗi bên có hơn 1 giảm chấn) và hàm năng lượng tiêu tán.
- Tiến hành thí nghiệm xác định đặc tính rung động để đánh giá kết quả mô phỏng số của các mô hình với số liệu thực nghiệm đã cho thấy tính sát thực của mỗi mô hình. Trên cơ sở đó chỉ ra được phạm vi ứng dụng của mỗi mô hình. Trong đó, mặc dù bỏ qua ảnh hưởng của các yếu tố thực tế như chuyển động quay của lồng giặt, tính phi tuyến của giảm chấn và hệ thống treo, mô hình 1 đã chứng minh tính hợp lệ của mô hình động học và chương trình mô phỏng để dự đoán ảnh hưởng của hệ số giảm chấn đối với mức tiêu thụ năng lượng và tối ưu hóa các đặc tính rung động của máy giặt lồng ngang.
- Áp dụng chương trình mô phỏng cho mô hình của mô hình 2 để phân tích được sự ảnh hưởng của các thông số đầu vào như độ cứng của lò xo, hệ số cản của giảm chấn, góc lệch của lò xo và giảm chấn đến chuyển dịch, vận tốc, gia tốc của một điểm trên lồng chứa.
- Kết quả phân tích cho thấy góc nghiêng giảm chấn tối ưu là từ 30o to 35o và cấu hình giảm chấn phù hợp là (1) 2 giảm chấn (1L1R hoặc ngược lại), (2) 3 giảm chấn (1L2R), (3) 4 giảm chấn (2L2R) và (4) 6 giảm chấn (3L3R), trong đó, cấu hình đầu tiên (1L1R) là hợp lý nhất và đang được sử dụng ở các dòng máy giặt lồng ngang trên thị trường.
2. Một số hạn chế của luận văn
Các mô hình hiện tại mới dừng lại ở mô hình 2D, do vậy chưa cho phép phân tích đầy đủ trong bài toán không gian. Những hạn chế này như:
- Yêu cầu phân tích lực cản trên từng bộ phận giảm chấn khi bố trí bất đối xứng như trong các cấu hình hệ giảm chấn đã trình bày ở phần trên;
- Yêu cầu tính đến khối lượng phần đối trọng tĩnh đặt lệch tâm trên lồng chứa; - Yêu cầu phân tích độ xoay ngang của máy giặt khi bị rung động do các rung động xoay quanh trục y.
3. Một số hướng phát triển của luận văn
- Tiếp tục hoàn chỉnh mô hình 3D khi kể đến thành phần rung động xoay quanh trục quay của lồng giặt;
- Xây dựng được phần mềm thu thập và xử lý dữ liệu hoàn chỉnh cho thiết bị thí nghiệm đo đặc tính động lực học giảm chấn để thuận tiện cho nhiều đối tượng người dùng.
- Phân tích rung động kết cấu thân, vỏ máy giặt; cải tiến thiết kế đế máy theo kết cấu treo cải tiến; chế tạo đế máy và thử nghiệm hoàn chỉnh trên hệ thống thực ở đầy đủ các chế độ.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Papadopoulos, E., Papadimitriou, I (2001), Modeling, design and control of a portable washing machine during the spinning cycle, Advanced Intelligent Mechatronics, 2001, Proceedings of 2001 IEEE/ASME International Conference,
Vol. 2, pp. 899-904.
2. Argentini, T., Belloli, M., Gaudiano, N., Fraternale, G., Panetta, F., Sabato, D., Vanali, M. (2007)., On a numerical model of a complete washing machine.
Computational Methods and Experimental Measurements XIII, Vol. 46, pp.723- 733.
3. Koizumi,T., Tsujiuchi, N., Nishimura, Y., Yamaoka, N. (2006), Modeling and Vibration Analysis of a Drum type Washing Machine, IMAC-XXIV-Conf-s28 p05.
4. Lim, H.-T., Jeong, W.-B., Kim, K.-J. (2010), Dynamic Modeling and Analysis of Drum-type Washing Machine, International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol. 11, No. 3, pp. 407-417, DOI: 10.1007/s12541-010-0047- 7.
5. Holger, G., Wagner, U., Heubner, A. (2009), Dynamical behavior of washing machines. PAMM · Proc. Appl. Math. Mech. 9, 109 – 110 / DOI 10.1002/pamm.200910029.
6. Nygards, T., Berbyuk, V. (2010), Patero optimization of a washing machine suspension system”, 2nd International Conference on Engineering Optimization, September 6-9, Lisbon, Portugal.
7. Galal, A. H. (2015), Vibration Analysis of a Horizontal Washing Machine, Part I: Vibration Displacement and Velocity, International Journal of Advancement in Engineering Technology, Management & Applied Science, ISSN No: 2349-3224. 8. Krishnaiah, K.V., Reddy, R.N. (2016), Design and Analysis of Washing Machine Drum, International Journal & Magazine of Engineering Technology, Managenment and Research, ISSN No: 2348-4845.
9. Shihab, I.M., Soud, W. A., Jebur, N.A. (2017), Theoretical and Experimental Study of the Vibration of a Drum Type Washing Machine at Different Speeds, Al- Nahrain Journal for Engineering Sciences (NJES), Vol.20 No.5, 2017 pp.1160- 1171.
10. Spelta, C., Savaresi, S., Fraternale, G., Gaudiano, N. (2008), Vibration Reduction in a Washing Machine via Damping Control, Proceedings of the 17th World Congress, The International Federation of Automatic Control Seoul, Korea, July 6-11.
11. Buskiewicz, J., Pittner, G. (2015), Reduction in vibration of a washing machine by means of a disengaging damper, Mechatronics 000, 1–15.
12. Quoc Hung Nguyen, Ngoc Diep Nguyen and Seung Bok Choi (2014), Optimal design and performance evaluation of a flow-mode MR damper for front-loaded washing machines, Asia Pacific Journal on Computational Engineering 2014 1:3, doi:10.1186/2196-1166-1-3.
13. Lu, G.-Q., Pang, D.-M, New damper design for noise control of washing machine, © JVE International LTD. ISSN Print 2335-2124, ISSN Online 2424-4635, KAUNAS, LITHUANIA
14. Boyraz, P., Gündüz, M. (2013), Dynamic modeling of a horizontal washing machine and optimization of vibration characteristics using Genetic Algorithms,
Mechatronics 23, pp581–593.
15. BarJG Can YalçJn, Haluk Erol (2015), Research Article Semiactive Vibration Control for Horizontal Axis Washing Machine, Hindawi Publishing Corporation Shock and Vibration.
16. Argentini, T., Belloli, M., Robustelli, F. C., Martegani, L., Fraternale, G., (2013), Innovative designs for the suspension system of horizontal axis washing machines: secondary suspensions and tuned mass dampers, Proceedings of the ASME 2013, International Mechanical Engineering Congress and Exposition IMECE2013, November 15-21, San Diego, California, USA.
17. Tyan, F., Chao, C.-T., Tum, S.-H. (2009), Modeling and Vibration Control of a Drum-Type Washing Machine via MR Fluid Dampers Proceedings of 2009 CACS International Automatic Control Conference National Taipei University of Technology, Taipei, Taiwan, Nov. 27-29.
18. O.S. Türkay, I.T. Sümer, A.K. Tuğcu, B. Kiray, (1998), Modeling and experimental assessment of suspension dynamics of a horizontal – axis washing machine. Journal of Vibration and Acoustics 120, pp 534 – 543.
19. O.S. Türkay, Kiray B., Tugcu A.K., İ.T. Sümer (1995), Formulation and implementation of parametric optimisation of a washing machine suspension system, Mechanical Systems and Signal Processing (1995) 9(4), 359-377. URL: https://doi.org/10.1006/mssp.1995.0029
20. M.E.Ozt¨urk and H.Erol, (2010) On the dynamics of a washing ¨ machine with flexible components, Noise Control Engineering Journal, vol. 58, no. 6, pp. 572–590.
21. National Instruments SCC-68 User Guide and Specifications, http://www.ni.com 22. National Instruments NI USB-6251 Screw Terminal, http://sine.ni.com
23. Piezotronics, "Model 355B04 Product Notes"
24. ADLINK Technology Data Acquisition USB DAQ USB-2405, www.adlinktech.com
25. TWK-ELEKTRONIK RH 28 - TWK-ELEKTRONIK GmbH, www.twk.de 26. Nguyễn Đại Phong (2017), Xây dựng mô hình thực nghiệm phân tích rung động
của lổng quay máy giặt cửa trước, Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên.
CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
- Ngo Nhu Khoa, Nguyen Thi Hoa, Nguyen Thi Bich Ngoc, Numerical modeling and experimental study on vibration of a horizontal washing machine, Advances in Engineering Research and Application - Proceedings of the International Conference, ICERA 2018, LNNS 63, pp. 415-424, 2019.
- Ngo Nhu Khoa, Nguyen Thi Hoa, Nguyen Thi Bich Ngoc, The effect of damper configurations on the vibration of horizontal washing machines, Advances in Engineering Research and Application - Proceedings of the International Conference, ICERA 2018, LNNS 63, pp. 298-308, 2019.