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滚筒洗衣机箱体振动与噪声控制 徐 超 左言言 李晓川 江苏大学振动噪声研究所, 江苏 镇江 212013 摘要 为了减小滚筒洗衣机箱体的振动噪声, 对滚筒洗衣机箱体进行了模态试验并识别出模态参数。 然后建立了箱 体的有限元模型, 对其进行了计算模态分析。 有限元分析结果与试验结果吻合较好, 验证了有限元模型的正确性。 依 据模态分析结果, 对洗衣机箱体进行改进, 通过建立有限元模性进行谐响应分析, 证明提高箱体刚度可以收到减振降 噪效果。 关键词 洗衣机 振动和噪声 模态分析 有限元 谐响应 0 引言 随着人们对环境要求特别是噪声要求的提高 ,洗 衣机的振动和噪声问题也备受重视 [ 1] 。洗衣机箱体 是其它零件的安装基础。工作时, 箱体受到来自滚筒 等旋转部件的振动激励作用, 承受比较复杂的载荷, 因而箱体的动态特性直接影响着洗衣机振动噪声的 大小和使用性能。对某全自动滚筒洗衣机的箱体进 行动态特性分析 ,通过试验模态和有限元计算模态分 析,识别出洗衣机箱体的固有频率和阻尼比等模态参 数,对箱体结构的优化改进设计、减振降噪具有指导 意义 。 1 洗衣机箱体的试验模态分析 1. 1 模态分析基本理论 试验模态分析是基于系统激励与响应的动态测 试,由系统激励和响应数据 ,经信号处理求得传递函 数,然后利用参数识别技术识别出系统的模态参数。 对结构进行振动分析和参数识别时 ,一般要把结构离 散为多自由度的离散振动系统 , 该系统在物理坐标下的运动方程为 [ 2] [ M]{ x}[ C]{ ﹒ x}[ K]{ x}{ F} 1 式中 [ M] 结构质量矩阵 ; [ C] 结构阻尼矩阵 ; [K] 结构刚度矩阵 ; { x} ,{ ﹒ x} ,{ x} 节点位移 、 速度 、 加速度列阵; { F} 结构载荷列阵 。 对 1 式两边进行傅立叶变换,可得 [ 3] jω [ C] [ K] -ω 2[ M] { X ω }{ F ω } 2 式中 { X ω } 系统位移响应频谱 。 引入模态坐标向量 { q}[ Υ ] - 1{ x} 3 则{ x}[ Υ ]{ q} 4 式中 ,[ Υ ] [{ }1, { }2, ,{ }n] , 为模态振型矩 阵。根据模态振型与质量矩阵[ M] 和刚度矩阵[ K] 的性质,可以得到频响函数矩阵 [ H ω ] ∑ n i 1 { }i{ } T i Ki-ω 2M ijω Ci 5 式中 Mi 模态质量; Ki 模态刚度; Ci 模态阻尼系数。 系统的任一频响函数均可表示为其各阶模态导 纳的线性组合, 所以可从试验测得频响函数 ,通过试 验模态分析获得系统的模态参数。 1. 2 模态试验分析 模态试验测试分析系统主要包括 3个部分 ,即激 励部分 包括信号发生器 、 功率放大器和激振器 、传 感部分 包括传感器和适调放大器 和分析部分 包括 分析系统等 [ 4] ,如图 1所示。 图 1 模态试验测试示意图 模态试验时 , 把箱体放在弹性良好的汽车内胎 上,使其尽量处于无约束的“自由-自由”状态。试验 采用锤击法 脉冲激励法 , 对箱体进行多点激励, 单 点响应测量 。 57 环 境 工 程 2008年 2 月第26 卷第1 期 为了尽可能全面反映箱体的模型的几何形状 ,本 试验选取箱体左下角顶点为原点, 共布置了 177个测 点。选取左侧面第 98点为响应点 。 模态试验的关键问题之一就是获得准确的频响 函数 ,以此为基础才能得到准确的模态参数。本试验 用SD380动态分析仪进行信号采集和处理,通过对采 集得到的激励力信号和从传感器传输的加速度信号 进行分析得到其频响函数 ,最后对所有点的频响函数 取平均得到所有测点的频响函数。 试验模态分析结果见表 1 和图 3。 表 1 试验模态和有限元计算模态结果 阶数试验频率 Hz阶数计算频率 Hz误差 137. 51834. 96. 8 244. 84942. 84. 5 363. 291165. 94. 1 467. 681270. 14. 1 570. 701374. 35. 1 677. 491578. 61. 5 2 洗衣机箱体的有限元计算模态分析 有限元模型是有限元分析的重要环节,模型建立 的好坏对结果有很大的影响, 模型的建立要遵循以下 原则 [ 5] 依照模型的实际尺寸 ,忽略对整体力学性能 的影响较小的几何细节, 如半径5 mm以下的孔洞、过 渡圆角或倒角以及搭接边上的较小的凸台等 ,而对力 学性能影响较大的凹槽、加强筋等则一定要保留。简 化后的几何模型用专门的有限元前 后处理软件处 理,本文使用 HyperMesh 软件, 对其进行离散化处理 以获得有限元模型 , 选用 4 节点的 SHELL63 板壳单 元,模型共有20 423个单元和20 491个节点。所得有 限元模型如图 2 所示 。 图 2 有限元模型 本箱体的材料为薄钢板, 其材料属性 弹性模量 为 E 2. 07 10 11 Pa, 密度为 ρ 7 800 kg m 3 , 泊松比 υ 0. 3。对箱体不施加约束进行自由模态分析以得 到其固有特性。这种自由状态必然导致计算结果出 现刚体模态 [ 6] 。这里保留 6 个刚体模态 3 个平动模 态,3 个转动模态。计算结果见表 1 和图 3。 限于篇幅, 模态振型的比较只比较了前 3 阶 左 为模态试验结果 ,右为有限元计算结果 ,见图 3。 a第一阶模态振型 b第二阶模态振型 c第三阶模态振型 图 3 前三阶模态振型 由图 3 可见箱体第一、二阶主振形是侧面横向弯 曲变形; 第三阶振形是侧面扭转变形。通过比较看 出,有限元计算结果与试验结果的频率相对误差 ≤ 10。此外 ,试验振型和计算振型基本吻合, 所以可 认为建立的有限元模型是准确的,可作为箱体进一步 计算分析的基础 。 3 箱体的动态响应分析 动态响应分析是用于确定线性结构在承受变化 的动载荷时的稳态响应。得到结构响应值 通常为位 移 与频率的关系曲线 [ 7] 。 动态响应分析利用 ANSYS 的谐响应分析模块, 采用模态叠加法进行谐响应分析求解 。设定频率范 围为 10～ 100 Hz。在箱体4 个底脚处施加全约束 ,箱 体底部施加幅值20 N的正弦激励,求解箱体左右侧面 中心节点处的 X 方向的位移响应。测点布置见图 2。 1、 2 两点的位移频谱如图 4所示。 58 环 境 工 程 2008年 2 月第26 卷第1 期 a点 1的谐响应 b点 2的谐响应 图 4 响应位移频谱 由图 4 可见最大峰值出现在42. 8 Hz附近, 在 34. 9 Hz附近也有较大峰值。说明前两阶模态对振动 影响较大 。由图 3 可明显看出箱体左右 2 个侧面是 主要响应区,箱体的变形主要发生在左右2 个侧面 。 4 改进建议 试验和计算结果表明 ,箱体左右2 个侧面刚度较 差,振动较大; 在试验和计算结果基础上提出如下改 进建议 1因为洗衣机机箱的振型大多源于机箱的壁 厚方向,所以可通过增加机箱壁厚达到增加机箱刚度 的目的。 2优化箱体结构的设计以提高箱体表面的弯 曲刚度,特别是箱体的两侧。 3增设加强筋来提高洗衣机机箱刚度, 从而提 高其固有频率。 4在箱体内壁上粘贴阻尼吸声材料, 这样既增 加了箱体的刚度 ,也可以吸收一部分声能。 根据以上建议对箱体进行改进 ,增加箱体薄钢板 的厚度,将原箱体的 5 条竖直方向凹槽改为上下两个 X 形凹槽 , 并且在中间添加了一根水平放置的加强 筋。修改后的有限元模型如图 5 所示 。对此有限元 模型进行计算模态分析和动态响应计算 ,得到的固有 频率见表 2,谐响应计算结果见图 6。 表 2 箱体改进后的固有频率Hz 阶数12345 频率42. 552. 157. 459. 471. 2 图 5 修改后的有限元模型 a点1 的谐响应 b点 2的谐响应 图 6 改进后的位移频谱 改进前 、 后机箱各响应点峰值见表 3。 表 3 改进前后各响应点的峰值mm 响应点改进前改进后 10. 300. 22 20. 320. 28 由图 6 和表 3 可以看出 ,改进后的最大峰值出现 在59. 5 Hz附近 ,振幅也有减小, 其它频率处的峰值很 小,表明箱体的振动性能得到了改善, 从而降低了噪 声。由此可见, 加强洗衣机箱体的刚度可以收到减小 振动与噪声的效果。 参考文献 [ 1] 章奎生, 战嘉恺. 我国噪声与振动控制技术的现状与发展. 59 环 境 工 程 2008年 2 月第26 卷第1 期 上海环境科学, 1994, 13 10 39 -40 [ 2] 傅志芳, 华宏星. 模态分析理论与应用. 上海 上海交通大学出 版社, 2000 [ 3] 徐金锁, 任兴民, 范春虎. 相机结构系统的试验模态分析. 机械 科学与技术, 2005, 24 5 543 -545 [ 4] 朱静, 左言言, 吴爽, 等. 轻型客车车身的有限元模态分析. 噪 声与振动控制, 2004 2 23 -25 [ 5] 申秀敏, 左言言. 洗衣机机箱模态试验研究. 家电科技, 2006 8 63 -65 [ 6] Bathe K J, Wilson E L. Numerical s in finite element analysis. Prentice-Hall, Englewood Cloffs, New Jersey , 1976 353 -386 [ 7] 博嘉科技. 有限元分析软件- ANSYS 融会与贯通. 北京 中国水 利水电出版社, 2002 作者通信处 左言言 212013 江苏大学振动噪声研究所 E -mail xuchao1982428163. com 2007- 09-03 收稿 固 废 处 理 污水处理厂的污泥处置与生物堆肥法的利用 ＊ 陈 雁 南京师范大学环境保护科学研究所, 南京 210097 陈育如 唐 刚 刘友芬 南京师范大学微生物工程重点实验室, 南京 210046 摘要 污泥处置是污水处理的后续阶段和重要过程, 在整个污水处理过程中占有重要地位。 污泥处置方法通常有填 埋、焚烧、制砖 、堆肥等多种方法, 其中生物堆肥法是目前污泥处理的主要发展方向。 提出使用微生物发酵剂结合污泥 和辅料特点进行全量化和无害化处理的方法, 对污水处理厂的污泥处置与合理利用进行了分析, 以期为污泥处理及综 合利用提供参考。 关键词 污水处理 污泥 资源利用 生物堆肥 ＊南京师范大学高层次人才科研启动基金项目资助 0 引言 我国每年的污泥产量约以 10的速度在递增, 2006 年, 我国 661 个设市城市中共建成污水处理厂 791 座,污泥产量 干重 约 173 万 t [ 1] 。这些污泥通常 是由有机残体、菌体、无机颗粒 、胶体等组成 ,其中活 性污泥有机物含量高达 60 ～ 70 [ 2] 。而污泥的随 意弃置给环境造成污染, 因此污泥的处理是环境生物 修复的重要步骤 [ 3] 。我国污泥中总氮、总磷、总钾平 均含量分别为 3. 03、 1. 52、0. 69,超过国家堆肥 需要的养分标准 ,所以污泥是很好的有机肥源 [ 4] 。 污泥用作肥料在农业上的利用已被许多国家大 量采用, 在农业应用污泥的比例方面, 法国为 60、 丹麦54、 西班牙50、 英国44、美国 26,但我国 污泥农用的比例较小 不足 10 。在美国 , 许多污 水处理厂将污泥经生物堆肥法后, 再经干燥及颗粒化 后成为商品 ,这种颗粒肥易于同其他肥料混合 ,便于 运输及使用 [ 2] 。 影响污泥农用的主要因素是病原体 、 难降解有机 物以及重金属污染等 ,而生物堆肥法是减少上述污染 因素的有效措施之一 ,是国际上从 20 世纪 60 年代迅 速发展起来的一项新兴生物处理技术 [ 5] 。利用不同 的微生物对污泥中易腐有机物进行生物降解 ,可以使 之成为具有良好稳定性的腐殖土状肥料 [ 4] 。因此 ,污 泥的生物堆肥法的应用将为污水处理厂产生的污泥 处置提供一个良好的绿色处理途径 。 1 污水处理工艺与污泥的产生 城市污水处理厂一般采用生物处理工艺 ,生物处 理又分为活性污泥法和生物膜法,绝大多数城市污水 处理厂采用活性污泥法处理工艺,该工艺能有效地去 除城市污水中的主要污染物, 处理费用节省 ,操作管 理方便 ,是成熟的污水处理工艺 [ 6] 。典型的污水处理 工艺流程见图 1 所示。 由图 1 可见 ,污泥是在污水处理过程的不同阶段 中产生的, 具体由沉砂池污泥 、 初次沉淀池污泥、 二次 沉淀池污泥和最后剩余污泥组成。不同的污水处理 法产生的污泥量与污泥成分有所不同。 常用的污水处理法有吸附-降解法 adsorption biodegradation,AB , 三沟式氧化沟法 , 序批式处理法 sequencing batch reactor , SBR 法 , 缺氧-好 氧处 理 60 环 境 工 程 2008年 2 月第26 卷第1 期 1 500mg m3, circulated liquid flow was 10 L h and pHwas 1. 5～ 3. 0, the result showed that the efficiency of aqueous catalytic oxidation and biological purification was better than that of biological purification, which showed the accelerationof catalyzer was effective. The efficiency of SO2 it showed cracking time of veneer which was made from gluewater including 80 g L dunking tea water was longer thanfrom gluewater including 80 g L boiling tea water or original gluewater. Keywords tea water, veneer, content of aldehyde, agglutination intensity and cracking time of veneer THE NOISE OF CONSTRUCTION DEMOLISHMENT AND ITS CONTROL Chen Baoxin Cheng Xiaohui 54 Abstract As the high-power strike demolishing machines and the explosive technique in demolishment have been wildly employed, the problem of demolishing noise has become so conspicuous. Thispaper, based on the s of demolishment and its machines, analyzesthe reasons and characteristics of demolishing noise, then tries to find out the s of prevention of the demolishing noise. Keywords demolition, noise, hydraulic breaker and blasting STUDY ON THE VIBRATION AND NOISE CONTROL OF ROLLING WASHING MACHINE CABINETXu Chao Zuo Yanyan Li Xiaochuan 57 Abstract In order to decrease the vibration and noise of a rolling washing machine cabinet, experimentalmodal analysiswas conductedand modal parameters were identified. Then, a finite element model of the cabinetwas established for calculating modal analysis. The resultsfrom test and calculation are in good agreement, which indicates that the finite element modelestablishedis correct. Basedonwhich an improvement on the cabinet structure was conducted. By means of establishing finite element model and vibration response analysis, increasing its rigidity was proved an effective measure for decreasing the cabinet vibration and noise. Keywords washing machine, vibration and noise, modal analysis, finite element and harmonic response DISPOSAL AND COMPOSTING UTILIZATION OF SLUDGE FROM SEWAGE TREATMENT PLANTChen Yan Chen Yuru Tang Gang et al 60 Abstract Sludge disposal is an important process of sewage treatment plant, it holds an important part in the entire sewage treatment process. The sof sludge disposal included common landfill, sludge incineration, making brick, composting and so on. Biological compost is a noticeable green environment friendship .A was proposed using microorganism leaven, which linked up the characters of sludge and accessories to carry out the harmless processing. Analysis of sludge disposal and the reasonable utilization of typical sewage treatment 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 1,Feb. , 2008