Dinamik dengesizlik probleminin algılanmasının deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation of dynamic imbalance detection
Yazar: EMEKCAN TAKMAZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ OSMAN TAHA ŞEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Deneysel inceleme = Experimental research ; Dinamik dengeleme = Dynamic balancing ; Çamaşır makineleri = Washing machines

Özet:
Çamaşır makinelerinin günümüzdeki tasarımlarında yıkama ve hijyen fonksiyonlarının yanı sıra ses, titreşim, fiyat aralığı gibi etmenler tüketici tercihinde önemli rol oynamaktadır. Titreşim ve akustik kapsamında değerlendirildiğinde çamaşır makineleri ön plana çıkan beyaz eşya ürünü olmakla birlikte, üretici firmalar tarafından bu alandaki iyileştirme ve geliştirme çalışmaları da devam etmektedir.
Çamaşır makinelerinde ses ve titreşim problemine sebebiyet veren en önemli unsur makinenin sıkma aşamasında, içerisinde bulunan çamaşırların tambur çeperine yapıştıktan sonra meydana getirdiği dengesizlik durumudur. Çamaşır makinesinin kazan grubunun makine gövdesine çarpması, çamaşır makinesinin bulunduğu yüzeyde hareket etmesi (yürüme), yüksek seviyelerde kullanıcıyı rahatsız eden ses ve titreşimler, dengesizliğin üründe çıkardığı başlıca problemlerdendir. 
Bu dengesizliğin oluşmaması ya da çamaşır makinesinde meydana getireceği etkileri azaltabilmek adına yapısal ve algoritma temelli uygulamalar mevcuttur. Algoritma temelli uygulamalar genellikle makinenin yüksek devirlere çıkmadan, makine içerisindeki dengesizliği algılamak ve bu dengesizliği gidermek amacıyla kullanılır. Dengesizlik algılamaya yönelik en bilinen yöntem, çamaşır makinesinin motorunda meydana gelen hız salınımları kullanılarak sistemdeki dengesizlikle ilgili tespitte bulunma üzerinedir. Bu yöntem çamaşır makinesindeki statik dengesizlik koşulu için bir çözüm sunarken, makine içerisinde dinamik dengesizlik ya da moment dengesizliği söz konusuysa yanıltıcı sonuçlar verebilmektedir.
Bu tezin amacı, çamaşır makinelerinde meydana gelen dinamik dengesizliğin algılanması ve dinamik dengesizliğin ürün üzerinde meydana getirdiği olumsuz etkileri incelemek üzerinedir. Dinamik dengesizliğin dışında farklı tipteki dengesizlik koşulları ve yük koşullarının da ürün üzerindeki etkileri incelenmiştir.
Tez kapsamında ilk olarak genel dengesizlik tanımları ve prensipleri de dahil olmak üzere, çamaşır makinesinde dinamik dengesizliğin algılanması ve etkilerine yönelik bir literatür araştırması yapılmıştır. Yapılan araştırmalarda, motor sinyalleri kullanılarak ve farklı tipteki sensörlerin kullanılmasıyla dinamik dengesizliğin algılanabileceğinden; sistemde dengesizliğin olması durumunda ise yapısal, ses ve titreşim olarak problemlerin oluşabileceğinden bahsedilmektedir.
Ürünün çalışma prensibini, yapısını, dinamik dengesizliği algılamak üzere kullanılan algoritmaları gözlemleyebilmek adına üç farklı firmaya ait üründe deneysel incelemeler yapılmıştır. Yapılan ölçümler sonucunda farklı tipteki dengesizliklerin farklı yöntemlerle algılandığı görülmüştür. Bir üründe tambur içindeki yükün konumunu algılamaya yönelik bir algoritma bulunurken, başka bir üründe dengesizliği algılamak adına sensör kullanıldığı görülmüştür. Testler sırasında çarpma durumunun rezonans bölgesinde, yüksek genlikli titreşimlerin ise yüksek sıkma devrinde meydana geldiği gözlemlenmiştir.
Deneysel olarak üç ürün incelendikten sonra bir çamaşır makinesinde dinamik dengesizlik başta olmak üzere dengesizliğin; ses, titreşim ve dinamik grubun hareketleri üzerindeki etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Sonuç olarak dengesizliği meydana getiren yükün miktarının ve tambur içindeki konumunun, ses ve titreşim seviyelerini doğrudan etkilediği görülmüştür. Dinamik grubun meydana getirdiği hareketler eksenler bazında incelenmiş olup, yükün konumuna ve miktarına göre eksenlerde meydana gelen uyarımlar farklılaşmaktadır.
Dinamik dengesizliğin algılanmasına yönelik, üç eksenli ivmeölçerler kullanılarak farklı algılama yöntemleri üzerinde durulmuştur. Yapılan çalışmalar sonucunda ivmeölçer üzerinden toplanacak deplasman verileri sayesinde, çamaşır makinesinde meydana gelen çarpma, yürüme, yüksek ses ve titreşim problemlerinin büyük ölçüde azaltılabileceği görülmüştür. Yine ivmeölçerler kullanılarak tambur içinde dengesizliğe sebep olan yükün konumunu ve miktarını algılamaya yönelik sonuçlar yer almaktadır. İvmeölçer yöntemlerine ek olarak çamaşır makinesinin motor sinyalleri üzerinden de dinamik dengesizlik algılama çalışmaları yapılmıştır. Alınan ölçümler sonucunda moment dengesizliği koşullarının statik ve dinamik dengesizlik koşullarından ayrıştığı görülmüştür.
Tezin amacında da belirtildiği üzere tez kapsamında yapılan çalışmalarda dinamik dengesizliğin çamaşır makinelerinde çarpma problemine, yürümeye, yüksek genlikli titreşimlere ve yüksek ses seviyelerine sebep olduğu gözlemlenmiştir. Ürün üzerinde kullanılacak bir ya da birden fazla ivmeölçer sayesinde çamaşır makinesinde var olan dinamik dengesizliğin tespit edilebildiği ve meydana gelebilecek titreşim, akustik ve yapısal problemlerin önüne geçilebileceği gözlemlenmiştir.

Abstract:
Nowadays, sound, vibration and price factors of washing machines play an important role in consumer preference as well as washing and hygiene functions. Washing machine is a white goods product where many problems are observed in terms of vibration and acoustics. Therefore, manufacturers continue to work on improvement and development in this area.
The most important factor that causes sound and vibration problems in washing machines is the unbalanced laundry loads in the machine during the spinning phase. Since the laundry sticks to the drum wall after a certain speed, it causes an unbalance in the machine. Imbalance in washing machines causes walking, hit to side walls, high level of vibration and noise. Also, these problems are undesirable for the customer. The hitting is defined as the hit of the tub group to the washing machine body. Walking is defined as the movement of the washing machine on the surface it is on.
There are structural and algorithm-based applications in order to prevent this imbalance or to reduce the effect's on the washing machine. Generally, algorithm-based applications are used to detect and eliminate the imbalance in the machine before the machine reaches high speeds. Using the speed oscillations in the washing machine's motor to detect the imbalance is the most common detection method. While this method offers a solution for the static imbalance condition in the washing machine, it gives misleading results if there is a dynamic imbalance or moment imbalance.
The aim of this thesis is to detect the dynamic imbalance that occurs in washing machines and to examine the negative effects of dynamic imbalance on the machine. In addition to dynamic unbalance, the effects of different types of unbalance conditions and load conditions on the machine will be examined.
Within the scope of the thesis, first of all, a literature review was made on general imbalance definitions and principles. Next, literature searches on the washing machine and imbalance were carried out. Finally, a literature review including the detection of dynamic imbalance on washing machine and its effects on washing machine was made. As a result of the researches, it was deduced that the dynamic imbalance could be detected by using motor signals and sensors. It is mentioned that if there is an imbalance in the washing machine; structural, acoustic and vibration problems may occur. 
In order to understand the working principle, structure and dynamic unbalance algorithms of the washing machine, experimental studies were made on three different products. In the measurements, the dynamic group movements were measured via the accelerometers and the drum speed was measured via the encoder. In this study and other experimental studies of the thesis, metal loads were used as a load.

As a result of the measurements, it has been observed that different types of imbalances are detected by different methods. Under static unbalance conditions, the sensing process is done at 100 rpm, while under dynamic and moment unbalance conditions, the sensing is done in the resonance region. It has been found that a product has an algorithm for detecting the position of the load inside the drum. It is important to perceive the load position in the drum in terms of the forces acting on the bearings of the washing machine. For another product, it has been observed that a sensor is used to detect the imbalance. During the tests, it was observed that the hiting occurred in the resonance region and the high amplitude vibrations occurred at the high spin speed.
After examining three products, the effects of imbalance in a washing machine (9 kg, 1200 rpm) were experimentally investigated in terms of vibration and acoustics. Sound power level measurements were made in a semi anechoic room. Body vibrations and dynamic group movements (tub movements) were measured with accelerometers.
It has been noticed that the amount of unbalanced load and its position in the drum directly affect the sound and vibration levels. Dynamic group movements were analyzed on the basis of axes. The excitations on the axes differ according to the position and amount of the load.
It has been observed that the increase in the amount of unbalanced load increases the vibration, sound power level and tub displacements in the system. It was observed that as the drum speed increased, the vibration and sound level increased. If the load in the drum is at the front, the sound and vibration values of the washing machine increase.
When the displacement results were examined in the measurements made in dynamic unbalance, the displacement values of the X and Y axes increase at the point where the load is located. For the Z axis, it can be said that the position of the load, front or behind  in the drum affects the movement level of the tub in this axis minimally. It has been seen that the Z axis is more excited under dynamic unbalance conditions than static unbalance. When the moment unbalance results were examined in addition to the dynamic unbalance, it can be said that there are similar results with the dynamic unbalance.
After examining the effects of the imbalance on the product, studies were carried out to detect the dynamic imbalance. Triaxial accelerometers were used in these studies. It has been deduced that the acceleration data is not a correct parameter for detecting the dynamic imbalance. Using displacement data instead of acceleration data gives more accurate results. It has been noticed that with the displacement data to be collected by the accelerometer, the problems of hit, walking, noise and vibration in the washing machine can be greatly reduced. Furthermore, the position and amount of the load that causes the imbalance inside the drum can also be detected by accelerometers. The use of a single accelerometer is more advantageous in terms of cost. However, it was observed that the use of two accelerometers gave more accurate results than the use of a single accelerometer.
It has been observed that the speed oscillations detected from the motor signals are minimal under torque unbalance conditions. In addition to the displacement data, motor signals can be used to infer whether there is a torque imbalance condition in the washing machine.
In addition to accelerometer methods, dynamic unbalance detection studies were also carried out on the motor signals of the washing machine. As a result of the measurements, it has been observed that the moment unbalance conditions differ from the static and dynamic unbalance conditions.
As stated in the aim of the thesis, it has been observed that dynamic imbalance causes hitting and walking problems, high amplitude vibrations and high sound levels in washing machines. Thanks to one or more accelerometers used on the product, the dynamic imbalance in the washing machine can be detected. Furthermore, vibration, acoustic and structural problems can be prevented.