Bir çamaşır makinesinin devir hızına bağımlı titreşimlerinin incelenmesi
Investigations of speed dependent vibrations of a washing machine
Yazar: TUNÇ KARAÇALI
Danışman: PROF. DR. KENAN YÜCE ŞANLITÜRK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Genlik titreşimi = Amplitude vibration ; Mekanik titreşim = Mechanical vibration ; Zorlanmış titreşim = Forced vibration

Özet:
Günümüzde şehirlerde nüfusun artması ve yaşam alanlarının küçülmesiyle birlikte beyaz eşyaların titreşim ve gürültüleri insanları daha fazla rahatsız etmeye başlamış, bununla beraber konfor alanlarının daralmasına sebep olmuştur. Bu durum, beyaz eşya üreticilerini geçen yıllar içinde ürettikleri beyaz eşyaları iyileştirmeye, daha verimli ve yüksek performanslı ürünler yaratmaya itmiştir. Titreşim ve akustik açısından beyaz eşyalar içerisinde en büyük problem teşkil eden ürün çamaşır makinesidir. 
Tasarım maliyetlerinin düşürülmesi ve yapılacak prototiplerin azaltılması için endüstriyel uygulamalarda sayısal modelleme geniş bir kullanım alanına sahiptir. Sonlu elemanlar ve çoklu cisim dinamiği modellemeleri ile çamaşır makinesinin kabul edilebilir bir doğrulukla modellenmesi endüstride aranılan bir uygulamadır. Bu tezin amacı, çamaşır makinesinin sayısal modelini oluşturmak için bir metodoloji oluşturup doğrulamak, deneysel ve sayısal Campbell diyagramları ile makinenin tambur devir hızına bağlı dinamik davranışını incelemektir.
Arçelik A.Ş tarafından üretilen 10 kg kapasiteli bir çamaşır makinesi, üzerinde deneysel çalışmalar yapmak ve sayısal model oluşturmak üzere seçilmiştir. İlk olarak çamaşır makinesinin dinamik davranışına etki eden bileşenler belirlenmiştir. Bu bileşenler başlıca; tambur, flanş, tambur mili, kasnak, kazan, yaylar ve amortisörlerdir. Frekans Tepki Fonksiyonları, dönen dinamik grubu oluşturan tambur, flanş, tambur mili ve kasnak için ayrı ayrı ve daha sonra tüm makinenin montaj durumu için 0-400Hz aralığında deneysel olarak elde edilmiştir. Ardından da makine üzerinde tamburun 0-1000 d/d hız aralığında Campbell diyagramları farklı koşullar altında ölçülmüştür. Çamaşır makinesinin dönüş hızına bağlı dinamik davranışının incelenmesi için farklı dengesiz yük miktarları ve amortisör durumları ile ölçümler yapılmıştır. 
Gerekli testler ve ölçümler tamamlandıktan sonra, her bir bileşen için bir yapısal analiz paket programı olan NX Nastran aracılığıyla sonlu elemanlar modelleri oluşturulmuş ve bu bileşenlerin doğal frekanslarıyla birlikte ilgili mod şekilleri, ilgilenilen frekans aralığında modal analizlerle hesaplanmıştır. Analizde elde edilen sonuçlar test sonuçlarıyla karşılaştırılmış ve modeller doğrulanmıştır. İlgilenilen frekans aralığında elastik modlara sahip olmayan bileşenler rijit cisim olarak modellenmiştir. Ayrıca kazan parçasının iç sönümü yüksek bir malzemeden yapılması ve dönen tambur grubu doğal frekanslarının kritik görülmesi sebebiyle kazan rijit kabul edilerek modellenmiştir. Üretilen esnek ve katı cisim modelleri, parçalar arasındaki uygun kinematik kısıtlamalar aracılığıyla, çoklu cisim dinamiği simülasyon yazılımı MSC Adams kullanılarak birleştirilmiştir. Yay, amortisör ve rulman gibi bağlantı sağlayan bileşenler kuvvet elemanı olarak tanımlanmıştır. Farklı dengesiz yük durumları ve amortisörlerin etkisinin incelenmesi amacıyla farklı amortisör kuvvetleri kullanılarak analizler yapılmıştır. Deneysel ve sayısal olarak elde edilen Campbell diyagramları karşılaştırılmıştır. 
Deneysel olarak elde edilen Campbell diyagramlarında özellikle 1. ve 10. Rotor Tahrik Mertebesinde yüksek genlikli titreşimlerin oluştuğu görülmektedir. Bu durum, tambur ve motor arasındaki devir hızı oranından kaynaklanmaktadır. Tambur 1000 d/d dönerken motor 10000 d/d dönmekte ve bu şekilde tambur dönüş frekansının 10 katında da yüksek genlikli titreşimler görülmektedir. Hem tambur hem de elektrik motorunun dönüş devirleri sayısal modelde sisteme dahil edilmiştir ve sayısal sonuçlar deneysel sonuçlar ile uyum göstermektedir. Yapılan ölçümlerde, makinenin hangi devirlerde, hangi frekanslarda ve devir mertebelerinde yüksek genlikli titreşimlere maruz kaldığı ve rezonans durumları olduğu gözlemlenmiştir. Makinenin dinamik davranışı, geliştirilen model kullanılarak da tahmin edilmiş, yapılan tahminlerin deneysel sonuçlar ile uyumlu olduğu gösterilmiştir. En yüksek genlikli titreşimlerin, dengesiz yükün tahrik frekansı olan 1. Rotor Tahrik Mertebesinde oluştuğu görülmüştür. Yapılan ölçüm ve analizler sonucunda, bazı modların kritik olduğu ve yüksek devirlerde rezonans durumlarının ortaya çıktığı anlaşılmıştır. Özellikle kazan ile tamburun etkileşimli titreşim sergilediği bir mod, yüksek devirlerde elektrik motorunun devir frekansı ile çakışmaktadır. Bu durum, tambur ve kazan arasında yüksek titreşimlerin oluşabileceğini ve tamburun yüksek dengesiz yük etkisinde kazana çarpabileceğini göstermektedir. Bir diğer çıkarılan sonuç ise amortisörlerin sistem üzerindeki etkisi ile ilgilidir. Çamaşır makinesinde amortisörler, yay askı frekansı olan yaklaşık 3Hz civarında oluşan rezonanslarda titreşim genliklerini kontrol etmek ve titreşimleri azaltmak için kullanılsa da, amortisörlerde oluşan kuvvetlerden dolayı rezonans bölgesini geçtikten sonra özellikle panel titreşimleri ve gürültü açısından negatif bir etki yapmaktadır. İdeal durumda, makinenin kalkış anından 3 Hz civarındaki rezonans bölgesini geçerken amortisörlerin devrede olması, bu blge geçildikten sonra ise amortisörlerin devre dışı kalması arzu edilir. Deneysel olarak yan duvardan alınan Campbell diyagramlarında amortisörlerin bir kuvvet patikası oluşturduğu sonucu net olarak görülmektedir. Sistemde bir başka risk oluşturan doğal frekans ise tambur ve kazanın rulmanlar ile bağlanmasından dolayı ortaya çıkan tambur milinin eğilme modudur. Bu mod, üzerinde çalışılan makine özelinde yaklaşık 60Hz civarındadır ve düşey ve yatay olmak üzere iki mod şeklinde görülür. Bu mod nedeniyle oluşan titreşimlerin yüksek seviyelere ulaşmadığı görülmüştür.
Sonuç olarak, bu tezde ortaya konulan çamaşır makinesi modelinin, dönüş hızının bir fonksiyonu olarak çamaşır makinesinin doğal frekanslarını ve zorlanmış titreşim özelliklerini tatmin edici bir hassasiyetle tahmin edebileceği gösterilmiştir. Ayrıca, bu tez çalışmasında amortisör karakteristikleri ve çamaşır makinesinin titreşimlerine etkisi deneysel ve sayısal olarak gösterilmiştir.

Abstract:
In recent years, due to advances in the white goods sector, numerous household appliances have been developed to fulfil the customer demands. Washing machine is one of the most widely used household product in many countries. Thanks to modern technology, washing machines are now available with various capacities and spin speeds options. The random distribution of laundry inside the drum forms an unbalanced mass which is required to rotate at high speeds for better performance. As a result, the trend in this industry is to increase the spin speed of washing machines as much as possible. However, this unbalanced mass causes vibration and noise problems, and may even lead to walking washing machines. Minimising these problems during design stage requires high level of engineering related to rotating machinery. With the advent of apartment style housing and lack of laundry space, vibrations and acoustics issues of white goods have become more important than ever. Therefore, over the years, greater emphasis has placed on reducing vibration and noise of white goods.
In order to improve the design of washing machines, one can either evaluate their performances or use efficiency indices. In the first step, prototyping is done once the design of washing machine and its components is complete. After prototyping, performance tests are conducted. If the performance tests are up to the standards specified by the manufacturer; the product is accepted for serial production. However, if the standards are not met, design stage is revisited and machine is redesigned. Prototyping and design stages are costly and time-consuming procedures. To counter this issue, numerical models are widely used in industry in which operating conditions are simulated using the numerical model and the results are evaluated. If the results are unacceptable, the design and the corresponding numerical model are updated, and simulations are repeated on the model. This practice helps to avoid expensive prototyping and time-consuming experimental tests. Due to their numerous advantages, finite element dynamic models of washing machines are extensively used in the white goods industry. 
The main purpose of this thesis is to investigate the speed dependent dynamic behavior of a washing machine. For this purpose, experimental investigations are carried out to obtain the Campbell diagrams and a numerical model of a washing machine is developed to predict the experimentally observed behavior.
For the scope of this thesis a washing machine with a 10 kg capacity produced by Arçelik A.Ş. was selected for experimental studies and numerical models. In the first step, components of the washing machine were categorized as rotating and non-rotating parts. From these groups, the main parts affecting the dynamic behavior of the washing machine were determined as drum, flange, drum shaft, pulley, tub, springs and dampers. Next, the rotating dynamic group comprising drum, flange, drum shaft, pulley are formed.  Frequency response functions were measured on various parts for the validation purposes. For investigation of the dynamic characteristics of a washing machine as a function of rotational speed, Campbell diagram measurement system was established. To measure the Campbell diagrams, the rotational speed of the washing machine was accelerated and the vibration and taco signal were collected simultaneously from the washing machine. Then, with the help of an analyzer, the data was transformed into Campbell diagrams. By ramping up the spin speed from 0 to 1000 rpm, Campbell diagrams were obtained experimentally for different conditions. To investigate the effect of rotational speeds on the washing machine vibrations, different unbalance loads and different dampers were used. The effect of unbalance mass positions was first studied. It was seen that, for the same measurement point, unbalance mass positions did not change the overall characteristics of the Campbell diagrams. Therefore, all the tests were carried out using the same measurement position for the unbalance mass. The Campbell diagrams obtained experimentally showed high amplitude vibrations, especially in the 1st and 10th orders of the rotational frequency of the drum. This is due to the speed ratio between the drum pulley and the motor pulley. For example, when the drum rotates at 1000 rpm, the motor rotates at 10000 rpm. As a result, dominant vibrations are expected at the 1st and 10th orders of the rotational frequency of the drum. Resonance phenomena was also seen when the excitation frequency coincided with some of the system's natural frequencies. Resonances were observed around 3Hz and 160Hz. Dampers are used to reduce vibrations in resonance regions. In the selected washing machine, there were 3 friction dampers. The friction dampers create forces like a square wave and in frequency domain it excites the system at odd harmonics of the rotational speed of the drum. In Campbell diagram, these orders were clearly seen to be excited by the friction dampers. Although dampers are used in washing machines to attenuate the excessive vibrations during the resonance conditions, they create unwanted forces, hence additional vibrations at frequencies away from resonance frequencies. Vibration measurements on panels of a washing machine with and without dampers confirmed this expectation. Ideally, dampers should only work during resonance situation and should be disengaged from the system at other situations.
Numerical and experimental results show that, as expected, the vibration levels of the system increase as the unbalance in the system increased. When passing the resonances around 3Hz, vibrations in terms of accelerations are low but displacements are very high. However, in steady state spinning condition, accelerations are high but displacements are low. Results obtained in the resonance region show that insufficient damping or excessive unbalance mass can cause tub to hit the side panels of the washing machine. This reaffirms the importance of damping to attenuate the excessive vibrations of lower modes around 3Hz. Also, inspection of both the experimental and numerical Campbell diagrams revealed that the washing machine was subjected to resonance condition at higher rotational speeds, the most significant one being around 160Hz excited by the rotation of the electric motor. The mode excited around 160Hz was identified as one of the coupled vibrations of the tub and the drum. During resonance, high unbalanced load in the drum can lead to contact between drum and tub. This leads to rubbing of the drum to tub and must be avoided during the design phase of the washing machine. There is another vibration mode which appears as the bending mode of the drum relative to the tub. The natural frequency of this mode is around 60Hz. The results show that the vibration amplitudes of this mode are relatively low compared to the vibrations at other frequencies.
As a result, it is shown that the washing machine model presented in this thesis can predict natural frequencies and forced vibration characteristics of the washing machine as a function of the rotation speed with satisfactory accuracy. In addition, in this thesis, the characteristics of dampers and their effects on washing machine vibrations are shown.