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第五届中国CAE工程分析技术年会论文集313智能吸尘器智能吸尘器智能吸尘器智能吸尘器噪声降噪仿真分析噪声降噪仿真分析噪声降噪仿真分析噪声降噪仿真分析吴鸿斌、焦丽华、赵宇波、中国科学院深圳先进技术研究院广东省深圳市南山区西丽深圳大学城1068号、518055摘摘摘摘要要要要：：：：智能吸尘器采用边扫边吸的原理，智能地对空间进行清扫，广泛用于家庭的清扫中，噪声低、吸尘效率高是其关键质量指标。本项目采用CAE分析的方法寻找吸尘器机构噪声源，CFD方法定位离心风机噪声源，优化了吸尘器产品设计，确定了降低风机安装位置、增加入口流通面积、降低风机转速、减少过滤网等降噪措施。样机试验结果表明，采取了这些措施后，该机噪声由原来的65db降至60db，根本上解决了智能清洁机器人噪声大的工程问题，期降低了样机制造成本和研发周期。关键词关键词关键词关键词：智能吸尘器、噪声、降噪、风机、CAE1111．．．．前言前言前言前言智能吸尘器是能够自动进行房间地面清洁的家庭服务机器人，集机械学、电子技术、传感器技术、计算机技术、控制技术、机器人技术、人工智能等诸多学科为一体。智能吸尘器作为智能移动机器人实用化发展的先行者，其研究始于世纪年代，到目前为止，已经产生了一些概念样机和产品。吸尘机器人展，带动了家庭服务机器人行业的发展，也促进了移动机器人技术、图像和语音识别、传感器等相关技术的发展[1]。智能吸尘器作为服务机器人的典型，在许多国家已经开始使用，工作环境主要为普通家庭环境，也可以用于工厂、展览馆、图书馆、车站、机场和办公室等公共场所。环境的共同特征为有限的封闭空间，平整的地板以及走动的人员，因此可以归结为复杂多变、结构化的动态环境。所以环境适应性为对此类机器人的基本要求[2]。智能吸尘器的基本任务式清扫地面。地面的材料差异很大，包括硬质地板硬木、水泥、大理石等和软质地板短毛、中毛、长毛地毯等工作对象为地面垃圾，包括灰尘、纸屑以及其他一些小尺寸物体，而大尺寸物体不作为吸尘机器人的处理对象。考虑到安全因素，吸尘机器人必须对人、宠物、家庭物品等不构成任何危害，同时吸尘机器人还必须具备自我保护的能力。早在20世纪80年代SONY公司就正式开始进行智能吸尘器的研发工作。总的来看，智能吸尘器的研究还刚刚起步，在自主能力、工作效率、噪声及舒适性等方面还有待提高[3]。2222．．．．智能吸尘器原理智能吸尘器原理智能吸尘器原理智能吸尘器原理吸尘器主要由起尘、吸尘、滤尘三部分组成，一般包括电动机、离心式风机、滤尘器和吸尘附件。一般吸尘器的功率为400-1000W或更高，便携式吸尘器的功率一般为250W及其以下。吸尘器能除尘，主要在于它的“头部”装有一个电动抽风机。抽风机的转轴上有风叶轮，通电后，抽风机会以每秒500圈的转速产生极强的吸力和压力，在吸力和压力的作用下，空气高速排出，而风机前端吸尘部分的空气不断地补充风机中的空气，致使吸尘器内部产生瞬时真空，和外界大气压形成负压刷、长接管、弯管、软管、软管接头进入滤尘袋，灰尘等杂第五届中国CAE工程分析技术年会论文集314物滞留在滤尘袋内，空气经过滤片净化后，由机体尾部排出。因气体经过电机时被加热，所以吸尘器尾部排出的气体是热的。吸尘器的吸尘桶内装有一个收集灰尘的盒子，尘垢便留在集尘盒里，盒子装满后，可取出用水刷洗清理。吸尘器配上不同的部件，可以完成不同的清洁工作，如配上地板刷可清洁地面，配上扁毛刷可清洁沙发面、床单、窗帘等，配上小吸嘴可清除小角落的尘埃和一些家庭器具内的尘垢。3333．．．．智能吸尘器研究现状智能吸尘器研究现状智能吸尘器研究现状智能吸尘器研究现状1999年初，浙江大学机械电子研究所开始进行智能吸尘机器人的研究，两年后设计成功国内第一个具有初步智能的自主吸尘机器人[4]，与苏州TEK公司合作研发，到2003年系统在自主能力和工作效率上都有了显著提高。它工作之前，首先进行环境学习，利用超声波测距，与墙保持一定的行走距离，在清洁角落的同时获得房间的尺寸信息，从而决定清扫时间；然后，利用随机与局部遍历规划相结合的算法产生高效的清洁路径；在清扫结束后，自行回到充电座，补充动力；系统在5.5×3.5m2的实际家庭环境中，工作10min可以达到90%以上的覆盖率，更大房间的清扫试验在结果记录和分析上有困难，还没有数据。目前，系统还在进一步的升级中，并没有形成产品投入市场。近期国内市场上推出一款保洁机器人KV8，价格便宜，可以自动清扫，防止楼梯跌落，通过配置虚拟发射器可以限制清扫的范围。但它没有配备充电站，需要人工充电，同时清扫是随机的。哈尔滨工业大学机电学院的机器人研究所也进行了自主吸尘机器人的开发与研究[5]。目前,国内针对智能吸尘器的研究主要集中在路径规划、智能控制、传感器等方面[6-10]，但是针对其噪声降噪等方面的研究却很少，严重影响了产品的应用和推广。4444．．．．噪声降噪仿真分析噪声降噪仿真分析噪声降噪仿真分析噪声降噪仿真分析噪声主要分为三大类，即振动噪声、气动噪声和电磁噪声，其中：固体的振动导致声能的产生和辐射，属于结构件噪声范畴。由湍流和非定常流诱导的压力波动引起的流体流动诱导噪声，属于气动噪声范畴。气动声源不易识别，有意义的区域一般在流体流动自身的内部，而且包含声源。这些噪声源在不断地生成或随流动在对流，通常实验很难获取设计相关的指导数据。4.14.14.14.1确定噪声源确定噪声源确定噪声源确定噪声源表1为智能吸尘器样机噪声实验测试结果整机的噪声主要分为两大块，毛刷传动机构噪声与灰尘盒吸尘器的噪声。表1实验测试结果序号序号序号序号实验工况实验工况实验工况实验工况噪声噪声噪声噪声大小大小大小大小(dB)01整机63.702拆除毛刷59.303拆除毛刷、拆除灰尘盒57.504灰尘盒风机停止运行62.905灰尘盒风机停止运行、抬起机器人5806灰尘盒风机停止运行、更换毛刷64.807毛刷停止运行56.7注：停止运行是指其驱动机构停止驱动第五届中国CAE工程分析技术年会论文集3154.24.24.24.2扫地扫地扫地扫地毛刷毛刷毛刷毛刷结构结构结构结构噪声噪声噪声噪声毛刷噪声主要是在毛刷传动机构的避振上。因为毛刷为旋转工作部件，不论是新机或者是工作一段时间后的脏机，旋转部件的动不平衡，将导致整个旋转传动部件的振动，这些传动机构的振动，传递到整机机壳上，会使机壳成为一个大的振动发声体，产生较大的噪声。另外，机械振动引起的噪声问题，可以通过结构件的优化改进来得到明显改进，工作难度不高，比较容易获得明显效果。针对振动问题，可拟的解决方案是避振。将旋转工作部件部分在使用悬挂部件连接的基础上，使用柔软的橡胶材料与整机客体进行隔离。这么做的目的是减轻该振动部件与机壳的敲击发声；并且降低机壳的振动，减轻机壳上的振动发声。还可以采用低转速大扭力的电机，以降低齿轮机构的降速比，减少传动齿轮个数，降低齿轮机构的振动和噪声。4.34.34.34.3吸尘盒风机吸尘盒风机吸尘盒风机吸尘盒风机噪声噪声噪声噪声仿真及降噪优化仿真及降噪优化仿真及降噪优化仿真及降噪优化针对吸尘器风机噪声，由于采用传统比较难获取能够用于指导风机设计的数据依据，本文采取CFD分析的方法，首先分析风机的工作状态，寻找气动噪声源，在保证灰尘盒压降的前提下，可以采取降低过滤网件风阻的方法，降低风机上的压升负荷，从而达到改善风机工作工况，并降低噪声的目的。前处理中建模主要是建立灰尘盒风机系统以及整个空气流道的求解域，这里是空气流动区域，是气动噪声的主要来源，求解域的模型及网格划分如图4.1和4.2示。图4.1扫地机器人的CAD模型图4.2空气流道建模图及网格生成采用滑移网格（Movingmesh）技术的三维非定常（二阶隐式）计算；压强-速度耦合采取二阶迎风格式；使用RNGk-epsilon湍流模型，增强壁面处理；噪声源的分析使用宽频噪声源分析方法（BroadbandNoiseSources）。对于过滤网，采取多孔介质方法来处理，包括一层过滤支架的过滤网、进口出的过滤海绵第五届中国CAE工程分析技术年会论文集316与毛毡以及出口处的一块出口过滤海绵。原机的风机转速6800转/分，迭代时间步长为4.902e-5秒，计算保证每时间步叶轮转动约2度。图4.4和图4.5分别是原机和方案的计算收敛史。020040060080010001200-0.0070-0.0065-0.0060-0.0055-0.0050-0.0045VolumeFlowRate(kg/s)TimeStepConvergencehistoryofVolumeFlowRateonpressure_outlet图4.3原机计算收敛史图4.4风机的静压分布图4.5通过转轴平面的噪声源强度分布图4.4和图4.5分别为风机的静压分布和通过转轴平面的噪声源强度分布。从图4.4风机的静压等值线分布可以看到由于风机入口过滤网支架出的气流流道截面积偏小，导致气流高速通过该处再进入风机入口，由此，在这里产生了较大的总压损失。那么，要求灰尘盒压力达到需要的压力值时，风机必须提供很高的压升，才能弥补风机系统入口损失的总压，因此风机的工作压力负荷较大。图4.6原机风叶截面速度矢量分布及风叶截面速度矢量分布局部放大图4.6原机风叶截面速度矢量分布及风叶截面速度矢量分布局部放大图，当风机工作在在高压升要求下的小流量和高转速的工况下，从速度矢量图可以观察到风机叶栅内的气流分离比较严重，分离涡占据了较大的叶栅通道。这些分离涡是重要的气动噪声源。从噪声源的强第五届中国CAE工程分析技术年会论文集317度分布图可以观察到气动噪声源主要分布在风叶流道内。由以上分析，可以提出有针对性的改善措施：1、降低风机安装位置高度，增加入口流通面积；2、降低风机转速；3、在不降低防尘效果的前提下，减少过滤网。以上三条措施综合使用，可以适当增加流量，并在保证灰尘盒负压的前提下，减轻风机上的压升负荷，减少并尽可能消除叶栅通道中的大分离涡，从而能够降低噪声源强度，最终达到降低灰尘盒风机系统噪声的目的。根据仿真结果，优化计算方案为拆除出口过滤网，并将风叶工作转速由6800rpm降低至5500rpm。下表统计了原机和优化后方案的风道参数统计：图4.7方案通过转轴平面的噪声源强度分布表4.1原机和方案数值模拟的风道参数统计项目单位原始方案进口平均压强Pa-303.7-194.1风叶出口平均压强Pa-35.3-19.6风机压升负荷Pa268.4174.5风机出口平均压强Pa-1.5-2.1灰尘盒内平均压强Pa-6.6-3.9风机体积流量m3/s0.0080.0064风机内部平均噪声源强度dB37.030.75.5.5.5.实验测试实验测试实验测试实验测试实验过程为将灰尘盒进风口向下平置桌上，在距进风口42mm处悬挂一张纸.启动灰尘盒，保证纸从悬挂状态到吸附在进风口上共用15s为准。噪声计放置在距灰尘盒侧边200mm。试验一：（即原机方案）将灰尘全部过滤网装好，15.2V启动灰尘盒，纸从悬挂状态到吸附在进风口上共用15s。此时风叶转速为6800RPM，电流为0.7A，噪声71.2dB。试验二：（即优化方案）将灰尘盒去掉出风窗海绵,其它不变，12.3V启动灰尘盒，纸从悬挂状态到吸附在进风口上共用15s。风叶转速5500RPM，电流为0.54A，噪声66.5dB。实验中，优化方案的风机输入功率降低，噪声减小。方案的风机静压升负荷降低，风机工作点工况有所改善，噪声源强度降低，同仿真结果一致，优化方案。第五届中国CAE工程分析技术年会论文集3186.6.6.6.结论结论结论结论智能吸尘器是一项具有广阔应用前景的机器人，国内越来越多的学者开始对其应用技术进行研究。本文分析了智能吸尘器的噪声及降噪措施，重点介绍了采用仿真模拟的方法分析了智能吸尘器风机盒的气动噪声，仿真结果同实验测试结果吻和，一致表明风机入口过滤网支架出的气流流道截面积偏小，导致气流高速通过该处再进入风机入口，由此产生了较大的总压损失。采用降低风机安装位置高度，减少过滤网，降低总压损失，提升风机效率，降低