論緩沖秤中沖擊力的理論分析

電子緩沖秤是冶金行業(yè)經(jīng)常使用的一種稱量儀器，常用于鋼包、廢料籃及盤卷等有強烈沖擊力的稱量場合。選擇合適的緩沖器可以有效保護緩沖秤的秤體和傳感器，延長緩沖秤的使用壽命。如何計算重物的最大沖擊力，對于緩沖器的選型尤為重要。

1 緩沖秤的結(jié)構(gòu)及常用緩沖秤類型普通的電子緩沖秤結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示，

目前可供選擇的緩沖器類型主要有金屬彈簧和聚氨酯緩沖器，其中以圓柱螺旋金屬彈簧應(yīng)用最為廣泛，聚氨酯緩沖器屬耗能性緩沖器，因其阻尼大、秤臺穩(wěn)定速度快而得到廣泛的應(yīng)用，但限于工作環(huán)境溫度不能太高，所以更多應(yīng)用于廢料籃和盤卷等常溫工作環(huán)境。

2 理論分析

以圓柱彈簧為例，分析一下重物在豎直方向上以一定速度沖擊秤臺直至秤臺和重物靜止的整個過程中秤臺的受力過程。秤臺受到重物沖擊后獲得動量，向下運動，彈簧逐漸壓縮，彈力逐漸加大，即豎直方向上的合力逐漸減小，當(dāng)彈簧的彈力等于重物和秤臺重力之和后，在豎直方向上達到力的平衡，合力為0，但此時重物和秤臺并不會立刻穩(wěn)定下來，而是繼續(xù)向下運動，當(dāng)達到最大彈性力時，再向上運動，重新達到平衡點時開始做衰減簡諧振動(受力方向與位移方向始終相反)，直至重物和秤臺達到靜止?fàn)顟B(tài)?？梢詮膭恿渴睾愫湍芰渴睾銉煞矫娣謩e進行分析。

2.1 從動量守恒定律方面分析

根據(jù)動量守恒定律F=vm，在v、m已知的前提下，作用時間t越大則沖擊力F越小，這也是增加緩沖器的原因，但F的作用時間t是一個無法事先確定的自變量，所以計算時根據(jù)動量守恒定律是無法得出最大沖擊力的。

2.2 從能量守恒定律方面分析

若把重物和秤臺作為一個力學(xué)系統(tǒng)，在不考慮內(nèi)力做功損耗的前提下，無論力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部如何，反映在彈簧和稱重傳感器上的最大沖擊力就是彈簧最大形變時的彈性力，此時重物的動能勢能，秤臺的勢能，最終全部轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能，即:

E =( F +F)L/2=mv2+(m,+m)gL

E--彈簧的最大彈性勢能;

L.--彈簧的最大形變量;

F.---彈簧最大形變量時的最大彈性力;

彈簧預(yù)緊力;

-重物的質(zhì)量:T:

--重物接觸到秤臺時的初始速度:92

m--秤臺的質(zhì)量。

公式形變后可以得到下面的最大彈性力公式

F=mvL +(2m,+m,)g-F

在上面公式中，m、m、F…均為已知，行車在將重物吊放到秤臺上時，速度是可控的，所以v也可以認(rèn)為已知量，出于結(jié)構(gòu)安全考慮，彈簧的最大形變量L…也應(yīng)當(dāng)處于可控范圍內(nèi)，可通過調(diào)節(jié)彈簧的最大形變量來改變最大彈性力F，直至到可以接受的范圍。

2.3 該公式應(yīng)用舉例

L…彈簧的最大形變量控制在 0.1m 左右;F.彈簧預(yù)緊力10kg，包含秤臺重量;m;重物的質(zhì)量為 10kg;

v重物接觸到秤臺時的初始速度為0.1m/s;m,秤臺的質(zhì)量為8x10kg。F =m,L+(2m,+m2)g-F=10'x(0.1}/0.1+(2x10'+8x10)x9.8-10*kg

=2.038 x 10N

根據(jù)計算結(jié)果當(dāng)采用12個圓柱螺旋彈簧作為緩沖器時，選用材料直徑d=35mm，彈簧中徑D=200mm，單圈極限變形量f=26.88mm，工作極限載荷P=49168N，單圈剛度P=1829N/mm，圈數(shù)=8的彈簧時，其在100mm形變量時總彈性力可以達到2.1948x10N。選擇稱重傳感器容量時，當(dāng)稱重傳感器安全過載系數(shù)為150%時，總?cè)萘看笥?00t 即可。