论缓冲秤中冲击力的理论分析

电子缓冲秤是冶金行业经常使用的一种称量仪器，常用于钢包、废料篮及盘卷等有强烈冲击力的称量场合。选择合适的缓冲器可以有效保护缓冲秤的秤体和传感器，延长缓冲秤的使用寿命。如何计算重物的最大冲击力，对于缓冲器的选型尤为重要。

1 缓冲秤的结构及常用缓冲秤类型普通的电子缓冲秤结构图，如图1所示，

目前可供选择的缓冲器类型主要有金属弹簧和聚氨酯缓冲器，其中以圆柱螺旋金属弹簧应用最为广泛，聚氨酯缓冲器属耗能性缓冲器，因其阻尼大、秤台稳定速度快而得到广泛的应用，但限于工作环境温度不能太高，所以更多应用于废料篮和盘卷等常温工作环境。

2 理论分析

以圆柱弹簧为例，分析一下重物在竖直方向上以一定速度冲击秤台直至秤台和重物静止的整个过程中秤台的受力过程。秤台受到重物冲击后获得动量，向下运动，弹簧逐渐压缩，弹力逐渐加大，即竖直方向上的合力逐渐减小，当弹簧的弹力等于重物和秤台重力之和后，在竖直方向上达到力的平衡，合力为0，但此时重物和秤台并不会立刻稳定下来，而是继续向下运动，当达到最大弹性力时，再向上运动，重新达到平衡点时开始做衰减简谐振动(受力方向与位移方向始终相反)，直至重物和秤台达到静止状态。可以从动量守恒和能量守恒两方面分别进行分析。

2.1 从动量守恒定律方面分析

根据动量守恒定律F=vm，在v、m已知的前提下，作用时间t越大则冲击力F越小，这也是增加缓冲器的原因，但F的作用时间t是一个无法事先确定的自变量，所以计算时根据动量守恒定律是无法得出最大冲击力的。

2.2 从能量守恒定律方面分析

若把重物和秤台作为一个力学系统，在不考虑内力做功损耗的前提下，无论力学系统内部如何，反映在弹簧和称重传感器上的最大冲击力就是弹簧最大形变时的弹性力，此时重物的动能势能，秤台的势能，最终全部转化为弹簧的弹性势能，即:

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

E--弹簧的最大弹性势能;

L.--弹簧的最大形变量;

F.---弹簧最大形变量时的最大弹性力;

弹簧预紧力;

-重物的质量:T:

--重物接触到秤台时的初始速度:92

m--秤台的质量。

公式形变后可以得到下面的最大弹性力公式

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

在上面公式中，m、m、F…均为已知，行车在将重物吊放到秤台上时，速度是可控的，所以v也可以认为已知量，出于结构安全考虑，弹簧的最大形变量L…也应当处于可控范围内，可通过调节弹簧的最大形变量来改变最大弹性力F，直至到可以接受的范围。

2.3 该公式应用举例

L…弹簧的最大形变量控制在 0.1m 左右;F.弹簧预紧力10kg，包含秤台重量;m;重物的质量为 10kg;

v重物接触到秤台时的初始速度为0.1m/s;m,秤台的质量为8x10kg。F =m,L+(2m,+m2)g-F=10'x(0.1}/0.1+(2x10'+8x10)x9.8-10*kg

=2.038 x 10N

根据计算结果当采用12个圆柱螺旋弹簧作为缓冲器时，选用材料直径d=35mm，弹簧中径D=200mm，单圈极限变形量f=26.88mm，工作极限载荷P=49168N，单圈刚度P=1829N/mm，圈数=8的弹簧时，其在100mm形变量时总弹性力可以达到2.1948x10N。选择称重传感器容量时，当称重传感器安全过载系数为150%时，总容量大于200t 即可。