力学模型的建立在衡器设计中的应用分析

姚帅

广东省计量科学研究院，广东省广州市，510405

摘要：衡器是一种测定物体质量的仪器，在设计其结构过程中，为提高其精密度，应合理构建力学模型，优化衡器设计效果。本文就力学模型在衡器设计中的应用进行探究，简单阐述衡器的使用情况，并对其未来发展方向进行分析，同时结合衡器结构组成进行合理研究，探究力学模型在其中的实际应用情况，进一步优化衡器的设计效果。

关键词：力学模型；衡器设计；应用

引言：力学模型是一种建立在事物本质中的客观规律，通过抽象化构建力学模型表示机械运动，借助模型的数学描述方法推理和演绎相关机械变化情况。在该过程中，借助力学模型运行过程中的规律，构建相应的机械结构，能够满足设备的运行要求，进一步提高对力学模型的实际应用效果。衡器设计过程中，主要利用胡克定律或杠杆原理实现测量，其中涉及到力学相关内容，可借助模型来完善衡器的具体设计方案。

1衡器的应用与发展

衡器是一种计量器具，其使用十分广泛，主要用来测量物体的重量。我国的衡器使用历史较为悠久，距今已有4000多年的历史，在宋朝衡器的精准度已经达到了40mg。随着时代的发展，衡器设计技术也在不断提升，现代化衡器类型不仅多种多样，其内部的设计同样变得越发复杂，同时设计不同领域，具有不同的功能特点。常见的衡器类型主要分为三种，其一为机械秤，该类型衡器利用杠杆或弹簧等方式完成重量的衡量工作。其二为电子秤，该类型衡器的使用最为普遍，能够直接通过安检完成测量和计算，使用方式十分便捷。其三，机电结合秤，利用传感器原理和力学规律构建，具有较强的测量精度。

2衡器的结构组成分析

衡器的结构组成主要分为三部分：

第一部分为承重系统。承重系统需要承担物体的重量，恰当的承重结构能够提高衡器衡量效率，快速实现重量的转化。目前常见的承重结构多为秤盘式储盛器以及吊装系统和轨道等。

第二部分为传力系统。传力系统是衡器设备中的关键组成部分，其能够将重力通过杠杆或者形变能力转化为其他形式，便于测量和计算物体最终的重量。在杠杆传力系统中，一般需要设置承重和传力杠杆，并结合相关的支架系统进行调整，完成力的转换。在形变传力系统中，借助弹簧等传感器的形变情况实现转换，得到实际的重力变化情况[1]。

第三部分为示值系统。该系统主要由刻度标志组成，用来展示重量的测量数值。不同衡器中的示值系统存在较大差异，如在杠杆衡器中，需要使用秤砣或砝码等进行衡量读取，在电子秤等设备中，示值系统包括计算功能和显示功能，便于使用者观看读取。

3力学模型在衡器设计中的具体应用

3.1力学模型的实际应用

在衡器设计中需要借助力学规律，因此在设计衡器时，需要结合衡器的实际需求构建合理的力学模型[2]。以电子秤为例进行分析，电子秤中的承重结构、传力系统以及示值系统运行过程中，均借助了相关的力学规律，在承重结构中，一般由矩形钢管通过焊接的方式构成相应的承重结构。在承重结构中需要设定不同结构梁的受力端，并结合力学模型进行合理分析，如图1所示。

图 1 承重梁结构的受力点图示

分析梁结构的额定量程：

其中：P为电子秤中承重梁结构的额定量程，单位（kg）；P1为矩形钢管梁结构受到的应力，单位（kg）；n为电子秤中的根梁数量。根据力学结构计算根梁两端的支应力，使用公式：

其中：R1和R2分别为根梁结构两端的支应力。由于根梁两端受到的剪力大小与支应力相等，需要考虑截面受到的最大弯矩，使用公式进行计算：

结合梁结构的力学结构，计算重心部分的最大挠度：

其中：L3为梁结构的体积，单位（mm3）E为根梁的弯矩应变；J为根梁的弯矩应力。通过计算分析，能够进一步推算，在不同力的作用下，电子秤内部结构的变化情况，根据力学模型变化情况进行计算，从而设置力的转变方式，从而有效提高衡器的实际设计和应用效果。

在传力系统和示值系统设计时，该部分较为复杂，不仅涉及力学模型，同时需要结合微机和仪表等方面的内容，将其综合设计才能够有效实现力学传导，完成物体的称量。微机结构在使用过程中，需要与电子秤的力学模型进行有机结合，设置相应的串口实现连接，完成电子秤的硬件设计。

微机借助串口与仪表连接，同时结合承重系统中的；力学结构变化情况，显示出具体的重量，如图2。

串口之间通过插头等数据连接的方式，力学结构计算和转化完毕后，将数据传输到微机串口处，并由微机实现数据转化，再次传输到仪表中显示，完成整体承重流程。

3.2衡器设计过程中的关键要点

在衡器设计过程中，为提升测量的精准度，应重视其设计要点。

首先，台秤在承重过程中会在一定程度上受到重心偏移的影响，物品承重时未放置在台秤中心点，使最终称量数值存在误差情况，严重影响测量精度。为降低该情况的发生概率，在实际的设计优化过程中，需要调整台秤的力学模型，结合不同根梁结构的重心设置情况以及不同部位的应力及弯矩变化情况进行调整，并设置一定的系数，在进行力的转变时，通过系数平衡调节，降低误差影响。一般情况下小型台秤受到偏心影响较小，且大部分台秤对精密度的要求不高，使衡器设计结果能够达到标准称重要求即可。

其次，由于不同材料在力的作用下性质变化和参数存在较大差异，在设计衡器的过程中，应充分结合使用的材料具体性质和参数完成合理设计。如常见的不锈钢材料以及铁质材料等性能差异较大，在设计时需要进行准确测量后使用。相同材料情况下，不同厂家生产过程中的材料使用情况不尽相同，因此存在一定的差异，在设计制造过程中可能会对衡器的精密度产生一定的影响。为降低材料误差带来的影响，应在使用前测量材料的具体参数，结合真实数据进行分析，全面提高设计精准性。

再次，在使用力学结构分析衡器承重系统和传力系统时，需要根据结构中的根梁构件使用情况合理设计，但由于结构材料存在一定厚度，可能会对结构受到的剪力情况弯矩变化产生影响。壁厚越大其产生的误差也越大，为降低误差影响，一方面应选择质地较为均匀的构件材料，以避免材料不均匀引起的力学模型误差。另一方面，应加强对梁结构壁厚的控制，在保障整体结构稳定的基础上，尽量降低壁厚影响，减小误差的作用，提高衡器结构的设计效果。

最后，在实际的设计中，设计人员应充分考虑衡器的使用环境，结合不同环境需求，调整结构设计。如在工业领域中，需要结合工业产业对衡器精准度和承重范围的要求设计，在精度要求高且承重范围较大的情况下，应选择具有较大强度的材料，提高衡器的使用效果，同时加强其对精准度的控制管理。

结论：综上所述，衡器在工、农、商、科、医等方面的应用均较为广泛，随着社会的不断发展，各个领域对衡器精准度和测量范围的要求不断扩大，为提升衡器的性能，应从根本上进行优化和调整。相关技术人员应针对衡器中使用的力学模型制定优化措施，同时加强电子系统的设计，确保二者实现有机融合，进一步提高电子衡器的实际使用效果，促使科学发展速度不断加快。

参考文献：

[1]郁秋华.工业电子衡器早期预警系统硬件设计[J].现代工业经济和信息化,2021(7):64-66.

[2]郁秋华.基于单片机的工业电子衡器预警系统设计[J].装备制造技术,2020(5):35-36.