影響吸盤吸附性能因素的分析

邱昆+劉入源+胡國正+賈淼+黃振超+朱洪國+叢茜

【摘 要】 在日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，吸盤的應(yīng)用十分廣泛，它極大地方便了人們生產(chǎn)和生活。分析吸盤吸附性能與影響吸附性能因素之間的關(guān)系，有助于改善吸盤現(xiàn)有使用方法，對(duì)提升吸盤的吸附性能具有重要作用。在多種影響吸盤吸附性能的因素中，吸盤材料、尺寸、形狀、吸附對(duì)象、工作環(huán)境以及與吸盤共同作用的一些輔助設(shè)備等對(duì)吸盤吸附能力的影響最為顯著。本文簡要分析它們對(duì)吸盤吸附能力的影響，使大家更加清楚吸盤吸附性能與這些因素的關(guān)系。

【關(guān)鍵詞】 吸盤 真空吸附 吸附性能 負(fù)壓 粗糙度 硬度 密封 變形

自1654年蓋利克先生做“馬德堡半球試驗(yàn)”深刻揭示大氣壓的存在以來，人們一直對(duì)真空負(fù)壓現(xiàn)象進(jìn)行探索。真空吸盤在生產(chǎn)和生活中的普遍應(yīng)用，既充分體現(xiàn)了真空負(fù)壓現(xiàn)象的巨大實(shí)用價(jià)值，又極大地方便了人們的生產(chǎn)和生活。吸盤是根據(jù)真空負(fù)壓機(jī)理，依靠吸盤內(nèi)部容積與外界環(huán)境的壓差來完成吸附工作。由于吸盤形成負(fù)壓條件和密閉容積的復(fù)雜性，使影響真空吸盤吸附性能的因素多種多樣。其中吸盤材料、尺寸、形狀、吸附對(duì)象、工作環(huán)境以及與吸盤相互作用的一些輔助設(shè)備等對(duì)吸盤吸附性能的影響最為突出，我們只有清楚這些因素和吸盤吸附性能之間的關(guān)系，并且應(yīng)用這些關(guān)系來改善現(xiàn)有吸盤的使用方法，才能進(jìn)一步提升吸盤的吸附性能，提高其工作效率。

下面就針對(duì)這些因素做簡要分析。

1 吸盤特性對(duì)吸附性能的影響

1.1 吸盤材料特性對(duì)吸附性能的影響

生活中和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所用到的吸盤材料一般有丁腈橡膠、聚氨酯、硅橡膠、氟橡膠[1]等。這些材料在不同的工作環(huán)境下所表現(xiàn)出的吸附效果不盡相同，有時(shí)甚至相差很大。例如：在高壓力工作環(huán)境下，硅橡膠、聚氨酯橡膠能表現(xiàn)出較好的吸附能力，而丁腈橡膠、氟橡膠則不能很好的表現(xiàn)出其吸附性能；在油污工作環(huán)境下，丁腈橡膠、氟橡膠的吸附能力比硅橡膠的吸附能力較強(qiáng)。

所以，在選擇真空吸盤材料時(shí)，要結(jié)合吸盤工作環(huán)境，綜合考慮材料的性能指標(biāo)如應(yīng)力強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、密封性能、力學(xué)性能，耐腐蝕性能，使用壽命等，以取得吸盤最佳的吸附性能。

1.2 吸盤內(nèi)表面的光潔程度對(duì)吸附性能的影響

吸盤的內(nèi)表面只有和所要吸附的物體表面緊密接觸，才能形成密閉空間，保證吸盤的吸附性能。因此，在吸盤彈性強(qiáng)度、尺寸、形狀等因素不變時(shí)，吸盤吸附物體的緊密性與內(nèi)表面的光滑程度緊密相關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，內(nèi)表面均質(zhì)、平滑的吸盤比表面粗糙的吸盤具有更強(qiáng)的吸附能力，因?yàn)楣饣?、均質(zhì)吸盤表面能和物體表面更好的接觸，并使其接觸面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于表面不光滑的吸盤。但是，由于吸盤內(nèi)表面的光滑、均質(zhì)特性，也會(huì)減少吸盤與接觸物體表面的摩擦系數(shù)，使得光滑吸盤對(duì)吸附物體的橫向摩擦拉力降低，容易出現(xiàn)物體脫滑現(xiàn)象。所以，在選擇吸盤內(nèi)表面的光潔程度時(shí)，要綜合考慮工作所要求的吸盤垂直吸附力與橫向摩擦力的大小。

1.3 吸盤彈性強(qiáng)度對(duì)吸附性能的影響

吸盤吸附物體時(shí)，它的彈性指數(shù)直接影響著吸盤與物體接觸的嚴(yán)密程度[2]。由于吸盤具有彈性， 在外界壓力作用下，吸盤的部分組織會(huì)發(fā)生微小變形。當(dāng)吸附物體表面不是很平整時(shí)，外界壓力擠壓具有一定彈性的吸盤，吸盤的部分組織就會(huì)補(bǔ)充物體表面所存在的凹凸不平空間（如圖1所示），使密封更加嚴(yán)密，取得很好的吸附效果。但吸盤彈性過大，要保持這種緊密的密封狀態(tài)就需要較大的壓力來克服吸盤恢復(fù)原狀的彈力，因壓力的大小直接由壓差大小決定，要取的較大的壓差，就需要較大功率的氣源輔助裝置來產(chǎn)生負(fù)壓[3]，這樣就提高了對(duì)氣源裝置的要求，增加了工作成本。

1.4 吸盤尺寸、形狀對(duì)吸附性能的影響

因吸盤的工作原理是依靠內(nèi)外壓差進(jìn)行物體吸附，所以吸盤尺寸和形狀也影響著吸盤吸附力的大?。ㄈ鐖D2所示）。通常情況下，吸盤尺寸越大，工作時(shí)和物體接觸的表面就越大，外界大氣對(duì)吸盤的總體壓力也就越大[4]。如果工作條件允許，在選擇吸盤時(shí)，一般選擇尺寸相對(duì)較大、較厚實(shí)的吸盤。

通常采用的漏斗狀錐形吸盤在吸附物體時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)吸盤整體貼附在物體表面，并且吸盤出現(xiàn)表面折皺的情況很少。而截面為橢圓、半圓等形狀的吸盤在壓力作用下表面會(huì)出現(xiàn)變形、折皺、壓疊、邊緣翹起等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響吸盤的密封效果[5]。

2 吸附對(duì)象對(duì)吸附性能的影響

2.1 被吸附物體的表面粗糙程度對(duì)吸附能力的影響

在吸盤吸附物體時(shí)，物體表面的粗糙度越小、表面狀態(tài)越均勻，吸盤的密封性越好，吸附能力越強(qiáng)。反之，當(dāng)被吸附物體表面粗糙度較大時(shí)，吸盤很難實(shí)現(xiàn)對(duì)物體密閉，導(dǎo)致漏氣，降低吸附性能[6]。如在毛玻璃板和光滑玻璃板表面進(jìn)行的拉力測(cè)定實(shí)驗(yàn)，可以證明被吸附物體表面的粗糙度對(duì)吸附性能的影響。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，通過萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)得的同一吸盤分別脫離物體表面的最大拉力，能直接反映出吸盤對(duì)物體吸附力的大小。實(shí)驗(yàn)表明：吸盤在毛玻璃表面的最大拉力強(qiáng)度為4.87N/cm2，在光滑玻璃表面的最大拉力強(qiáng)度為5.41N/cm2。

2.2 被吸附物體的硬度對(duì)吸附能力的影響

在吸盤吸附物體時(shí)，物體應(yīng)當(dāng)具有一定的堅(jiān)硬程度才能保證吸附工作順利完成。如果物體過于松散，在吸附時(shí)會(huì)出現(xiàn)物體松落吸盤現(xiàn)象，致使吸取工作失敗。在吸附工作中，當(dāng)吸盤與物體接觸時(shí)，柔軟的物體在吸盤壓力作用下發(fā)生變形，吸盤很難實(shí)現(xiàn)和物體緊密吸附，不能有效的發(fā)揮吸附能力。當(dāng)物體硬度較大時(shí)，在同樣力的作用下，物體產(chǎn)生的變形量很小，實(shí)現(xiàn)吸附過程也就較容易。所以，具有較大硬度的物體，有利于形成吸盤和物體之間的密閉空間，也就有利于實(shí)現(xiàn)吸盤和物體的吸附。如用萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定吸盤在粗糙度相同的橡膠表面和鋼模表面的最大吸附拉力強(qiáng)度分別為4.85N/cm2和4.46N/cm2。

3 與吸盤相互作用的其它裝置對(duì)吸附能力的影響

生活中常用的吸盤[7]一般是由軟質(zhì)材料的吸盤、縱向截面為圓弧形且硬質(zhì)的壓蓋和吸盤凸面頂部向上一體延伸的螺柱組成（如圖3所示）。其中吸盤壓蓋對(duì)吸盤密封容積的形成、容積內(nèi)負(fù)壓保持起著至關(guān)重要的作用。壓盤作用在軟質(zhì)材料吸盤的邊緣，在壓蓋力作用下，吸盤周邊緊緊貼附在物體表面，使其不再出現(xiàn)邊緣翹起現(xiàn)象，長時(shí)間保持密閉狀態(tài)，表現(xiàn)出較好的吸附能力。endprint

工業(yè)上應(yīng)用的真空起重機(jī)一般由吸盤裝置、氣源裝置、傳輸裝置和控制裝置等組成（如圖4所示），其中氣源裝置對(duì)吸盤吸附能力的影響最為突出。真空起重機(jī)所需的負(fù)壓一般是由氣源裝置產(chǎn)生的，在閥門打開后，吸盤內(nèi)容積和氣源裝置就相互聯(lián)通，氣源裝置使吸盤內(nèi)容積的壓力降低，并通過氣源裝置不間斷的工作來維持吸盤長時(shí)間的負(fù)壓需求。氣源裝置的負(fù)壓規(guī)格直接影響著吸盤內(nèi)容積壓力的大小，關(guān)系到吸盤吸附能力的強(qiáng)弱。在選擇氣源裝置配置時(shí)，要綜合考慮工作要求的負(fù)壓標(biāo)準(zhǔn)、吸盤材料特性、氣源設(shè)備成本等因素，最終做出合理的選擇。

4 環(huán)境因素對(duì)吸附能力的影響

吸盤的工作環(huán)境對(duì)吸盤使用壽命、吸附效果具有很大影響，要想使吸盤達(dá)到最佳吸附效果，在使用吸盤時(shí)要提前考慮環(huán)境中溫度條件、酸堿特性、壓強(qiáng)輻射等因素對(duì)吸盤產(chǎn)生的影響。例如：在溫度變化比較明顯的工作環(huán)境中，橡膠吸盤與被接觸物體會(huì)存在溫度變化，使吸盤和物體接觸面之間的少量氣體運(yùn)動(dòng)劇烈、增大容積內(nèi)的壓力，與此同時(shí)，因吸盤和物體具有不相同的熱脹冷縮比，在溫度變化時(shí)，吸盤和物體會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，降低吸盤的密封性能。因此，要合理考慮環(huán)境因素，既能充分發(fā)揮吸盤的吸附能力，提高工作效率，也能延長吸盤和其它設(shè)備的使用壽命。

5 吸附物體表面的濕度對(duì)吸附能力的影響

具有柔性的吸盤在牽拉物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，沿受力方向會(huì)發(fā)生一定程度的變形（吸盤變形形成空腔如圖5、6所示）。吸盤吸附干燥物體時(shí)，形成的密閉容積中含有低壓氣體，因氣體分子間的作用力較小（與液體的分子間作用力相比），柔性吸盤容易產(chǎn)生變形。變形使吸盤內(nèi)表面和物體接觸面積減少，密閉空間的穩(wěn)定性降低。當(dāng)吸盤吸附濕潤物體時(shí)，在拉力作用下，吸盤也產(chǎn)生變形，但因在吸盤和物體接觸面間存有一層水或者其它液體，并且水或其它液體分子間作用力較大，吸盤較難脫離物體表面。

如圖5、6所示，兩吸盤分別吸附在干燥和濕潤的光滑大理石表面，在拉力基本相同時(shí)，干燥吸盤中間的空腔體積比濕潤吸盤中間的空腔體積大，這表明接觸面濕潤的吸盤吸附能力較強(qiáng)。一般情況下，吸盤吸附表面有水濕潤的物體比吸附同樣的干燥表面物體的吸附力要大，吸附效果要好。

通過萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)得的同一吸盤在干燥和濕潤的光滑鋼模表面的最大拉力強(qiáng)度分別為4.87N/cm2和5.10N/cm2。

除上述因素之外，還有一些因素對(duì)吸盤的吸附性能產(chǎn)生著影響，如在吸盤的內(nèi)表面上存在的一些具有彈性功能的凹溝槽（如圖7所示）、在吸盤和接觸物體之間添加的黏性物質(zhì)等。

根據(jù)上述分析，吸盤吸附性能和吸盤的材料、尺寸、形狀、吸附對(duì)象、工作環(huán)境以及與吸盤相互作用的一些輔助設(shè)備等因素有關(guān)。利用它們之間的關(guān)系對(duì)吸盤現(xiàn)有的使用方法加以改進(jìn)，對(duì)改善吸盤的吸附性能具有重要作用[9]。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙艷妮.多唇邊式真空吸盤的設(shè)計(jì)研究，昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.

[2]滕紅華.真空吸盤吸附物體的動(dòng)力學(xué)分析，包裝工程，Vol.25 No.2 2004.

[3]王有余.為什么吸盤能掛重物，中國學(xué)術(shù)期刊電子出版社1994-2012：19-20.

[4]林燦煥.滑動(dòng)摩擦力的大小與接觸面積大小有關(guān)系嗎，物理通報(bào)2008（7）：14-15.

[5]范增.剛性真空吸盤拾取性能的研究，江南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.6.

[6]石新余，劉啟越.表面粗糙度對(duì)微動(dòng)摩擦特性的影響.機(jī)械，2001，28（5）：25-28.

[7]http：//www.image.so.com.

[8]WILLIAM ， The Structure and Adhesive Mechanism of Octopus Suckers，INTEGR. COMP.BIOL，2002（42）：1146-1153.

[9]Francesca Tramacere ，Adhesion Mechanisms Inspired by Octopus SuckersProcedia Computer Science，2011（7）：192-193.endprint

工業(yè)上應(yīng)用的真空起重機(jī)一般由吸盤裝置、氣源裝置、傳輸裝置和控制裝置等組成（如圖4所示），其中氣源裝置對(duì)吸盤吸附能力的影響最為突出。真空起重機(jī)所需的負(fù)壓一般是由氣源裝置產(chǎn)生的，在閥門打開后，吸盤內(nèi)容積和氣源裝置就相互聯(lián)通，氣源裝置使吸盤內(nèi)容積的壓力降低，并通過氣源裝置不間斷的工作來維持吸盤長時(shí)間的負(fù)壓需求。氣源裝置的負(fù)壓規(guī)格直接影響著吸盤內(nèi)容積壓力的大小，關(guān)系到吸盤吸附能力的強(qiáng)弱。在選擇氣源裝置配置時(shí)，要綜合考慮工作要求的負(fù)壓標(biāo)準(zhǔn)、吸盤材料特性、氣源設(shè)備成本等因素，最終做出合理的選擇。

4 環(huán)境因素對(duì)吸附能力的影響

吸盤的工作環(huán)境對(duì)吸盤使用壽命、吸附效果具有很大影響，要想使吸盤達(dá)到最佳吸附效果，在使用吸盤時(shí)要提前考慮環(huán)境中溫度條件、酸堿特性、壓強(qiáng)輻射等因素對(duì)吸盤產(chǎn)生的影響。例如：在溫度變化比較明顯的工作環(huán)境中，橡膠吸盤與被接觸物體會(huì)存在溫度變化，使吸盤和物體接觸面之間的少量氣體運(yùn)動(dòng)劇烈、增大容積內(nèi)的壓力，與此同時(shí)，因吸盤和物體具有不相同的熱脹冷縮比，在溫度變化時(shí)，吸盤和物體會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，降低吸盤的密封性能。因此，要合理考慮環(huán)境因素，既能充分發(fā)揮吸盤的吸附能力，提高工作效率，也能延長吸盤和其它設(shè)備的使用壽命。

5 吸附物體表面的濕度對(duì)吸附能力的影響

具有柔性的吸盤在牽拉物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，沿受力方向會(huì)發(fā)生一定程度的變形（吸盤變形形成空腔如圖5、6所示）。吸盤吸附干燥物體時(shí)，形成的密閉容積中含有低壓氣體，因氣體分子間的作用力較?。ㄅc液體的分子間作用力相比），柔性吸盤容易產(chǎn)生變形。變形使吸盤內(nèi)表面和物體接觸面積減少，密閉空間的穩(wěn)定性降低。當(dāng)吸盤吸附濕潤物體時(shí)，在拉力作用下，吸盤也產(chǎn)生變形，但因在吸盤和物體接觸面間存有一層水或者其它液體，并且水或其它液體分子間作用力較大，吸盤較難脫離物體表面。

如圖5、6所示，兩吸盤分別吸附在干燥和濕潤的光滑大理石表面，在拉力基本相同時(shí)，干燥吸盤中間的空腔體積比濕潤吸盤中間的空腔體積大，這表明接觸面濕潤的吸盤吸附能力較強(qiáng)。一般情況下，吸盤吸附表面有水濕潤的物體比吸附同樣的干燥表面物體的吸附力要大，吸附效果要好。

通過萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)得的同一吸盤在干燥和濕潤的光滑鋼模表面的最大拉力強(qiáng)度分別為4.87N/cm2和5.10N/cm2。

除上述因素之外，還有一些因素對(duì)吸盤的吸附性能產(chǎn)生著影響，如在吸盤的內(nèi)表面上存在的一些具有彈性功能的凹溝槽（如圖7所示）、在吸盤和接觸物體之間添加的黏性物質(zhì)等。

根據(jù)上述分析，吸盤吸附性能和吸盤的材料、尺寸、形狀、吸附對(duì)象、工作環(huán)境以及與吸盤相互作用的一些輔助設(shè)備等因素有關(guān)。利用它們之間的關(guān)系對(duì)吸盤現(xiàn)有的使用方法加以改進(jìn)，對(duì)改善吸盤的吸附性能具有重要作用[9]。

參考文獻(xiàn)：

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[9]Francesca Tramacere ，Adhesion Mechanisms Inspired by Octopus SuckersProcedia Computer Science，2011（7）：192-193.endprint

工業(yè)上應(yīng)用的真空起重機(jī)一般由吸盤裝置、氣源裝置、傳輸裝置和控制裝置等組成（如圖4所示），其中氣源裝置對(duì)吸盤吸附能力的影響最為突出。真空起重機(jī)所需的負(fù)壓一般是由氣源裝置產(chǎn)生的，在閥門打開后，吸盤內(nèi)容積和氣源裝置就相互聯(lián)通，氣源裝置使吸盤內(nèi)容積的壓力降低，并通過氣源裝置不間斷的工作來維持吸盤長時(shí)間的負(fù)壓需求。氣源裝置的負(fù)壓規(guī)格直接影響著吸盤內(nèi)容積壓力的大小，關(guān)系到吸盤吸附能力的強(qiáng)弱。在選擇氣源裝置配置時(shí)，要綜合考慮工作要求的負(fù)壓標(biāo)準(zhǔn)、吸盤材料特性、氣源設(shè)備成本等因素，最終做出合理的選擇。

4 環(huán)境因素對(duì)吸附能力的影響

吸盤的工作環(huán)境對(duì)吸盤使用壽命、吸附效果具有很大影響，要想使吸盤達(dá)到最佳吸附效果，在使用吸盤時(shí)要提前考慮環(huán)境中溫度條件、酸堿特性、壓強(qiáng)輻射等因素對(duì)吸盤產(chǎn)生的影響。例如：在溫度變化比較明顯的工作環(huán)境中，橡膠吸盤與被接觸物體會(huì)存在溫度變化，使吸盤和物體接觸面之間的少量氣體運(yùn)動(dòng)劇烈、增大容積內(nèi)的壓力，與此同時(shí)，因吸盤和物體具有不相同的熱脹冷縮比，在溫度變化時(shí)，吸盤和物體會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，降低吸盤的密封性能。因此，要合理考慮環(huán)境因素，既能充分發(fā)揮吸盤的吸附能力，提高工作效率，也能延長吸盤和其它設(shè)備的使用壽命。

5 吸附物體表面的濕度對(duì)吸附能力的影響

具有柔性的吸盤在牽拉物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，沿受力方向會(huì)發(fā)生一定程度的變形（吸盤變形形成空腔如圖5、6所示）。吸盤吸附干燥物體時(shí)，形成的密閉容積中含有低壓氣體，因氣體分子間的作用力較?。ㄅc液體的分子間作用力相比），柔性吸盤容易產(chǎn)生變形。變形使吸盤內(nèi)表面和物體接觸面積減少，密閉空間的穩(wěn)定性降低。當(dāng)吸盤吸附濕潤物體時(shí)，在拉力作用下，吸盤也產(chǎn)生變形，但因在吸盤和物體接觸面間存有一層水或者其它液體，并且水或其它液體分子間作用力較大，吸盤較難脫離物體表面。

如圖5、6所示，兩吸盤分別吸附在干燥和濕潤的光滑大理石表面，在拉力基本相同時(shí)，干燥吸盤中間的空腔體積比濕潤吸盤中間的空腔體積大，這表明接觸面濕潤的吸盤吸附能力較強(qiáng)。一般情況下，吸盤吸附表面有水濕潤的物體比吸附同樣的干燥表面物體的吸附力要大，吸附效果要好。

通過萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)得的同一吸盤在干燥和濕潤的光滑鋼模表面的最大拉力強(qiáng)度分別為4.87N/cm2和5.10N/cm2。

除上述因素之外，還有一些因素對(duì)吸盤的吸附性能產(chǎn)生著影響，如在吸盤的內(nèi)表面上存在的一些具有彈性功能的凹溝槽（如圖7所示）、在吸盤和接觸物體之間添加的黏性物質(zhì)等。

根據(jù)上述分析，吸盤吸附性能和吸盤的材料、尺寸、形狀、吸附對(duì)象、工作環(huán)境以及與吸盤相互作用的一些輔助設(shè)備等因素有關(guān)。利用它們之間的關(guān)系對(duì)吸盤現(xiàn)有的使用方法加以改進(jìn)，對(duì)改善吸盤的吸附性能具有重要作用[9]。

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[9]Francesca Tramacere ，Adhesion Mechanisms Inspired by Octopus SuckersProcedia Computer Science，2011（7）：192-193.endprint