影响吸盘吸附性能因素的分析

邱昆+刘入源+胡国正+贾淼+黄振超+朱洪国+丛茜

【摘 要】 在日常生活和工农业生产中，吸盘的应用十分广泛，它极大地方便了人们生产和生活。分析吸盘吸附性能与影响吸附性能因素之间的关系，有助于改善吸盘现有使用方法，对提升吸盘的吸附性能具有重要作用。在多种影响吸盘吸附性能的因素中，吸盘材料、尺寸、形状、吸附对象、工作环境以及与吸盘共同作用的一些辅助设备等对吸盘吸附能力的影响最为显著。本文简要分析它们对吸盘吸附能力的影响，使大家更加清楚吸盘吸附性能与这些因素的关系。

【关键词】 吸盘 真空吸附 吸附性能 负压 粗糙度 硬度 密封 变形

自1654年盖利克先生做“马德堡半球试验”深刻揭示大气压的存在以来，人们一直对真空负压现象进行探索。真空吸盘在生产和生活中的普遍应用，既充分体现了真空负压现象的巨大实用价值，又极大地方便了人们的生产和生活。吸盘是根据真空负压机理，依靠吸盘内部容积与外界环境的压差来完成吸附工作。由于吸盘形成负压条件和密闭容积的复杂性，使影响真空吸盘吸附性能的因素多种多样。其中吸盘材料、尺寸、形状、吸附对象、工作环境以及与吸盘相互作用的一些辅助设备等对吸盘吸附性能的影响最为突出，我们只有清楚这些因素和吸盘吸附性能之间的关系，并且应用这些关系来改善现有吸盘的使用方法，才能进一步提升吸盘的吸附性能，提高其工作效率。

下面就针对这些因素做简要分析。

1 吸盘特性对吸附性能的影响

1.1 吸盘材料特性对吸附性能的影响

生活中和工农业生产中所用到的吸盘材料一般有丁腈橡胶、聚氨酯、硅橡胶、氟橡胶[1]等。这些材料在不同的工作环境下所表现出的吸附效果不尽相同，有时甚至相差很大。例如：在高压力工作环境下，硅橡胶、聚氨酯橡胶能表现出较好的吸附能力，而丁腈橡胶、氟橡胶则不能很好的表现出其吸附性能；在油污工作环境下，丁腈橡胶、氟橡胶的吸附能力比硅橡胶的吸附能力较强。

所以，在选择真空吸盘材料时，要结合吸盘工作环境，综合考虑材料的性能指标如应力强度、疲劳强度、密封性能、力学性能，耐腐蚀性能，使用寿命等，以取得吸盘最佳的吸附性能。

1.2 吸盘内表面的光洁程度对吸附性能的影响

吸盘的内表面只有和所要吸附的物体表面紧密接触，才能形成密闭空间，保证吸盘的吸附性能。因此，在吸盘弹性强度、尺寸、形状等因素不变时，吸盘吸附物体的紧密性与内表面的光滑程度紧密相关。实验表明，内表面均质、平滑的吸盘比表面粗糙的吸盘具有更强的吸附能力，因为光滑、均质吸盘表面能和物体表面更好的接触，并使其接触面积远远大于表面不光滑的吸盘。但是，由于吸盘内表面的光滑、均质特性，也会减少吸盘与接触物体表面的摩擦系数，使得光滑吸盘对吸附物体的横向摩擦拉力降低，容易出现物体脱滑现象。所以，在选择吸盘内表面的光洁程度时，要综合考虑工作所要求的吸盘垂直吸附力与横向摩擦力的大小。

1.3 吸盘弹性强度对吸附性能的影响

吸盘吸附物体时，它的弹性指数直接影响着吸盘与物体接触的严密程度[2]。由于吸盘具有弹性， 在外界压力作用下，吸盘的部分组织会发生微小变形。当吸附物体表面不是很平整时，外界压力挤压具有一定弹性的吸盘，吸盘的部分组织就会补充物体表面所存在的凹凸不平空间（如图1所示），使密封更加严密，取得很好的吸附效果。但吸盘弹性过大，要保持这种紧密的密封状态就需要较大的压力来克服吸盘恢复原状的弹力，因压力的大小直接由压差大小决定，要取的较大的压差，就需要较大功率的气源辅助装置来产生负压[3]，这样就提高了对气源装置的要求，增加了工作成本。

1.4 吸盘尺寸、形状对吸附性能的影响

因吸盘的工作原理是依靠内外压差进行物体吸附，所以吸盘尺寸和形状也影响着吸盘吸附力的大小（如图2所示）。通常情况下，吸盘尺寸越大，工作时和物体接触的表面就越大，外界大气对吸盘的总体压力也就越大[4]。如果工作条件允许，在选择吸盘时，一般选择尺寸相对较大、较厚实的吸盘。

通常采用的漏斗状锥形吸盘在吸附物体时能够实现吸盘整体贴附在物体表面，并且吸盘出现表面折皱的情况很少。而截面为椭圆、半圆等形状的吸盘在压力作用下表面会出现变形、折皱、压叠、边缘翘起等现象，严重影响吸盘的密封效果[5]。

2 吸附对象对吸附性能的影响

2.1 被吸附物体的表面粗糙程度对吸附能力的影响

在吸盘吸附物体时，物体表面的粗糙度越小、表面状态越均匀，吸盘的密封性越好，吸附能力越强。反之，当被吸附物体表面粗糙度较大时，吸盘很难实现对物体密闭，导致漏气，降低吸附性能[6]。如在毛玻璃板和光滑玻璃板表面进行的拉力测定实验，可以证明被吸附物体表面的粗糙度对吸附性能的影响。在相同的实验条件下，通过万能试验机测得的同一吸盘分别脱离物体表面的最大拉力，能直接反映出吸盘对物体吸附力的大小。实验表明：吸盘在毛玻璃表面的最大拉力强度为4.87N/cm2，在光滑玻璃表面的最大拉力强度为5.41N/cm2。

2.2 被吸附物体的硬度对吸附能力的影响

在吸盘吸附物体时，物体应当具有一定的坚硬程度才能保证吸附工作顺利完成。如果物体过于松散，在吸附时会出现物体松落吸盘现象，致使吸取工作失败。在吸附工作中，当吸盘与物体接触时，柔软的物体在吸盘压力作用下发生变形，吸盘很难实现和物体紧密吸附，不能有效的发挥吸附能力。当物体硬度较大时，在同样力的作用下，物体产生的变形量很小，实现吸附过程也就较容易。所以，具有较大硬度的物体，有利于形成吸盘和物体之间的密闭空间，也就有利于实现吸盘和物体的吸附。如用万能试验机测定吸盘在粗糙度相同的橡胶表面和钢模表面的最大吸附拉力强度分别为4.85N/cm2和4.46N/cm2。

3 与吸盘相互作用的其它装置对吸附能力的影响

生活中常用的吸盘[7]一般是由软质材料的吸盘、纵向截面为圆弧形且硬质的压盖和吸盘凸面顶部向上一体延伸的螺柱组成（如图3所示）。其中吸盘压盖对吸盘密封容积的形成、容积内负压保持起着至关重要的作用。压盘作用在软质材料吸盘的边缘，在压盖力作用下，吸盘周边紧紧贴附在物体表面，使其不再出现边缘翘起现象，长时间保持密闭状态，表现出较好的吸附能力。endprint

工业上应用的真空起重机一般由吸盘装置、气源装置、传输装置和控制装置等组成（如图4所示），其中气源装置对吸盘吸附能力的影响最为突出。真空起重机所需的负压一般是由气源装置产生的，在阀门打开后，吸盘内容积和气源装置就相互联通，气源装置使吸盘内容积的压力降低，并通过气源装置不间断的工作来维持吸盘长时间的负压需求。气源装置的负压规格直接影响着吸盘内容积压力的大小，关系到吸盘吸附能力的强弱。在选择气源装置配置时，要综合考虑工作要求的负压标准、吸盘材料特性、气源设备成本等因素，最终做出合理的选择。

4 环境因素对吸附能力的影响

吸盘的工作环境对吸盘使用寿命、吸附效果具有很大影响，要想使吸盘达到最佳吸附效果，在使用吸盘时要提前考虑环境中温度条件、酸碱特性、压强辐射等因素对吸盘产生的影响。例如：在温度变化比较明显的工作环境中，橡胶吸盘与被接触物体会存在温度变化，使吸盘和物体接触面之间的少量气体运动剧烈、增大容积内的压力，与此同时，因吸盘和物体具有不相同的热胀冷缩比，在温度变化时，吸盘和物体会产生相对位移，降低吸盘的密封性能。因此，要合理考虑环境因素，既能充分发挥吸盘的吸附能力，提高工作效率，也能延长吸盘和其它设备的使用寿命。

5 吸附物体表面的湿度对吸附能力的影响

具有柔性的吸盘在牵拉物体运动时，沿受力方向会发生一定程度的变形（吸盘变形形成空腔如图5、6所示）。吸盘吸附干燥物体时，形成的密闭容积中含有低压气体，因气体分子间的作用力较小（与液体的分子间作用力相比），柔性吸盘容易产生变形。变形使吸盘内表面和物体接触面积减少，密闭空间的稳定性降低。当吸盘吸附湿润物体时，在拉力作用下，吸盘也产生变形，但因在吸盘和物体接触面间存有一层水或者其它液体，并且水或其它液体分子间作用力较大，吸盘较难脱离物体表面。

如图5、6所示，两吸盘分别吸附在干燥和湿润的光滑大理石表面，在拉力基本相同时，干燥吸盘中间的空腔体积比湿润吸盘中间的空腔体积大，这表明接触面湿润的吸盘吸附能力较强。一般情况下，吸盘吸附表面有水湿润的物体比吸附同样的干燥表面物体的吸附力要大，吸附效果要好。

通过万能试验机测得的同一吸盘在干燥和湿润的光滑钢模表面的最大拉力强度分别为4.87N/cm2和5.10N/cm2。

除上述因素之外，还有一些因素对吸盘的吸附性能产生着影响，如在吸盘的内表面上存在的一些具有弹性功能的凹沟槽（如图7所示）、在吸盘和接触物体之间添加的黏性物质等。

根据上述分析，吸盘吸附性能和吸盘的材料、尺寸、形状、吸附对象、工作环境以及与吸盘相互作用的一些辅助设备等因素有关。利用它们之间的关系对吸盘现有的使用方法加以改进，对改善吸盘的吸附性能具有重要作用[9]。

参考文献：

[1]赵艳妮.多唇边式真空吸盘的设计研究，昆明理工大学硕士学位论文，2009.

[2]滕红华.真空吸盘吸附物体的动力学分析，包装工程，Vol.25 No.2 2004.

[3]王有余.为什么吸盘能挂重物，中国学术期刊电子出版社1994-2012：19-20.

[4]林灿焕.滑动摩擦力的大小与接触面积大小有关系吗，物理通报2008（7）：14-15.

[5]范增.刚性真空吸盘拾取性能的研究，江南大学硕士学位论文，2012.6.

[6]石新余，刘启越.表面粗糙度对微动摩擦特性的影响.机械，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

工业上应用的真空起重机一般由吸盘装置、气源装置、传输装置和控制装置等组成（如图4所示），其中气源装置对吸盘吸附能力的影响最为突出。真空起重机所需的负压一般是由气源装置产生的，在阀门打开后，吸盘内容积和气源装置就相互联通，气源装置使吸盘内容积的压力降低，并通过气源装置不间断的工作来维持吸盘长时间的负压需求。气源装置的负压规格直接影响着吸盘内容积压力的大小，关系到吸盘吸附能力的强弱。在选择气源装置配置时，要综合考虑工作要求的负压标准、吸盘材料特性、气源设备成本等因素，最终做出合理的选择。

4 环境因素对吸附能力的影响

吸盘的工作环境对吸盘使用寿命、吸附效果具有很大影响，要想使吸盘达到最佳吸附效果，在使用吸盘时要提前考虑环境中温度条件、酸碱特性、压强辐射等因素对吸盘产生的影响。例如：在温度变化比较明显的工作环境中，橡胶吸盘与被接触物体会存在温度变化，使吸盘和物体接触面之间的少量气体运动剧烈、增大容积内的压力，与此同时，因吸盘和物体具有不相同的热胀冷缩比，在温度变化时，吸盘和物体会产生相对位移，降低吸盘的密封性能。因此，要合理考虑环境因素，既能充分发挥吸盘的吸附能力，提高工作效率，也能延长吸盘和其它设备的使用寿命。

5 吸附物体表面的湿度对吸附能力的影响

具有柔性的吸盘在牵拉物体运动时，沿受力方向会发生一定程度的变形（吸盘变形形成空腔如图5、6所示）。吸盘吸附干燥物体时，形成的密闭容积中含有低压气体，因气体分子间的作用力较小（与液体的分子间作用力相比），柔性吸盘容易产生变形。变形使吸盘内表面和物体接触面积减少，密闭空间的稳定性降低。当吸盘吸附湿润物体时，在拉力作用下，吸盘也产生变形，但因在吸盘和物体接触面间存有一层水或者其它液体，并且水或其它液体分子间作用力较大，吸盘较难脱离物体表面。

如图5、6所示，两吸盘分别吸附在干燥和湿润的光滑大理石表面，在拉力基本相同时，干燥吸盘中间的空腔体积比湿润吸盘中间的空腔体积大，这表明接触面湿润的吸盘吸附能力较强。一般情况下，吸盘吸附表面有水湿润的物体比吸附同样的干燥表面物体的吸附力要大，吸附效果要好。

通过万能试验机测得的同一吸盘在干燥和湿润的光滑钢模表面的最大拉力强度分别为4.87N/cm2和5.10N/cm2。

除上述因素之外，还有一些因素对吸盘的吸附性能产生着影响，如在吸盘的内表面上存在的一些具有弹性功能的凹沟槽（如图7所示）、在吸盘和接触物体之间添加的黏性物质等。

根据上述分析，吸盘吸附性能和吸盘的材料、尺寸、形状、吸附对象、工作环境以及与吸盘相互作用的一些辅助设备等因素有关。利用它们之间的关系对吸盘现有的使用方法加以改进，对改善吸盘的吸附性能具有重要作用[9]。

参考文献：

[1]赵艳妮.多唇边式真空吸盘的设计研究，昆明理工大学硕士学位论文，2009.

[2]滕红华.真空吸盘吸附物体的动力学分析，包装工程，Vol.25 No.2 2004.

[3]王有余.为什么吸盘能挂重物，中国学术期刊电子出版社1994-2012：19-20.

[4]林灿焕.滑动摩擦力的大小与接触面积大小有关系吗，物理通报2008（7）：14-15.

[5]范增.刚性真空吸盘拾取性能的研究，江南大学硕士学位论文，2012.6.

[6]石新余，刘启越.表面粗糙度对微动摩擦特性的影响.机械，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

工业上应用的真空起重机一般由吸盘装置、气源装置、传输装置和控制装置等组成（如图4所示），其中气源装置对吸盘吸附能力的影响最为突出。真空起重机所需的负压一般是由气源装置产生的，在阀门打开后，吸盘内容积和气源装置就相互联通，气源装置使吸盘内容积的压力降低，并通过气源装置不间断的工作来维持吸盘长时间的负压需求。气源装置的负压规格直接影响着吸盘内容积压力的大小，关系到吸盘吸附能力的强弱。在选择气源装置配置时，要综合考虑工作要求的负压标准、吸盘材料特性、气源设备成本等因素，最终做出合理的选择。

4 环境因素对吸附能力的影响

吸盘的工作环境对吸盘使用寿命、吸附效果具有很大影响，要想使吸盘达到最佳吸附效果，在使用吸盘时要提前考虑环境中温度条件、酸碱特性、压强辐射等因素对吸盘产生的影响。例如：在温度变化比较明显的工作环境中，橡胶吸盘与被接触物体会存在温度变化，使吸盘和物体接触面之间的少量气体运动剧烈、增大容积内的压力，与此同时，因吸盘和物体具有不相同的热胀冷缩比，在温度变化时，吸盘和物体会产生相对位移，降低吸盘的密封性能。因此，要合理考虑环境因素，既能充分发挥吸盘的吸附能力，提高工作效率，也能延长吸盘和其它设备的使用寿命。

5 吸附物体表面的湿度对吸附能力的影响

具有柔性的吸盘在牵拉物体运动时，沿受力方向会发生一定程度的变形（吸盘变形形成空腔如图5、6所示）。吸盘吸附干燥物体时，形成的密闭容积中含有低压气体，因气体分子间的作用力较小（与液体的分子间作用力相比），柔性吸盘容易产生变形。变形使吸盘内表面和物体接触面积减少，密闭空间的稳定性降低。当吸盘吸附湿润物体时，在拉力作用下，吸盘也产生变形，但因在吸盘和物体接触面间存有一层水或者其它液体，并且水或其它液体分子间作用力较大，吸盘较难脱离物体表面。

如图5、6所示，两吸盘分别吸附在干燥和湿润的光滑大理石表面，在拉力基本相同时，干燥吸盘中间的空腔体积比湿润吸盘中间的空腔体积大，这表明接触面湿润的吸盘吸附能力较强。一般情况下，吸盘吸附表面有水湿润的物体比吸附同样的干燥表面物体的吸附力要大，吸附效果要好。

通过万能试验机测得的同一吸盘在干燥和湿润的光滑钢模表面的最大拉力强度分别为4.87N/cm2和5.10N/cm2。

除上述因素之外，还有一些因素对吸盘的吸附性能产生着影响，如在吸盘的内表面上存在的一些具有弹性功能的凹沟槽（如图7所示）、在吸盘和接触物体之间添加的黏性物质等。

根据上述分析，吸盘吸附性能和吸盘的材料、尺寸、形状、吸附对象、工作环境以及与吸盘相互作用的一些辅助设备等因素有关。利用它们之间的关系对吸盘现有的使用方法加以改进，对改善吸盘的吸附性能具有重要作用[9]。

参考文献：

[1]赵艳妮.多唇边式真空吸盘的设计研究，昆明理工大学硕士学位论文，2009.

[2]滕红华.真空吸盘吸附物体的动力学分析，包装工程，Vol.25 No.2 2004.

[3]王有余.为什么吸盘能挂重物，中国学术期刊电子出版社1994-2012：19-20.

[4]林灿焕.滑动摩擦力的大小与接触面积大小有关系吗，物理通报2008（7）：14-15.

[5]范增.刚性真空吸盘拾取性能的研究，江南大学硕士学位论文，2012.6.

[6]石新余，刘启越.表面粗糙度对微动摩擦特性的影响.机械，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