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】 在日常生活和工農業生產中，吸盤的應用十分廣泛，它極大地方便了人們生產和生活。分析吸盤吸附性能與影響吸附性能因素之間的關系，有助于改善吸盤現有使用方法，對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、吸附對象、工作環境以及與吸盤共同作用的一些輔助設備等對吸盤吸附能力的影響最為顯著。本文簡要分析它們對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系。

【關鍵詞】 吸盤 真空吸附 吸附性能 負壓 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”深刻揭示大氣壓的存在以來，人們一直對真空負壓現象進行探索。真空吸盤在生產和生活中的普遍應用，既充分體現了真空負壓現象的巨大實用價值，又極大地方便了人們的生產和生活。吸盤是根據真空負壓機理，依靠吸盤內部容積與外界環境的壓差來完成吸附工作。由于吸盤形成負壓條件和密閉容積的復雜性，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、吸附對象、工作環境以及與吸盤相互作用的一些輔助設備等對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系，并且應用這些關系來改善現有吸盤的使用方法，才能進一步提升吸盤的吸附性能，提高其工作效率。

下面就針對這些因素做簡要分析。

1 吸盤特性對吸附性能的影響

1.1 吸盤材料特性對吸附性能的影響

生活中和工農業生產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境下所表現出的吸附效果不盡相同，有時甚至相差很大。例如：在高壓力工作環境下，硅橡膠、聚氨酯橡膠能表現出較好的吸附能力，而丁腈橡膠、氟橡膠則不能很好的表現出其吸附性能；在油污工作環境下，丁腈橡膠、氟橡膠的吸附能力比硅橡膠的吸附能力較強。

所以，在選擇真空吸盤材料時，要結合吸盤工作環境，綜合考慮材料的性能指標如應力強度、疲勞強度、密封性能、力學性能，耐腐蝕性能，使用壽命等，以取得吸盤最佳的吸附性能。

1.2 吸盤內表面的光潔程度對吸附性能的影響

吸盤的內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，在吸盤彈性強度、尺寸、形狀等因素不變時，吸盤吸附物體的緊密性與內表面的光滑程度緊密相關。實驗表明，內表面均質、平滑的吸盤比表面粗糙的吸盤具有更強的吸附能力，因為光滑、均質吸盤表面能和物體表面更好的接觸，并使其接觸面積遠遠大于表面不光滑的吸盤。但是，由于吸盤內表面的光滑、均質特性，也會減少吸盤與接觸物體表面的摩擦系數，使得光滑吸盤對吸附物體的橫向摩擦拉力降低，容易出現物體脫滑現象。所以，在選擇吸盤內表面的光潔程度時，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 吸盤彈性強度對吸附性能的影響

吸盤吸附物體時，它的彈性指數直接影響著吸盤與物體接觸的嚴密程度[2]。由于吸盤具有彈性， 在外界壓力作用下，吸盤的部分組織會發生微小變形。當吸附物體表面不是很平整時，外界壓力擠壓具有一定彈性的吸盤，吸盤的部分組織就會補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就需要較大的壓力來克服吸盤恢復原狀的彈力，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生負壓[3]，這樣就提高了對氣源裝置的要求，增加了工作成本。

1.4 吸盤尺寸、形狀對吸附性能的影響

因吸盤的工作原理是依靠內外壓差進行物體吸附，所以吸盤尺寸和形狀也影響著吸盤吸附力的大小（如圖2所示）。通常情況下，吸盤尺寸越大，工作時和物體接觸的表面就越大，外界大氣對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，一般選擇尺寸相對較大、較厚實的吸盤。

通常采用的漏斗狀錐形吸盤在吸附物體時能夠實現吸盤整體貼附在物體表面，并且吸盤出現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出現變形、折皺、壓疊、邊緣翹起等現象，嚴重影響吸盤的密封效果[5]。

2 吸附對象對吸附性能的影響

2.1 被吸附物體的表面粗糙程度對吸附能力的影響

在吸盤吸附物體時，物體表面的粗糙度越小、表面狀態越均勻，吸盤的密封性越好，吸附能力越強。反之，當被吸附物體表面粗糙度較大時，吸盤很難實現對物體密閉，導致漏氣，降低吸附性能[6]。如在毛玻璃板和光滑玻璃板表面進行的拉力測定實驗，可以證明被吸附物體表面的粗糙度對吸附性能的影響。在相同的實驗條件下，通過萬能試驗機測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物體吸附力的大小。實驗表明：吸盤在毛玻璃表面的最大拉力強度為4.87N/cm2，在光滑玻璃表面的最大拉力強度為5.41N/cm2。

2.2 被吸附物體的硬度對吸附能力的影響

在吸盤吸附物體時，物體應當具有一定的堅硬程度才能保證吸附工作順利完成。如果物體過于松散，在吸附時會出現物體松落吸盤現象，致使吸取工作失敗。在吸附工作中，當吸盤與物體接觸時，柔軟的物體在吸盤壓力作用下發生變形，吸盤很難實現和物體緊密吸附，不能有效的發揮吸附能力。當物體硬度較大時，在同樣力的作用下，物體產生的變形量很小，實現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，也就有利于實現吸盤和物體的吸附。如用萬能試驗機測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吸附能力的影響

生活中常用的吸盤[7]一般是由軟質材料的吸盤、縱向截面為圓弧形且硬質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）。其中吸盤壓蓋對吸盤密封容積的形成、容積內負壓保持起著至關重要的作用。壓盤作用在軟質材料吸盤的邊緣，在壓蓋力作用下，吸盤周邊緊緊貼附在物體表面，使其不再出現邊緣翹起現象，長時間保持密閉狀態，表現出較好的吸附能力。endprint

工業上應用的真空起重機一般由吸盤裝置、氣源裝置、傳輸裝置和控制裝置等組成（如圖4所示），其中氣源裝置對吸盤吸附能力的影響最為突出。真空起重機所需的負壓一般是由氣源裝置產生的，在閥門打開后，吸盤內容積和氣源裝置就相互聯通，氣源裝置使吸盤內容積的壓力降低，并通過氣源裝置不間斷的工作來維持吸盤長時間的負壓需求。氣源裝置的負壓規格直接影響著吸盤內容積壓力的大小，關系到吸盤吸附能力的強弱。在選擇氣源裝置配置時，要綜合考慮工作要求的負壓標準、吸盤材料特性、氣源設備成本等因素，最終做出合理的選擇。

4 環境因素對吸附能力的影響

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

5 吸附物體表面的濕度對吸附能力的影響

具有柔性的吸盤在牽拉物體運動時，沿受力方向會發生一定程度的變形（吸盤變形形成空腔如圖5、6所示）。吸盤吸附干燥物體時，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），柔性吸盤容易產生變形。變形使吸盤內表面和物體接觸面積減少，密閉空間的穩定性降低。當吸盤吸附濕潤物體時，在拉力作用下，吸盤也產生變形，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，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。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。

通過萬能試驗機測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，還有一些因素對吸盤的吸附性能產生著影響，如在吸盤的內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等。

根據上述分析，吸盤吸附性能和吸盤的材料、尺寸、形狀、吸附對象、工作環境以及與吸盤相互作用的一些輔助設備等因素有關。利用它們之間的關系對吸盤現有的使用方法加以改進，對改善吸盤的吸附性能具有重要作用[9]。

參考文獻：

[1]趙艷妮.多唇邊式真空吸盤的設計研究，昆明理工大學碩士學位論文，2009.

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

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

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

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

[6]石新余，劉啟越.表面粗糙度對微動摩擦特性的影響.機械，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

工業上應用的真空起重機一般由吸盤裝置、氣源裝置、傳輸裝置和控制裝置等組成（如圖4所示），其中氣源裝置對吸盤吸附能力的影響最為突出。真空起重機所需的負壓一般是由氣源裝置產生的，在閥門打開后，吸盤內容積和氣源裝置就相互聯通，氣源裝置使吸盤內容積的壓力降低，并通過氣源裝置不間斷的工作來維持吸盤長時間的負壓需求。氣源裝置的負壓規格直接影響著吸盤內容積壓力的大小，關系到吸盤吸附能力的強弱。在選擇氣源裝置配置時，要綜合考慮工作要求的負壓標準、吸盤材料特性、氣源設備成本等因素，最終做出合理的選擇。

4 環境因素對吸附能力的影響

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

5 吸附物體表面的濕度對吸附能力的影響

具有柔性的吸盤在牽拉物體運動時，沿受力方向會發生一定程度的變形（吸盤變形形成空腔如圖5、6所示）。吸盤吸附干燥物體時，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），柔性吸盤容易產生變形。變形使吸盤內表面和物體接觸面積減少，密閉空間的穩定性降低。當吸盤吸附濕潤物體時，在拉力作用下，吸盤也產生變形，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，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。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。

通過萬能試驗機測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，還有一些因素對吸盤的吸附性能產生著影響，如在吸盤的內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等。

根據上述分析，吸盤吸附性能和吸盤的材料、尺寸、形狀、吸附對象、工作環境以及與吸盤相互作用的一些輔助設備等因素有關。利用它們之間的關系對吸盤現有的使用方法加以改進，對改善吸盤的吸附性能具有重要作用[9]。

參考文獻：

[1]趙艷妮.多唇邊式真空吸盤的設計研究，昆明理工大學碩士學位論文，2009.

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

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

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

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

[6]石新余，劉啟越.表面粗糙度對微動摩擦特性的影響.機械，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

工業上應用的真空起重機一般由吸盤裝置、氣源裝置、傳輸裝置和控制裝置等組成（如圖4所示），其中氣源裝置對吸盤吸附能力的影響最為突出。真空起重機所需的負壓一般是由氣源裝置產生的，在閥門打開后，吸盤內容積和氣源裝置就相互聯通，氣源裝置使吸盤內容積的壓力降低，并通過氣源裝置不間斷的工作來維持吸盤長時間的負壓需求。氣源裝置的負壓規格直接影響著吸盤內容積壓力的大小，關系到吸盤吸附能力的強弱。在選擇氣源裝置配置時，要綜合考慮工作要求的負壓標準、吸盤材料特性、氣源設備成本等因素，最終做出合理的選擇。

4 環境因素對吸附能力的影響

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

5 吸附物體表面的濕度對吸附能力的影響

具有柔性的吸盤在牽拉物體運動時，沿受力方向會發生一定程度的變形（吸盤變形形成空腔如圖5、6所示）。吸盤吸附干燥物體時，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），柔性吸盤容易產生變形。變形使吸盤內表面和物體接觸面積減少，密閉空間的穩定性降低。當吸盤吸附濕潤物體時，在拉力作用下，吸盤也產生變形，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，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。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。

通過萬能試驗機測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，還有一些因素對吸盤的吸附性能產生著影響，如在吸盤的內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等。

根據上述分析，吸盤吸附性能和吸盤的材料、尺寸、形狀、吸附對象、工作環境以及與吸盤相互作用的一些輔助設備等因素有關。利用它們之間的關系對吸盤現有的使用方法加以改進，對改善吸盤的吸附性能具有重要作用[9]。

參考文獻：

[1]趙艷妮.多唇邊式真空吸盤的設計研究，昆明理工大學碩士學位論文，2009.

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

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

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

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

[6]石新余，劉啟越.表面粗糙度對微動摩擦特性的影響.機械，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