CN112943753A - 一种扩张辐射流动机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种扩张辐射流动机构，所述机构具有底面，且在所述底面上设有流体供给口，在使用时，使所述机构的底面与待吸附物体的表面形成缝隙，流体由所述流体供给口流出进入所述缝隙并沿缝隙向外流动，所述缝隙为扩张缝隙，满足如下：以所述流体供给口作为流动的起始点，存在一段径向长度，在该长度内沿着径向方向向外，所述缝隙的高度不断变大。本发明的机构通过对平行辐射流动机构进行改进，可以进一步的有效提高辐射流动的吸附力，有利于其后续应用。

Description

一种扩张辐射流动机构
技术领域
本发明属于吸附技术领域，涉及一种扩张辐射流动机构。
背景技术
平行辐射流动机构是一种被广泛用于自动化生产线的装置，它具有非接触吸附功能。图1是平行辐射流动流动的机构示意图。它具有一个底面，底面是平面，底面设置流体供给口。底面放置在被吸附面的上方，两者之间形成平行缝隙。如图中箭头所示，高压流体从流体供给口流出，并进入平行缝隙。在缝隙里，流体从流体供给口向外周流动，形成平行辐射流动。
平行辐射流动的流通截面沿着流动方向逐渐变大，即，距离流体供给口越远，流动的截面积越大。又因为流体的质量是守恒的，所以，流动截面积越大，流体的速度越小。也就是说，从流体供给口向外周的流动是减速流动。根据流体运动方程(Navier-Stokes方程)，减速流动的惯性作用(
Figure BDA0003014548990000011
其中，ur是径向速度，r是径向位置，
Figure BDA0003014548990000012
是径向速度的变化梯度)会形成正的压力梯度(
Figure BDA0003014548990000013
其中，P是压力)，而正的压力梯度会在平行缝隙里形成内侧低、外侧高的压力分布，如图2所示。这就意味着，缝隙里的压力低于外周环境压力，从而所述的平行辐射流动机构可以施加吸附力在被吸附面上。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种扩张辐射流动机构，该机构在平行辐射流动结构的基础上进行改进，可以进一步的有效提高机构的吸附力，有利于其后续应用。
本发明所采用的技术方案如下：
一种扩张辐射流动机构，所述机构具有底面，且在所述底面上设有流体供给口，在使用时，使所述机构底面与被吸附物体表面形成缝隙，流体由所述流体供给口流出进入所述缝隙并沿缝隙向外流动，所述缝隙为扩张缝隙，满足如下：以所述流体供给口(即扩张缝隙的流体入口)作为起始点，存在一段径向长度，在该长度内，所述缝隙的高度沿着径向方向向外不断变大。
在上述方案中，进一步的，所述的被吸附物体表面可以为平面；或者，所述机构的底面可以为平面。
进一步的，在所述径向长度内，所述缝隙的高度沿着径向方向向外可以是呈线性增大，或者也可以是呈非线性增大；更进一步的，在所述径向长度之外，所述缝隙的高度沿着径向方向向外可以保持不变。
进一步的，所述缝隙还可以满足如下：以所述流体供给口作为起始点，所述缝隙高度沿着径向方向向外持续呈线性增大。
进一步的，所述的径向长度应当满足，其长度是扩张缝隙流体入口处缝隙高度的10倍或以上，这样能够更为充分有效的提高负压和吸附力。
本发明通过改变流体的流动形态来增强吸附力，图3是本发明的结构原理示意图，与图1的平行辐射流动机构相比，本发明的扩张辐射流动机构的底面与被吸附物体表面之间形成扩张缝隙，即，至少在扩张缝隙的初始阶段流体的流通截面的高度沿着流体流动的方向变大。流体从流体供给口向外周流动，形成扩张辐射流动。通过理论分析以及实验测试均发现，采用这种扩张辐射流动机构，其产生的吸附力要远大于平行辐射流动机构。
附图说明
图1是平行辐射流动机构的示意图；
图2是平行辐射流动机构缝隙内压力随径向位置的变化曲线；
图3是本发明机构示意图；
图4是平行辐射流动机构的流体速度分布；
图5是本发明机构中流体速度分布；
图6是本发明机构与平行辐射流动机构的缝隙内压力随径向位置的变化曲线对比；
图7是本发明机构的另一种具体实施方式结构示意图；
图8是本发明机构的另一种具体实施方式结构示意图；
图9是本发明机构的另一种具体实施方式结构示意图；
图10是扩张辐射流动的流动速度分布与半径区域的关系图，其中(a)为小半径区域，(b)为大半径区域；
图11是本发明机构的另一种具体实施方式结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的方案进行进一步的解释说明。
本发明在平行辐射流动机构的基础上，对其进行改进，通过改变流体的流动形态来增强吸附力，提出一种扩张辐射流动机构，所述机构具有底面，且在所述底面上设有流体供给口，在使用时，使所述机构底面与待吸附物体的表面形成缝隙，流体由所述流体供给口流出进入所述缝隙并沿缝隙向外流动，所述的缝隙为扩张缝隙，满足如下：以所述流体供给口作为起始点，存在一段径向长度，在该长度内，所述缝隙的高度沿着径向方向向外不断变大。
下面通过实例进行说明：
实施例1
如图3所示，本实例中，机构的底面具有一个锥形面，被吸附物体表面是平面，锥形面和被吸附面之间形成扩张缝隙，即，流体的流通截面的高度沿着流体流动的方向呈持续线性变大。
流体从流体供给口向外周流动，形成扩张辐射流体。通过实验测试发现，扩张辐射流动机构的吸附力远大于平行辐射流动机构。例如，流体是空气、流量是26g/min、间距(即扩张缝隙流体入口处的缝隙高度)0.35mm、平行面的直径(假设底面与被吸附面二者相对的平面呈圆形)是50mm、流体供给口直径是4mm、锥形面的扩张角0.025rad的条件下，扩张辐射流动机构能产生0.1N的吸力，而平行辐射流动机构在相同条件下的吸力不到0.05N。
经过研究发现，扩张辐射流动机构能大幅提升吸附力的主要原因是扩张辐射流动的径向速度分布发生了改变。平行辐射流动的径向速度分布接近抛物线形状(如图4)，而扩张辐射流动的径向速度分布则接近图5所示的形状，该形状的数学表达由Jeffery-Hamel提出，因此也称为Jeffery-Hamel速度分布。径向速度分布决定了速度变化梯度
Figure BDA0003014548990000031
速度变化梯度决定了减速流动的惯性作用
Figure BDA0003014548990000032
的大小。理论计算证明，Jeffery-Hamel速度分布的惯性作用大于抛物线速度分布，能够产生更大的压力变化梯度
Figure BDA0003014548990000033
图6是这两种结构的压力分布对比，可以看出扩张辐射流动机构能够形成更低的压力分布，因此，也能够形成更大的吸附力。
实施例2
扩张辐射流动的效果可以通过增强辐射流动的扩张程度来提高。
本实例如图7所示，被吸附物体表面呈平面，而本发明装置的底面呈弧形面。与锥形面相比，弧形面使流体从流体供给口进入扩张缝隙后更快速地扩张，产生更大速度变化梯度
Figure BDA0003014548990000041
因此能够增强流动的惯性效果和获得更低的压力和更大的吸附力。
实施例3
本发明中可以根据被吸附物体的表面的形状来设计本发明机构的底面形状，只要二者之间能够形成扩张缝隙，即实现以扩张缝隙流体入口为流动的起点，在一定径向长度内，流体的流通截面的高度沿着流体流动的方向变大，就能够获得增强吸附力的效果。
本实例如图8所示，扩张辐射流动机构的底面呈平面，被吸附物体表面呈锥形面，二者之间形成扩张缝隙，流体从流体供给口流出后通过两个面之间的缝隙流向外周。流体的流通截面的高度沿着流体流动的方向持续变大，形成扩张辐射流动，同样可以达到提高负压和吸附力的效果。
实施例4
本实例如图9的结构所示。扩张辐射流动机构的底面的内侧存在一段的锥形面，外侧则是平面。在内侧的小半径区域里，锥形面和被吸附面之间形成扩张辐射流动，起到提高负压和吸附力的作用。
进一步研究发现，扩张辐射流动对流动惯性作用的增强效果在小半径区域比较明显，在大半径区域则会变弱。这是因为在小半径区域(图10中a)，流体的流通截面积小，所以径向速度高，从而能够形成显著的Jeffery-Hamel流速分布，也就能够产生较大的速度变化梯度和相应的惯性作用。在大半径区域(图10中b)，流体的流通截面积变大，径向速度变小，Jeffery-Hamel流速分布的惯性作用增强效果也随之减弱，也就无法产生显著的提高速度变化梯度和相应的惯性作用的效果。
此外，扩张缝隙的长度是一个重要的设计参数。扩张缝隙的长度太小的话，无法充分利用扩张辐射流动在小半径区域的惯性作用来提高负压。通过理论和实验的研究发现，扩张缝隙的长度是流体入口处缝隙高度的10倍或以上的话，能够充分利用扩张辐射流动的惯性作用增强效果来提高负压和吸附力。本实施例中的锥形面也可以换成弧形面，如图11所示。

Claims (8)

1.一种扩张辐射流动机构，其特征在于，所述机构具有底面，且在所述底面上设有流体供给口，在使用时，使所述机构的底面与被吸附物体表面形成缝隙，流体由所述流体供给口流出进入所述缝隙并沿缝隙向外流动，所述缝隙为扩张缝隙，满足如下：以所述流体供给口作为流动的起始点，存在一段径向长度，在该长度内沿着径向方向向外，所述缝隙的高度不断变大。
2.根据权利要求1所述的扩张辐射流动机构，其特征在于，所述的被吸附物体的表面为平面。
3.根据权利要求1所述的扩张辐射流动机构，其特征在于，所述机构的底面为平面。
4.根据权利要求1所述的扩张辐射流动机构，其特征在于，在所述径向长度内，沿着径向方向向外，所述缝隙的高度呈线性增大。
5.根据权利要求1所述的扩张辐射流动机构，其特征在于，在所述径向长度内，沿着径向方向向外，所述缝隙的高度呈非线性增大。
6.根据权利要求4或5所述的扩张辐射流动机构，其特征在于，在所述径向长度之外，沿着径向方向向外，所述缝隙的高度保持不变。
7.根据权利要求1所述的扩张辐射流动机构，其特征在于，所述缝隙满足如下：以所述流体供给口作为流动的起始点，沿着径向方向向外，所述缝隙高度持续呈线性增大。
8.根据权利要求1-6任一项所述的扩张辐射流动机构，其特征在于，所述的径向长度是扩张缝隙的流体入口处缝隙高度的10倍或以上。
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