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流场仿真分析吸盘真空度及密封性

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-02-13 17:46:56    浏览次数:3    评论:0
导读

基于计算流体力学,通过Fluent仿真分析得出了存在泄漏时真空吸盘内的压力分布情况,并且建立了泄漏面积与吸盘内真空度的关系。可以实现通过简单测量吸盘工作表面情况估计泄漏面积的大小,然后通过该曲线,初步确定吸盘内部可能达到的真空度,从而判断吸盘是否可以实现安全的工作。此方法将泄漏面积直接与吸盘内真空度联系起来,简化了判断吸盘能否实现可靠吸附的过程,对吸盘的安全使用具有很高的现实应用价值。

0 引言

真空吸盘作为一种常用的真空设备执行器,通过负压发生装置、真空元件、管路等一系列工作单元的作用,将真空能转化为机械能。由于其易使用、无污染、不影响工作表面等优点,在轻工、电子、建筑、建材等领域得到了广泛的应用[1]。近年来,真空吸盘作为爬墙机器人的关键结构再次引起了广泛的关注,众多科研工作者对其进行了大量的研究,在吸盘外形、密封材料、内部结构等方面进行了改进。在真空吸盘工作时,可能会遇到工作表面质量较差的情况,气体泄漏直接会导致吸盘内外压强差的降低,影响真空设备的安全性和可靠性。所以应该在使用真空吸盘前,对其工作表面环境进行简单测量和计算,初步确定真空吸盘可以达到的真空度,以此判断其是否可以达到工作要求。

1 真空吸盘工作原理

真空吸盘在工作时,与物体表面接触后形成一个临时性的密闭空间。通过负压发生装置(风机、真空泵、真空发生器等)和气动管路将密闭空间中的空气抽走,吸盘内外形成压强差,于是外界的大气压把物体和真空吸盘牢牢地挤压在一起。如果泄漏的空气量和被抽走的空气量达到平衡,则吸盘能够实现稳定吸附[2-3]。但是由于泄漏会导致吸盘内部真空度降低,在吸附面积一定时,吸附力下降。如果泄漏量过大,则不能实现有效吸附,而是达成类似抽气机的效果。真空吸盘可产生的吸力大小主要由压强差和有效吸附面积决定,吸附力公式:

式中:FN为吸附力;P1为吸盘外压强;P2为吸盘内压强;S为有效吸附面积。

2 吸盘工作表面简介

真空吸盘由于其较强的适应性,被应用在很多工作场合,比如各种材料的吸附、搬运、夹持等。下面主要讨论用于爬壁机器人的真空吸盘的工作环境。目前城市建筑物外墙面的材料[4]主要有以下4种:1)镶面类,如天然石材、人造石材、面砖、陶瓷砖、玻璃制品、铝塑板、金属板等;2)石碴类,如水刷石、干粘石、刹斧石等;3)砂浆类,如水ffll砂浆(用作拉毛灰、甩毛灰)、聚合物水泥砂浆或水泥浆(用作喷漆、滚涂、弹涂);4)色浆涂料,如水泥色浆、乳胶漆。

其中色浆涂料、玻璃制品、金属板的表面情况最好。然后是砂浆和石渣类,其表面相对粗糙,但是凹凸不太明显。石材、面砖类外墙表面情况最差,单个表面上不仅存在凹凸,而且由于每一个单元的表面小,所以彼此之间的连接处存在较多的缝隙。

3 真空吸盘流场仿真建模

3.1 吸盘流场的物理模型

为了适应不同的工作环境,研究人员设计了多种不同外形的真空吸盘。为了便于研究,我们采用简单的方形吸盘(边长200 mm,高50 mm)为模型来进行仿真分析,如图1所示。

由于该吸盘是对称图形,并且大多数墙面情况比较均匀,为了模拟流场泄漏的情况,我们在此做一个假设:真空吸盘与工作表面所面临的泄漏情况是一致的。我们分别设定不同的泄漏条件:缝隙高度分别为2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm;缝隙宽度分别为10mm、30mm、50mm(以上数值均为矩形吸盘一面的情况,其他三面相同)。分别将缝隙高度和宽度进行组合,对不同的泄漏面进行仿真。由于在气体进口处的压力、速度和流量等情况都是未知的,所以要在物理模型的基础上增加扩展区[5-7],与入口处进行连接,如图2所示。由于距离吸盘入口处较远,可以假设远端不受影响[8],将其扩展区边界上的静压设为0,来真实模拟吸盘的实际流场。

图1 吸盘流场物理模型

3.2 吸盘流场的数学模型

气体从扩展区通过负压的作用从缝隙进入吸盘的内部,然后从出气口排除,整个过程遵循的数学模型为:

图2 含扩展区的流场物理模型

1)连续性方程:

式中:ρ为流体密度,kg/m3;V为流体速度矢量,m/s。

2)动量守恒方程:

式中:p为静压力,Pa;ζ为体积黏性系数,Pa/s。

有效黏度系数μeef的定义为

式中:μ为层流黏度系数;μT为湍流黏度系数。

式中:k为湍动能;ε为动能耗散系数。它们满足k-ε双方程。

式(3)的k-ε双方程:

其中

4 CFD前处理与边界条件的设定

通过ICEM对流场区域进行网格划分,采用非结构化四面体网格,尽量降低模型形状和结构对流场分析的影响,使计算达到比较高的精度。如图3所示,为真空吸盘含开放区的网格图,网格精度数量级达到106

使用Fluent软件对计算域进行流场分析,扩展区入口处边界条件设为一个标准大气压,排气出口处压强设为-60 kPa。离散方法使用有限体积法,求解算法采用SIMPLEC。计算过程求解N-S方程,采用k-ε标准双方程作为湍流计算模型。

图3 吸盘计算域非结构网格图

5 吸盘计算域流场分析

通过对矩形吸盘在不同泄漏缝隙情况下内部流场区域的仿真,进行压力云图、速度云图和流线图的对比分析,得出吸盘内部流场的情况。在计算时均保证了各参数具有较好的收敛性。利用Fluent对气体进出口面的流量进行数值计算,得到的结果如表1所示。

通过以上进出口流量对比可以看出,二者误差很小,符合质量守恒定律,从而证明仿真结果的可靠性。

表1 不同泄漏情况进出口流量

在所选不同尺寸的泄漏缝隙当中,存在3组泄漏面积相同的组合,分别是2-30和6-10、2-50和10-10、6-50和10-30,图4所示是利用Fluent软件得到的不同泄漏情况下的压力云图。

图4 吸盘内部压力云图

图4 (a)、图4(b)是单面泄漏面积为60 mm2时的压力云图(压力单位 kPa,下同),从图中可知缝隙2-30时的真空度是[-54.000,-52.801],缝隙6-10时的真空度是[-54.141,-52.030]。图4(c)、图4(d)是单面泄漏面积为100 mm2时的压力云图,从图中可知缝隙2-50时的真空度是[-45.423,-44.188],缝隙10-10时的真空度是[-47.143,-45.631]。图4(e)、图4(f)是单面泄漏面积为300 mm2时的压力云图,从图中可知缝隙6-50时的真空度是[-16.365,-15.198],缝隙10-30时的真空度是[-16.485,-14.343]。通过以上数据分析可知,在误差允许范围之内,吸盘内真空度的大小主要受泄漏缝隙面积的影响,而泄漏缝隙具体尺寸对其值影响不大。由此我们通过Fluent仿真,根据以上缝隙面积的不同分别得到了相应的真空度(取平均值),如表2所示。

表2 不同泄漏情况下吸盘内部真空度

说明:缝隙面积为单面泄漏面积。

通过表2数据,利用Matlab的plot功能建立了泄漏缝隙面积和吸盘内部真空度的二维关系图,如图5所示。

从图5中反映的关系可知,随着泄漏面积的增大,吸盘内部真空度呈下降趋势。在0~170 mm2范围内,泄漏面积与真空度间基本成线性关系,下降速度最快;在缝隙面积达到170 mm2以后,随着缝隙面积的增大,尽管真空度仍在下降,但是下降的速率逐渐降低,最后逐渐趋于一个稳定值。

图5 吸盘内部真空度与泄漏面积关系图

6 结论

基于计算流体力学,通过Fluent仿真分析得出了存在泄漏时真空吸盘内的压力分布情况,并且建立了泄漏面积与吸盘内真空度的关系。可以实现通过简单测量吸盘工作表面情况估计泄漏面积的大小,然后通过该曲线,初步确定吸盘内部可能达到的真空度,从而判断吸盘是否可以实现安全的工作。此方法将泄漏面积直接与吸盘内真空度联系起来,简化了判断吸盘能否实现可靠吸附的过程,对吸盘的安全使用具有很高的现实应用价值。

[参考文献]

[1] 赵艳妮,孙东明,许平.多唇边式真空吸盘的设计[J].真空,2008,45(6):47-49.

[2] LIJun,GAO Xueshan,FAN Ningjun,etal.Adsorption Performance of Sliding Wall-Climbing Robot[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2011,23(6):733-741.

[3] VAHI K,HARVEY I,SAMAK T,et al.Absorption System of a Negative Pressure Wall Climbing Robot[J].China Mechanical Engineering,2012,23(18):2160-2164,2168.

[4] 吴娟.建筑外墙装饰材料[J].中国科技博览,2009(20):112.

[5] 朱伏龙,张冠哲,陈杰.真空吸尘车吸尘口的流场仿真和结构优化[J].机械设计与制造,2008(11):50-52.

[6] WU Shanqiang, WU Lijun,HUANG Peipei. Numerical Simulation on Air Flow Field of New Negative Pressure Suction Cup ofWall-climbing Robot [J].Machinery Design &Manufacture,2012(8):173-175.

[7] 解士翔.真空吸尘车吸尘系统的流场分析及结构改进[D].秦皇岛:燕山大学,2016.

[8] 曾广银,李欣峰,肖田元.公路清扫车吸尘系统仿真设计[J].系统仿真学报,2004,16(12):2770-2773.

[9] 武丽君,吴善强.间隙式单吸盘爬壁机器人动力特性分析[J].科学技术与工程,2012,12(31):8271-8275.

[10] 吕鑫,王从庆.一种爬壁机器人真空吸附性能分析与运动切换策略[J].机械科学与技术,2014,33(2):164-169.


 
(文/小编)
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