在當今的工業技術領域，氣動馬達憑藉其獨特的優勢，如結構緊湊、安全防爆、無污染等，在眾多行業中得到了廣泛應用。尤其是在2025年，隨著科技的不斷進步，氣動馬達行業技術也在持續創新與發展。其中，二級軸流式微渦輪氣動馬達以其獨特的設計和優異的性能，成為了行業內的研究熱點。它在滿足微型化產品驅動需求方面具有巨大潛力，為相關領域的發展注入了新的活力。

  一、氣動馬達的設計要求與工作原理

  (一)設計要求確定

  為了滿足微主軸、牙醫用手機以及可攜式能量轉換裝置等多樣化的驅動需求，《2025-2030年全球及中國氣動馬達行業市場現狀調研及發展前景分析報告》綜合考量現有商業化微渦輪馬達存在的問題，並分析大量國內外文獻中的技術參數，最終確定了二級軸流微渦輪氣動馬達的關鍵設計參數。當該氣動馬達的入口絕對壓力為 300kPa，出口絕對壓力為 101kPa(即一個大氣壓)時，其轉速需達到 100000rpm，輸出轉矩為 10mN・m，最大輸出功率為 100W。同時，工作溫度設定為 20℃，體積流量為 170L/min。此外，為簡化理論計算，假設壓縮空氣為理想氣體，氣動馬達工作時水平放置，忽略重力對氣流的影響;空氣膨脹過程為絕熱等熵過程;在氣動馬達的入口、出口處，氣體處於均勻狀態，各特徵截面上的溫度和壓力相同。

  (二)工作原理詳解

  二級軸流微渦輪氣動馬達主要由外殼、轉子系統、軸承以及擋圈等部分構成。它以壓縮空氣作為動力源，採用部分進氣方式推動轉子系統旋轉，進而帶動諸如鑽頭、銑刀、磨頭或微型發電機等部件運轉，實現了從空氣壓縮能到機械能的高效轉換。其中，轉子系統作為核心部件，由噴嘴渦輪、一級轉子、二級轉子、導向渦輪和轉軸共同組成。噴嘴渦輪周向均勻分布著 12 個斜置式噴嘴，通過與配流盤巧妙配合，能夠實現兩噴嘴、三噴嘴和四噴嘴等不同工作方式，以滿足各種複雜工況的使用要求。一級轉子、二級轉子、導向渦輪的葉片數互質，有效防止了在高速工作時發生顫振現象。為深入分析渦輪馬達內部流場以及各渦輪出入口的狀態量，選取了特定的特徵截面。噴嘴前的特徵截面標記為 0 - 0，用於安裝入口壓力和溫度傳感器;噴嘴與一級轉子之間的特徵截面為 1 - 1，一級轉子後的特徵截面為 2 - 2;二級轉子前後的特徵截面分別為 1′ - 1′、2′ - 2′，在特徵截面 2′ - 2′處安裝出口壓力和溫度傳感器。通過對這些特徵截面的監測與分析，能夠更好地了解氣動馬達內部的工作狀態。

  二、氣動馬達測試試驗台搭建

  (一)測試方案規劃

  為了精確測試厘米級高速微渦輪氣動馬達主軸的轉矩和功率，充分結合氣動馬達的結構特點以及實際實驗條件，制定了一套科學合理的測試方案。該方案能夠全面測試氣動馬達的出入口壓力、出入口溫度、主軸轉速、耗氣量等關鍵狀態參數。由於微渦輪馬達外型尺寸緊湊，僅為\(\phi30 \times 58\)，因此要求傳感器及試驗裝置的尺寸和結構與之緊密匹配。為確保採集數據的準確性和快速響應性，試驗裝置配備了數字顯示儀表，可實時顯示轉速、流量和溫度等數據。數據通過採集卡進行採集，並在計算機界面上進行匯總輸出。在馬達供氣系統方面，試驗裝置通過減壓閥調節氣源供氣壓力，利用調速針閥調整馬達入口流量，藉助數顯流量計測量和顯示供氣流。需要注意的是，由於氣路使用的氣管外徑為\(\phi12mm\)、內徑為\(\phi8.3mm\)，而微渦輪氣動馬達在噴嘴入口處為\(\phi20×8mm\)的圓柱空腔，這會導致壓力表所顯示的壓力值與噴嘴入口處的實際壓力值存在差異。因此，在噴嘴入口處專門安裝了壓力傳感器，通過實驗來測定氣源壓力與噴嘴入口壓力的對應關係。在馬達轉速測試系統中，由測速盤、光電傳感器和數顯儀表共同組成。光電傳感器選用日本歐姆龍公司的 EE - SX870 - 2M 光纖傳感器，其響應頻率高達 3kHz，能夠完全滿足渦輪馬達的高轉速測試要求。測速盤為削邊圓盤，安裝在馬達旋轉軸上，馬達每旋轉 1 圈，測試盤會兩次阻斷光電傳感器，從而產生 2 個脈衝信號，這些信號被轉速數顯儀表記錄下來並變送為\(0 ~ 5V\)電壓信號，傳輸給數據採集系統進行數據統計和分析。具體操作是設定好壓力、調整好流量，打開測試軟體和氣路開關，當馬達轉速穩定下來後，等待 10s 關閉氣路開關，讓馬達自由減速停止，再等待 10s 停止測試，完成一個實驗周期。

  (二)傳感器與數顯儀表選型

  在渦輪氣動馬達運轉過程中，為了全面獲取其在負載狀態下的工作特性，需要精確測試出口入的壓力、流量、溫度、轉速等物理量。因此，在馬達實驗樣機上安裝了 8 個傳感器。鑑於渦輪馬達結構尺寸小巧，要求傳感器具備結構緊湊、方便安裝、測量精確度高的特點，並且要滿足數據採集卡變送輸出的要求。其中，試驗裝置配備了三支外徑為\(\Ø2.5mm\)的 Pt100 熱電阻，用於檢測渦輪馬達的噴嘴入口、導向輪及出口處的溫度，輸出信號連接到三通道顯示儀表，可實時顯示溫度;配備了 2 套螺紋尺寸為\(M6x1\)的壓力變送傳感器，量程為\(0 ~ 1.6MPa\)，精度達到\(0.5\%\);選用日本 CKD 公司的 FSM2 - NVF201 - S081 流量傳感器，能夠實時顯示流量值，測量解析度高達 1L/min，最大測量流量為 220L/min。同時，還配備了相應的數顯儀表，如三通道數顯表 KSDAL - AH3VVVA2B1GV0(用於三通道 Pt100 輸入)、轉速顯示儀表 KSM - CHMV0(量程為\(0 ~ 99999rpm\))以及數據採集卡 USB5831(12 位 16 路模擬量輸入)。

  (三)測試試驗台組成

  整個試驗裝置由機械部分、電氣部分、氣動部分及數據採集分析系統四個部分有機組成。為了確保渦輪式氣動馬達試驗裝置結構緊湊、安裝調試方便，這四個子系統均安裝固定於試驗裝置的配電箱上。在壓力傳感器方面，用於監測氣動馬達運行過程中的壓力變化;溫度儀表實時顯示溫度數據;熱電偶精確測量溫度;氣動馬達作為核心部件，在試驗中發揮關鍵作用;固定座確保各部件安裝穩固;流量計準確測量流量;轉速儀表則用於顯示轉速。通過這些部件的協同工作，能夠全面、準確地對氣動馬達進行測試。

  (四)數據採集與處理

  數據採集系統的核心部件是北京阿爾泰公司生產的 USB5831 數據採集卡，它通過專用控制軟體採集各傳感器的輸出信號，電壓解析度可達 mV 級。採集的信號輸入到通道 CH8 - CH14，數據採集軟體控制界面直觀清晰。每次啟動氣動馬達後，需等待其達到穩定狀態再記錄數據，並且採集的信號要存儲 1000 個樣本值，以便後續進行全面的數據處理。通過對這些數據的深入分析，能夠獲取關於氣動馬達性能的詳細信息。