扭矩自檢型內(nèi)曲線液壓馬達(dá)的結(jié)構(gòu)原理

張旭　朱凱　周龍　欒振輝

摘 要：為了提高內(nèi)曲線液壓馬達(dá)的扭矩測量水平，在綜合分析現(xiàn)有扭矩測量技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了扭矩自檢型內(nèi)曲線液壓馬達(dá)的結(jié)構(gòu)原理，分析了液壓馬達(dá)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和扭矩測量系統(tǒng)的組成，用壓電陶瓷力傳感器測量液壓馬達(dá)定子所受扭矩，進(jìn)而計(jì)算出馬達(dá)輸出軸的扭矩，將扭矩測量與扭矩傳遞融為一體，變復(fù)雜的扭矩測量為簡單的壓力測量，簡化了扭矩測量系統(tǒng)，提高了扭矩測量的精度性能。

關(guān)鍵詞：液壓馬達(dá)；扭矩測量；壓電陶瓷傳感器；結(jié)構(gòu)原理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.034

0 引言

內(nèi)曲線馬達(dá)是一種低速大扭矩液壓馬達(dá)，其主要由定子、轉(zhuǎn)子、柱塞、滾輪組、配流軸、輸出軸及端蓋等組成，其定子內(nèi)側(cè)是由多段形狀完全相同的曲面組成的，定子既作為馬達(dá)的殼體，又作為滾輪的導(dǎo)軌曲面，用于支撐滾輪組，完成扭矩傳遞。內(nèi)曲線液壓馬達(dá)具有尺寸小、重量輕、傳動扭矩大、變速范圍大、起動效率高、低速穩(wěn)定性好等一系列特點(diǎn)，在礦山機(jī)械、工程機(jī)械、起重運(yùn)輸機(jī)械、工程船舶機(jī)械上得到了廣泛的應(yīng)用[1]。為了檢測內(nèi)曲線液壓馬達(dá)的輸出扭矩，進(jìn)而對傳動系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和控制，通常需要在內(nèi)曲線液壓馬達(dá)與負(fù)載之間安裝扭矩傳感器。

1 扭矩測量技術(shù)

通常使用扭矩傳感器進(jìn)行傳動軸的扭矩測量，而扭矩傳感器的種類有很多，從機(jī)械角度考慮，可分為接觸式扭矩傳感器和非接觸式扭矩傳感器兩大類[2]。扭矩傳感器可分為信號產(chǎn)生部件和信號接收部件兩部分。傳感器的信號產(chǎn)生部件要求安裝在傳動軸上，并與傳動軸一起轉(zhuǎn)動；而信號接收部件則要求是靜止的，并與機(jī)架安裝在一起。

接觸式扭矩傳感器的類型很多，最具有代表性的是電阻應(yīng)變片式扭矩傳感器[3]。該傳感器采用的方法是，在傳動軸表面粘貼電阻應(yīng)變片，利用應(yīng)變片的變形取得電阻信號，然后進(jìn)行分析處理。其主要由應(yīng)變電橋、導(dǎo)電滑環(huán)、電刷等部分組成。由于采用粘貼方式，時(shí)間一久，粘膠劑老化脫落，影響測量精度，同時(shí)導(dǎo)電滑環(huán)容易磨損，影響傳輸效果。此類傳感器多用于靜態(tài)和轉(zhuǎn)速不超過500r/min的低速條件下使用[4]。

非接觸式扭矩傳感器主要有電感式、光柵式、磁彈性式等幾種[5]。其中電感式扭矩傳感器應(yīng)用較廣，其主要由齒盤、磁鋼、信號線圈、步進(jìn)電機(jī)等部分組成。但由于磁電元件本身的特點(diǎn)，當(dāng)工作環(huán)境的溫度發(fā)生變化，或受到外磁場干擾，受到機(jī)械沖擊、震動時(shí)，磁電式傳感器都會受到影響，靈敏度將發(fā)生變化而產(chǎn)生測量誤差[6]。

2 方案設(shè)計(jì)

扭矩自檢型內(nèi)曲線液壓馬達(dá)的設(shè)計(jì)思想是，利用牛頓第三定律，即作用力與反作用力原理，測量出作用于馬達(dá)定子上的扭矩，進(jìn)而求出馬達(dá)輸出軸上的扭矩[7]。鑒于馬達(dá)定子既作為馬達(dá)的殼體，又作為滾輪的導(dǎo)軌曲面，要想測量定子的扭矩，首先，就必須使定子處于可轉(zhuǎn)動的狀態(tài)，即將定子與殼體分離，在定子外側(cè)設(shè)一凹槽，用5個(gè)鋼球支撐定子；其次，在定子外側(cè)設(shè)一懸臂，該懸臂伸入殼體中，在懸臂與殼體之間安裝1個(gè)壓電陶瓷傳感器；第三，在壓電陶瓷傳感器輸出端連接電荷放大器和信號處理器，對測量信號進(jìn)行處理。

3 結(jié)構(gòu)原理

圖1為扭矩自檢型內(nèi)曲線液壓馬達(dá)的結(jié)構(gòu)原理圖，主要由定子1、滾輪組2、柱塞3、轉(zhuǎn)子4、配流軸5、絲堵6、鋼球7、殼體8、壓電陶瓷傳感器9、電荷放大器10和信號處理器11等組成。

當(dāng)高壓油液經(jīng)過配流軸5進(jìn)入柱塞3的底部時(shí)，推動柱塞3和滾輪組2外伸壓到定子1的內(nèi)曲面上，滾輪組2對定子1的正壓力為N，該力N可分解為沿柱塞3軸向的分力N1和垂直于柱塞3軸向的分力N2，根據(jù)牛頓第三定律可知，定子1對滾輪組2有反作用力-N1和-N2（圖中未示），反作用力-N2通過滾輪組2推動轉(zhuǎn)子4順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，并通過輸出軸帶動負(fù)載轉(zhuǎn)動。與此同時(shí)，N2將使得定子1逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，但是，由于殼體8通過壓電陶瓷傳感器9對定子1的轉(zhuǎn)動進(jìn)行了限制，因此，定子1并不能轉(zhuǎn)動，而是以一定的力F作用在壓電陶瓷傳感器9上。測量力F的大小，即可計(jì)算出定子1所受的扭矩，進(jìn)而確定輸出軸的扭矩。為了適應(yīng)馬達(dá)正反轉(zhuǎn)，設(shè)置了2套壓電陶瓷傳感器、電荷放大器和信號處理器。

4 結(jié)論

扭矩自檢型內(nèi)曲線液壓馬達(dá)，利用牛頓第三定律，通過測量定子的扭矩，進(jìn)而計(jì)算輸出軸的扭矩，將動力傳遞與扭矩測量融為一體，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、受環(huán)境因素影響小等特點(diǎn)，能大大提高扭矩測量的精度和效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]張軍，李憲華，鄧海順.液壓傳動[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2015（05）.

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[3]資新運(yùn)，趙姝帆，耿帥等.應(yīng)變式扭矩傳感器的分析及ANSYS仿真[J].儀表技術(shù)，2014（10）：50-54.

[4]呂華溢，楊軍，宋娜.軸系扭矩測量方法與發(fā)展趨勢[J].計(jì)測技術(shù)，2017，37（02）：6-10.

[5]周倩.光電式扭矩測量系統(tǒng)的研究與分析[D].燕山大學(xué)，2012（05）.

[6]樊星.基于光纖光柵扭矩傳感系統(tǒng)研究[D].天津大學(xué)，2013（12）.

[7]欒振輝，鄭猛，劉肖.扭矩自檢型行星齒輪減速器研究[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，36（06）：61-65.

作者簡介：張旭（1993-），男，安徽鳳陽人，碩士研究生在讀，主要從事流體傳動與控制領(lǐng)域的研究工作。