扭矩自检型内曲线液压马达的结构原理

张旭　朱凯　周龙　栾振辉

摘 要：为了提高内曲线液压马达的扭矩测量水平，在综合分析现有扭矩测量技术的基础上，提出了扭矩自检型内曲线液压马达的结构原理，分析了液压马达的结构特点和扭矩测量系统的组成，用压电陶瓷力传感器测量液压马达定子所受扭矩，进而计算出马达输出轴的扭矩，将扭矩测量与扭矩传递融为一体，变复杂的扭矩测量为简单的压力测量，简化了扭矩测量系统，提高了扭矩测量的精度性能。

关键词：液压马达；扭矩测量；压电陶瓷传感器；结构原理

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

0 引言

内曲线马达是一种低速大扭矩液压马达，其主要由定子、转子、柱塞、滚轮组、配流轴、输出轴及端盖等组成，其定子内侧是由多段形状完全相同的曲面组成的，定子既作为马达的壳体，又作为滚轮的导轨曲面，用于支撑滚轮组，完成扭矩传递。内曲线液压马达具有尺寸小、重量轻、传动扭矩大、变速范围大、起动效率高、低速稳定性好等一系列特点，在矿山机械、工程机械、起重运输机械、工程船舶机械上得到了广泛的应用[1]。为了检测内曲线液压马达的输出扭矩，进而对传动系统的运行状态进行监测和控制，通常需要在内曲线液压马达与负载之间安装扭矩传感器。

1 扭矩测量技术

通常使用扭矩传感器进行传动轴的扭矩测量，而扭矩传感器的种类有很多，从机械角度考虑，可分为接触式扭矩传感器和非接触式扭矩传感器两大类[2]。扭矩传感器可分为信号产生部件和信号接收部件两部分。传感器的信号产生部件要求安装在传动轴上，并与传动轴一起转动；而信号接收部件则要求是静止的，并与机架安装在一起。

接触式扭矩传感器的类型很多，最具有代表性的是电阻应变片式扭矩传感器[3]。该传感器采用的方法是，在传动轴表面粘贴电阻应变片，利用应变片的变形取得电阻信号，然后进行分析处理。其主要由应变电桥、导电滑环、电刷等部分组成。由于采用粘贴方式，时间一久，粘胶剂老化脱落，影响测量精度，同时导电滑环容易磨损，影响传输效果。此类传感器多用于静态和转速不超过500r/min的低速条件下使用[4]。

非接触式扭矩传感器主要有电感式、光栅式、磁弹性式等几种[5]。其中电感式扭矩传感器应用较广，其主要由齿盘、磁钢、信号线圈、步进电机等部分组成。但由于磁电元件本身的特点，当工作环境的温度发生变化，或受到外磁场干扰，受到机械冲击、震动时，磁电式传感器都会受到影响，灵敏度将发生变化而产生测量误差[6]。

2 方案设计

扭矩自检型内曲线液压马达的设计思想是，利用牛顿第三定律，即作用力与反作用力原理，测量出作用于马达定子上的扭矩，进而求出马达输出轴上的扭矩[7]。鉴于马达定子既作为马达的壳体，又作为滚轮的导轨曲面，要想测量定子的扭矩，首先，就必须使定子处于可转动的状态，即将定子与壳体分离，在定子外侧设一凹槽，用5个钢球支撑定子；其次，在定子外侧设一悬臂，该悬臂伸入壳体中，在悬臂与壳体之间安装1个压电陶瓷传感器；第三，在压电陶瓷传感器输出端连接电荷放大器和信号处理器，对测量信号进行处理。

3 结构原理

图1为扭矩自检型内曲线液压马达的结构原理图，主要由定子1、滚轮组2、柱塞3、转子4、配流轴5、丝堵6、钢球7、壳体8、压电陶瓷传感器9、电荷放大器10和信号处理器11等组成。

当高压油液经过配流轴5进入柱塞3的底部时，推动柱塞3和滚轮组2外伸压到定子1的内曲面上，滚轮组2对定子1的正压力为N，该力N可分解为沿柱塞3轴向的分力N1和垂直于柱塞3轴向的分力N2，根据牛顿第三定律可知，定子1对滚轮组2有反作用力-N1和-N2（图中未示），反作用力-N2通过滚轮组2推动转子4顺时针方向转动，并通过输出轴带动负载转动。与此同时，N2将使得定子1逆时针方向转动，但是，由于壳体8通过压电陶瓷传感器9对定子1的转动进行了限制，因此，定子1并不能转动，而是以一定的力F作用在压电陶瓷传感器9上。测量力F的大小，即可计算出定子1所受的扭矩，进而确定输出轴的扭矩。为了适应马达正反转，设置了2套压电陶瓷传感器、电荷放大器和信号处理器。

4 结论

扭矩自检型内曲线液压马达，利用牛顿第三定律，通过测量定子的扭矩，进而计算输出轴的扭矩，将动力传递与扭矩测量融为一体，具有结构简单、工作可靠、受环境因素影响小等特点，能大大提高扭矩测量的精度和效率。

参考文献：

[1]张军，李宪华，邓海顺.液压传动[M].徐州：中国矿业大学出版社，2015（05）.

[2]禹精达.传动轴扭矩测量技术及精度分析[D].中北大学，2012（06）.

[3]资新运，赵姝帆，耿帅等.应变式扭矩传感器的分析及ANSYS仿真[J].仪表技术，2014（10）：50-54.

[4]吕华溢，杨军，宋娜.轴系扭矩测量方法与发展趋势[J].计测技术，2017，37（02）：6-10.

[5]周倩.光电式扭矩测量系统的研究与分析[D].燕山大学，2012（05）.

[6]樊星.基于光纤光栅扭矩传感系统研究[D].天津大学，2013（12）.

[7]栾振辉，郑猛，刘肖.扭矩自检型行星齿轮减速器研究[J].安徽理工大学学报（自然科学版），2016，36（06）：61-65.

作者简介：張旭（1993-），男，安徽凤阳人，硕士研究生在读，主要从事流体传动与控制领域的研究工作。