在当今的工业技术领域，气动马达凭借其独特的优势，如结构紧凑、安全防爆、无污染等，在众多行业中得到了广泛应用。尤其是在2025年，随着科技的不断进步，气动马达行业技术也在持续创新与发展。其中，二级轴流式微涡轮气动马达以其独特的设计和优异的性能，成为了行业内的研究热点。它在满足微型化产品驱动需求方面具有巨大潜力，为相关领域的发展注入了新的活力。

  一、气动马达的设计要求与工作原理

  (一)设计要求确定

  为了满足微主轴、牙医用手机以及便携式能量转换装置等多样化的驱动需求，《2025-2030年全球及中国气动马达行业市场现状调研及发展前景分析报告》综合考量现有商业化微涡轮马达存在的问题，并分析大量国内外文献中的技术参数，最终确定了二级轴流微涡轮气动马达的关键设计参数。当该气动马达的入口绝对压力为 300kPa，出口绝对压力为 101kPa(即一个大气压)时，其转速需达到 100000rpm，输出转矩为 10mN・m，最大输出功率为 100W。同时，工作温度设定为 20℃，体积流量为 170L/min。此外，为简化理论计算，假设压缩空气为理想气体，气动马达工作时水平放置，忽略重力对气流的影响;空气膨胀过程为绝热等熵过程;在气动马达的入口、出口处，气体处于均匀状态，各特征截面上的温度和压力相同。

  (二)工作原理详解

  二级轴流微涡轮气动马达主要由外壳、转子系统、轴承以及挡圈等部分构成。它以压缩空气作为动力源，采用部分进气方式推动转子系统旋转，进而带动诸如钻头、铣刀、磨头或微型发电机等部件运转，实现了从空气压缩能到机械能的高效转换。其中，转子系统作为核心部件，由喷嘴涡轮、一级转子、二级转子、导向涡轮和转轴共同组成。喷嘴涡轮周向均匀分布着 12 个斜置式喷嘴，通过与配流盘巧妙配合，能够实现两喷嘴、三喷嘴和四喷嘴等不同工作方式，以满足各种复杂工况的使用要求。一级转子、二级转子、导向涡轮的叶片数互质，有效防止了在高速工作时发生颤振现象。为深入分析涡轮马达内部流场以及各涡轮出入口的状态量，选取了特定的特征截面。喷嘴前的特征截面标记为 0 - 0，用于安装入口压力和温度传感器;喷嘴与一级转子之间的特征截面为 1 - 1，一级转子后的特征截面为 2 - 2;二级转子前后的特征截面分别为 1′ - 1′、2′ - 2′，在特征截面 2′ - 2′处安装出口压力和温度传感器。通过对这些特征截面的监测与分析，能够更好地了解气动马达内部的工作状态。

  二、气动马达测试试验台搭建

  (一)测试方案规划

  为了精确测试厘米级高速微涡轮气动马达主轴的转矩和功率，充分结合气动马达的结构特点以及实际实验条件，制定了一套科学合理的测试方案。该方案能够全面测试气动马达的出入口压力、出入口温度、主轴转速、耗气量等关键状态参数。由于微涡轮马达外型尺寸紧凑，仅为\(\phi30 \times 58\)，因此要求传感器及试验装置的尺寸和结构与之紧密匹配。为确保采集数据的准确性和快速响应性，试验装置配备了数字显示仪表，可实时显示转速、流量和温度等数据。数据通过采集卡进行采集，并在计算机界面上进行汇总输出。在马达供气系统方面，试验装置通过减压阀调节气源供气压力，利用调速针阀调整马达入口流量，借助数显流量计测量和显示供气流。需要注意的是，由于气路使用的气管外径为\(\phi12mm\)、内径为\(\phi8.3mm\)，而微涡轮气动马达在喷嘴入口处为\(\phi20×8mm\)的圆柱空腔，这会导致压力表所显示的压力值与喷嘴入口处的实际压力值存在差异。因此，在喷嘴入口处专门安装了压力传感器，通过实验来测定气源压力与喷嘴入口压力的对应关系。在马达转速测试系统中，由测速盘、光电传感器和数显仪表共同组成。光电传感器选用日本欧姆龙公司的 EE - SX870 - 2M 光纤传感器，其响应频率高达 3kHz，能够完全满足涡轮马达的高转速测试要求。测速盘为削边圆盘，安装在马达旋转轴上，马达每旋转 1 圈，测试盘会两次阻断光电传感器，从而产生 2 个脉冲信号，这些信号被转速数显仪表记录下来并变送为\(0 ~ 5V\)电压信号，传输给数据采集系统进行数据统计和分析。具体操作是设定好压力、调整好流量，打开测试软件和气路开关，当马达转速稳定下来后，等待 10s 关闭气路开关，让马达自由减速停止，再等待 10s 停止测试，完成一个实验周期。

  (二)传感器与数显仪表选型

  在涡轮气动马达运转过程中，为了全面获取其在负载状态下的工作特性，需要精确测试出口入的压力、流量、温度、转速等物理量。因此，在马达实验样机上安装了 8 个传感器。鉴于涡轮马达结构尺寸小巧，要求传感器具备结构紧凑、方便安装、测量精确度高的特点，并且要满足数据采集卡变送输出的要求。其中，试验装置配备了三支外径为\(\Ø2.5mm\)的 Pt100 热电阻，用于检测涡轮马达的喷嘴入口、导向轮及出口处的温度，输出信号连接到三通道显示仪表，可实时显示温度;配备了 2 套螺纹尺寸为\(M6x1\)的压力变送传感器，量程为\(0 ~ 1.6MPa\)，精度达到\(0.5\%\);选用日本 CKD 公司的 FSM2 - NVF201 - S081 流量传感器，能够实时显示流量值，测量分辨率高达 1L/min，最大测量流量为 220L/min。同时，还配备了相应的数显仪表，如三通道数显表 KSDAL - AH3VVVA2B1GV0(用于三通道 Pt100 输入)、转速显示仪表 KSM - CHMV0(量程为\(0 ~ 99999rpm\))以及数据采集卡 USB5831(12 位 16 路模拟量输入)。

  (三)测试试验台组成

  整个试验装置由机械部分、电气部分、气动部分及数据采集分析系统四个部分有机组成。为了确保涡轮式气动马达试验装置结构紧凑、安装调试方便，这四个子系统均安装固定于试验装置的配电箱上。在压力传感器方面，用于监测气动马达运行过程中的压力变化;温度仪表实时显示温度数据;热电偶精确测量温度;气动马达作为核心部件，在试验中发挥关键作用;固定座确保各部件安装稳固;流量计准确测量流量;转速仪表则用于显示转速。通过这些部件的协同工作，能够全面、准确地对气动马达进行测试。

  (四)数据采集与处理

  数据采集系统的核心部件是北京阿尔泰公司生产的 USB5831 数据采集卡，它通过专用控制软件采集各传感器的输出信号，电压分辨率可达 mV 级。采集的信号输入到通道 CH8 - CH14，数据采集软件控制界面直观清晰。每次启动气动马达后，需等待其达到稳定状态再记录数据，并且采集的信号要存储 1000 个样本值，以便后续进行全面的数据处理。通过对这些数据的深入分析，能够获取关于气动马达性能的详细信息。