CN105092268A - 基于转向架悬挂参数测试台测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于转向架悬挂参数测试台测量系统，该系统包括三维力测量模块、三维位移测量模块、数据处理模块，所述三维力测量模块包括分别安装于下部运动平台和转向架轮对之间以及上部运动平台和转向架摇枕之间的三维力压力传感器，所述三维位移测量模块包括用于对轮对构架之间、构架摇枕之间、轮对摇枕之间产生的相对位移变化进行测量的位移传感器、所述数据处理模块用于对三维力压力传感器和位移传感器采集的数据进行实时通讯、记录、处理分析和存储。本发明的测量系统通过测量转向架各部件之间的三维作用力和三维位移，来计算转向架悬挂系统静态参数和动态参数，分析机车的力学性能，为车辆性能优化提供参数依据。

Description

基于转向架悬挂参数测试台测量系统

技术领域

本发明涉及一种基于转向架悬挂参数测试台测量系统，尤其是涉及一种包括转向架悬挂系统静态参数和动态参数测试的试验装置。

背景技术

近几年，我国铁路行业急速发展，轨道列车速度不断提高，相应地对轨道车辆动力学性能的要求也越来越高。同时为了能够研究并优化转向架的动力学参数、降低研发生产成本，国内的各机车车辆厂迫切希望能够对试制出来的转向架进行参数测试，以保证装车后转向架各项性能参数达到设计要求，车辆的动力学性能也达到最优。检测轨道车辆转向架悬挂特性参数的测定有如下重要性：1.检验机车车辆的实测参数是否达到设计值的要求，并可以据此找出车辆在设计、制造、生产过程中的不当之处；2.确定实际生产的机车车辆所能达到的动力学性能，以此准确的判断机车可以适应的运行条件；3.可以作为机车车辆性能分析优化的依据。转向架悬挂特性试验台的开发对轨道车辆转向架产品的研发设计、生产制造、运营维护、动力学性能的研究具有重大意义，并且能对运行环境的指定以及质量控制产生积极效果，有利于缩短产品开发周期。

但是目前的检测设备价格昂贵、使用维护成本偏高、设备关键部件故障后的维修周期长；并且多为单一项目检测设备，检测效率高，适用于批量产品出厂检测，而对于具有科研和开发性质的工程实验室来说，往往需要功能多样，并能够对产品相关参数进行全面检测的设备。

发明内容

为了克服以上现有技术的不足，本发明提出一种基于转向架悬挂参数测试台测量系统，通过测量转向架各部件之间的三维作用力和三维位移，来计算转向架悬挂系统静态参数和动态参数，用以分析机车的力学性能。

本发明的技术方案是：一种基于转向架悬挂参数测试台测量系统，该系统包括三维力测量模块、三维位移测量模块、数据处理模块，所述三维力测量模块包括分别安装于下部运动平台和转向架轮对之间以及上部运动平台和转向架摇枕之间的三维力压力传感器，所述三维位移测量模块包括用于对轮对构架之间、构架摇枕之间、轮对摇枕之间产生的相对位移变化进行测量的位移传感器、所述数据处理模块用于对三维力压力传感器和位移传感器采集的数据进行实时通讯、记录、处理分析和存储。所述的三维位移测量模块包括垂直相对位移测量单元和水平相对位移测量单元，水平相对位移测量单元包括轮对构架水平测量单元和轮对摇枕水平测量单元。所述垂直相对位移测量单元包括对轮对构架垂直测量单元和构架摇枕垂直测量单元,所述轮对构架垂直测量单元和构架摇枕垂直测量单元分别测量的垂直位移为垂直相对位移测量。所述轮对构架水平测量单元和轮对摇枕水平测量单元均有两个，分别设置在轮的两边。

上述三维力压力传感器或位移传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的X方向电容单元组和Y方向电容单元组，所述X方向电容单元组和Y方向电容单元组均包括电容单元模块，所述电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个条状电容单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极,所述电容单元模块包括由两个以上宽度a₀长度b₀的条状电容单元组成的第一条状电容单元组和两个以上宽度ka₀长度b₀的条状电容单元组成的第二条状电容单元组。所述每个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，驱动电极的长度大于感应电极长度，驱动电极长度两端分别预留左差位δ_左和右差位δ_右，b_0驱＝b_0感+δ_右+δ_左，其中，b_0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b_0感为条状电容单元的感应电极长度，所述差位δ_左＝δ_右，且其中d₀为条状电容单元介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ_max为最大应力值。所述梳齿状结构包括20个以上条状电容单元、与条状电容单元一一对应连接的引线，相邻两条状电容单元之间设有电极间距a_δ。所述平行板面积S＝M(a₀+2a_δ+ka₀)b₀/2，其中，M为条状电容单元数量，b₀为条状电容单元的长度，a₀条状电容单元的宽度,所述条状电容单元的宽度其中，d₀为介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组的条状电容单元引线通过并联或者独立方式连接到控制单元。所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组与控制单元之间分别设有中间变换器，中间变换器用于设置电压对电容或频率对电容的传输系数。

本发明的有益效果是：本发明的测量系统通过测量转向架各部件之间的三维作用力和三维位移，来计算转向架悬挂系统静态参数和动态参数，分析机车的力学性能，实现机车实测参数是否达到设计值的功能，为车辆性能优化提供参数依据。另外，本发明传感器不仅可以测量三维作用力，而且可以测量三维位移，并且通过设置预留差位、设置两组宽度为a₀和Ka₀的条状电容单元等方法有效解决三维力间相互影响，使法向与切向转换都达到较高的线性、精度与灵敏度。

附图说明

图1是本发明的具体实施方式的条状电容单元及其坐标系。

图2是本发明的具体实施方式的条状电容单元示意图。

图3是本发明的具体实施方式的条状电容单元右向偏移示意图。

图4是本发明的具体实施方式的条状电容单元左向偏移示意图。

图5是本发明的具体实施方式的宽度为a₀和ka₀的电容对受力偏移图。

图6是本发明的具体实施方式的平行板三维力压力传感器结构图。

图7是本发明的具体实施方式的单元电容对的信号示意图。

图8为本发明具体实施方式的测量系统的结构图；

图9为本发明具体实施方式垂向相对位移量测量示意图。

其中，1摇枕，2下部六自由度平台，3纵向动作器，4垂向动作器，5横向动作器，6构架，7三维测力平台，8轮对，9一系悬挂，10二系悬挂。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

由于弹性悬挂装置的影响，轨道车辆运行中振动形式变得复杂，车辆有六个独立的振动形式，即伸缩、横摆、浮沉、侧滚、点头和摇头。其中伸缩为沿x轴方向的直线运动；横摆为沿y轴的直线运动；浮沉为沿z轴的直线运动；侧滚为绕x轴的回转运动；点头为绕y轴的回转运动；摇头为绕z轴的回转运动。

转向架悬挂特性的测试方法具体为将待测转向架的几个部件固定在试验台上,通过液压激励源施加作用力于转向架的其他部件,强制转向架的非固定部件相对于固定部件发生位置变化，测量试验过程中施加的作用力及在该作用力下部件之间产生的相对位移变化量。

具体的测试方法为：使用锁紧装置将构架固定，在下部六自由度运动平台上对轮对施加作用力，并通过每个车轮下方的三维位移测量模块和三维力测量模块，测取每个车轮受到的三向作用力及其相对于构架的位移。这种测试方法考虑到了车辆实际运行中的各种受力状况，而且可以在测试过程中直观地观察到转向架实际运行中的运动状态和各部件之间相互作用的机理。下部六自由度运动平台包括横向作动器、纵向作动器和垂向作动器，三向作动器施加作用力于转向架的各个部件，实现六自由度运动，摇枕设置在构架上侧，三维测力平台下端固定在下部六自由度运动平台上。

三维位移测量模块能够对轮对构架之间、构架摇枕之间、轮对摇枕之间产生的相对位移变化进行精确测量。测量一系三向相对位移量是以转向架构架为测量基准，测量二系三向相对位移量也是以转向架构架为测量基准，三个方向的位移传感器采集到的数据即三向相对位移量。如图2，为垂向相对位移量测量示意图，一系悬挂两端分别连接至轮对和架构，二系悬挂分别连接至架构和摇枕，垂向的位移量是一系悬挂的位移量和二系悬挂的位移量之和。

具体的，本发明的测量系统包括三维力测量模块、三维位移测量模块、数据处理模块，所述三维力测量模块包括分别安装于下部运动平台和转向架轮对之间以及上部运动平台和转向架摇枕之间的三维力压力传感器，所述三维位移测量模块包括用于对轮对构架之间、构架摇枕之间、轮对摇枕之间产生的相对位移变化进行测量的位移传感器、所述数据处理模块用于对三维力压力传感器和位移传感器采集的数据进行实时通讯、记录、处理分析和存储。

所述的三维位移测量模块包括垂直相对位移测量单元和水平相对位移测量单元，水平相对位移测量单元包括轮对构架水平测量单元和轮对摇枕水平测量单元。

所述垂直相对位移测量单元包括对轮对构架垂直测量单元和构架摇枕垂直测量单元,所述轮对构架垂直测量单元和构架摇枕垂直测量单元分别测量的垂直位移为垂直相对位移测量。

所述轮对构架水平测量单元和轮对摇枕水平测量单元均有两个，分别设置在轮的两边，通过构架水平测量单元左右两边的改变量计算水平位移。

以上所述三维力压力传感器和位移传感器在本发明中只需一个传感器就能够测量出三维位移和三维作用力，本发明的传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的X方向电容单元组和Y方向电容单元组，所述X方向电容单元组和Y方向电容单元组均包括电容单元模块，所述电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个条状电容单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极。所述电容单元模块包括由两个以上宽度a₀长度b₀条状电容单元组成的第一条状电容单元组和两个以上宽度ka₀长度b₀条状电容单元组成的第二条状电容单元组。所述每个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，驱动电极的长度大于感应电极长度，驱动电极长度两端分别预留左差位δ_左和右差位δ_右，b_0驱＝b_0感+δ_右+δ_左，其中，b_0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b_0感为条状电容单元的感应电极长度。所述差位δ_左＝δ_右，且其中d₀为介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ_max为最大应力值。所述梳齿状结构包括20个以上条状电容单元、与条状电容单元一一对应连接的引线，相邻两条状电容单元之间设有电极间距a_δ。所述平行板面积S＝M(a₀+2a_δ+ka₀)b₀/2，其中，M为条状电容单元数量，b₀为条状电容单元的长度，a₀条状电容单元的宽度。所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组的条状电容单元引线通过并联或者独立连接到控制单元。所述条状电容单元的宽度其中，d₀为介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组与控制单元之间设有中间变换器，中间变换器用于设置电压对电容或频率对电容的传输系数。

1、条状电容单元的转换特性

(1)激励信号和坐标系

将条状电容单元置于图1所示的直角坐标系中，极板平面长度b₀、宽度a₀、介质厚度d₀。三维激励施加于电容极板的外表面，产生的接触式作用力具有Fx、Fy和Fz三个方向分量，Fx和Fy的作用方向沿X轴和Y轴，Fz的作用方向沿OZ轴即方向，法向和切向应力均为一种应力张量，从电极的引线间即可输出电容响应；法向应力σ_n＝Fn/A，其中A＝a₀·b₀为极板法向受力面，Fn＝Fz为法向分量；两侧表面上产生成对的切向应力τ_x＝Fx/A，τ_y＝Fy/A。

根据弹性力学中的虎克定律，σ_n和τ_x，τ_y都将使弹性体产生相应的变形。其中，

${\mathrm{\σ}}_n=E\·{\mathrm{\ϵ}}_n=E\·{\mathrm{\δ}}_n/d_0=\frac{F_n}{A}---\left(1\right)$

$\±{\mathrm{\τ}}_x=\±{\mathrm{\γ}}_x\·G=\±G\·{\mathrm{\δ}}_x/d_0=\±\frac{F_x}{A}---\left(2\right)$

$\±{\mathrm{\τ}}_y=\±{\mathrm{\γ}}_y\·G=\±G\·{\mathrm{\δ}}_y/d_0=\±\frac{F_y}{A}---\left(3\right)$

式中，E为弹性介质的杨氏模量(单位：GN/m²)，G为弹性介质的抗剪模量(单位：GN/m²)，δn为弹性介质的法向位移(单位：μm)，而δx和δy为电容器上下两极板的相对错位(单位：μm)，其正负号由坐标轴指向决定。

(2)电容公式及其输入输出特性

矩形平行板电容器的初始电容为：

$C_0=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\·a_0\·b_0}{d_0}---\left(4\right)$

式中，ε₀真空介质电常数为8.85PF/m，ε_r＝2.5为电介质的相对介电常数。d₀受σ_n的激励产生相对变形ε_n＝δ_n/d₀＝σ_n/E，代入(4)得到输入输出特性

$C_n={\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\frac{a_0\·b_0}{d_0(1-{\mathrm{\ϵ}}_n)}={\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\frac{a_0\·b_0}{d_0\left(1-\frac{F_n}{AE}\right)}---\left(5\right)$

(3)法向应力作用下的线性度和灵敏度

a、法向线性度

在(5)式中F_n在分母中，故C_n＝f(F_n)的关系是非线性的，因转换量程中的最大值σ_nmax与介质弹性常数E相比，ε_n是个很小的量，即分母中ε_n<<1，将(5)按级数展开并略去二次方以上的高阶无穷小，(5)式可简化为：

$C_n=C_0(1+\mathrm{\&epsiv;})=C_0(1+\frac{F_n}{A\&CenterDot;E})---\left(6\right)$

可见在C_n与F_n的转换特性中的法向线性度的最大相对误差接近于零。

b、灵敏度

按法向灵敏度的定义

按(6)式可得线性灵敏度，

$S_{n1}=C_0/AE={\mathrm{\&epsiv;}}_0{\mathrm{\&epsiv;}}_r/d_{0}E---\left(7\right)$

而按(5)式则

$S_{n2}=\frac{{\mathrm{dC}}_n}{{\mathrm{dF}}_n}=C_0\&CenterDot;\frac{1}{1-2\mathrm{\&epsiv;}}=C_0\&CenterDot;\frac{1}{1-2\frac{F_n}{A\&CenterDot;E}}---\left(8\right)$

S_n2随F_n而变，F_n愈大，S_n2愈大，在整个转换特性上呈轻微非线性。

(4)切向应力τ_x和τ_y激励下的电容变化

切向应力τ_x和τ_y并不改变极板的几何尺寸参数b₀和a₀，对介质厚度d₀也不产生影响。然而τ_x和τ_y改变了条状电容单元的空间结构，正向面对的上下极板之间发生了错位偏移。现以OX方向为例，极板在τ_x作用下的错位偏移δ_x。

在图2中当τ_x为零时，a_0上＝a_0下是正对的，基板之间有效截面A_τ＝a₀·b₀；在图3中，在τ_x右向的作用下，上极板相对于下极板产生了向右的错位偏移δ_x，从而使上下极板之间在计算电容时的有效面积A_τ＝(a₀-δ_x)·b₀；图4中，当τ_x为左向时，错位偏移δ_x则向左，而A_τ＝(a₀-δ_x)·b₀，τ_x在左向和右向时，有效面积的减少量相同，由此产生的电容为：

$C_{\mathrm{\&tau;}x}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;(a_0-{\mathrm{\&delta;}}_x)\&CenterDot;b_0}{d_0}---\left(9\right)$

根据剪切虎克定律

${\mathrm{\&tau;}}_x={\mathrm{\&gamma;}}_x\&CenterDot;G=G\&CenterDot;{\mathrm{\&delta;}}_x/d_0---\left(10\right)$

将(10)代入(9)可得

$C_{\mathrm{\&tau;}x}=C_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;{\mathrm{\&delta;}}_x\&CenterDot;b_0}{d_0}=C_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;b_0{\mathrm{\&tau;}}_x}{G}=C_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r{F}_x}{{\mathrm{Ga}}_0}---\left(11\right)$

(11)式即为切应力下的输入—输出特性，C_τ与τ_x呈线性关系。

而其灵敏度

$S_{\mathrm{\&tau;}x}=\frac{{\mathrm{dC}}_{\mathrm{\&tau;}x}}{{\mathrm{dF}}_x}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r}{{\mathrm{Ga}}_0}---\left(12\right)$

公式(9)-(12)类似的分析同样适用与τ_y与C_τy的特性与技术指标，只不过式中条状电容单元的长边b₀应设置于OX轴方向，而其短边a₀则在OY方向。

2、接触式平行板电容设计

(1)平行板电容的平面设计

设定的原始指标法向最大接触应力σ_nmax为200Kpa，如果法向受力A为正方形10×10mm²，则最大法向力F_Zmax为σ_nmax·A＝20N。切向最大接触应力τ_max为70Kp，切向应力的受力分布面均为10×10mm²，则最大切向力分量F_xmax＝F_ymax＝τ_max·A＝7N。

图3和图4所示的条状电容单元结构性变化，只说明电容输出与切向应力±τ_x输入的关系，电容增量都是负的，因此这种初始电容结构不适宜作为对±τ_x得到增减电容的响应。为此本发明对条状电容单元上下极板的初始结构进行调整，宽度为a₀和ka₀的条状电容单元构成一对电容单元对(C_L与C_R)，具体如图5所示。

图5中，电容单元C_L和C_R电极尺寸b₀、d₀均相同，宽度一个为a₀，一个为ka₀，其中k为常数，优选大于1的整数。当τ_x＝0时，C_L＝C₀，C_R＝kC₀，在此基础上如在F_x激励下产生δ_x的错误偏移，将会形成如图3或4所示的偏移效果。

$C_L=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;b_0\&CenterDot;(a_0-{\mathrm{\&delta;}}_x)}{d_0}=C_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;b_0{\mathrm{\&tau;}}_x}{G}=C_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r{F}_x}{{\mathrm{Ga}}_0}---\left(13\right)$

$C_R=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;b_0\&CenterDot;({\mathrm{Ka}}_0-{\mathrm{\&delta;}}_x)}{d_0}={\mathrm{kC}}_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;b_0{\mathrm{\&tau;}}_x}{G}={\mathrm{kC}}_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r{F}_c}{{\mathrm{Ga}}_0}---\left(14\right)$

C_L和C_R电容单元对在同一个τ_x将产生δ_x和ΔC_τ的响应。

由此，公式(11)可修改为

$C_{\mathrm{\&tau;}x}=C_{\mathrm{\&tau;}0}-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r}{{\mathrm{Ga}}_0}{F}_x$

式中，为切应力为零时的初始电容，上式即为切应力输入输出特性，C_τx与F_x是线性关系，而其灵敏度

参见图6的电极平面布置，在一个10×10mm²的基板中心作十字分隔，形成四个象限，右上第一象限Ⅰ、左上第二象限Ⅱ、左下第三象限Ⅲ、右下第四象限Ⅳ，其中Ⅰ、Ⅲ象限为对τ_x做出响应的电容单元组合，而Ⅱ、Ⅳ象限为对τ_y做出响应的电容单元组合。外围线为10×10mm²的PCB板四根边缘线，影线部分表示失蜡铸造工艺的外模截面。将感应电极在下层PCB基板上的位置作为参照，则驱动电极在上层PCB基板上的布置应以PCB基板边缘线为基准。图中四个虚线方框为感应电极在下极板上的基准，置他们与几何基准线差距均为δ₀(0.1mm)。

电容单元模块采用梳齿结构，电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个条状电容单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极。由公式(12)a₀愈小，切向应力响应的灵敏度越大，故单个电容单元均为长条状。设每根条状电容单元宽为a₀，两条状电容之间的槽宽为a_δ，则每根条状电容单元的节距为ka₀+a₀+2a_δ。为了充分利用方形基板的平面空间，M(ka₀+a₀+2a_δ)b₀/2≈1方形基板面积，M为条状电容数量，则有M(ka₀+a₀+2a_δ)＝20mm，式中，槽宽a_δ不宜过大，否则不利于使用基板上的有效平面空间，也不宜过小，要受到失蜡铸造工艺的约束。为使法向灵敏度S_n和切向灵敏度S_τ相等，按公式(7)和(12)，令a₀·G＝d₀·E，当d₀＝0.1mm，k＝1.5时，从而可以求出M。

为了实现τ_x和τ_y切向响应之间不相互产生影响，条状电容单元的驱动电极长度两端预留差位δ₀，因此b_0驱＝b_0底+2·δ₀，其中在b_0驱两端长度预留差位理论上应保证 其计算值为 ${10}^{-5}\&times;\frac{70\&times;{10}^3}{2.4\&times;{10}^6}=2.9\&times;{10}^{-8}m={10}^{-2}um<<1um,$ 故在工艺上应保证b_0驱－b_0底≥0.01mm。这样在计算法向电容输出响应时，保证τ_x和τ_y不对法向电容响应产生任何影响。

为了实现τ_x和τ_y不对法向电容响应产生任何影响，宽度为a₀和ka₀的条状电容单元构成一对电容单元对(C_L与C_R)进行公示推算消除相互之间的影响。保证τ_x在Ⅰ、Ⅲ象限电容单元产生对τ_x的电容响应，而在Ⅱ、Ⅳ象限电容单元则产生对τ_y的电容响应，以保证四个象限中的电容单元在τ_x和τ_y切向激励下能产生两组差动电容对。

(2)法向应力和切向力的计算

设图5中宽度为a₀的条状电容单元在受到切向力τ_x,产生一个切向位移d_x后的输出电容值为C₁，宽度为ka₀的条状电容单元在受到切向力τ_x,产生一个切向位移d_x后的输出电容值为C₂，则有：

$C_1=\frac{\mathrm{\&epsiv;}(a_0-d_x)b_0}{d_n}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;a}}_0{b}_0}{d_n}-\frac{{\mathrm{\&epsiv;b}}_0{d}_x}{d_n}---\left(15\right)$

$C_2=\frac{\mathrm{\&epsiv;}({\mathrm{ka}}_0-d_x)b_0}{d_n}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;ka}}_0{b}_0}{d_n}-\frac{{\mathrm{\&epsiv;b}}_0{d}_x}{d_n}---\left(16\right)$

由(15)-(16)得到：

$C_1-C_2=\frac{{\mathrm{\&epsiv;a}}_0{b}_0}{d_n}-\frac{{\mathrm{\&epsiv;ka}}_0{b}_0}{d_n}$ 计算得到：

$d_n=\frac{{\mathrm{\&epsiv;a}}_0{b}_0(1-k)}{C_1-C_2}---\left(17\right)$

由(15)*k-(16)得到：

${\mathrm{kC}}_1-C_2=\frac{{\mathrm{\&epsiv;d}}_x{b}_0}{d_n}-\frac{{\mathrm{\&epsiv;kd}}_x{b}_0}{d_n}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;d}}_x{b}_0(1-k)}{d_n},$ 将(17)代入上式，可以得到：

$d_x=\frac{a_0({\mathrm{kC}}_1-C_2)}{C_1-C_2}---\left(18\right)$

根据 $d_n=d_0-\mathrm{\&Delta;}d=d_0(1-\frac{F_n}{E\&CenterDot;S_0})$

可知： $F_n=\frac{(d_n-d_0)E\&CenterDot;S_0}{d_0}$

由 $\frac{d_x}{d_0}=\mathrm{\&gamma;}=\frac{\mathrm{\&tau;}}{G}=\frac{F_{\mathrm{\&tau;}}}{G\&CenterDot;S_0},$ 所以 $F_{\mathrm{\&tau;}x}=\frac{{\mathrm{GS}}_0{d}_x}{d_0}.$

上式中，无论是法向激励F_n或切向激励F_y均不对O_τ产生影响。即自动消除了σ_n和τ_y对τ_x的总输出的耦合或干扰，因为凡是在信号包含相减的运算中，等量和同符号的电容变化都自动消除。而F_y和F_x对σ_n的干扰可通过上层电极在b₀方向增加几何长度2δ₀消除。同理可以求出F_τy。

(4)主要材料选择及其特性参数

梳齿状平行板电容器的结构剖面图类似于图8所示的三明治结构,图8中1为上PCB基板，2为下PCB基板，3为驱动电极，4为感应电极，5为弹性介质。极板距d₀＝0.1mm，上下基板内侧空间除铜箔电极外，均为用失蜡铸造法充填的PDMS(聚二甲基硅氧烷)超弹绝缘介质。其机械和物理特性参数为杨氏模量E＝6.2MPa，而其抗剪弹性模量为G＝4.1MPa，介质极化时相对介电常数ε_γ＝2.5。由于介质的E和G远小于铜的弹性模量E_铜＝103GPa,故电容器内部介质在应力状态下的变形远大于极板的变形。

(5)电极引线设计

无论是驱动电极或感应电极都需备有引出线，考虑各个驱动电极在信号电平上都是接地的，故四组驱动电极只需共用同一个引出线。而四个第一条状电容单元组和第二条状电容单元组的感应电极则需用各自独立的引出线，于是整个电容组件共有至少5个管脚从平面封装的侧面引出，四个感应电极是指X方向宽度为a₀的感应电极和宽度为ka₀的感应电极，以及Y方向宽度为a₀的感应电极和宽度为ka₀的感应电极，以便整个组件顶部与底部外表面能方便地与测量对象接触。本发明在新材料和新工艺的支撑下，完成了一种新型三维力敏感电容组合的设计，在10×10mm²的受力面上，无论是法向或切向，都可向介质较均匀的传递应力。文中四个单元电容呈两对组合分布。在空间力与传感器表面的接触中外力只有1个，电容响应却有4个，整个电极板都对求Fn做出贡献，同时将两对电容组合组成系统，又可获得F_x和F_y的信息，从而完整描述一个三维力。

无论是运动平台施加给轮对还是上平台施加给转向架摇枕某个方向的作用力，都是通过车轮下方的三维力测量模块，测取每个车轮承受的该方向的载荷F_i，同时通过三维位移测量模块测得摇枕与轮对在该方向上产生的相对位移变化量ΔZ_i，得出转向架悬挂综合静态刚度的数学计算公式：(i＝1,2,3,4),式中，K_i为悬挂某方向的综合静态刚度，i为四个轴箱。

动态测试时，所测的动刚度也是各系悬挂所受的动载荷与悬挂形变位移的函数关系。由于转向架各系悬挂主要使用阻尼器、钢簧及橡胶关节等非线性弹性元件实现减振功能，因此阻尼力(或阻滞力)、恢复力以及其它非线性因素对动载荷的影响不能忽略。动态刚度的数学计算公式为：

m_wX_1i(t)+C_Z1iX_1i(t)+K_X1iX_1i(t)＝F_X1i(t),(i＝1,2,3,4)(1)

m_uX_2j(t)+C_Z2jX_2j(t)+K_X2jX_2j(t)＝F_X2j(t),(j＝1,2)(2)

式中，X_1i(t)为一系四个悬挂的动态变形；X_2j(t)为二系两个悬挂的动态变形；C_Z1i为一系悬挂阻尼系数；C_Z2j为二系悬挂阻尼系数；K_X1i为一系悬挂动态刚度；K_X2j为二系悬挂动态刚度；t时间变量；m_w为一系悬挂上的弹簧质量；m_u为二系悬挂上的弹簧质量；F_X1i为一系悬挂在各个方向上所受的动态载荷；F_X2j为二系悬挂在各个方向上所受的动态载荷。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于转向架悬挂参数测试台测量系统，其特征在于，该系统包括三维力测量模块、三维位移测量模块、数据处理模块，所述三维力测量模块包括分别安装于下部运动平台和转向架轮对之间以及上部运动平台和转向架摇枕之间的三维力压力传感器，所述三维位移测量模块包括用于对轮对构架之间、构架摇枕之间、轮对摇枕之间产生的相对位移变化进行测量的位移传感器、所述数据处理模块用于对三维力压力传感器和位移传感器采集的数据进行实时通讯、记录、处理分析和存储。

2.根据权利要求1所述的基于转向架悬挂参数测试台测量系统，其特征在于，所述的三维位移测量模块包括垂直相对位移测量单元和水平相对位移测量单元，水平相对位移测量单元包括轮对构架水平测量单元和轮对摇枕水平测量单元。

3.根据权利要求2所述的基于转向架悬挂参数测试台测量系统，其特征在于，所述垂直相对位移测量单元包括对轮对构架垂直测量单元和构架摇枕垂直测量单元,所述轮对构架垂直测量单元和构架摇枕垂直测量单元分别测量的垂直位移为垂直相对位移测量。

4.根据权利要求2所述的基于转向架悬挂参数测试台测量系统，其特征在于，所述轮对构架水平测量单元和轮对摇枕水平测量单元均有两个，分别设置在轮的两边。

5.根据权利要求1所述的基于转向架悬挂参数测试台测量系统，其特征在于，所述三维力压力传感器或位移传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的X方向电容单元组和Y方向电容单元组，所述X方向电容单元组和Y方向电容单元组均包括电容单元模块，所述电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个条状电容单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极,所述电容单元模块包括由两个以上宽度a₀长度b₀的条状电容单元组成的第一条状电容单元组和两个以上宽度ka₀长度b₀的条状电容单元组成的第二条状电容单元组。

6.根据权利要求5所述的基于转向架悬挂参数测试台测量系统，其特征在于,所述每个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，驱动电极的长度大于感应电极长度，驱动电极长度两端分别预留左差位δ_左和右差位δ_右，b_0驱＝b_0感+δ_右+δ_左，其中，b_0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b_0感为条状电容单元的感应电极长度，所述差位δ_左＝δ_右，且其中d₀为条状电容单元介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ_max为最大应力值。

7.根据权利要求5所述的基于转向架悬挂参数测试台测量系统，其特征在于,所述梳齿状结构包括20个以上条状电容单元、与条状电容单元一一对应连接的引线，相邻两条状电容单元之间设有电极间距a_δ。

8.根据权利要求5所述的基于转向架悬挂参数测试台测量系统，其特征在于，所述平行板面积S＝M(a₀+2a_δ+ka₀)b₀/2，其中，M为条状电容单元数量，b₀为条状电容单元的长度，a₀条状电容单元的宽度,所述条状电容单元的宽度其中，d₀为介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。

9.根据权利要求5所述的基于转向架悬挂参数测试台测量系统，其特征在于,所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组的条状电容单元引线通过并联或者独立方式连接到控制单元。

10.根据权利要求5所述的基于转向架悬挂参数测试台测量系统，其特征在于,所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组与控制单元之间分别设有中间变换器，中间变换器用于设置电压对电容或频率对电容的传输系数。