城軌車輛系統動力學“卓越計劃”下課程實驗設計與創新

堯輝明 余朝剛 文永蓬 鄭樹彬

[摘 要]“卓越計劃”下城市軌道車輛系統動力學課程應達到一定的教學目標和教學水平。需要明確新形勢下的課程教學方向，闡述本課程建設中的相關實驗課程的設計、實驗內容和實驗要求。我校為該課程自主研發設計的車輛動力學創新實驗平臺，可以進行多項創新實驗，為該課程的實驗教學提供有效的解決方案。

[關鍵詞]城軌車輛動力學 課程建設 實驗設計 創新實驗

[中圖分類號] G642.423 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2015）08-0148-02

為切實貫徹和落實“卓越計劃”中“大力改革課程體系和教學形式”的指導原則，依據城市軌道交通車輛工程專業的“卓越計劃”培養標準，進行城市軌道交通領域的集成與創新，以強化實踐能力、設計能力和創新能力為核心，重構城市軌道交通車輛系統動力學課程體系和實驗教學方法，著力推動基于問題的學習、基于項目的學習、基于案例的學習等多種研究性學習方法。

一、城軌車輛系統動力學課程介紹

本課程是機械類城市軌道車輛專業的一門重要的專業特色基礎課，其理論性強，與城軌工程生產實際有著密切的聯系。本課程的理論教學和實驗教學應注意培養學生以下能力。

（一）車輛動力學思維洞察力和科學思維力

通過對課程的學習能夠從動力學角度分析車輛運動行為，能夠從車輛運動動力學的角度，思考問題和解決問題。

（二）動力學建模分析問題的能力

能夠閱讀并理解各類動力學教材、參考書和動力學理論科技文獻，具有不斷地擴展知識面，獲取新知的能力。能夠從工程實際問題出發，明確問題導向目標，確定影響參變量，考慮約束條件，初步建立符合動力學基本規律的數學模型的能力，能夠理解求解車輛系統動力學模型的基本方法。

（三）探索動力學規律的能力

能夠使理論模型與實際問題相關聯，并進行正確判斷和依照動力學規律進行決策的素質。

二、“卓越計劃”下本課程基本教學方向

結合“卓越計劃”的特點，根據城軌車輛系統動力學課程對學生能力的培養要求，為培養面向城市軌道交通車輛工程設計以及維保專業工程人才，城軌車輛系統動力學課程體系必須不斷優化，既要保證城市軌道交通車輛工程專業學生所學知識結構合理、基礎扎實，具有較為明顯的專業特色，又要體現滿足學生個人需求，具有一定的延展性，適應城市軌道交通車輛發展需要的特點，突出培養學生創業本領、創新精神和實踐能力，注重培養學生良好的工程素質。因此，城軌車輛動力學課程必須注意車輛工程、運營工程、交通工程以及通信工程等相關學科專業知識的交叉，拓寬學生的視野，避免完全按照企業的要求培養單一型應用人才。

為切實貫徹和落實“卓越計劃”中“大力改革課程體系和教學形式”的指導原則，依據城市軌道交通車輛工程專業的“卓越計劃”培養標準，進行城市軌道交通領域的集成與創新，以強化實踐能力、設計能力和創新能力為核心，重構城市軌道交通車輛系統動力學課程體系和教學方法，著力推動基于問題的學習、基于項目的學習、基于案例的學習等多種研究性學習方法。

在車輛系統動力學學習中，注重引導學生思考動力學性能的改進如何影響到車輛的結構設計，如何運用動力學的理論來分析整體結構的動力學性能評價。通過案例的講解、分析，引出學生激烈的討論，并在討論中引導學生的觀點不偏離，啟發學生對輪軌式車輛動力學機理思考，讓學生樹立正確的動力學思維方法和分析原則。通過這些師生互動，打破傳統教學的灌輸式，采用啟發式教學方法讓學生充分參與課程的討論。

這些教學方法的創新，離不開高校和企業聯合培養人才的機制，通過共同制訂培養目標，共同建設課程體系和教學內容，共同實施培養過程，共同評價培養質量，采用理論與實際相結合、講授與討論相結合、課堂與現場相結合以及再回課堂的教學方法，讓學生理論和實踐綜合獲益，培養滿足卓越計劃要求的合格工程型人才，力爭使動力學課程在教學方法上有所突破。

三、城軌車輛動力學課程實驗項目設計

本課程由于其課程的特殊性，并沒有專用的實驗平臺，只能針對目前課程的基本理論體系和市場上現有的實驗設備進行相關聯的實驗項目設計。

通過對課程的理論知識體系進行分析與評價，針對實驗教學的教學要求購置了兩臺振動動力學實驗臺。該實驗臺為基于傳統機械振動課程設計的實驗臺，將城軌車輛系統動力學的相關內容轉換成一定方式，而用常規的振動實驗臺來完成該課程的實驗教學是實驗項目設計的難點之一。

基于此，本課程設計了兩個實驗項目，包括車輛動力振動系統固有頻率的測試與車輛動力系統的主動隔振實驗和被動隔振實驗等內容。

（一）實驗項目一：振動系統固有頻率的測試

實驗內容：車輛振動系統固有頻率的測試方法；車輛共振動法測試振動固有頻率的原理與方法。實驗要求：掌握車輛振動系統單自由度固有頻率的測試方法；能夠運用共振振動法測試振動固有頻率。

該實驗項目主要針對城軌車輛系統動力學振動的基本概念理論的鞏固和深化學習而設計，通過該實驗項目的學習，學生能夠對車輛振動的振動形態基本參數概念有基本認識，能感性地感知振動對車輛的基本影響，同時也可以培養學生利用振動理論解決車輛動力學問題的基本素質。

（二）實驗項目二：主動隔振實驗和被動隔振實驗

實驗內容：車輛系統主動隔振和被動隔振的基本知識；車輛系統主動隔振和被動隔振的基本原理；車輛系統主動隔振和被動隔振效果的測量。實驗要求：了解車輛系統主動隔振和被動隔振的基本知識；掌握主動隔振和被動隔振的基本原理；掌握主動隔振和被動隔振效果的測量。

該實驗項目主要針對車輛動力學系統比較重要的懸掛系統基礎知識理論為目的而設計，通過該實驗項目的學習，學生能夠對車輛的懸掛系統工作基本理論有基本認識，能進一步地理解懸掛系統參數對車輛舒適度及平穩性性能指標的影響關系，同時可以激發學生針對改良車輛舒適度指標，而在結構設計上產生一些創新思維。

四、自主設計車輛動力學創新實驗平臺

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圖1 自主設計走行部關鍵部件預警監測實驗平臺

圖1所示為本課程建設項目自主設計的城市軌道交通車輛走行部關鍵部件預警監測和故障診斷創新實驗平臺。該平臺由四大系統組成：即信號發生器、多自由度振動硬件模擬系統、實時預警系統和特征值數據管理系統。信號發生器系統是為電磁激振器提供激勵信號，使得激振器的輸出滿足預期實驗要求；采用美國NI公司的多功能數據采集卡，利用與該數據采集卡配套的LabVIEW軟件完成數據采集、處理、分析、顯示、存儲等。電磁激振器可按給定的信號振動，因而可以更好的模擬軌道不平順性。可以將實測的軌道不平順數據經過AD模塊轉換為模擬信號，經功率放大器后，輸給激振器，激振器的輸出形式便和輸入保持一致。多自由度振動硬件模擬系統由下層結構垂向自由度，上層結構由垂向和側滾兩個自由度組成，并能根據不同的彈簧剛度和不同重量的結構件調整其姿態，使得靜止狀態下，上下層結構能處于水平狀態，使測試數據更真實。上層結構和L型自潤滑球頭桿端關節軸承的鏈接接頭功能如上。L型自潤滑球頭桿端關節軸承能同時滿足上層結構側滾和垂向運動。

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圖2 關鍵部件動力學創新試驗臺實物圖

通過該自主設計創新實驗臺，學生可以在此實驗臺上完成多項創新實驗，如：

a.車體振動舒適度檢測創新實驗；

b.城軌車輛懸掛系統故障診斷方法驗證創新實驗；

c.車輛動力學平穩性創新實驗；

d.小型化車輛動力學測試裝置創新實驗等。

五、結束語

“卓越計劃”下的城市軌道交通車輛動力學教學，在教學方法、教學內容和實踐能力培養上提出了更高的要求。良好的動力學實驗設計有助于學生動力學理論方面的理解，增強學生對于振動理論的掌握。通過自主創新實驗平臺的設計和使用可以提高學生的工程意識、工程素質和工程實踐能力，并且培養學生的創新科研能力，使創新能力與工程實踐進行融合，能有效地提高不同于鐵路車輛動力學的城市軌道車輛動力學課程的教學水平和教學質量。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 李培根.工程師教育培養該何以卓越[J].中國高等教育，2011（6）.

[2] 鄭樹彬，朱文良，方宇，等.“卓越計劃”下的城軌車輛專業工程教育課程體系創新設計[J].大學教育，2013（1）.

[3] 文永蓬，廖愛華，師蔚，等.“卓越計劃”下城軌車輛故障診斷與維修課程優化與創新[J].大學教育，2014（3）.

[4] 林健.基于工程教育認證的“卓越工程師教育培養計劃”質量評價探析[J].高等工程教育研究，2015（5）.

[5] 王東旭，馬修真，李玩幽.艦船動力“卓越計劃”培養模式探索[J].高等工程教育研究，2011（4）.

[責任編輯：鐘 嵐]