城轨车辆系统动力学“卓越计划”下课程实验设计与创新

尧辉明 余朝刚 文永蓬 郑树彬

[摘 要]“卓越计划”下城市轨道车辆系统动力学课程应达到一定的教学目标和教学水平。需要明确新形势下的课程教学方向，阐述本课程建设中的相关实验课程的设计、实验内容和实验要求。我校为该课程自主研发设计的车辆动力学创新实验平台，可以进行多项创新实验，为该课程的实验教学提供有效的解决方案。

[关键词]城轨车辆动力学 课程建设 实验设计 创新实验

[中图分类号] G642.423 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2015）08-0148-02

为切实贯彻和落实“卓越计划”中“大力改革课程体系和教学形式”的指导原则，依据城市轨道交通车辆工程专业的“卓越计划”培养标准，进行城市轨道交通领域的集成与创新，以强化实践能力、设计能力和创新能力为核心，重构城市轨道交通车辆系统动力学课程体系和实验教学方法，着力推动基于问题的学习、基于项目的学习、基于案例的学习等多种研究性学习方法。

一、城轨车辆系统动力学课程介绍

本课程是机械类城市轨道车辆专业的一门重要的专业特色基础课，其理论性强，与城轨工程生产实际有着密切的联系。本课程的理论教学和实验教学应注意培养学生以下能力。

（一）车辆动力学思维洞察力和科学思维力

通过对课程的学习能够从动力学角度分析车辆运动行为，能够从车辆运动动力学的角度，思考问题和解决问题。

（二）动力学建模分析问题的能力

能够阅读并理解各类动力学教材、参考书和动力学理论科技文献，具有不断地扩展知识面，获取新知的能力。能够从工程实际问题出发，明确问题导向目标，确定影响参变量，考虑约束条件，初步建立符合动力学基本规律的数学模型的能力，能够理解求解车辆系统动力学模型的基本方法。

（三）探索动力学规律的能力

能够使理论模型与实际问题相关联，并进行正确判断和依照动力学规律进行决策的素质。

二、“卓越计划”下本课程基本教学方向

结合“卓越计划”的特点，根据城轨车辆系统动力学课程对学生能力的培养要求，为培养面向城市轨道交通车辆工程设计以及维保专业工程人才，城轨车辆系统动力学课程体系必须不断优化，既要保证城市轨道交通车辆工程专业学生所学知识结构合理、基础扎实，具有较为明显的专业特色，又要体现满足学生个人需求，具有一定的延展性，适应城市轨道交通车辆发展需要的特点，突出培养学生创业本领、创新精神和实践能力，注重培养学生良好的工程素质。因此，城轨车辆动力学课程必须注意车辆工程、运营工程、交通工程以及通信工程等相关学科专业知识的交叉，拓宽学生的视野，避免完全按照企业的要求培养单一型应用人才。

为切实贯彻和落实“卓越计划”中“大力改革课程体系和教学形式”的指导原则，依据城市轨道交通车辆工程专业的“卓越计划”培养标准，进行城市轨道交通领域的集成与创新，以强化实践能力、设计能力和创新能力为核心，重构城市轨道交通车辆系统动力学课程体系和教学方法，着力推动基于问题的学习、基于项目的学习、基于案例的学习等多种研究性学习方法。

在车辆系统动力学学习中，注重引导学生思考动力学性能的改进如何影响到车辆的结构设计，如何运用动力学的理论来分析整体结构的动力学性能评价。通过案例的讲解、分析，引出学生激烈的讨论，并在讨论中引导学生的观点不偏离，启发学生对轮轨式车辆动力学机理思考，让学生树立正确的动力学思维方法和分析原则。通过这些师生互动，打破传统教学的灌输式，采用启发式教学方法让学生充分参与课程的讨论。

这些教学方法的创新，离不开高校和企业联合培养人才的机制，通过共同制订培养目标，共同建设课程体系和教学内容，共同实施培养过程，共同评价培养质量，采用理论与实际相结合、讲授与讨论相结合、课堂与现场相结合以及再回课堂的教学方法，让学生理论和实践综合获益，培养满足卓越计划要求的合格工程型人才，力争使动力学课程在教学方法上有所突破。

三、城轨车辆动力学课程实验项目设计

本课程由于其课程的特殊性，并没有专用的实验平台，只能针对目前课程的基本理论体系和市场上现有的实验设备进行相关联的实验项目设计。

通过对课程的理论知识体系进行分析与评价，针对实验教学的教学要求购置了两台振动动力学实验台。该实验台为基于传统机械振动课程设计的实验台，将城轨车辆系统动力学的相关内容转换成一定方式，而用常规的振动实验台来完成该课程的实验教学是实验项目设计的难点之一。

基于此，本课程设计了两个实验项目，包括车辆动力振动系统固有频率的测试与车辆动力系统的主动隔振实验和被动隔振实验等内容。

（一）实验项目一：振动系统固有频率的测试

实验内容：车辆振动系统固有频率的测试方法；车辆共振动法测试振动固有频率的原理与方法。实验要求：掌握车辆振动系统单自由度固有频率的测试方法；能够运用共振振动法测试振动固有频率。

该实验项目主要针对城轨车辆系统动力学振动的基本概念理论的巩固和深化学习而设计，通过该实验项目的学习，学生能够对车辆振动的振动形态基本参数概念有基本认识，能感性地感知振动对车辆的基本影响，同时也可以培养学生利用振动理论解决车辆动力学问题的基本素质。

（二）实验项目二：主动隔振实验和被动隔振实验

实验内容：车辆系统主动隔振和被动隔振的基本知识；车辆系统主动隔振和被动隔振的基本原理；车辆系统主动隔振和被动隔振效果的测量。实验要求：了解车辆系统主动隔振和被动隔振的基本知识；掌握主动隔振和被动隔振的基本原理；掌握主动隔振和被动隔振效果的测量。

该实验项目主要针对车辆动力学系统比较重要的悬挂系统基础知识理论为目的而设计，通过该实验项目的学习，学生能够对车辆的悬挂系统工作基本理论有基本认识，能进一步地理解悬挂系统参数对车辆舒适度及平稳性性能指标的影响关系，同时可以激发学生针对改良车辆舒适度指标，而在结构设计上产生一些创新思维。

四、自主设计车辆动力学创新实验平台

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图1 自主设计走行部关键部件预警监测实验平台

图1所示为本课程建设项目自主设计的城市轨道交通车辆走行部关键部件预警监测和故障诊断创新实验平台。该平台由四大系统组成：即信号发生器、多自由度振动硬件模拟系统、实时预警系统和特征值数据管理系统。信号发生器系统是为电磁激振器提供激励信号，使得激振器的输出满足预期实验要求；采用美国NI公司的多功能数据采集卡，利用与该数据采集卡配套的LabVIEW软件完成数据采集、处理、分析、显示、存储等。电磁激振器可按给定的信号振动，因而可以更好的模拟轨道不平顺性。可以将实测的轨道不平顺数据经过AD模块转换为模拟信号，经功率放大器后，输给激振器，激振器的输出形式便和输入保持一致。多自由度振动硬件模拟系统由下层结构垂向自由度，上层结构由垂向和侧滚两个自由度组成，并能根据不同的弹簧刚度和不同重量的结构件调整其姿态，使得静止状态下，上下层结构能处于水平状态，使测试数据更真实。上层结构和L型自润滑球头杆端关节轴承的链接接头功能如上。L型自润滑球头杆端关节轴承能同时满足上层结构侧滚和垂向运动。

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图2 关键部件动力学创新试验台实物图

通过该自主设计创新实验台，学生可以在此实验台上完成多项创新实验，如：

a.车体振动舒适度检测创新实验；

b.城轨车辆悬挂系统故障诊断方法验证创新实验；

c.车辆动力学平稳性创新实验；

d.小型化车辆动力学测试装置创新实验等。

五、结束语

“卓越计划”下的城市轨道交通车辆动力学教学，在教学方法、教学内容和实践能力培养上提出了更高的要求。良好的动力学实验设计有助于学生动力学理论方面的理解，增强学生对于振动理论的掌握。通过自主创新实验平台的设计和使用可以提高学生的工程意识、工程素质和工程实践能力，并且培养学生的创新科研能力，使创新能力与工程实践进行融合，能有效地提高不同于铁路车辆动力学的城市轨道车辆动力学课程的教学水平和教学质量。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 李培根.工程师教育培养该何以卓越[J].中国高等教育，2011（6）.

[2] 郑树彬，朱文良，方宇，等.“卓越计划”下的城轨车辆专业工程教育课程体系创新设计[J].大学教育，2013（1）.

[3] 文永蓬，廖爱华，师蔚，等.“卓越计划”下城轨车辆故障诊断与维修课程优化与创新[J].大学教育，2014（3）.

[4] 林健.基于工程教育认证的“卓越工程师教育培养计划”质量评价探析[J].高等工程教育研究，2015（5）.

[5] 王东旭，马修真，李玩幽.舰船动力“卓越计划”培养模式探索[J].高等工程教育研究，2011（4）.

[责任编辑：钟 岚]