城軌車輛系統(tǒng)動力學(xué)“卓越計劃”下課程實驗設(shè)計與創(chuàng)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(tǒng)動力學(xué)課程應(yīng)達到一定的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)水平。需要明確新形勢下的課程教學(xué)方向，闡述本課程建設(shè)中的相關(guān)實驗課程的設(shè)計、實驗內(nèi)容和實驗要求。我校為該課程自主研發(fā)設(shè)計的車輛動力學(xué)創(chuàng)新實驗平臺，可以進行多項創(chuàng)新實驗，為該課程的實驗教學(xué)提供有效的解決方案。

[關(guān)鍵詞]城軌車輛動力學(xué) 課程建設(shè) 實驗設(shè)計 創(chuàng)新實驗

[中圖分類號] G642.423 [文獻標(biāo)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(xué)形式”的指導(dǎo)原則，依據(jù)城市軌道交通車輛工程專業(yè)的“卓越計劃”培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，進行城市軌道交通領(lǐng)域的集成與創(chuàng)新，以強化實踐能力、設(shè)計能力和創(chuàng)新能力為核心，重構(gòu)城市軌道交通車輛系統(tǒng)動力學(xué)課程體系和實驗教學(xué)方法，著力推動基于問題的學(xué)習(xí)、基于項目的學(xué)習(xí)、基于案例的學(xué)習(xí)等多種研究性學(xué)習(xí)方法。

一、城軌車輛系統(tǒng)動力學(xué)課程介紹

本課程是機械類城市軌道車輛專業(yè)的一門重要的專業(yè)特色基礎(chǔ)課，其理論性強，與城軌工程生產(chǎn)實際有著密切的聯(lián)系。本課程的理論教學(xué)和實驗教學(xué)應(yīng)注意培養(yǎng)學(xué)生以下能力。

（一）車輛動力學(xué)思維洞察力和科學(xué)思維力

通過對課程的學(xué)習(xí)能夠從動力學(xué)角度分析車輛運動行為，能夠從車輛運動動力學(xué)的角度，思考問題和解決問題。

（二）動力學(xué)建模分析問題的能力

能夠閱讀并理解各類動力學(xué)教材、參考書和動力學(xué)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(fā)，明確問題導(dǎo)向目標(biāo)，確定影響參變量，考慮約束條件，初步建立符合動力學(xué)基本規(guī)律的數(shù)學(xué)模型的能力，能夠理解求解車輛系統(tǒng)動力學(xué)模型的基本方法。

（三）探索動力學(xué)規(guī)律的能力

能夠使理論模型與實際問題相關(guān)聯(lián)，并進行正確判斷和依照動力學(xué)規(guī)律進行決策的素質(zhì)。

二、“卓越計劃”下本課程基本教學(xué)方向

結(jié)合“卓越計劃”的特點，根據(jù)城軌車輛系統(tǒng)動力學(xué)課程對學(xué)生能力的培養(yǎng)要求，為培養(yǎng)面向城市軌道交通車輛工程設(shè)計以及維保專業(yè)工程人才，城軌車輛系統(tǒng)動力學(xué)課程體系必須不斷優(yōu)化，既要保證城市軌道交通車輛工程專業(yè)學(xué)生所學(xué)知識結(jié)構(gòu)合理、基礎(chǔ)扎實，具有較為明顯的專業(yè)特色，又要體現(xiàn)滿足學(xué)生個人需求，具有一定的延展性，適應(yīng)城市軌道交通車輛發(fā)展需要的特點，突出培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)業(yè)本領(lǐng)、創(chuàng)新精神和實踐能力，注重培養(yǎng)學(xué)生良好的工程素質(zhì)。因此，城軌車輛動力學(xué)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(guān)學(xué)科專業(yè)知識的交叉，拓寬學(xué)生的視野，避免完全按照企業(yè)的要求培養(yǎng)單一型應(yīng)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(xué)形式”的指導(dǎo)原則，依據(jù)城市軌道交通車輛工程專業(yè)的“卓越計劃”培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，進行城市軌道交通領(lǐng)域的集成與創(chuàng)新，以強化實踐能力、設(shè)計能力和創(chuàng)新能力為核心，重構(gòu)城市軌道交通車輛系統(tǒng)動力學(xué)課程體系和教學(xué)方法，著力推動基于問題的學(xué)習(xí)、基于項目的學(xué)習(xí)、基于案例的學(xué)習(xí)等多種研究性學(xué)習(xí)方法。

在車輛系統(tǒng)動力學(xué)學(xué)習(xí)中，注重引導(dǎo)學(xué)生思考動力學(xué)性能的改進如何影響到車輛的結(jié)構(gòu)設(shè)計，如何運用動力學(xué)的理論來分析整體結(jié)構(gòu)的動力學(xué)性能評價。通過案例的講解、分析，引出學(xué)生激烈的討論，并在討論中引導(dǎo)學(xué)生的觀點不偏離，啟發(fā)學(xué)生對輪軌式車輛動力學(xué)機理思考，讓學(xué)生樹立正確的動力學(xué)思維方法和分析原則。通過這些師生互動，打破傳統(tǒng)教學(xué)的灌輸式，采用啟發(fā)式教學(xué)方法讓學(xué)生充分參與課程的討論。

這些教學(xué)方法的創(chuàng)新，離不開高校和企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)人才的機制，通過共同制訂培養(yǎng)目標(biāo)，共同建設(shè)課程體系和教學(xué)內(nèi)容，共同實施培養(yǎng)過程，共同評價培養(yǎng)質(zhì)量，采用理論與實際相結(jié)合、講授與討論相結(jié)合、課堂與現(xiàn)場相結(jié)合以及再回課堂的教學(xué)方法，讓學(xué)生理論和實踐綜合獲益，培養(yǎng)滿足卓越計劃要求的合格工程型人才，力爭使動力學(xué)課程在教學(xué)方法上有所突破。

三、城軌車輛動力學(xué)課程實驗項目設(shè)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(xiàn)有的實驗設(shè)備進行相關(guān)聯(lián)的實驗項目設(shè)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(xué)的教學(xué)要求購置了兩臺振動動力學(xué)實驗臺。該實驗臺為基于傳統(tǒng)機械振動課程設(shè)計的實驗臺，將城軌車輛系統(tǒng)動力學(xué)的相關(guān)內(nèi)容轉(zhuǎn)換成一定方式，而用常規(guī)的振動實驗臺來完成該課程的實驗教學(xué)是實驗項目設(shè)計的難點之一。

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

（一）實驗項目一：振動系統(tǒng)固有頻率的測試

實驗內(nèi)容：車輛振動系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)動力學(xué)振動的基本概念理論的鞏固和深化學(xué)習(xí)而設(shè)計，通過該實驗項目的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠?qū)囕v振動的振動形態(tài)基本參數(shù)概念有基本認(rèn)識，能感性地感知振動對車輛的基本影響，同時也可以培養(yǎng)學(xué)生利用振動理論解決車輛動力學(xué)問題的基本素質(zhì)。

（二）實驗項目二：主動隔振實驗和被動隔振實驗

實驗內(nèi)容：車輛系統(tǒng)主動隔振和被動隔振的基本知識；車輛系統(tǒng)主動隔振和被動隔振的基本原理；車輛系統(tǒng)主動隔振和被動隔振效果的測量。實驗要求：了解車輛系統(tǒng)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(xué)系統(tǒng)比較重要的懸掛系統(tǒng)基礎(chǔ)知識理論為目的而設(shè)計，通過該實驗項目的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠?qū)囕v的懸掛系統(tǒng)工作基本理論有基本認(rèn)識，能進一步地理解懸掛系統(tǒng)參數(shù)對車輛舒適度及平穩(wěn)性性能指標(biāo)的影響關(guān)系，同時可以激發(fā)學(xué)生針對改良車輛舒適度指標(biāo)，而在結(jié)構(gòu)設(shè)計上產(chǎn)生一些創(chuàng)新思維。

四、自主設(shè)計車輛動力學(xué)創(chuàng)新實驗平臺

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圖1 自主設(shè)計走行部關(guān)鍵部件預(yù)警監(jiān)測實驗平臺

圖1所示為本課程建設(shè)項目自主設(shè)計的城市軌道交通車輛走行部關(guān)鍵部件預(yù)警監(jiān)測和故障診斷創(chuàng)新實驗平臺。該平臺由四大系統(tǒng)組成：即信號發(fā)生器、多自由度振動硬件模擬系統(tǒng)、實時預(yù)警系統(tǒng)和特征值數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。信號發(fā)生器系統(tǒng)是為電磁激振器提供激勵信號，使得激振器的輸出滿足預(yù)期實驗要求；采用美國NI公司的多功能數(shù)據(jù)采集卡，利用與該數(shù)據(jù)采集卡配套的LabVIEW軟件完成數(shù)據(jù)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?？梢詫崪y的軌道不平順數(shù)據(jù)經(jīng)過AD模塊轉(zhuǎn)換為模擬信號，經(jīng)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(tǒng)由下層結(jié)構(gòu)垂向自由度，上層結(jié)構(gòu)由垂向和側(cè)滾兩個自由度組成，并能根據(jù)不同的彈簧剛度和不同重量的結(jié)構(gòu)件調(diào)整其姿態(tài)，使得靜止?fàn)顟B(tài)下，上下層結(jié)構(gòu)能處于水平狀態(tài)，使測試數(shù)據(jù)更真實。上層結(jié)構(gòu)和L型自潤滑球頭桿端關(guān)節(jié)軸承的鏈接接頭功能如上。L型自潤滑球頭桿端關(guān)節(jié)軸承能同時滿足上層結(jié)構(gòu)側(cè)滾和垂向運動。

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圖2 關(guān)鍵部件動力學(xué)創(chuàng)新試驗臺實物圖

通過該自主設(shè)計創(chuàng)新實驗臺，學(xué)生可以在此實驗臺上完成多項創(chuàng)新實驗，如：

a.車體振動舒適度檢測創(chuàng)新實驗；

b.城軌車輛懸掛系統(tǒng)故障診斷方法驗證創(chuàng)新實驗；

c.車輛動力學(xué)平穩(wěn)性創(chuàng)新實驗；

d.小型化車輛動力學(xué)測試裝置創(chuàng)新實驗等。

五、結(jié)束語

“卓越計劃”下的城市軌道交通車輛動力學(xué)教學(xué)，在教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和實踐能力培養(yǎng)上提出了更高的要求。良好的動力學(xué)實驗設(shè)計有助于學(xué)生動力學(xué)理論方面的理解，增強學(xué)生對于振動理論的掌握。通過自主創(chuàng)新實驗平臺的設(shè)計和使用可以提高學(xué)生的工程意識、工程素質(zhì)和工程實踐能力，并且培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新科研能力，使創(chuàng)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(xué)的城市軌道車輛動力學(xué)課程的教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 李培根.工程師教育培養(yǎng)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(yè)工程教育課程體系創(chuàng)新設(shè)計[J].大學(xué)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(yōu)化與創(chuàng)新[J].大學(xué)教育，2014（3）.

[4] 林健.基于工程教育認(rèn)證的“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”質(zhì)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(yǎng)模式探索[J].高等工程教育研究，2011（4）.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]