浅谈软件Inventor在煤矿甩车场课程设计教学中的应用

吴绍贵 杜平 单忠刚 周明杰 张立新

[摘 要] 以煤矿甩车场计算的数据，用三维立体软件Inventor绘制该动态立体图，进行课程设計教学，能明显促进学生理解设计，加快设计，并提高设计质量，它是高职高专煤矿开采专业教学方法上的一项创新应用。

[关 键 词] 高职高专；三维软件Inventor；煤矿甩车场；教学应用

[中图分类号] TD822 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）18-0196-02

一、引言

高职高专五年制煤矿开采专业的学生，生源是初中毕业生，立体想象能力还不够强，对煤矿甩车场这种复杂立体设计感觉很难。事实上，对这种设计如何取得好的教学效果，在本科教育也一直是个难题，需要突破。针对这一情况，我院积极进行了教学方法的改进，即把平面图教学方式改为动态立体图教学，教学效果取得了显著提高。现浅谈一下我院利用Inventor软件在这种课程设计方面的应用，希望有所启发，利于推广。

二、Inventor简介

Inventor软件是美国AutoDesk公司推出的一款三维可视化实体模拟软件，全称叫Autodesk Inventor Professional（AIP）。它具有运动仿真、布管设计、线束设计、CAD集成、零件设计、钣金设计、装配设计、工程图、数据管理等功能，它与AutoCAD同属AutoDesk公司出品，两者具有兼容性。

三、绘制三维立体图的过程

（一）思路

根据甩车场已知要求，精确计算出绘制立体图的尺寸和角度数据，然后以软件Inventor绘制该图。

（二）已知：某采区年产55万吨，轨道上山β=23度，中部车场决定采用一次回转石门式甩车场，轨型22 kg/m，甩车用5号单开道岔，α1=11°18′36″，a1=3768，b1=4232；分车用4号单开道岔，α2=14°02′10″，a2=3462，b2=3588，空重车轨中心轨S=1900 mm，存车线长1.5列车，存车线里端用4号道岔。

（三）计算

单位用毫米、度。长度精确到0.1毫米。度数精确到0.01度；

计算式字符外加“（ ）”，表示在水平面投影长度或角度；

字符外加“< >”，表示在立面投影长度或角度；

字符下标“夹”，表示空间线段与立面图的夹角。

1.角度计算：

（1）α1=11°18′36″=11.31°

（2）α2=14°02′10″=14.04°

（3）δ=α1+α2=25.35°

（4）一次伪角：β1=sin-1（sinβcosα1）=22.53°

（5）二次伪角：β2=sin-1（sinβcosδ）=20.68°

（6）α1在平面投影角：（α1）=θ1=tg-1（tgα1/cosβ）=12.26°

（7）δ在平面投影角：（δ）=θ2=tg-1（tgδ/cosβ）=27.23°

（8）α2在平面投影角：（α2）=θ2-θ1=14.97°

（9）采区上山岔心以下部分线路在立面投影倾角为：<β>=tg-1（tgβ/cosθ1）=23.48°

（10）采区上山岔心以下部分线路与立面投影夹角为：α1夹= tg-1（tgθ1·cos<β>）=11.27°

（11）二次伪角β2在立面投影倾角：<β2>=tg-1[tgβ2/cos（θ2-θ1）]=21.34°

（12）二次伪斜线路在立面投影夹角：α2夹=tg-1[tg（θ2-θ1）·cos<β2>]=13.99°

2.尺寸计算：

（1）第一到第二道岔范围参数计算

a1=3768.0

（a1）=a1·cosβ=3468.5

=b1·cosα1夹=4150.4

=b2·cosα2夹=3481.6

m1=S/[sin（θ2-θ1）·cosβ2]=7862.0

=m1·cosα2夹=7628.9

（m1）=m1·cosβ2=7355.4

m2=S/[tg（θ2-θ1）·cosβ1]=7692.9

（m2）=m2·cosβ1=7105.8

Tx=Rx·tg（α2 /2）=9000·tg（14.04°/2）=1107.9（Rx取9000；Tx+b2=4696

（Tx）β1=Tx·cosβ1=1023.4

（Tx）β2=Tx·cosβ2=1036.6

Kpx=πRxα2/180=2205.4

（2）线段取值

Tx与lG之间取d=0

（3）高、低道竖曲线范围参数计算

lG=RG（sinβ1-sinγG）=4466.0（RG取12000；iG取11‰）

hG=RG（cosγG-cosβ1）=915.1

TG=RG·tg[（β1-γG）/2]=2321.7

KPSG=πRG（β1-γG）/180=4586.7

lD=RD（sinβ1+sinγD）=3529.5（RD取9000；iD取9‰）

hD=RD（cosγD-cosβ1）=686.5

TD=RD·tg[（β1+γD）/2]=1834.8

KPSD=πRD（β1+γD）/180=3620.0

（4）求L3

取H=500，d=0，由高低道高度循环一圈∑△H=0有：

H+hG+d·sinβ1+Tx·sinβ1+m1·sinβ2+m2·sinβ1-L3·sinβ1-hD=0 則：L3=2562.6

（5）求L1

L1=NC+CAD=AGC·sinβ1+CB/sinβ1=S·tgθ1·tgβ1·sinβ1+（△h-AGC）/sinβ1=S·tgθ1·tgβ1·sinβ1+（hG+H-hD-S·tgθ1·tgβ1）/sinβ1=1520.2

（6）求L2

BAD+lD-L2-lG=0，把RG、H当作变量，其他取原值，得：

L2=CAD·cosβ1+lD-lG=（hG+H-hD-S·tgθ1·tgβ1）ctgβ1+lD-lG

=RG[（costg-1iG-cosβ1）ctgβ1-（sinβ1-sinγG）]+Hctgβ1+1461.7

=2.4106H-0.1884RG+1461.7（试代入H=500，RG=12000）

=406.6（L2≤1～2m，合理）

（7）高、低道自溜水平长度LG、LD计算

设高道起坡点高为x，低道起坡点高为y，则：

由H=x+y=LGtgγG+（LG-L2）tgγD得：

LG=（H+L2tgγD）/（tgγG+tgγD）=25183.0

LD=LG-L2=24776.4

（四）绘图

根据计算所得值，绘制三维动态立体图，截图如下：

四、动态立体图教学优势

有史以来，在煤矿开采专业课程设计教学中，结构复杂、形态曲折的立体甩车场一直用二维图形表达，即使采用了多媒体教学，也没有改变这种图示教学方式。面对这种图形，学生挺难想象、解理和准确把握甩车场真实空间结构，而做不到这一点，对甩车场要想准确计算，并绘出图来，更是无从谈起，这就直接影响了设计速度和质量，由于这种教学手段落后，教学效果自然不好。

但采用由Inventor软件制作的甩车场动态三维立体图进行教学，效果就不一样了。在功能上，对动态三维立体图所表达的甩车场空间结构，不但可以手动旋转全方位观察，而且可以停在任意角度，扩大图形观看细节。学生若仍有疑问，教师可以再就图进行方便的解答。如此，既能激发学生的学习兴趣，也使教学难点深入浅出。

五、应用该软件可能遇到的问题

（一）该软件对多媒体计算机硬件配置要求较高

Inventor软件占用空间10G，需要计算机64位，内存至少8G，应采用独立显卡。计算机低于该配置，安装和运行就可能太慢，甚至卡死。因此，该软件对多媒体计算机硬件要求比较高。

（二）对该软件使用的技巧需要进一步总结经验

由于软件Inventor是为机械设计而生，把它用在煤炭开采专业课程设计教学中，是首创性“移植”应用。有的功能因此变得不常用，而有的功能则变得经常使用，对此我们尚有一些认识不足，需要进一步总结经验，以提高软件使用效率。

（三）煤矿开采专业教师会用该类软件的还太少

当前高职高专类院校的煤矿开采等专业教师，对本专业历来擅长，但对Inventor这类在各行业逐渐兴起的三维立体软件能熟练使用的相对太少，为了使用这种先进教学方式，院校宜鼓励他们多接受这类软件的培训和应用经验交流。

六、小结

煤矿甩车场设计是煤矿最常见的技术工作，掌握该设计的过程和要领，是高职高专煤矿开采专业学生的必备技能。然而，在以往专、本科教学效果上一直不理想，对五年制学生来说，问题尤其突出。它既有甩车场空间结构确实较复杂的原因，同时有传统教学方法落后的问题。通过我院对Inventor软件的引用和实践教学，已确实感受到了该教学方法，在效果上非常显著。它不仅解决了教师一直以来在该种教学上的困扰，也受到了学生欢迎，同时受到了该专业现场工程技术人员的广泛赞誉。它是对传统教学方法的创新。

该教学方法也可以根据实际需要应用到其他专业，具有借鉴推广价值。

参考文献：

[1]吴志羲，汪景武，高文礼.煤矿矿井采矿设计手册[M].北京：煤炭工业出版社，1991.

[2]张荣立，何国纬，李铎.采矿工程设计手册[M].北京：煤炭工业出版社，2013.

[3]贾雪艳，涂嘉.Inventor从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2016.

[4]时培德.Autodesk Inventor认证工程师成长之路丛书[M].北京：电子工业出版社，2016.

[5]国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社，2016.