三维制图在“矿物加工机械”教学中的应用

摘 要：“矿物加工机械”是矿物加工工程专业重要的必修课,内容涉及相关机械设备的用途、结构、原理和理论.随着社会科学技术的不断进步和教学资源的改善,课堂教学方式也应与时俱进,将现代的三维实体建模计算机技术引进了教学课堂,使学生能够多视角认识机械设备,模拟其运动规律和力学特性.经过三年多的实践表明：这一辅助教学手段不仅增强了学生对“矿物加工机械”的学习兴趣,而且对学生掌握设备的相关知识有很大帮助.

关 键 词：矿物加工机械；三维模型图；辅助教学

作者简介：王新文（1961-）,男,河北唐山人,中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院,副教授；孙海洋（1988-）,男,河南禹州人,中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院硕士研究生.（北京100083）

中图分类号：G642.41文献标识码：A文章编号：1007-0079（2014）02-0139-02

“矿物加工机械”是矿物加工专业的必修课,内容主要是矿物加工过程涉及的机械设备的用途、结构、原理和理论,这些机械设备是矿物加工过程中矿物的载体,对其加工产品的质和量有着非常重要的影响.

近年来,随着我国国民经济的飞速发展,作为我国第一大能源,煤炭的消耗量大幅增加,选煤行业也经历了一个快速发展时期,大型选煤厂不断出现,国产选煤设备远不能满足要求,不得不从国外进口大型、可靠、高性能设备.中国矿业大学（北京）的教材来不及更新和充实,这方面内容相对落后.

再者,随着我现代化企业的建立,安全生产和环保意识的不断加强,选煤厂的安全防护和防尘等级不断提高,有关措施得到有效落实,运动部件都安装了安全防护罩,物料的转接点等起尘处都装有防尘密封或集尘罩,学生参观实习只是表观印象,对内部结构认识模糊不清,近些年,学生的现场实习收获有下降的趋势.[1,2]

为了确保学生掌握矿物加工机械的专业知识和新设备、新技术,在教学中,采用SolidWorks软件,将多种设备绘制成三维模型,采用动画演示和模拟等辅助教学手段,收到了很好的效果.

一、内部结构的多视角展示

矿物加工机械的学习,主要是三个方面的内容：一是设备的用途,二是设备的结构,三是设备的工作原理和相关理论.以前的教学主要以口述、文字、平面视图和视频资料等方式来授课,要搞清楚设备的内部结构和配合关系,只能靠复杂的平面视图反复研究.在有限的课时内教师很难讲明白,学生也很难听明白,这一点师生们都深有体会.

由于立体模型图具有的直观实体特性,适合于不同层次的人群之间相互交流,所以,越来越多地受到人们的关注.[3]对于机械设备的结构授课来说,教师演示学生观看,几乎不要求学生机械（工程）平面制图的视图功底,人人都能看懂.利用3600旋转模型图,比在车间内用吊车翻转观看还随意、快速,弥补了学生在选煤厂只能看到设备的上部外观,不能看到设备底面的不足；无论在选煤厂还是设备制造厂,设备是不可能切开观看的,利用三维模型教学,可以任意处剖分视图,显示设备内部结构,零部件之间的配合关系一目了然；学生自己动手“拆装设备”,在选煤厂,设备是不会让学生拆装的,即使在制造厂的装配车间,设备的装配是既费时又费力的过程,不可能装完拆,拆完再装.利用三维模型图,可以反复进行零部件的拆装和配合演示,具有省时省力、多视角和重复性观看等优点,能够加深学生对设备结构的印象,给学生认识设备的原理和理论打下坚实的结构基础.

二、机械传动的模块动画演示

矿物加工机械中,有些设备的部件传动原理比较复杂,教师不易讲清楚,学生也难以理解.例如,煤泥脱水设备的刮刀离心机,其关键传动部件是摆线差速器,利用该差速器分别带动筛篮和螺旋刮刀,把筛篮中的已脱水的煤炭输送出来.但是,学生的基础课中没有接触过差速器的概念,传统的教学方式是利用周转轮系讲解差速器.周转轮系是机械原理中比较复杂的部分,矿物加工专业的学生一般不讲.所以,学生中能够听懂的寥寥无几,大部分学生反应似懂非懂,理解起来非常抽象,完全理解差速器的计算公式更无从谈起.多年来,一直在寻找一种让学生容易理解的教学方法.

将摆线差速器绘制成三维实体模块图,剖分其内部结构,利用软件功能将针齿与摆线配合,给输入轴和壳体施加不同转速,学生不仅能够观察到针齿和摆线的啮合运动,还能观察到壳体、输入轴和输出轴之间的转动关系,并与针齿齿数联系起来,很容易理解差速比的计算公式.利用差速器传动模块的演示,使抽象公式变成了具体的运动,不仅帮助学生理解差速原理及公式,而且对加强知识的记忆有很强的感官刺激.

三、力学模型的振动模拟

振动机械在矿物加工机械中举足轻重,有很多作业是在振动床面上完成的.人们普遍认为,振动设备无论是设计、制造和振动理论都比较复杂,学生应该掌握以下几个方面的重要知识点：

第一,振动利用与隔离振动的矛盾统一.在工程实际中,一方面要利用振动来完成某种作业,另一方面振动对基础和附近人们生活会带来不利,应使振动对外传递尽量小,必须采取隔离的方式.在实际工作中,振动与隔振是对立统一、相互并存的一对矛盾,振动机械的利用就是要解决这一矛盾.

第二,搞清内部结构联系,找出弹性元件和质量归属范围,建立正确的力学模型.振动设备的一个重要知识点是力学模型的建立,而力学模型的建立必须搞清设备的内部结构,理顺各个零部件之间的关系,找出弹性元件并以此划分质量归属范围,确定振动系统的质体数量.

第三,模拟设备振动的幅度,为实际工程作业怎么写作.振动幅度的大小是振动设备最重要的指标之一,直接影响振动床上物料的运动,进而决定产品的质和量,是学生学习的重点.例如,工程中广泛应用的振动筛,振幅太小物料活跃程度不够,就不能完成好筛分作业,振幅太大物料跳跃过高过远,也会使筛分质量恶化,过大的振幅有时会使振动筛造成严重破坏,致使筛分作业不能进行.所以,合理利用振动筛的振幅,使其既能满足作业要求,又能可靠地运行是非常必要的.在课堂上,利用已建立的力学模型——弹簧质量系统,在质量块上施加正弦激振力,该质量块就会振动起来,并可观测到振动幅度的大小；激振力大小不变,改变激励频率时,振幅会随之而变化,使同学们清楚地看到近共振、共振和远共振的振动情形.这样再讲解振动的幅频特性曲线,学生就能够深刻领会其物理含义.

四、课堂上模拟拉力试验机

有些机械设备常常要进行薄弱环节的强度校核,以确定设备运行是否安全可靠.例如,刮板输送机是用于煤炭的运输设备,其薄弱环节是圆环链,为了防止断链造成事故,必须对刮板链的强度进行演算,常规的校核方法是：计算链条的运行阻力,确定最大张力点,计算圆环链的破断力是最大张力的多少倍——安全系数.当安全系数大于3时,即为可靠.学生对链轮轮齿和圆环链哪个相对更薄弱?为什么不验算链轮的轮齿的强度?安全系数大于3时,链条的安全程度又如何?学生理解起来感觉是表面,没有从根本上理解.

建立了刮板输送机的三维立体模型后,将链条和链轮配合,尾轮约束固定,头轮由小到大施加扭矩,可以看出,链条的应力比链轮轮齿的应力大的多,进一步增加扭矩,会发现链条首先达到强度极限.因此,学生清楚地看到链条是该运输系统的薄弱环节,这就是只校核链条强度的理由.

另一方面,将链条的一端固定,在另一端由小到大施加拉力,当链条应力达到强度极限时,该拉力即为链条的破断拉力,这样学生们在课堂上就进行了在拉力试验机上的实验,对圆环链的破断力以及圆环的那个部位应力最大有了具体认识和深刻印象.

将链条的实际拉力降低到破断力的1/3以下,同学们看到了实际链条应力的大小变化,使学生对安全系数的理解,经过了从抽象到具体、从感性到理性的认识过程.

五、激发学生学习热情,在学习中提高建模和运算能力

现代大学生愿意和容易接受新事物,尤其是计算机方面的新知识,具有强烈的渴望和求知欲,并有着独特的敏感和接纳意识.课堂上以三维立体模型教学,形式生动新颖,增强学生对本专业学习兴趣.同时,组织学生利用课余时间,学习、交流和提高三维建模及利用开发的能力,培养学生现代化计算机绘图的时代意识,为以后实际工作打下一定的新时代技术基础.

第一,根据学生的爱好,联系矿物加工实际,组织建模比赛,激发学生的学习兴趣.利用SolidWorks、UG等三维制图软件,制作专项设计模型,在比赛中,交流学习心得体会,互帮互学,学生们在完成设计目标的同时,又锻炼了自己的制图技能.

第二,利用软件模拟功能,培养学生模拟创新意识.现代大学生,思维活跃、敏捷、宽阔,有很强烈的创新意识,利用三维制图技术,建立创新性模型,可进行反复修改优化和运动模拟,学生们的创新意识得以实现,不仅省时省力,还节省创新成本.

第三,以模型作为媒介,促进机械设计相互交流.矿物加工专业的学生,比起机械类学科的学生,平面制图和视图基础较差,与工厂技术人员用平面视图的交流,有时会出现工程语言偏差,导致制造出的产品与本人设计思想不一致的情况.现在,学生首先用三维模型进行交流,再由立体图转化为平面图,就避免了工程语言的交流错误,准确表达设计者的意图.

六、总结

随着社会科学技术的进步,尤其是计算机绘图的普及和发展,课堂教学手段和方式也要与时俱进.作为教学手段的补充,“矿物加工机械”采用了三维模型及动画模拟辅助教学,使学生能够多视角观看设备内部结构和配合关系、动态认识设备的运动规律和实时模拟零部件的力学特性,对学生学习本课程有关设备的用途、结构、原理和理论均有很大帮助,深受广大师生的欢迎.