淺析機(jī)械式吸塵黑板擦的設(shè)計(jì)與制作

【摘要】自教育誕生以來，粉筆和黑板就是作為傳統(tǒng)的主要教學(xué)工具而延傳至今，它們對人類的教育事業(yè)與社會的發(fā)展起到了積極促進(jìn)作用。但由于粉筆在使用過程中會生成大量粉塵，嚴(yán)重影響著廣大師生們的身體健康，針對這種情況，現(xiàn)研究了一種可以自動吸塵的機(jī)械式黑板擦，利用小型電動機(jī)以及相關(guān)齒輪傳動機(jī)構(gòu)，可以對粉塵自動收集，利用Pro/E進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真，驗(yàn)證其工作的可行性，此裝置能避免粉塵飛揚(yáng)，從而有效地保護(hù)了師生們的健康。

【關(guān)鍵詞】黑板擦；齒輪機(jī)構(gòu)；運(yùn)動仿真；自動吸塵

引言

[1]根據(jù)國家有關(guān)報(bào)告2006年統(tǒng)計(jì)資料顯示：我國教師每年因上課吸入的粉筆灰約200克/人，患肺部疾病、癌癥的約20%/年。由此可見教學(xué)中的粉筆灰對廣大師生的身體健康影響甚大。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國家也開始投入越來越多的資金來改善教學(xué)環(huán)境，提倡多媒體教學(xué)，創(chuàng)造綠色教育。盡管如此，因?yàn)榉酃P的使用簡單，價(jià)格便宜，方便快捷等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)代教學(xué)中依然大量使用著粉筆，所以無法從根本上解決粉塵對師生健康的危害。為此從研究黑板檫的功能出發(fā)，找到突破口，通過改變黑板擦內(nèi)部結(jié)構(gòu)，利用兩個(gè)小型電動機(jī)作為驅(qū)動裝置，通過一系列齒輪傳動機(jī)構(gòu)，在擦黑板的過程中自動將粉塵吸入。

1、工作原理

機(jī)械式黑板擦之所以能夠自動吸塵，主要運(yùn)用了相關(guān)的物理知識，在黑板擦體內(nèi)配置有兩個(gè)功率20w的小型的電動機(jī)，裝入電池后，啟動開關(guān)，電動機(jī)帶動葉片以大約400轉(zhuǎn)/秒的轉(zhuǎn)速工作，此時(shí)在殼體內(nèi)將產(chǎn)生較強(qiáng)的吸力和壓力，[2]在吸力和壓力的作用下，風(fēng)葉片后端的空氣快速排出，而其前端空氣不斷地補(bǔ)充流出的空氣，致使黑板擦內(nèi)部產(chǎn)生瞬時(shí)真空，和外界大氣壓形成負(fù)壓差，在此壓差的作用下，吸入含粉塵的空氣，然后在黑板擦的背部殼體中被過濾。

2、吸塵裝置方案設(shè)計(jì)分析

該自動吸塵黑板擦外殼采用ABS塑料，擦拭黑板部分采用含絨布的復(fù)合材料，該材料要求不僅擦拭效果良好，同時(shí)通氣性能也較高，便于將粉塵吸進(jìn)，中間則將安裝有電動機(jī)的版塊固定好，然后便是粉塵過濾裝置，該材料不僅要求通風(fēng)性能良好，還要保證不能讓粉塵通過，為此選用雙層海綿，將吸進(jìn)黑板擦的粉塵固定于其中，并且殼體背部多孔，便于氣體流通；以上便是該裝置相關(guān)材料的設(shè)計(jì)及選定。

下面將從其原理出發(fā)，進(jìn)行設(shè)計(jì)分析：電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動螺旋葉片轉(zhuǎn)動，做一個(gè)簡單生動的比較，能夠吸住一些幾乎不存在重量的灰塵與一枚硬幣的區(qū)別，實(shí)質(zhì)上僅僅在于吸取一枚硬幣的時(shí)候，在單位時(shí)間，單位面積內(nèi)流通過的氣體分子量需要更多，吸力的主要作用就是在吸取物體時(shí)通過克服阻力，以獲得足夠的氣量通過毛氈，而較為合適的吸力（壓力）值通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)確定，具有以下規(guī)律：

（1）[3]風(fēng)量最大的時(shí)候吸塵裝置的螺旋葉片高速旋轉(zhuǎn)，排出的空氣比吸進(jìn)的空氣多，因此葉片后部產(chǎn)生負(fù)壓，負(fù)壓將粉塵吸進(jìn)板擦體內(nèi)，通過雙層海綿被吸附過濾，螺旋葉片的后部是吸入，前部是排出，效率較高；

（2）隨著螺旋葉片轉(zhuǎn)速提高，在板擦體內(nèi)產(chǎn)生的真空度也隨著增加，但是吸塵效率卻逐漸降低；

由上訴兩點(diǎn)規(guī)律可知道，在進(jìn)行裝置方案設(shè)計(jì)時(shí)并不需要計(jì)算出吸力是多少，最佳吸力是通過實(shí)驗(yàn)測出，一般來說這個(gè)大氣壓值在負(fù)0.03MPa至負(fù)0.02MPa之間就較為理想，當(dāng)壓力進(jìn)一步增加或降低的時(shí)候，吸塵效率反而會降低。（如圖2-1所示）

3、方案設(shè)計(jì)難點(diǎn)探析

自動吸塵黑板擦主要是基于傳統(tǒng)黑板擦的不足加以改進(jìn)，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部新增電動機(jī)，[4]利用螺旋葉片轉(zhuǎn)動產(chǎn)生局部負(fù)壓（真空），在擦拭黑板的時(shí)候?qū)⒎蹓m自動吸入，從方案設(shè)計(jì)到材料的篩選，在完成該裝置的過程中，主要存在一下幾個(gè)下方面的難點(diǎn)：

（1）擦拭布料及過濾處材料的選擇

在該裝置中擦拭布是作為粉塵吸入的進(jìn)口，首先需要保持傳統(tǒng)黑板擦優(yōu)良的擦拭能力，能有效的擦除黑板上的粉筆字跡，同時(shí)還得具有一定的疏密程度，以便保證粉塵能順利吸入，另外在含有大量粉塵的氣流通過黑板擦背部外殼時(shí)，必須保證粉塵能被有效的吸附過濾掉，這樣才能到達(dá)除塵功效，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，綜合考慮價(jià)格，耐用度等各方面因素，最終確定擦拭布料為含10%羊毛，70%絨布，20%其它的復(fù)合材料，背部過處采用100%海綿材料；（如右圖3-1所示）

（2）裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該裝置因?yàn)樾略隽穗妱訖C(jī)作為吸塵動力源，為此需要在傳統(tǒng)的黑板擦上面做相應(yīng)的結(jié)構(gòu)改變，將兩個(gè)小型電動機(jī)安置在黑板擦內(nèi)部，增加黑板擦的原始高度，以便容納電動機(jī)和電池；但同時(shí)因?yàn)殡妱訖C(jī)長期工作在粉塵較多的環(huán)境中，散熱以及除塵也需要綜合考慮，經(jīng)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，發(fā)現(xiàn)在電動機(jī)四周包裹上一層厚度約3毫米的海綿后，在正常工作時(shí)間長度內(nèi)，不僅能有效減少粉塵進(jìn)入機(jī)體，而且對于熱量的散失也不會存在較大阻礙，一般3-4天清洗一次便能保持良好的除塵性能；（如圖3-2所示）

4、結(jié)論

通過上述相關(guān)設(shè)計(jì)與分析，完成了基于傳統(tǒng)黑板擦的功能改進(jìn)，通過Pro/E三維繪圖軟件進(jìn)行了運(yùn)動模擬仿真，驗(yàn)證了其工作的可行性，盡管現(xiàn)代科技飛躍發(fā)展，大量現(xiàn)代化教學(xué)儀器出現(xiàn)在課堂之中，[1]粉筆作為最原始的的教學(xué)工具，在知識的傳授過程中有著不可代替的巨大作用，很多現(xiàn)代化教學(xué)儀器減弱了知識言傳身教的有效性以及趣味性，而類似于自動吸塵黑板擦這樣的小巧裝置，既減少了粉塵對教師以及學(xué)生健康的影響，又保持了知識傳遞的高效性，從根本上降低了教師對職業(yè)病的畏懼，讓知識的殿堂更加的純凈！

參考文獻(xiàn)

[1]姜鵬.關(guān)于教室粉塵污染的研究[J].家庭醫(yī)生，2010，05：25-27.

[2]張三慧.大學(xué)基礎(chǔ)物理學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007：100-132.

[3]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊——機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[4]謝黎明.機(jī)械工程與技術(shù)創(chuàng)新[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2005：65-72.