一種新型封閉式自除粉筆灰裝置的研制與設(shè)計①

陳孝柱， 曾美平

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽淮南232001)

0 引言

我國廣大師生每天都生活在擦拭黑板后的粉筆灰塵中，造成諸多隱性傷害．統(tǒng)計分析顯示，黑板擦在清除黑板過程中摩擦起塵僅占10%，而積累在黑板擦表面的粉塵飛揚和黑板擦清灰過程的粉塵飛揚占90%，很明顯，對黑板擦上積累粉塵進(jìn)行除塵應(yīng)是關(guān)鍵所在．近些年來，有關(guān)科技工作者試圖對傳統(tǒng)黑板－黑板擦－粉筆構(gòu)架以及組成中的黑板、黑板擦作有益地改進(jìn)，出現(xiàn)了諸多研發(fā)設(shè)想和設(shè)計，如電動黑板擦、無塵黑板和無塵粉筆等等[1]．然而并沒能在市面上得到真正推廣，究其原因，主要有價格高、除塵效率低、實用性與技術(shù)性沒有有機(jī)結(jié)合、環(huán)保節(jié)能方面有所欠缺等原因?qū)е拢虼?，研究推廣粉筆灰自除裝置，不斷革新教學(xué)設(shè)施改善教師工作環(huán)境，避免教師健康受到危害仍然是勢在必行．

1 自除粉筆灰裝置的研制與設(shè)計

雖說現(xiàn)在的粉筆灰除塵裝置在技術(shù)上已日趨成熟，并在西方等發(fā)達(dá)國家教育系統(tǒng)也有廣泛應(yīng)用．但由于這些裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，價格高昂等因素，在我國并未能很好地得到推廣應(yīng)用．本文在對相關(guān)粉筆灰除塵裝置結(jié)構(gòu)剖析的基礎(chǔ)上，在大量的模擬試驗下，提出了一種結(jié)構(gòu)簡單的機(jī)械式自除粉筆灰裝置．

1．1 技術(shù)路線

想要清除黑板擦中積累的粉塵，就要使積累的粉筆灰脫離于黑板擦的容塵面，并對脫離的粉塵進(jìn)行有效捕獲和收集，待粉筆灰塵收集到一定量之后，并用最優(yōu)化的方式對所收集的粉塵進(jìn)行處理．按照自除粉筆灰裝置的設(shè)想，對黑板擦和固定黑板擦裝置采用了先使用黑板擦，再用固定黑板擦裝置對黑板擦進(jìn)行除塵的分體式結(jié)構(gòu)，即所設(shè)計的黑板擦固定裝置為現(xiàn)有黑板－黑板擦－粉筆構(gòu)架的附加設(shè)備，可隨置于講臺一隅，無需對黑板－黑板擦－粉筆現(xiàn)有構(gòu)架作出改變．

自除粉筆灰裝置采用電動機(jī)帶動凸輪，在凸輪偏心距的作用下使得擠壓桿反復(fù)作用于黑板擦的黑板綿．利用粉塵的自重力使粉塵下落，從而實現(xiàn)重力沉降的收塵機(jī)制．粉塵從黑板擦的容塵面上脫離后，在重力作用下落入平底從動件[8]上，該從動件裝置采用了在制造技術(shù)上已經(jīng)非常成熟的傾斜壁式蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計．平底從動件的板面結(jié)構(gòu)具有足夠大的孔隙率以及強(qiáng)度性能與重量比，且其傾斜角大于粉筆粉塵的休止角，從而能保證粉筆灰從孔洞進(jìn)而掉到斜槽(2)上滑落到裝置中的集灰盒(3)中．在外箱的環(huán)境里確保粉筆灰不會擴(kuò)散到教室．集灰盒可重復(fù)使用并且收集的粉筆灰還可回收利用．

1．2 自除粉筆灰裝置的結(jié)構(gòu)

圖1 自除粉筆灰裝置的正視圖

如圖1所示，自除粉筆灰裝置由(1)彈簧、(2)斜槽、(3)集灰盒、(4)凸輪、(5)外箱、(6)固定黑板擦裝置、(7)擠壓桿、(8)平底從動件、(9)電動機(jī)基座、(10)電動機(jī)、(11)鉸鏈、(12)把手等組成．

外箱(5)在側(cè)壁上設(shè)有電動機(jī)啟動按鈕．外箱用于固定清灰裝置．清灰裝置由具有蜂窩結(jié)構(gòu)的平底從動件、凸輪、斜槽以及擠壓桿等組成．平底從動件(8)為蜂窩結(jié)構(gòu)，其板面為傾斜布置，且其傾斜角大于粉筆粉塵的物料休止角．

下圖為制作的實物模型．如圖2所示，該模型的平底從動件(8)平板(154mm×82mm)上有直徑2mm的孔洞按4×10均勻分布，擠壓桿高10mm，正方形截面邊長2mm×2mm，按5×11均勻分布，且孔洞與擠壓桿相間分布．偏心輪偏心距為10mm．

圖2 平底從動件、自除粉筆灰裝置簡易模型

1．3 自除粉筆灰裝置工作過程

自除粉筆灰裝置工作過程如下:將帶有粉筆灰的黑板擦固定在固定裝置上，按下按鈕，啟動電動機(jī)(10)，使凸輪(4)帶動平底從動件(8)，在凸輪偏心距的作用下，擠壓桿(7)上下往復(fù)擠壓黑板擦的黑板綿，在彈簧(1)的緩沖作用保護(hù)下，保證黑板擦不會被擠壓出裝置，同時也起到很好的減震和減少噪音的作用;粉筆灰由于擠壓桿(7)擠壓收縮慣性作用掉下來，通過平底從動件(8)上平板之中的孔洞進(jìn)而掉到斜槽(2)上，滑落到裝置中的集灰盒(3)中，不會擴(kuò)散到整個教室．最后清理集灰盒(3)．這樣就完成了對黑板擦的整個除灰過程．待收集的粉塵達(dá)到一定量之后，取出集灰盒，將粉筆灰塵倒入塑料袋中，作為不可燃、可回收的物料利用．

1．4 自除粉筆灰裝置的試驗步驟和效果

(1)將帶有粉筆灰的黑板擦固定在固定裝置上．

(2)接上電源按下按鈕，啟動電動機(jī)(10)．

(3)凸輪(4)帶動平底從動件(8)，在凸輪偏心距的作用下進(jìn)行上下往復(fù)運動，使得擠壓桿(7)擠壓黑板擦的黑板綿，然后在彈簧(1)的緩沖作用下保護(hù)黑板擦不會被擠壓出裝置，同時也起到很好的減震和減少噪音的作用．

(4)粉筆灰在擠壓桿(7)擠壓力作用下掉落，在平底從動件(8)的平板上，粉筆灰通過擠壓桿之間的斜坡從孔洞掉入斜槽(2)，隨之滑落到裝置中的集灰盒(3)中．

(5)集中收集的粉筆灰由集灰盒儲存，粉筆灰到一定量時最后清理集灰盒(3)．

下面將推導(dǎo)出的公式結(jié)合數(shù)據(jù)進(jìn)行除塵實驗:

當(dāng)時間t=0時，即θ=0°時，平底從動件與凸輪相切于M點，平底從動件的初始位置為

假設(shè)初始位置為0，平底從動件的位置為

經(jīng)整理后，電機(jī)的角速度為ω，經(jīng)過時間t，可得θ=ωt，經(jīng)整理得凸輪的位移公式

在(3)式中，通過對時間一次求導(dǎo)，得到平底從動件的速度

通過對時間二次求導(dǎo)得到加速度

設(shè)e=5mm=0．005m，當(dāng)n=150r/min=2．5r/s，w=2π，n=5π，周期為0．4s時，平底從動件各時刻運動速度值如表1:

表1 平底從動件各時刻運動速度值

1/10 ■0．025 3 π 1/5 0 3/10 － 0．025 π 2/5 0

當(dāng)n=300r/min=5r/s，w=2π，n=10π，周期為0．2s時，平底從動件各時刻運動速度值如表2:

表2 平底從動件各時刻運動速度值

當(dāng)n=450r/min=7．5r/s，w=2π，n=15π ，周期為2/15s時，平底從動件各時刻運動速度值如表3:

表3 平底從動件各時刻運動速度值

實驗表明，當(dāng)電機(jī)工作電壓為6．0V～12．0V區(qū)間，轉(zhuǎn)速在150～450RPM時，即可實現(xiàn)良好的除塵效果．

1．5 自除粉筆灰裝置的特點

本文提出的自除粉筆灰裝置具有以下特征:

(1)粉塵具有重力沉降的收塵機(jī)制，非常節(jié)能;

(2)集灰盒以及集塵袋可多次使用，較環(huán)保;

(3)平底從動件的板面結(jié)構(gòu)為蜂窩形，具有較大的孔隙率和強(qiáng)度性能與重量比，其傾斜角大于粉筆粉塵的休止角，可確保能夠重力沉降;

(4)除塵裝置的結(jié)構(gòu)外形簡單，體積小，使用方便，易于制造;

(5)可使用小功率電機(jī)驅(qū)動，安全節(jié)能．

2 結(jié)論

本文分析了傳統(tǒng)粉筆灰去除裝置存在問題及對人體的危害，提出了一種新型封閉式電動粉筆灰去除裝置的設(shè)計方案，該方案將微型電動機(jī)應(yīng)用于粉筆灰去除裝置，利用擠壓收縮慣性去除粉筆灰，粉筆灰通過平底從動件上孔洞進(jìn)入斜槽上，最終滑落到裝置中的封閉集灰盒中．與現(xiàn)有技術(shù)相比，本文所述除塵裝置具有重力沉降的收塵機(jī)制，收塵效率高，清灰方便，可靠性高，成本低等優(yōu)點．

該裝置創(chuàng)造性地運用了機(jī)械設(shè)計和模具加工的多種設(shè)計方法，從根本上解決了教室粉塵污染的問題，保障了師生的工作和學(xué)習(xí)環(huán)境，提高了教學(xué)效率，同時也保護(hù)了各種電教設(shè)備免受粉塵的影響．該方案具有較強(qiáng)的實用性，是一種結(jié)構(gòu)簡單的機(jī)械式易清灰黑板擦去灰裝置，其人性化的功能設(shè)計及良好的除塵效果則將會在市場上具有強(qiáng)大的競爭力．

[1] 董川．開發(fā)新型板書筆，保護(hù)師生健康[J]．中國現(xiàn)代教育裝備，2003，(2):42．