浅析机械式吸尘黑板擦的设计与制作

【摘要】自教育诞生以来，粉笔和黑板就是作为传统的主要教学工具而延传至今，它们对人类的教育事业与社会的发展起到了积极促进作用。但由于粉笔在使用过程中会生成大量粉尘，严重影响着广大师生们的身体健康，针对这种情况，现研究了一种可以自动吸尘的机械式黑板擦，利用小型电动机以及相关齿轮传动机构，可以对粉尘自动收集，利用Pro/E进行机构运动仿真，验证其工作的可行性，此装置能避免粉尘飞扬，从而有效地保护了师生们的健康。

【关键词】黑板擦；齿轮机构；运动仿真；自动吸尘

引言

[1]根据国家有关报告2006年统计资料显示：我国教师每年因上课吸入的粉笔灰约200克/人，患肺部疾病、癌症的约20%/年。由此可见教学中的粉笔灰对广大师生的身体健康影响甚大。随着社会经济的发展，国家也开始投入越来越多的资金来改善教学环境，提倡多媒体教学，创造绿色教育。尽管如此，因为粉笔的使用简单，价格便宜，方便快捷等优点，现代教学中依然大量使用着粉笔，所以无法从根本上解决粉尘对师生健康的危害。为此从研究黑板檫的功能出发，找到突破口，通过改变黑板擦内部结构，利用两个小型电动机作为驱动装置，通过一系列齿轮传动机构，在擦黑板的过程中自动将粉尘吸入。

1、工作原理

机械式黑板擦之所以能够自动吸尘，主要运用了相关的物理知识，在黑板擦体内配置有两个功率20w的小型的电动机，装入电池后，启动开关，电动机带动叶片以大约400转/秒的转速工作，此时在壳体内将产生较强的吸力和压力，[2]在吸力和压力的作用下，风叶片后端的空气快速排出，而其前端空气不断地补充流出的空气，致使黑板擦内部产生瞬时真空，和外界大气压形成负压差，在此压差的作用下，吸入含粉尘的空气，然后在黑板擦的背部壳体中被过滤。

2、吸尘装置方案设计分析

该自动吸尘黑板擦外壳采用ABS塑料，擦拭黑板部分采用含绒布的复合材料，该材料要求不仅擦拭效果良好，同时通气性能也较高，便于将粉尘吸进，中间则将安装有电动机的版块固定好，然后便是粉尘过滤装置，该材料不仅要求通风性能良好，还要保证不能让粉尘通过，为此选用双层海绵，将吸进黑板擦的粉尘固定于其中，并且壳体背部多孔，便于气体流通；以上便是该装置相关材料的设计及选定。

下面将从其原理出发，进行设计分析：电动机旋转，带动螺旋叶片转动，做一个简单生动的比较，能够吸住一些几乎不存在重量的灰尘与一枚硬币的区别，实质上仅仅在于吸取一枚硬币的时候，在单位时间，单位面积内流通过的气体分子量需要更多，吸力的主要作用就是在吸取物体时通过克服阻力，以获得足够的气量通过毛毡，而较为合适的吸力（压力）值通过相关实验确定，具有以下规律：

（1）[3]风量最大的时候吸尘装置的螺旋叶片高速旋转，排出的空气比吸进的空气多，因此叶片后部产生负压，负压将粉尘吸进板擦体内，通过双层海绵被吸附过滤，螺旋叶片的后部是吸入，前部是排出，效率较高；

（2）随着螺旋叶片转速提高，在板擦体内产生的真空度也随着增加，但是吸尘效率却逐渐降低；

由上诉两点规律可知道，在进行装置方案设计时并不需要计算出吸力是多少，最佳吸力是通过实验测出，一般来说这个大气压值在负0.03MPa至负0.02MPa之间就较为理想，当压力进一步增加或降低的时候，吸尘效率反而会降低。（如图2-1所示）

3、方案设计难点探析

自动吸尘黑板擦主要是基于传统黑板擦的不足加以改进，在结构内部新增电动机，[4]利用螺旋叶片转动产生局部负压（真空），在擦拭黑板的时候将粉尘自动吸入，从方案设计到材料的筛选，在完成该装置的过程中，主要存在一下几个下方面的难点：

（1）擦拭布料及过滤处材料的选择

在该装置中擦拭布是作为粉尘吸入的进口，首先需要保持传统黑板擦优良的擦拭能力，能有效的擦除黑板上的粉笔字迹，同时还得具有一定的疏密程度，以便保证粉尘能顺利吸入，另外在含有大量粉尘的气流通过黑板擦背部外壳时，必须保证粉尘能被有效的吸附过滤掉，这样才能到达除尘功效，经过反复试验，综合考虑价格，耐用度等各方面因素，最终确定擦拭布料为含10%羊毛，70%绒布，20%其它的复合材料，背部过处采用100%海绵材料；（如右图3-1所示）

（2）装置结构设计

该装置因为新增了电动机作为吸尘动力源，为此需要在传统的黑板擦上面做相应的结构改变，将两个小型电动机安置在黑板擦内部，增加黑板擦的原始高度，以便容纳电动机和电池；但同时因为电动机长期工作在粉尘较多的环境中，散热以及除尘也需要综合考虑，经反复的实验改进，发现在电动机四周包裹上一层厚度约3毫米的海绵后，在正常工作时间长度内，不仅能有效减少粉尘进入机体，而且对于热量的散失也不会存在较大阻碍，一般3-4天清洗一次便能保持良好的除尘性能；（如图3-2所示）

4、结论

通过上述相关设计与分析，完成了基于传统黑板擦的功能改进，通过Pro/E三维绘图软件进行了运动模拟仿真，验证了其工作的可行性，尽管现代科技飞跃发展，大量现代化教学仪器出现在课堂之中，[1]粉笔作为最原始的的教学工具，在知识的传授过程中有着不可代替的巨大作用，很多现代化教学仪器减弱了知识言传身教的有效性以及趣味性，而类似于自动吸尘黑板擦这样的小巧装置，既减少了粉尘对教师以及学生健康的影响，又保持了知识传递的高效性，从根本上降低了教师对职业病的畏惧，让知识的殿堂更加的纯净！

参考文献

[1]姜鹏.关于教室粉尘污染的研究[J].家庭医生，2010，05：25-27.

[2]张三慧.大学基础物理学[M].北京：清华大学出版社，2007：100-132.

[3]机械设计手册编委会.机械设计手册——机电一体化系统设计[M].机械工业出版社，2007.

[4]谢黎明.机械工程与技术创新[M].化学工业出版社，2005：65-72.