貝廣霞， 韓博， 劉世豪

（1.山東科技大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心，山東 青島 266590；2.海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，?？?70228）

0 引 言

隨著教育事業(yè)的進(jìn)步和教學(xué)節(jié)奏的加快，教師職業(yè)病率呈逐年上升的趨勢，職業(yè)病呈現(xiàn)多樣化方向發(fā)展，其中粉塵引起的塵肺以及各種急慢性呼吸道疾病是目前職業(yè)病中最主要、危害最嚴(yán)重和最廣泛的一種。盡管當(dāng)前的教學(xué)設(shè)備都很先進(jìn)，教學(xué)用具不再局限于黑板，但調(diào)查結(jié)果顯示，目前在我國92%的學(xué)校里，黑板的使用量仍然獨(dú)占鰲頭，在國外，如美國、日本，黑板也是必不可少的教學(xué)用具［1］。普通黑板往往可用的書寫面積有限，人工擦拭時(shí)間長、效率低、粉塵污染嚴(yán)重，在影響人身健康的同時(shí)，也影響著一些電子教學(xué)用具的使用壽命［2］。為改善傳統(tǒng)黑板存在的粉塵污染等問題，本文基于綠色環(huán)保的理念設(shè)計(jì)了一種雙滾動式黑板［3］，它具有書寫面積大、全自動干擦和濕擦除、效率高等優(yōu)點(diǎn)，能有效地解決長久來困擾師生的粉塵問題，符合產(chǎn)品功能人性化的工業(yè)設(shè)計(jì)理念［4-5］。

1 雙滾動式黑板工作原理

雙滾動式黑板結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，該新型黑板主要由黑板傳動機(jī)構(gòu)、噴水系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)這4部分組成。

雙滾動式黑板的工作原理如下：電動機(jī)1將動力依次傳至齒輪2、齒輪3、齒輪4；2個(gè)轉(zhuǎn)動相反的齒輪3、齒輪4使得滾筒進(jìn)行轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)滾筒的雙滾動；黑板面10下移和板擦面9上移過程中利用相對滑動所產(chǎn)生的摩擦力將字跡進(jìn)行擦除，粉筆灰將落入收塵箱12中；同時(shí)板擦面9與除塵墻8相互接觸也將落入收塵箱12中；如需進(jìn)行濕擦，噴水系統(tǒng)6將工作后的黑板進(jìn)行滾動完成擦除，再通過烘干系統(tǒng)7進(jìn)行烘干。

圖1 雙滾動式黑板結(jié)構(gòu)示意圖

雙滾動式黑板的板擦面的設(shè)計(jì)代替了傳統(tǒng)的黑板擦，它通過與黑板面的相對運(yùn)動產(chǎn)生摩擦，從而將板書順利擦除。板擦面是后方兩個(gè)滾筒上的“傳送帶”，在擦除的過程中一邊擦一邊滾動，前方的板擦面進(jìn)行筆跡的擦除，擦除后沾染粉塵的板擦面被傳送至后方，在后方的除塵墻上進(jìn)行粉塵的脫離，實(shí)現(xiàn)了對黑板擦的自動清掃。由于整個(gè)過程是在后方進(jìn)行的，不會造成粉塵污染以威脅到使用者的健康。

2 雙滾動式黑板的綠色設(shè)計(jì)

綠色設(shè)計(jì)也稱生命周期設(shè)計(jì)或者生態(tài)設(shè)計(jì)，是指在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內(nèi)著重考慮產(chǎn)品的環(huán)境屬性，并將其作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，在滿足產(chǎn)品的環(huán)境目標(biāo)的同時(shí)，保證產(chǎn)品應(yīng)有的功能、經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量和使用壽命等要求［6-8］，本文根據(jù)這項(xiàng)新理念對雙滾動式黑板進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。

圖2 齒輪傳動機(jī)構(gòu)

2.1 黑板傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳動機(jī)構(gòu)由電機(jī)將動力先行傳遞到齒輪1，再由齒輪1通過外嚙合的方式將動力傳遞到齒輪2、齒輪3并進(jìn)行同向轉(zhuǎn)動，從而帶動滾筒轉(zhuǎn)動，齒輪傳動的二維結(jié)構(gòu)如圖2所示。重要的是使得兩相近滾筒面的運(yùn)動方向相反，帶動板擦面與黑板面進(jìn)行相對滑動，產(chǎn)生滑動摩擦力，完成擦除。這樣的傳動機(jī)構(gòu)增加了相對滑動路程，由公式WS=FS·S=μFNS可以看出，在不改變滑動摩擦因數(shù)和正向壓力的前提下，增大了摩擦力做功，從而提高了清潔效率。

考慮到雙滾動式黑板的工作環(huán)境一般是在教室或會議廳，工作過程中應(yīng)當(dāng)提高傳動平穩(wěn)性、降低噪聲，而斜齒輪傳動具有下列主要的優(yōu)點(diǎn)：1）嚙合性能好，傳動平穩(wěn)、噪聲?。?）重合度大，降低了每對齒輪的載荷，提高了齒輪的承載力；3）不產(chǎn)生根切的最少齒數(shù)少［9-10］。

為了兩斜齒輪能夠連續(xù)傳動，必須保證在前一對輪齒沒有脫離嚙合時(shí)，后一對齒輪能夠及時(shí)進(jìn)入嚙合，滿足重合度ε不小于許用值［ε］，即

ε≥［ε］。重合度計(jì)算公式為：

式中：α′為嚙合角；β 為螺旋角；mn為法向模數(shù)；z1、z2及αat2、αat1分別為兩個(gè)齒輪的齒數(shù)及齒頂圓壓力角。

黑板面選取具有彈性的柔性材料，安裝時(shí)使之與兩個(gè)滾筒適當(dāng)配合，形成可以隨滾筒轉(zhuǎn)動的“傳送帶”，如圖3所示。

2.2 噴水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

噴水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對于黑板的自動水洗的功能，它主要是由水泵、管道、噴嘴組成。由于所需的水壓并不需要很大，所以采用CP系列小型清水泵（流量為60 L/min）。然而噴嘴的設(shè)計(jì)影響著濕擦黑板的清洗效率和節(jié)水效率，對于理想的噴嘴設(shè)計(jì)要有3 個(gè)功能要素：1）射流壓力分布均勻，盡可能在小流量的前提下達(dá)到最高的清洗效率μ，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能；2）液滴分布要均勻，以保證均勻的清洗；3）合理的水流霧化角度α，以滿足較短距離下得到較大的有效清洗面積A。噴射參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)曲線如圖4所示［11］，可以得出噴口半徑的大小是其主要影響因素。

圖3 黑板傳動機(jī)構(gòu)

圖4 噴射參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)曲線

噴口半徑與旋片中心孔半徑的計(jì)算公式為：

式中：rA為噴口半徑，mm；rB為旋片中心孔半徑，mm；QA為離心噴嘴流量，m3/s；ρf為水的密度，kg·m3；pf為噴嘴孔的壓降，MPa；ε為有效截面系數(shù)；μA為理論流量系數(shù)。

根據(jù)式（4）、式（5）、式（6），按照有效截面系數(shù) ε=0.826、噴離心流量QA=60 L/min進(jìn)行設(shè)計(jì)，得出噴嘴半徑rA=1.2mm，旋片中心孔半徑rB=0.5 mm，設(shè)計(jì)后得到噴嘴的二維結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 噴嘴二維結(jié)構(gòu)

2.3 烘干系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

烘干系統(tǒng)安裝在上頂面（如圖6）上，采用時(shí)間繼電器連接噴水系統(tǒng)與烘干系統(tǒng)，噴水系統(tǒng)噴水一段時(shí)間后，自動停止工作。烘干系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理如下：在黑板面進(jìn)行加濕處理之后，安裝在黑板頂部的風(fēng)機(jī)開始工作，將產(chǎn)生出具有一定流速的空氣，通過頂部的通風(fēng)板如圖所示泄至黑板面，使黑板表面的水分快速蒸發(fā)。按設(shè)定的時(shí)間工作完成后，烘干系統(tǒng)關(guān)閉，此時(shí)黑板面已經(jīng)完成濕擦，籠罩在其上的頑固粉塵也已去除。

圖6 上頂面

2.4 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC（可編程序控制器）是當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛的控制器，能夠存儲和執(zhí)行指令，進(jìn)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算數(shù)運(yùn)算等操作，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機(jī)械和生產(chǎn)過程［12-13］。另外，PLC控制還具有可靠性高、功能性強(qiáng)等特點(diǎn)［14-15］。因此，本文設(shè)計(jì)的雙滾動式黑板的控制系統(tǒng)采用PLC控制。

由于雙滾動式黑板的控制較為簡單，所以采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)梯形圖。因?yàn)槠胀ǜ刹習(xí)r只需要傳動電機(jī)進(jìn)行工作，為避免多余的工作，只需滾動一個(gè)黑板面即可，工作時(shí)長為8 s。在濕擦?xí)r傳動電機(jī)和噴水泵先行工作16 s將整個(gè)黑板面加濕后進(jìn)行烘干，烘干時(shí)長為60s。為控制工作時(shí)間，需要加裝 時(shí) 間 為 8 s、16 s、60 s的定時(shí)器 T0、T1、T2。PLC的I/O點(diǎn)數(shù)分配如表1所示，PLC控制系統(tǒng)梯形圖如圖7所示。

表1 I/O點(diǎn)數(shù)分配

圖7 PLC控制系統(tǒng)梯形圖

3 雙滾動式黑板環(huán)保效應(yīng)分析

本文在對4大主要組成系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)后，并設(shè)計(jì)了其它輔助零部件，進(jìn)行裝配調(diào)試后得到的雙滾動式黑板如圖8，其各部分組成可參考圖1。該雙滾動式黑板具有以下幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：1）清潔環(huán)保，不產(chǎn)生粉塵，有助于改善教學(xué)環(huán)境，利于教育工作者及學(xué)生的身心健康，符合現(xiàn)代人的環(huán)保理念；2）可將粉塵回收利用，減少資源浪費(fèi)，避免了二次污染；3）工作的自動運(yùn)行實(shí)現(xiàn)干擦和濕擦，方便快捷易于操作，具有很好的人性化設(shè)計(jì)優(yōu)勢。

不同于傳統(tǒng)的硬質(zhì)黑板，本文設(shè)計(jì)的雙滾動式無塵環(huán)保黑板采用柔性材料做成黑板面，經(jīng)過市場調(diào)查后找到了一種柔軟的黑板面材料，即N次貼無塵軟黑板，這種黑板面材料不僅柔軟而且富有彈性，方便在安裝時(shí)與滾筒緊密配合，這種黑板面材料有著與傳統(tǒng)黑板相同的功能，如圖9所示，可以用粉筆在上面寫出清晰的字，也很容易用黑板擦擦拭筆跡，可避免粉塵的侵?jǐn)_，具有很好的環(huán)保效應(yīng)。

圖8 雙滾動式黑板

圖9 黑板的使用效果

4 結(jié) 語

本文基于綠色環(huán)保理念所設(shè)計(jì)的雙滾動式黑板，不僅具有一般滾動式黑板的優(yōu)點(diǎn)，即解決了書寫時(shí)高處要舉手、低處要彎腰、擦字揚(yáng)粉塵、寫字擋視線的弊端；而且考慮到了對板擦面的清掃，避免教師在擦拭黑板時(shí)，為了清除沾在黑板擦表面的粉筆粉塵而敲打黑板擦產(chǎn)生的二次污染。為解決粉塵污染問題，出現(xiàn)了靜電除塵黑板等，但它并未徹底隔離粉塵污染，而本文設(shè)計(jì)的雙滾動式無塵環(huán)保節(jié)能黑板很好地將擦除系統(tǒng)隔離，可避免粉塵的侵?jǐn)_，具有很好的人性化設(shè)計(jì)優(yōu)勢。因而，本文設(shè)計(jì)的雙滾動式無塵環(huán)保節(jié)能黑板具有良好的市場前景，利于在各學(xué)校進(jìn)行推廣應(yīng)用。

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