文山東省威海市文登區(qū)第一中學(xué) 姜雨奇 畢永明北京石油學(xué)院附屬小學(xué) 姜子涵

高頻振動(dòng)清潔式自吸塵黑板擦

文山東省威海市文登區(qū)第一中學(xué) 姜雨奇 畢永明北京石油學(xué)院附屬小學(xué) 姜子涵

黑板（綠板）、粉筆和黑板擦等傳統(tǒng)教具在使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，污染教學(xué)環(huán)境，危害師生的健康。因此，研制實(shí)用的新型黑板擦是國(guó)內(nèi)教具革新研發(fā)的重點(diǎn)方向之一。

然而如今市面上仍沒(méi)有一項(xiàng)吸塵黑板擦的設(shè)計(jì)或產(chǎn)品真正普及應(yīng)用，主要問(wèn)題在于其實(shí)用性差、不便維護(hù)等。為此，我們研制了一種具有無(wú)線充電功能的高頻振動(dòng)清潔式自吸塵黑板擦。

一、現(xiàn)有產(chǎn)品分析

經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢索，市場(chǎng)現(xiàn)有的吸塵黑板擦主要為吸塵器改裝式、微型吸塵器集成式和靜電吸附式3種類(lèi)型。

吸塵器改裝式黑板擦是在家用小型吸塵器的基礎(chǔ)上，通過(guò)加長(zhǎng)通風(fēng)管道并在管道前端安裝帶吸塵孔的黑板擦，實(shí)現(xiàn)吸塵、除塵。其普遍采用交流供電，功率一般大于200W。優(yōu)點(diǎn)是吸塵效率較高，缺點(diǎn)是體積大、噪音大，黑板擦與通風(fēng)管道相連，使用不便。其典型外觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1吸塵器改裝式黑板擦

圖2 微型吸塵器集成式黑板擦

微型吸塵器集成式黑板擦通過(guò)在黑板擦內(nèi)部加裝電池、電機(jī)、風(fēng)扇、集塵器等部件，實(shí)現(xiàn)微型吸塵器式設(shè)計(jì)。它具有體積小、噪音較低、符合傳統(tǒng)使用習(xí)慣等優(yōu)點(diǎn)，但普遍存在擦除效果差、除塵不徹底、維護(hù)不便等缺陷。其典型外觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

靜電吸附式黑板擦利用靜電吸附原理，將粉塵吸附至帶有較高電壓的金屬盤(pán)上，具有體積小、無(wú)噪音等優(yōu)點(diǎn)，不足是對(duì)擦拭動(dòng)作有一定要求，除塵效果一般，還有一定的安全隱患。其外觀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 靜電吸附式黑板擦

二、設(shè)計(jì)方案

在前期廣泛查閱資料和市場(chǎng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)比論證和綜合分析，我們提出了設(shè)計(jì)思路：綜合采用高效吸塵除塵、高頻往復(fù)振動(dòng)、快捷無(wú)線充電等技術(shù)，研制具有無(wú)線充電功能的高頻振動(dòng)清潔式自吸塵黑板擦。

該黑板擦的主體由可更換式刷頭模塊、吸塵除塵模塊、高頻往復(fù)振動(dòng)模塊、充電供電模塊和殼體等組成。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)示意圖

可更換刷頭模塊主要由硅膠外圍、毛刷、帶孔底板和鋼絲繩減震器組成。硅膠外圍能有效縮小毛刷與黑板間的空氣通道，提高二者間的通風(fēng)速度，同時(shí)也能防止粉塵外逸。

為防止因摩擦引起的靜電吸附粉塵，采用防靜電復(fù)合纖維毛刷作為黑板擦的基礎(chǔ)擦拭部件。在保證良好擦拭效果的同時(shí)，可有效配合高頻往復(fù)振動(dòng)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高擦拭效率，并利用振動(dòng)效應(yīng)消除粘附的粉塵。

刷頭模塊底板采用多開(kāi)孔結(jié)構(gòu)，用于在負(fù)壓通風(fēng)驅(qū)動(dòng)下將粉塵輸送至風(fēng)扇端。鋼絲繩減震器可與殼體相連，在降低振動(dòng)阻尼損耗、確保振動(dòng)效果的同時(shí)，隔離刷頭模塊與其他模塊間的振動(dòng)傳導(dǎo)，降低噪聲。

吸塵除塵模塊主要由電機(jī)、風(fēng)扇和過(guò)濾網(wǎng)等組成。采用12 000轉(zhuǎn)/分鐘、磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)、支持PWM調(diào)速的特種微型電機(jī)，能在DC3.7V/60mA的低功耗條件下為風(fēng)扇提供強(qiáng)勁的動(dòng)力。

風(fēng)扇采用高次曲線螺旋式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為增大前部風(fēng)道負(fù)壓、降低后部風(fēng)道正壓，采用前收縮、后擴(kuò)散的特殊氣動(dòng)風(fēng)道設(shè)計(jì)。配合風(fēng)道結(jié)構(gòu)，采用紗網(wǎng)、HEPA濾紙可復(fù)用雙層濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)，能對(duì)99.7%以上的粒徑（0.1μm～1mm）粉塵進(jìn)行高效過(guò)濾。

高頻往復(fù)振動(dòng)模塊主要由電機(jī)和偏重軸塊振子組成。選用轉(zhuǎn)速高達(dá)47 000轉(zhuǎn)/分鐘、φ7mm×10mm的超微型振動(dòng)電機(jī)，在DC3.7V/100mA的條件下，配合180°扇形結(jié)構(gòu)偏重軸塊振子，為實(shí)現(xiàn)刷頭高頻往復(fù)振動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力。

充電供電模塊主要由可充電鋰電池、充放電控制器、內(nèi)置無(wú)線充電接收器和外置無(wú)線充電發(fā)射器等組成。外殼采用3D打印技術(shù)制造。

三、創(chuàng)新點(diǎn)

具有無(wú)線充電功能的高頻振動(dòng)清潔式自吸塵黑板擦首次提出并實(shí)現(xiàn)了無(wú)線充電、高頻往復(fù)振動(dòng)式電動(dòng)黑板擦設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用負(fù)壓吸塵、過(guò)濾等技術(shù)，解決了擦除效果差、吸塵除塵效率低、維護(hù)不便等問(wèn)題，可很好地滿足教學(xué)活動(dòng)的實(shí)際使用要求。

根據(jù)本文提供的設(shè)計(jì)方案，單個(gè)產(chǎn)品的材料成本約為40元，而批量生產(chǎn)高頻振動(dòng)清潔式自吸塵黑板擦的成本比較低廉，市場(chǎng)推廣前景廣闊。