一种新型封闭式自除粉笔灰装置的研制与设计①

陈孝柱， 曾美平

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南232001)

0 引言

我国广大师生每天都生活在擦拭黑板后的粉笔灰尘中，造成诸多隐性伤害．统计分析显示，黑板擦在清除黑板过程中摩擦起尘仅占10%，而积累在黑板擦表面的粉尘飞扬和黑板擦清灰过程的粉尘飞扬占90%，很明显，对黑板擦上积累粉尘进行除尘应是关键所在．近些年来，有关科技工作者试图对传统黑板－黑板擦－粉笔构架以及组成中的黑板、黑板擦作有益地改进，出现了诸多研发设想和设计，如电动黑板擦、无尘黑板和无尘粉笔等等[1]．然而并没能在市面上得到真正推广，究其原因，主要有价格高、除尘效率低、实用性与技术性没有有机结合、环保节能方面有所欠缺等原因导致．因此，研究推广粉笔灰自除装置，不断革新教学设施改善教师工作环境，避免教师健康受到危害仍然是势在必行．

1 自除粉笔灰装置的研制与设计

虽说现在的粉笔灰除尘装置在技术上已日趋成熟，并在西方等发达国家教育系统也有广泛应用．但由于这些装置结构比较复杂，价格高昂等因素，在我国并未能很好地得到推广应用．本文在对相关粉笔灰除尘装置结构剖析的基础上，在大量的模拟试验下，提出了一种结构简单的机械式自除粉笔灰装置．

1．1 技术路线

想要清除黑板擦中积累的粉尘，就要使积累的粉笔灰脱离于黑板擦的容尘面，并对脱离的粉尘进行有效捕获和收集，待粉笔灰尘收集到一定量之后，并用最优化的方式对所收集的粉尘进行处理．按照自除粉笔灰装置的设想，对黑板擦和固定黑板擦装置采用了先使用黑板擦，再用固定黑板擦装置对黑板擦进行除尘的分体式结构，即所设计的黑板擦固定装置为现有黑板－黑板擦－粉笔构架的附加设备，可随置于讲台一隅，无需对黑板－黑板擦－粉笔现有构架作出改变．

自除粉笔灰装置采用电动机带动凸轮，在凸轮偏心距的作用下使得挤压杆反复作用于黑板擦的黑板绵．利用粉尘的自重力使粉尘下落，从而实现重力沉降的收尘机制．粉尘从黑板擦的容尘面上脱离后，在重力作用下落入平底从动件[8]上，该从动件装置采用了在制造技术上已经非常成熟的倾斜壁式蜂窝结构设计．平底从动件的板面结构具有足够大的孔隙率以及强度性能与重量比，且其倾斜角大于粉笔粉尘的休止角，从而能保证粉笔灰从孔洞进而掉到斜槽(2)上滑落到装置中的集灰盒(3)中．在外箱的环境里确保粉笔灰不会扩散到教室．集灰盒可重复使用并且收集的粉笔灰还可回收利用．

1．2 自除粉笔灰装置的结构

图1 自除粉笔灰装置的正视图

如图1所示，自除粉笔灰装置由(1)弹簧、(2)斜槽、(3)集灰盒、(4)凸轮、(5)外箱、(6)固定黑板擦装置、(7)挤压杆、(8)平底从动件、(9)电动机基座、(10)电动机、(11)铰链、(12)把手等组成．

外箱(5)在侧壁上设有电动机启动按钮．外箱用于固定清灰装置．清灰装置由具有蜂窝结构的平底从动件、凸轮、斜槽以及挤压杆等组成．平底从动件(8)为蜂窝结构，其板面为倾斜布置，且其倾斜角大于粉笔粉尘的物料休止角．

下图为制作的实物模型．如图2所示，该模型的平底从动件(8)平板(154mm×82mm)上有直径2mm的孔洞按4×10均匀分布，挤压杆高10mm，正方形截面边长2mm×2mm，按5×11均匀分布，且孔洞与挤压杆相间分布．偏心轮偏心距为10mm．

图2 平底从动件、自除粉笔灰装置简易模型

1．3 自除粉笔灰装置工作过程

自除粉笔灰装置工作过程如下:将带有粉笔灰的黑板擦固定在固定装置上，按下按钮，启动电动机(10)，使凸轮(4)带动平底从动件(8)，在凸轮偏心距的作用下，挤压杆(7)上下往复挤压黑板擦的黑板绵，在弹簧(1)的缓冲作用保护下，保证黑板擦不会被挤压出装置，同时也起到很好的减震和减少噪音的作用;粉笔灰由于挤压杆(7)挤压收缩惯性作用掉下来，通过平底从动件(8)上平板之中的孔洞进而掉到斜槽(2)上，滑落到装置中的集灰盒(3)中，不会扩散到整个教室．最后清理集灰盒(3)．这样就完成了对黑板擦的整个除灰过程．待收集的粉尘达到一定量之后，取出集灰盒，将粉笔灰尘倒入塑料袋中，作为不可燃、可回收的物料利用．

1．4 自除粉笔灰装置的试验步骤和效果

(1)将带有粉笔灰的黑板擦固定在固定装置上．

(2)接上电源按下按钮，启动电动机(10)．

(3)凸轮(4)带动平底从动件(8)，在凸轮偏心距的作用下进行上下往复运动，使得挤压杆(7)挤压黑板擦的黑板绵，然后在弹簧(1)的缓冲作用下保护黑板擦不会被挤压出装置，同时也起到很好的减震和减少噪音的作用．

(4)粉笔灰在挤压杆(7)挤压力作用下掉落，在平底从动件(8)的平板上，粉笔灰通过挤压杆之间的斜坡从孔洞掉入斜槽(2)，随之滑落到装置中的集灰盒(3)中．

(5)集中收集的粉笔灰由集灰盒储存，粉笔灰到一定量时最后清理集灰盒(3)．

下面将推导出的公式结合数据进行除尘实验:

当时间t=0时，即θ=0°时，平底从动件与凸轮相切于M点，平底从动件的初始位置为

假设初始位置为0，平底从动件的位置为

经整理后，电机的角速度为ω，经过时间t，可得θ=ωt，经整理得凸轮的位移公式

在(3)式中，通过对时间一次求导，得到平底从动件的速度

通过对时间二次求导得到加速度

设e=5mm=0．005m，当n=150r/min=2．5r/s，w=2π，n=5π，周期为0．4s时，平底从动件各时刻运动速度值如表1:

表1 平底从动件各时刻运动速度值

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

当n=300r/min=5r/s，w=2π，n=10π，周期为0．2s时，平底从动件各时刻运动速度值如表2:

表2 平底从动件各时刻运动速度值

当n=450r/min=7．5r/s，w=2π，n=15π ，周期为2/15s时，平底从动件各时刻运动速度值如表3:

表3 平底从动件各时刻运动速度值

实验表明，当电机工作电压为6．0V～12．0V区间，转速在150～450RPM时，即可实现良好的除尘效果．

1．5 自除粉笔灰装置的特点

本文提出的自除粉笔灰装置具有以下特征:

(1)粉尘具有重力沉降的收尘机制，非常节能;

(2)集灰盒以及集尘袋可多次使用，较环保;

(3)平底从动件的板面结构为蜂窝形，具有较大的孔隙率和强度性能与重量比，其倾斜角大于粉笔粉尘的休止角，可确保能够重力沉降;

(4)除尘装置的结构外形简单，体积小，使用方便，易于制造;

(5)可使用小功率电机驱动，安全节能．

2 结论

本文分析了传统粉笔灰去除装置存在问题及对人体的危害，提出了一种新型封闭式电动粉笔灰去除装置的设计方案，该方案将微型电动机应用于粉笔灰去除装置，利用挤压收缩惯性去除粉笔灰，粉笔灰通过平底从动件上孔洞进入斜槽上，最终滑落到装置中的封闭集灰盒中．与现有技术相比，本文所述除尘装置具有重力沉降的收尘机制，收尘效率高，清灰方便，可靠性高，成本低等优点．

该装置创造性地运用了机械设计和模具加工的多种设计方法，从根本上解决了教室粉尘污染的问题，保障了师生的工作和学习环境，提高了教学效率，同时也保护了各种电教设备免受粉尘的影响．该方案具有较强的实用性，是一种结构简单的机械式易清灰黑板擦去灰装置，其人性化的功能设计及良好的除尘效果则将会在市场上具有强大的竞争力．

[1] 董川．开发新型板书笔，保护师生健康[J]．中国现代教育装备，2003，(2):42．