基于环保的双滚动式黑板绿色设计研究

贝广霞， 韩博， 刘世豪

（1.山东科技大学工程实训中心，山东 青岛 266590；2.海南大学机电工程学院，海口570228）

0 引 言

随着教育事业的进步和教学节奏的加快，教师职业病率呈逐年上升的趋势，职业病呈现多样化方向发展，其中粉尘引起的尘肺以及各种急慢性呼吸道疾病是目前职业病中最主要、危害最严重和最广泛的一种。尽管当前的教学设备都很先进，教学用具不再局限于黑板，但调查结果显示，目前在我国92%的学校里，黑板的使用量仍然独占鳌头，在国外，如美国、日本，黑板也是必不可少的教学用具［1］。普通黑板往往可用的书写面积有限，人工擦拭时间长、效率低、粉尘污染严重，在影响人身健康的同时，也影响着一些电子教学用具的使用寿命［2］。为改善传统黑板存在的粉尘污染等问题，本文基于绿色环保的理念设计了一种双滚动式黑板［3］，它具有书写面积大、全自动干擦和湿擦除、效率高等优点，能有效地解决长久来困扰师生的粉尘问题，符合产品功能人性化的工业设计理念［4-5］。

1 双滚动式黑板工作原理

双滚动式黑板结构示意图如图1所示，该新型黑板主要由黑板传动机构、喷水系统、烘干系统、PLC控制系统这4部分组成。

双滚动式黑板的工作原理如下：电动机1将动力依次传至齿轮2、齿轮3、齿轮4；2个转动相反的齿轮3、齿轮4使得滚筒进行转动，从而实现滚筒的双滚动；黑板面10下移和板擦面9上移过程中利用相对滑动所产生的摩擦力将字迹进行擦除，粉笔灰将落入收尘箱12中；同时板擦面9与除尘墙8相互接触也将落入收尘箱12中；如需进行湿擦，喷水系统6将工作后的黑板进行滚动完成擦除，再通过烘干系统7进行烘干。

图1 双滚动式黑板结构示意图

双滚动式黑板的板擦面的设计代替了传统的黑板擦，它通过与黑板面的相对运动产生摩擦，从而将板书顺利擦除。板擦面是后方两个滚筒上的“传送带”，在擦除的过程中一边擦一边滚动，前方的板擦面进行笔迹的擦除，擦除后沾染粉尘的板擦面被传送至后方，在后方的除尘墙上进行粉尘的脱离，实现了对黑板擦的自动清扫。由于整个过程是在后方进行的，不会造成粉尘污染以威胁到使用者的健康。

2 双滚动式黑板的绿色设计

绿色设计也称生命周期设计或者生态设计，是指在产品的整个生命周期内着重考虑产品的环境属性，并将其作为设计目标，在满足产品的环境目标的同时，保证产品应有的功能、经济、质量和使用寿命等要求［6-8］，本文根据这项新理念对双滚动式黑板进行了详细设计。

图2 齿轮传动机构

2.1 黑板传动机构设计

传动机构由电机将动力先行传递到齿轮1，再由齿轮1通过外啮合的方式将动力传递到齿轮2、齿轮3并进行同向转动，从而带动滚筒转动，齿轮传动的二维结构如图2所示。重要的是使得两相近滚筒面的运动方向相反，带动板擦面与黑板面进行相对滑动，产生滑动摩擦力，完成擦除。这样的传动机构增加了相对滑动路程，由公式WS=FS·S=μFNS可以看出，在不改变滑动摩擦因数和正向压力的前提下，增大了摩擦力做功，从而提高了清洁效率。

考虑到双滚动式黑板的工作环境一般是在教室或会议厅，工作过程中应当提高传动平稳性、降低噪声，而斜齿轮传动具有下列主要的优点：1）啮合性能好，传动平稳、噪声小；2）重合度大，降低了每对齿轮的载荷，提高了齿轮的承载力；3）不产生根切的最少齿数少［9-10］。

为了两斜齿轮能够连续传动，必须保证在前一对轮齿没有脱离啮合时，后一对齿轮能够及时进入啮合，满足重合度ε不小于许用值［ε］，即

ε≥［ε］。重合度计算公式为：

式中：α′为啮合角；β 为螺旋角；mn为法向模数；z1、z2及αat2、αat1分别为两个齿轮的齿数及齿顶圆压力角。

黑板面选取具有弹性的柔性材料，安装时使之与两个滚筒适当配合，形成可以随滚筒转动的“传送带”，如图3所示。

2.2 喷水系统的设计

喷水系统的设计实现了对于黑板的自动水洗的功能，它主要是由水泵、管道、喷嘴组成。由于所需的水压并不需要很大，所以采用CP系列小型清水泵（流量为60 L/min）。然而喷嘴的设计影响着湿擦黑板的清洗效率和节水效率，对于理想的喷嘴设计要有3 个功能要素：1）射流压力分布均匀，尽可能在小流量的前提下达到最高的清洗效率μ，以实现节能；2）液滴分布要均匀，以保证均匀的清洗；3）合理的水流雾化角度α，以满足较短距离下得到较大的有效清洗面积A。喷射参数的经验曲线如图4所示［11］，可以得出喷口半径的大小是其主要影响因素。

图3 黑板传动机构

图4 喷射参数的经验曲线

喷口半径与旋片中心孔半径的计算公式为：

式中：rA为喷口半径，mm；rB为旋片中心孔半径，mm；QA为离心喷嘴流量，m3/s；ρf为水的密度，kg·m3；pf为喷嘴孔的压降，MPa；ε为有效截面系数；μA为理论流量系数。

根据式（4）、式（5）、式（6），按照有效截面系数 ε=0.826、喷离心流量QA=60 L/min进行设计，得出喷嘴半径rA=1.2mm，旋片中心孔半径rB=0.5 mm，设计后得到喷嘴的二维结构如图5所示。

图5 喷嘴二维结构

2.3 烘干系统的设计

烘干系统安装在上顶面（如图6）上，采用时间继电器连接喷水系统与烘干系统，喷水系统喷水一段时间后，自动停止工作。烘干系统的设计原理如下：在黑板面进行加湿处理之后，安装在黑板顶部的风机开始工作，将产生出具有一定流速的空气，通过顶部的通风板如图所示泄至黑板面，使黑板表面的水分快速蒸发。按设定的时间工作完成后，烘干系统关闭，此时黑板面已经完成湿擦，笼罩在其上的顽固粉尘也已去除。

图6 上顶面

2.4 PLC控制系统设计

PLC（可编程序控制器）是当今工业生产中应用非常广泛的控制器，能够存储和执行指令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械和生产过程［12-13］。另外，PLC控制还具有可靠性高、功能性强等特点［14-15］。因此，本文设计的双滚动式黑板的控制系统采用PLC控制。

由于双滚动式黑板的控制较为简单，所以采用经验设计法设计PLC控制系统梯形图。因为普通干擦时只需要传动电机进行工作，为避免多余的工作，只需滚动一个黑板面即可，工作时长为8 s。在湿擦时传动电机和喷水泵先行工作16 s将整个黑板面加湿后进行烘干，烘干时长为60s。为控制工作时间，需要加装 时 间 为 8 s、16 s、60 s的定时器 T0、T1、T2。PLC的I/O点数分配如表1所示，PLC控制系统梯形图如图7所示。

表1 I/O点数分配

图7 PLC控制系统梯形图

3 双滚动式黑板环保效应分析

本文在对4大主要组成系统进行详细设计后，并设计了其它辅助零部件，进行装配调试后得到的双滚动式黑板如图8，其各部分组成可参考图1。该双滚动式黑板具有以下几项优点：1）清洁环保，不产生粉尘，有助于改善教学环境，利于教育工作者及学生的身心健康，符合现代人的环保理念；2）可将粉尘回收利用，减少资源浪费，避免了二次污染；3）工作的自动运行实现干擦和湿擦，方便快捷易于操作，具有很好的人性化设计优势。

不同于传统的硬质黑板，本文设计的双滚动式无尘环保黑板采用柔性材料做成黑板面，经过市场调查后找到了一种柔软的黑板面材料，即N次贴无尘软黑板，这种黑板面材料不仅柔软而且富有弹性，方便在安装时与滚筒紧密配合，这种黑板面材料有着与传统黑板相同的功能，如图9所示，可以用粉笔在上面写出清晰的字，也很容易用黑板擦擦拭笔迹，可避免粉尘的侵扰，具有很好的环保效应。

图8 双滚动式黑板

图9 黑板的使用效果

4 结 语

本文基于绿色环保理念所设计的双滚动式黑板，不仅具有一般滚动式黑板的优点，即解决了书写时高处要举手、低处要弯腰、擦字扬粉尘、写字挡视线的弊端；而且考虑到了对板擦面的清扫，避免教师在擦拭黑板时，为了清除沾在黑板擦表面的粉笔粉尘而敲打黑板擦产生的二次污染。为解决粉尘污染问题，出现了静电除尘黑板等，但它并未彻底隔离粉尘污染，而本文设计的双滚动式无尘环保节能黑板很好地将擦除系统隔离，可避免粉尘的侵扰，具有很好的人性化设计优势。因而，本文设计的双滚动式无尘环保节能黑板具有良好的市场前景，利于在各学校进行推广应用。

［1］ SANJA V，MLADEN S，MARIO L，et al.Blackboard framework on top of Prolog［J］.Expert Systems with Applications，1994，7（1）：109-130.

［2］ GONZALEZ M A.Environmental protection for sustainability［J］.Clean Technologies and EnvironmentalPolicy，2014，16（4）：673-674.

［3］ 陈建，赵燕伟，李方义，等.基于转换桥方法的产品绿色设计冲突消解［J］.机械工程学报，2010，46（9）：132-142.

［4］ 杨勇强，李小莹，李静.食品生产包装作业的人机工程学分析［J］.包装工程，2015，36（3）：85-89.

［5］ 张久美.电动手工电钻造型设计的人机设计研究［J］.包装工程，2013，34（16）：50-54.

［6］ LI Zhiqiang，XIE Hanxing，LI Weilin，et al.Proceeding of Human Exoskeleton Technology and Discussions on Future Research ［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2014，27（3）：437-446.

［7］ CHANG Tengruey，WANG Chungshing，WANG Chungchuan.A systematic approach for green design in modular product development［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2013，68（9/12）：2729-2741.

［8］ GHARZELDEEN M N，BEHEIRY S M.Investigating the use of green design parameters in UAE construction projects［J］.International Journal of Sustainable Engineering，2015，8（2）：93-101.

［9］ 孙恒，陈作模.机械原理［M］.7版.北京：高等教育出版社，2005.

［10］ 张瑞亮，王铁，赵富强.渐开线齿轮传动机构模型的设计［J］.机械设计，2009，26（6）：57-59.

［11］ 侯凌云，侯晓春.喷嘴技术手册［M］.北京：中国石化出版社，2002.

［12］ 张旭飞，张燕，梁栋.基于PLC的椰子切割机的设计与控制研究［J］.农机化研究，2012，34（3）：199-202.

［13］ 陈海峰，张建宁，张翠珠.全自动苹果去皮机供料系统设计与PLC 控制［J］.食品与机械，2009（1）：106-108.

［14］ 王晓勇，唐敦兵，楼佩煌，等.基于公理化设计的可编程序控制器控制系统设计方法［J］.计算机集成制造系统，2008，14（11）：2098-2104.

［15］ MURAT U.PLC with PIC16F648A microcontroller part 3［J］.Electronics World，2009，115（1873）：30-34.