除尘黑板擦的设计与应用

2020-03-26太原工业学院闫乙伟李淑青左赟杨镇丞石纪贤朱瑞文雅

河北农机 2020年2期

太原工业学院闫乙伟李淑青左赟杨镇丞石纪贤朱瑞文雅

大多数学校教学中仍使用粉笔书写。因其具有廉价易使用的特点，除教学之外，亦有用到粉笔黑板之处，但其粉尘大、难清洁、有擦痕的缺点仍未改变。据统计，教师职业病呈逐年上升的趋势，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、危害最严重的一种，其中男性教师慢性患病率58.53%；女性教师慢性患病率61.06%[1]。为响应国家绿色环保低碳计划，最大可能减少环境的污染，我们设计了水溶性除尘黑板擦，它能解决粉尘对身体造成伤害的问题，并能延长黑板的使用寿命。

近年来，已有不少文献、专利涉及无尘黑板擦，但各具特点。文献[2]中可得到：其产品若运用于实际，只能够实现板擦左右水平移动，并不能上下移动；以擦洗黑板为目的的产品，效果并不理想。文献[4]虽用到清洁能源，但充满电后使用时长过短，并不实际。文献[5]中的产品空间利用率过低，要实现对黑板擦持续充电，那便意味着要一直连接到太阳能集光板，操作过于烦琐。

与前人黑板擦的设计相比，本黑板擦的优点：极大地降低了粉尘飞扬的可能性，减少对使用者的伤害；对黑板有更好的清洁作用，易于使用，空间利用率高，更具有实际应用性。以下主要从模型介绍、模型各部分的设计原理和结论三个部分论述除尘黑笔擦的设计与应用。

1 除尘黑板擦的模型介绍

除尘粉笔擦的结构如图1 所示，它的形状是一个长方体，长×宽×高为15cm×7cm×4cm，体积小，便于携带，方便使用。图中，1 是储水口，方便储存水。2 是橡胶管，起到了运输水的作用，使水分通过橡胶管到达3 喷水口。4 是海绵粘板，用于固定海绵。5 和6 分别为小风口和大风口，小风口主要是为了做最后的处理，烘干最后的水分；大风口则主要是提供快速的干燥海绵的通道。7 是蓄电池（工作电压为3.7v，电容量140mAh/g），为风扇提供动力。8 是风机，提供风力，主要作用是烘干海绵和使湿的黑板快速干燥，风扇的额定电压为12V，额定电流为0.1A，功率为20W，转速为2200±10%RPM，噪声为18DB，风量为22.17—32.97CFM。9 是储水挡板，防止水流入电机工作区，影响机器的使用。10 是开关，控制机器的电路。11 是储水池，它的作用主要是为水的储存提供空间。海绵主要采用的是EVA 泡棉与三聚氰胺海绵，其中EVA 泡棉的密度为10～65（g/cm3），三聚氰胺海绵的密度为4000～12000（g/cm3）。EVA 泡棉的长×宽×高为7cm×7cm×0.5cm，三聚氰胺海绵的长×宽×高分别为6cm×7cm×0.5cm，不同类型的海绵起到不同方式的除尘的作用。

图1 除尘粉笔模型

该设计具有以下优点。

（1）使用传统的黑板擦对黑板进行擦拭，部分粉笔细末仍会附着于黑板表面，难以脱落，我们设计的黑板擦通过水溶解除去细末，解决了传统黑板擦影响再次书写的问题。

（2）新型黑板擦采用湿处理，干处理，风干处理，不仅让黑板更加干净，还极大地提高了擦黑板的效率，并延长了黑板的使用寿命。

（3）通过水溶式将粉尘除去，解决了擦拭过程中粉笔灰四处飞扬的问题，更加环保健康。

（4）海绵可以再次粘贴使用，节约了资源，低碳环保。电池可以充电循环使用，更节约减排。

2 模型设计原理

2.1 外观设计

传统黑板擦多以木头为主体，在擦拭黑板时普遍出现板擦硌手、抓握不牢，及木刺扎手的现象。据统计，普通人的手掌宽度多在8～9cm，长度在15～18cm，新型板擦宽度设计在7cm，长度设计在15cm，高度设计在5cm 可以适合绝大多数人的抓握，根据人体力学在板擦的抓握处设计有9 颗/cm2，r=0.5mm 的半球状凸起，来增加板擦与手之间的摩檫力，从而降低了挤压喷水时的力度，同时避免了抓握不牢的问题。另外，板擦主体采用PVC 材质，避免了长时间使用后的老化现象，外观整体为白色长方体，棱角处采用光滑处理，避免了长时间使用硌手的问题。该除尘板擦注水之前的质量约为175g，注水之后为325g，大小和重量在手掌中有很好的填充感，达到了良好的舒适度.

2.2 擦拭部分设计

抹布板擦和毛毡板擦是小学以及初高中常见的黑板清洁工具，抹布板擦不会扬起粉尘，但缺点是需要等待黑板由湿变干，时间被浪费。毛毡板擦则容易使粉尘四处飞散，不利于健康。所以我们需要一种吸水能力强、易干还容易清理黑板的材料。人们常用的海绵由木纤维或发泡塑料聚合物制成，具有良好的吸水性，清洁能力强，质量轻，海绵平常都能呈一定的形状，稍加压力就变形，但是变形之后解除压力能很快恢复原状，正好符合要求，它可以在擦完黑板的同时把水再吸走。在干海绵的侧表面贴附塑料薄膜，隔绝干海绵与湿海绵，阻止水分渗透。同时，也降低了风机和擦拭黑板过程中产生的噪声。

2.3 出水口设计

出水口的高度低于海绵两毫米，将黑板擦按到黑板上，按压黑板擦，当海绵形变时，会挤压出水口，同时会推动小腔的活塞向里压缩，由于水会压死单向阀，不能通过单向阀进入大腔，最终水只能从出水口里被挤出来。我们在大腔前方的上部设有小孔，使得大腔内部的气压与大气压一样，当松开手柄，弹簧会把活塞推回原来的位置，小腔内产生真空，使腔内外形成气压差，气压把大腔中的水通过单向阀压入小腔，小腔内再次充满水，之后再重复之前的操作，周而复始。由伯努利原理，流体会自动从高压流向低压，当内部大气压大于外部大气压时，水会自动从管中流出，在通过管口时，低速流动的水流向高速流动的空气，水被高速空气撕成一小滴一小滴，这便形成了水雾，均匀地湿润了海绵。按压力度决定了出水量。

2.4 电机仓设计

电机仓的大小为6cm×7cm×5cm，电机仓内包含：蓄电池组、低功率风扇、Micro USB 接口即电池充电口。蓄电池组采用两节镍铬电池，工作电压为3.7v，电容量140mAh/g，镍镉电池多用于充电宝的电芯，可以储存较多电量，充满电后可供风扇工作三日。风扇则采用大小为5cm×5cm×1cm，规格为：额定电压为12V，额定电流为0.1A，功率为20W，转速为2200±10%RPM，噪声为18DB，风量为22.17～32.97CFM的电脑散热风扇，该风扇多用于电脑CPU 散热，其风力烘干效果极佳。充电口采用市面上普遍的Micro USB 接口即Android 充电口。电池充电口采用高通Quick Charge 2.0 快充技术，配套相应的充电线和电源适配器。可以达到原需3 个小时充满的电，只需1 个小时即可充满。电机仓底侧和后侧分别设有不同大小栅栏状通风口，既为烘干海绵提供了条件，也为电池组的散热提供了条件。