一種減少粉塵的黑板擦

2015-02-18 12:01:40付紋暢藍健曹佳

機械工程師 2015年7期

付紋暢，藍健，曹佳

（大連大學機械工程學院，遼寧大連 116622）

0 引言

在如今教學中，擦黑板是件又累又臟的工作。在課堂上，每次擦完黑板，粉筆灰到處都是，衣服上會布滿白色粉筆末，很不舒服。在教學過程中，粉筆灰很容易被吸入肺，多數被阻留在肺泡內，經過一系列的刺激，化學和免疫的作用便可造成肺部損傷，這一過程中，部分粉塵會停留于上呼吸道，對黏膜上皮細胞產生機械刺激和損壞。同時，粉筆粉塵落入眼中，刺激淚腺分泌，眼淚水解碳酸鈣而產生堿性物質，就會嚴重刺激眼部黏膜，造成黏膜損傷，形成慢性炎癥，還可能誘發近視的產生。另外粉筆粉塵具有較強的吸附能力，很多有害病菌都能吸附在微細粉塵上而被帶入學生肺部，從而促成急性和慢性炎癥的發生，引起學生群體集體感染呼吸道和其它流行病。學生在聽課過程中，室內和細菌總數等衛生指標逐漸惡化，會與微細粉塵相互作用，加劇粉筆粉塵對師生健康的危害。因此設計一種新型的黑板擦，既可以輕松地擦黑板，又不會有粉筆灰到處飄散。給師生身體健康帶來益處。本黑板擦由上中下3層組成：上層由電機1和風扇2組成，目的是形成空氣流出，使板擦內形成負大氣壓，能夠快速吸收產生的粉筆灰。中層由3個過濾層3組成，起到過濾的效果，負氣壓將粉筆灰吸入到黑板擦內，3層過濾層通過自身各自的成分不同，相互配合使粉筆灰完全被附在3層過濾層上面。下層由電機4和圓形粉筆擦5（板擦的板上有孔）構成，工作時由電機帶動粉筆擦轉動，擦除黑板上的粉筆字，而粉筆灰會通過上面兩層被很好地吸收掉。該裝置整體圖如圖1所示，內部局部視如圖2所示。

1 負氣壓形成原理

上層由一個頻率大約50 Hz的電機（如圖3）和凹形風扇組成（如圖4），目的是在黑板擦上層形成空氣流出，使板擦內部形成負大氣壓。當電機帶動風扇轉動時，風扇的凹槽能夠很好地造成氣壓反向化，從而使粉筆灰能夠很好地通過小孔進入黑板擦內部，防止粉筆灰四處飄散。由于在標準狀況下空氣氣壓約為1.29 kg/m3，根據壓強公式 p空氣=ρ空氣gh，當板擦與黑板接觸時，與黑板距離為100mm，風扇轉動產生內部壓強p內

而風扇凹槽處，是根據電機頻率，使風扇轉速與凹槽凹陷體積吸附氣成正比。設凹陷深度h，轉速n、凹槽半徑ri、體積V、吸附系數K，最小凹槽曲率半徑a，最大曲率半徑 b。計算公式為：V=；ri=r d r。

由n=KV得到

2 過濾層工作原理及性能

中層為過濾層，是由3層不同的過濾紙組成，外層為活化纖維紙，它能夠將粉筆灰吸附在表面，中層是棉絮層，它能夠將細小的粉筆末吸附，下層由碳濾紙制作而成，內部的活性炭能夠減少粉筆灰活動。3張不同成分的濾紙，放在一起能夠很好地將粉筆灰完全吸附。如圖5，它們之間吸收粉塵量是通過吸附力的大小來計算的。

式中：V 為活性炭用量，m3；V0為處理粉塵量，m3/h；H 為高度；P0為標準大氣壓；P為負氣壓；μ為吸附系數。

3 黑板擦制作及電機配置分析

為了減小阻力，擦起來更容易，設計了圓形黑板擦。電機帶動板擦擦黑板時，圓形黑板擦與電機同步轉動，轉動時根據黑板表面平面度誤差不同，可以用外力使板擦前面擦除層凹陷，使得板擦受力均勻，使黑板上擦除的字不會出現“半輕半淺”現象。同時在擦黑板時，風扇會與前面板擦相互配合，與板擦同步轉動，產生的負壓強會使粉筆灰很容易被吸附至板擦里面，進行吸附過濾，如圖6所示。