基于環保的雙滾動式黑板綠色設計研究

貝廣霞， 韓博， 劉世豪

（1.山東科技大學工程實訓中心，山東 青島 266590；2.海南大學機電工程學院，?？?70228）

0 引 言

隨著教育事業的進步和教學節奏的加快，教師職業病率呈逐年上升的趨勢，職業病呈現多樣化方向發展，其中粉塵引起的塵肺以及各種急慢性呼吸道疾病是目前職業病中最主要、危害最嚴重和最廣泛的一種。盡管當前的教學設備都很先進，教學用具不再局限于黑板，但調查結果顯示，目前在我國92%的學校里，黑板的使用量仍然獨占鰲頭，在國外，如美國、日本，黑板也是必不可少的教學用具［1］。普通黑板往往可用的書寫面積有限，人工擦拭時間長、效率低、粉塵污染嚴重，在影響人身健康的同時，也影響著一些電子教學用具的使用壽命［2］。為改善傳統黑板存在的粉塵污染等問題，本文基于綠色環保的理念設計了一種雙滾動式黑板［3］，它具有書寫面積大、全自動干擦和濕擦除、效率高等優點，能有效地解決長久來困擾師生的粉塵問題，符合產品功能人性化的工業設計理念［4-5］。

1 雙滾動式黑板工作原理

雙滾動式黑板結構示意圖如圖1所示，該新型黑板主要由黑板傳動機構、噴水系統、烘干系統、PLC控制系統這4部分組成。

雙滾動式黑板的工作原理如下：電動機1將動力依次傳至齒輪2、齒輪3、齒輪4；2個轉動相反的齒輪3、齒輪4使得滾筒進行轉動，從而實現滾筒的雙滾動；黑板面10下移和板擦面9上移過程中利用相對滑動所產生的摩擦力將字跡進行擦除，粉筆灰將落入收塵箱12中；同時板擦面9與除塵墻8相互接觸也將落入收塵箱12中；如需進行濕擦，噴水系統6將工作后的黑板進行滾動完成擦除，再通過烘干系統7進行烘干。

圖1 雙滾動式黑板結構示意圖

雙滾動式黑板的板擦面的設計代替了傳統的黑板擦，它通過與黑板面的相對運動產生摩擦，從而將板書順利擦除。板擦面是后方兩個滾筒上的“傳送帶”，在擦除的過程中一邊擦一邊滾動，前方的板擦面進行筆跡的擦除，擦除后沾染粉塵的板擦面被傳送至后方，在后方的除塵墻上進行粉塵的脫離，實現了對黑板擦的自動清掃。由于整個過程是在后方進行的，不會造成粉塵污染以威脅到使用者的健康。

2 雙滾動式黑板的綠色設計

綠色設計也稱生命周期設計或者生態設計，是指在產品的整個生命周期內著重考慮產品的環境屬性，并將其作為設計目標，在滿足產品的環境目標的同時，保證產品應有的功能、經濟、質量和使用壽命等要求［6-8］，本文根據這項新理念對雙滾動式黑板進行了詳細設計。

圖2 齒輪傳動機構

2.1 黑板傳動機構設計

傳動機構由電機將動力先行傳遞到齒輪1，再由齒輪1通過外嚙合的方式將動力傳遞到齒輪2、齒輪3并進行同向轉動，從而帶動滾筒轉動，齒輪傳動的二維結構如圖2所示。重要的是使得兩相近滾筒面的運動方向相反，帶動板擦面與黑板面進行相對滑動，產生滑動摩擦力，完成擦除。這樣的傳動機構增加了相對滑動路程，由公式WS=FS·S=μFNS可以看出，在不改變滑動摩擦因數和正向壓力的前提下，增大了摩擦力做功，從而提高了清潔效率。

考慮到雙滾動式黑板的工作環境一般是在教室或會議廳，工作過程中應當提高傳動平穩性、降低噪聲，而斜齒輪傳動具有下列主要的優點：1）嚙合性能好，傳動平穩、噪聲??；2）重合度大，降低了每對齒輪的載荷，提高了齒輪的承載力；3）不產生根切的最少齒數少［9-10］。

為了兩斜齒輪能夠連續傳動，必須保證在前一對輪齒沒有脫離嚙合時，后一對齒輪能夠及時進入嚙合，滿足重合度ε不小于許用值［ε］，即

ε≥［ε］。重合度計算公式為：

式中：α′為嚙合角；β 為螺旋角；mn為法向模數；z1、z2及αat2、αat1分別為兩個齒輪的齒數及齒頂圓壓力角。

黑板面選取具有彈性的柔性材料，安裝時使之與兩個滾筒適當配合，形成可以隨滾筒轉動的“傳送帶”，如圖3所示。

2.2 噴水系統的設計

噴水系統的設計實現了對于黑板的自動水洗的功能，它主要是由水泵、管道、噴嘴組成。由于所需的水壓并不需要很大，所以采用CP系列小型清水泵（流量為60 L/min）。然而噴嘴的設計影響著濕擦黑板的清洗效率和節水效率，對于理想的噴嘴設計要有3 個功能要素：1）射流壓力分布均勻，盡可能在小流量的前提下達到最高的清洗效率μ，以實現節能；2）液滴分布要均勻，以保證均勻的清洗；3）合理的水流霧化角度α，以滿足較短距離下得到較大的有效清洗面積A。噴射參數的經驗曲線如圖4所示［11］，可以得出噴口半徑的大小是其主要影響因素。

圖3 黑板傳動機構

圖4 噴射參數的經驗曲線

噴口半徑與旋片中心孔半徑的計算公式為：

式中：rA為噴口半徑，mm；rB為旋片中心孔半徑，mm；QA為離心噴嘴流量，m3/s；ρf為水的密度，kg·m3；pf為噴嘴孔的壓降，MPa；ε為有效截面系數；μA為理論流量系數。

根據式（4）、式（5）、式（6），按照有效截面系數 ε=0.826、噴離心流量QA=60 L/min進行設計，得出噴嘴半徑rA=1.2mm，旋片中心孔半徑rB=0.5 mm，設計后得到噴嘴的二維結構如圖5所示。

圖5 噴嘴二維結構

2.3 烘干系統的設計

烘干系統安裝在上頂面（如圖6）上，采用時間繼電器連接噴水系統與烘干系統，噴水系統噴水一段時間后，自動停止工作。烘干系統的設計原理如下：在黑板面進行加濕處理之后，安裝在黑板頂部的風機開始工作，將產生出具有一定流速的空氣，通過頂部的通風板如圖所示泄至黑板面，使黑板表面的水分快速蒸發。按設定的時間工作完成后，烘干系統關閉，此時黑板面已經完成濕擦，籠罩在其上的頑固粉塵也已去除。

圖6 上頂面

2.4 PLC控制系統設計

PLC（可編程序控制器）是當今工業生產中應用非常廣泛的控制器，能夠存儲和執行指令，進行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算數運算等操作，并通過數字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械和生產過程［12-13］。另外，PLC控制還具有可靠性高、功能性強等特點［14-15］。因此，本文設計的雙滾動式黑板的控制系統采用PLC控制。

由于雙滾動式黑板的控制較為簡單，所以采用經驗設計法設計PLC控制系統梯形圖。因為普通干擦時只需要傳動電機進行工作，為避免多余的工作，只需滾動一個黑板面即可，工作時長為8 s。在濕擦時傳動電機和噴水泵先行工作16 s將整個黑板面加濕后進行烘干，烘干時長為60s。為控制工作時間，需要加裝 時 間 為 8 s、16 s、60 s的定時器 T0、T1、T2。PLC的I/O點數分配如表1所示，PLC控制系統梯形圖如圖7所示。

表1 I/O點數分配

圖7 PLC控制系統梯形圖

3 雙滾動式黑板環保效應分析

本文在對4大主要組成系統進行詳細設計后，并設計了其它輔助零部件，進行裝配調試后得到的雙滾動式黑板如圖8，其各部分組成可參考圖1。該雙滾動式黑板具有以下幾項優點：1）清潔環保，不產生粉塵，有助于改善教學環境，利于教育工作者及學生的身心健康，符合現代人的環保理念；2）可將粉塵回收利用，減少資源浪費，避免了二次污染；3）工作的自動運行實現干擦和濕擦，方便快捷易于操作，具有很好的人性化設計優勢。

不同于傳統的硬質黑板，本文設計的雙滾動式無塵環保黑板采用柔性材料做成黑板面，經過市場調查后找到了一種柔軟的黑板面材料，即N次貼無塵軟黑板，這種黑板面材料不僅柔軟而且富有彈性，方便在安裝時與滾筒緊密配合，這種黑板面材料有著與傳統黑板相同的功能，如圖9所示，可以用粉筆在上面寫出清晰的字，也很容易用黑板擦擦拭筆跡，可避免粉塵的侵擾，具有很好的環保效應。

圖8 雙滾動式黑板

圖9 黑板的使用效果

4 結 語

本文基于綠色環保理念所設計的雙滾動式黑板，不僅具有一般滾動式黑板的優點，即解決了書寫時高處要舉手、低處要彎腰、擦字揚粉塵、寫字擋視線的弊端；而且考慮到了對板擦面的清掃，避免教師在擦拭黑板時，為了清除沾在黑板擦表面的粉筆粉塵而敲打黑板擦產生的二次污染。為解決粉塵污染問題，出現了靜電除塵黑板等，但它并未徹底隔離粉塵污染，而本文設計的雙滾動式無塵環保節能黑板很好地將擦除系統隔離，可避免粉塵的侵擾，具有很好的人性化設計優勢。因而，本文設計的雙滾動式無塵環保節能黑板具有良好的市場前景，利于在各學校進行推廣應用。

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