無(wú)塵自動(dòng)擦黑板裝置的研究與分析

吳 佳，張世亮，吳 米，陳偉嘉，羅思維

（廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，廣東 湛江524003）

0 前言

隨著人們對(duì)教育的重視度和提高以及教育設(shè)施的日益完善化，相應(yīng)地，有些相關(guān)問(wèn)題逐漸凸顯出來(lái)，引起廣大人群的關(guān)注。目前，國(guó)內(nèi)課堂板書(shū)教學(xué)使用設(shè)備雖呈多樣化，但經(jīng)了解，教師在課堂中使用最多的仍是黑板-粉筆-黑板擦這一傳統(tǒng)方式[1]，教師在授課時(shí)板書(shū)在黑板上，過(guò)后用黑板擦將字跡擦除掉，這一方式既浪費(fèi)了寶貴的課堂時(shí)間，同時(shí)擦除黑板產(chǎn)生的粉塵被師生或相關(guān)工作人員吸入，將對(duì)其身體健康形成潛在的威脅。針對(duì)以上所涉及的問(wèn)題，欲設(shè)計(jì)一種無(wú)塵自動(dòng)擦黑板裝置（不同黑板覆面裝置）。本文首先對(duì)設(shè)計(jì)裝置進(jìn)行CATIA的三維建模，并闡釋其基本工作原理，進(jìn)而對(duì)黑板擦裝置通過(guò)ADAMS作動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)等方面的分析。通過(guò)設(shè)計(jì)及分析，從根本上解決黑板擦現(xiàn)存在的問(wèn)題。對(duì)教室的清潔、師生的身體健康以及課堂的高效利用有著極為關(guān)鍵的作用。

1 無(wú)塵自動(dòng)擦黑板裝置構(gòu)成與工作原理[2]

參照傳統(tǒng)式黑板的安裝方式，對(duì)無(wú)塵自動(dòng)擦黑板裝置進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。無(wú)塵自動(dòng)擦黑板裝置主要由絲杠、橫梁、橫梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)及微型吸塵器構(gòu)成[3]。整體結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 無(wú)塵自動(dòng)擦黑板裝置

兩條絲杠機(jī)構(gòu)通過(guò)同步帶連接，保證他們之間的同步性。

其中橫梁2上包含有皮帶輪、粘有毛氈的皮帶、微型電機(jī)、刮板、壓緊輪、壓緊輪卡座等，屬半封閉式結(jié)構(gòu)，橫梁2內(nèi)部的設(shè)計(jì)旨在防止產(chǎn)生的粉塵散布在整個(gè)教室空間中，因此，只需毛氈皮帶和黑板之間得到接觸即可，其他方向上均作封閉式處理。橫梁的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 橫梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)

無(wú)塵自動(dòng)擦黑板裝置的工作原理：此裝置總體上可概括為三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)，實(shí)質(zhì)上所有的動(dòng)作均是模擬人在使用黑板擦擦黑板的過(guò)程，其運(yùn)動(dòng)方式分別為：漸進(jìn)往復(fù)式、連續(xù)直向式及往復(fù)向下式。具體實(shí)現(xiàn)方式如下：

（1）漸進(jìn)往復(fù)式運(yùn)動(dòng)：在黑板兩側(cè)設(shè)有兩根同步絲杠螺母機(jī)構(gòu)，其長(zhǎng)度可根據(jù)黑板大小的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，由微型電機(jī)減速器提供動(dòng)力，可達(dá)到使絲杠按照一定的比例在某個(gè)方向上進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。皮帶的利用使兩根絲杠達(dá)到同步的效果。當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)絲杠間的橫梁進(jìn)行上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，橫梁上的毛氈在黑板表面進(jìn)行上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

（2）連續(xù)直向式運(yùn)動(dòng)：在介于兩根絲杠之間的橫梁上安裝的皮帶毛氈通過(guò)電機(jī)提供皮帶輪的動(dòng)力在黑板表面從左到右地進(jìn)行循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，多次擦除黑板覆面，使擦除工作更為清潔有效。

（3）往復(fù)向下式運(yùn)動(dòng)：通過(guò)模擬人在擦黑板時(shí)需要一個(gè)壓緊黑板的力，這一力的實(shí)現(xiàn)通過(guò)橫梁內(nèi)部多個(gè)彈簧壓緊輪對(duì)皮帶的壓緊力來(lái)實(shí)現(xiàn)，彈簧壓緊輪的位置可以調(diào)節(jié)，使皮帶在垂直方向上始終處于張緊狀態(tài)，保證皮帶上的毛氈始終與黑板表面相接觸。同時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況中皮帶的長(zhǎng)度決定壓緊輪的個(gè)數(shù)。壓緊輪的安裝方式為：在橫梁上設(shè)置有多個(gè)壓緊輪卡座，直接將壓緊輪卡在基座中，便于壓緊輪的安裝和換取。

上述主要為自動(dòng)無(wú)塵擦黑板裝置的自動(dòng)部分，采用機(jī)械化結(jié)構(gòu)以達(dá)到省時(shí)省力的效果。

無(wú)塵部分采用方法為：將橫梁上的皮帶毛氈采用封閉式，保證毛氈與黑板面相接觸即可，在橫梁上加刮板，可根據(jù)實(shí)際情況增加或減少刮板的數(shù)量，這樣在毛氈與黑板接觸擦除后字跡后粘在毛氈上的粉末就會(huì)被刮板刮掉，進(jìn)而被跟刮板連接著的微型吸塵器清理，人為地定期將吸塵器中的粉末處理掉，極大地解決了粉塵這一問(wèn)題，很好地起到了防塵的作用。這對(duì)師生的身體健康和教室環(huán)境的清潔起了極大的作用。

2 無(wú)塵擦黑板裝置的分析

2.1 建立仿真模型

利用所設(shè)計(jì)裝置的三維結(jié)構(gòu)及其工作原理，設(shè)計(jì)無(wú)塵擦黑板裝置的仿真模型，見(jiàn)表1及圖3.

表1 各部件間運(yùn)動(dòng)的約束關(guān)系表

圖3 無(wú)塵擦黑板裝置的仿真模型

2.2 運(yùn)動(dòng)分析

根據(jù)ADAMS仿真軟件的分析特性，建立了仿真模型中除塵機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析曲線如圖4所示[4]。

圖4 除塵機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)曲線

按照其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的曲線變化，建立除塵機(jī)構(gòu)受到的合理變化是否會(huì)引起穩(wěn)定性問(wèn)題。如圖5所示，發(fā)現(xiàn)除塵機(jī)構(gòu)的合力隨時(shí)間的增加而增大。

圖5 除塵機(jī)構(gòu)的合力曲線變化

2.3 除塵裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析[5]

利用ADAMS分析除塵機(jī)構(gòu)中皮帶毛氈運(yùn)動(dòng)時(shí)，在黑板面產(chǎn)生的接觸力的變化對(duì)其運(yùn)動(dòng)速度的影響。如圖6所示，為接觸的力曲線，其中，當(dāng)damping值為關(guān)鍵因素。

圖6 摩擦布產(chǎn)生的接觸力變化

設(shè)定damping值，分析是否因?yàn)樽枇χ档淖兓绊懞诎宀裂b置運(yùn)行時(shí)，在皮帶毛氈與黑板接觸應(yīng)力變化對(duì)除塵效果分析，以及速度的變化是否引起機(jī)械振動(dòng)，即是否產(chǎn)生位移振蕩。根據(jù)表2，damping值依次增大，進(jìn)行仿真分析。

表2 摩擦布與黑板的接觸力中阻尼變化參數(shù)

對(duì)除塵機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真運(yùn)動(dòng)的分析，如圖7所示，為除塵機(jī)構(gòu)的移動(dòng)速度的變化曲線，進(jìn)行討論。

圖7 除塵機(jī)構(gòu)的移動(dòng)速度的變化曲線

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，除塵機(jī)構(gòu)的移動(dòng)速度在仿真時(shí)間為0 s～1.5 s范圍內(nèi)，速度值得變化由遞減到遞增；在時(shí)間1.5 s～5.0 s范圍內(nèi)，除塵機(jī)構(gòu)的移動(dòng)速度值的增量趨近于0.由此可見(jiàn)，阻尼的變化對(duì)除塵機(jī)構(gòu)的移動(dòng)速度有較大影響，需考慮其阻尼值得設(shè)置對(duì)除塵機(jī)構(gòu)平穩(wěn)運(yùn)行。

2.4 除塵機(jī)構(gòu)中的彈性體分析

在除塵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，因設(shè)計(jì)的摩擦布的阻尼值固定，但在實(shí)驗(yàn)中，需要通過(guò)彈性體的結(jié)構(gòu)改變摩擦布與黑板接觸過(guò)程中的阻尼值。如圖8，在仿真模型的除塵機(jī)構(gòu)中施加的彈性變體，分析其彈性力、彈性體的變形速度及彈性位移變量的曲線。

圖8 彈簧力的力變化曲線

由圖發(fā)現(xiàn)，彈性體的變形速度的曲線由遞增到逐漸平穩(wěn)，其彈性力有遞減到平穩(wěn)，而變形量是均衡遞增。

3 結(jié)束語(yǔ)

本無(wú)塵自動(dòng)黑板擦裝置克服了現(xiàn)有的黑板-粉筆-黑板擦費(fèi)時(shí)費(fèi)力、粉塵污染等不足。本裝置機(jī)械化設(shè)計(jì)。具體優(yōu)勢(shì)如下：

（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，耐用、快速省時(shí)。利用簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)加吸塵器達(dá)到自動(dòng)無(wú)塵的效果，結(jié)構(gòu)沒(méi)有那么繁瑣，反而簡(jiǎn)單化；成本低，零件互換性強(qiáng)，耐用。采用微型電機(jī)提供動(dòng)力，省時(shí)又省力。

（2）多規(guī)格。可根據(jù)黑板面的大小調(diào)節(jié)絲杠與皮帶的長(zhǎng)度以與黑板面相適應(yīng)。

（3）無(wú)塵清潔。將擦除黑板的粉塵控制在橫梁密閉的空間中，通過(guò)刮板將毛氈上刮下的粉塵迅速轉(zhuǎn)移到微型吸塵器中，人為定期清理，使人在整個(gè)自動(dòng)無(wú)塵擦黑板裝置擦除黑板時(shí)不接觸黑板以及裝置，避免師生及相關(guān)工作人員過(guò)多地吸入粉塵。有益于身體健康，防止環(huán)境污染[5]。

參考文獻(xiàn)：

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[5]程 靳.工程力學(xué).Ⅱ .通用部分[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.