自动无尘黑板关键技术的研究✳

夏 凡，李 铭，张 融，张 成，梅志敏

（武昌工学院 机械工程学院，湖北 武汉 430065）

0 引言

黑板和粉笔是教师教学中离不开的工具，传统的擦黑板方法不仅费时费力，而且长年累月的粉尘污染使不少老师患上了“粉尘综合症”。根据国家有关统计资料显示：我国的师生每年因上课吸入的粉笔灰约为200g／人，为此患呼吸道、肺部、眼睛、皮肤疾病及癌症的人约占师生总数的20%。为了减少粉尘污染，很多厂家设计和生产了电动黑板檫，但这些产品要么价格昂贵、安装复杂，要么体积较小、工作效率低。针对上述问题，本文设计了一款新型环保、经济实用的黑板擦。

1 无尘黑板关键结构及工作原理

自动无尘黑板的分层毛刷设计不仅去字效果彻底，还能保护毛刷，延长毛刷的使用寿命。弧形铝板的设计不仅能增加在特殊软体黑板带上的着字率，使字迹更加清晰，还能增加分层毛刷与特殊软体黑板带间的摩擦力，从而提高粉笔字清除的效果。手动把手的设计采用了棘轮与圆锥齿轮的组合方式，棘轮能够达到单向的传动，圆锥齿轮用来改变手把的传动方向。

自动无尘黑板的结构示意图见图1。电机带动转动轴与毛刷控制轴，转动轴用来带动特殊软体黑板带的运动，从而达到特殊软体黑板带的切换效果。当毛刷控制轴运动时，毛刷控制轴上的圆锥齿轮带动分层毛刷上的圆锥齿轮实现分层毛刷的转动从而清灰。

写有粉笔字部分的特殊软体黑板带随转动轴转向黑板后方，此时分层毛刷的运动将粉笔字迹逐层清除，粉笔灰被吸尘管吸到黑板的粉尘盒内，擦干净的特殊软体黑板带转向黑板前方继续使用。

2 特殊软体黑板带的运转

2.1 特殊软体黑板带

特殊软体黑板带为由宽幅软布首尾相连的O型传送带，传送带内部上下两边镶嵌啮合齿带。

图1 自动无尘黑板结构示意图

2.2 转动轴

转动轴有两根，主动轴和从动轴，分别置于特殊软体黑板带的两端，主动轴为特殊软体黑板带的动力来源，转动轴带动特殊软体黑板带运动。

3 分层毛刷的固定与传动

3.1 弧形铝板

弧形铝板见图2。铝板弧度为2°，左右两侧具有轴承孔承载转动轴，铝板上下两端均匀分布5个有轴承孔的铝片用来承载分层毛刷，铝板底有两个轴承孔用来盛放毛刷控制轴。

图2 弧形铝板

弧形设计能使自动无尘黑板带凸面与书写面紧贴，防止特殊软体黑板带出现移位现象，同时还能增加着字率。铝板凹面与自动无尘黑板带中空分离，分层毛刷压向自动无尘黑板带，以增加毛刷与自动无尘黑板带的摩擦力，使清除效果提高。

3.2 分层毛刷清理机构

毛刷的下侧安有一个圆锥齿轮，毛刷控制轴上的相应部位有一个圆锥齿轮，安装好后两圆锥齿轮相啮合，实现垂直传动。毛刷转动系统轴左侧装有控制箱，粉笔灰清除装置如图3所示。

图3 粉笔灰清除装置

5个毛刷分3种类型：①自动无尘黑板左右最边缘2个毛刷为第1类，将清晰的粉笔字模糊化，粗擦粉笔字；②紧邻第1类的2个毛刷为第2类，将粉笔字初步擦除；③中间毛刷精擦自动无尘黑板带，使自动无尘黑板更加干净。

分层毛刷能达到分层清除粉笔字的效果，降低了粉笔字粘着力，毛刷无需经常取出，自动无尘黑板容易擦干净，成套毛刷的使用能增加毛刷的使用时间。

4 吸尘装置设计

4.1 吸尘器与粉尘盒组合

粉尘盒由铝板构成，盒子开口处有橡胶片，安装后橡胶片挤压自动无尘黑板带达到很好的密封效果。5根吸尘管伸入粉尘盒内，伸入部分的圆柱侧面具有小孔用来吸收粉尘，吸尘管聚集在自动无尘黑板右下角的吸尘器上，吸尘器的内盒可以拆卸。吸尘器具体参数如表1所示，吸尘器与粉尘盒组合图如图4所示。

表1 吸尘器参数

4.2 黑板外壳

自动无尘黑板带包覆在整个内部结构之外，弧形铝板和外壳紧密连接，外壳右下角有控制开关，右下角侧部有一个可以取动的盒子，用来收集粉笔灰，使用时用塑料膨胀螺栓将黑板钉在墙上。

5 控制系统设计

5.1 控制原理

自动无尘黑板可采用点动、连续动与手动控制的方法，控制按钮在自动无尘黑板正面的左下角。若开启点动控制开关按钮，电动机每次点动向左运动50°，同时毛刷转速为120r／min，转动轴以15r／min的速度带动自动无尘黑板布运动，吸尘器每次运行30s。若开启连续控制开关，电动机持续运动带动自动无尘黑板带的转动轴以15r／min的速度转动，毛刷转速为120r／min，吸尘器连续运作。假若停电，可以利用手动把手使自动无尘黑板带与毛刷转动，短时间可以维持自动无尘黑板的使用。自动无尘黑板控制原理框图如图5所示。

图4 吸尘器与粉笔盒组合图

图5 自动无尘黑板控制原理框图

5.2 自动控制

设计有3个自动控制按钮，点动控制按钮使自动无尘黑板带向左，同时毛刷和吸尘器同时运转；连续控制按钮使自动无尘黑板整体连续向左转动，自动无尘黑板换面的同时毛刷和吸尘器开始运转；最后一个按钮单独控制吸尘器的启动。

5.3 手动控制

手动控制只控制自动无尘黑板带与毛刷。转动把手由棘轮与圆锥齿轮组合而成，由它带动自动无尘黑板带和毛刷运动。自动控制时转动轴与毛刷控制系统都不会影响手动控制。

6 结语

自动无尘黑板既保留了传统黑板使用粉笔写字的特点，又消除了粉尘给教师带来的健康隐患，同时具有成本低、能耗低等特点，具有极大的推广价值和市场前景。

［1］ 刘鸿文.材料力学［M］.第5版.北京：高等教育出版社，2011.

［2］ 孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理［M］.第7版.北京：高等教育出版社，2013.