吳 佳，張世亮，吳 米，陳偉嘉，羅思維

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

0 前言

隨著人們對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)問題逐漸凸顯出來，引起廣大人群的關(guān)注。目前，國內(nèi)課堂板書教學(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]，教師在授課時板書在黑板上，過后用黑板擦將字跡擦除掉，這一方式既浪費(fèi)了寶貴的課堂時間，同時擦除黑板產(chǎn)生的粉塵被師生或相關(guān)工作人員吸入，將對其身體健康形成潛在的威脅。針對以上所涉及的問題，欲設(shè)計一種無塵自動擦黑板裝置（不同黑板覆面裝置）。本文首先對設(shè)計裝置進(jìn)行CATIA的三維建模，并闡釋其基本工作原理，進(jìn)而對黑板擦裝置通過ADAMS作動力學(xué)及運(yùn)動學(xué)等方面的分析。通過設(shè)計及分析，從根本上解決黑板擦現(xiàn)存在的問題。對教室的清潔、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 無塵自動擦黑板裝置構(gòu)成與工作原理[2]

參照傳統(tǒng)式黑板的安裝方式，對無塵自動擦黑板裝置進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。無塵自動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)計如圖1所示。

圖1 無塵自動擦黑板裝置

兩條絲杠機(jī)構(gòu)通過同步帶連接，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)計旨在防止產(chǎn)生的粉塵散布在整個教室空間中，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)

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

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

（2）連續(xù)直向式運(yùn)動：在介于兩根絲杠之間的橫梁上安裝的皮帶毛氈通過電機(jī)提供皮帶輪的動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：通過模擬人在擦黑板時需要一個壓緊黑板的力，這一力的實現(xiàn)通過橫梁內(nèi)部多個彈簧壓緊輪對皮帶的壓緊力來實現(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，可根據(jù)實際情況中皮帶的長度決定壓緊輪的個數(shù)。壓緊輪的安裝方式為：在橫梁上設(shè)置有多個壓緊輪卡座，直接將壓緊輪卡在基座中，便于壓緊輪的安裝和換取。

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

無塵部分采用方法為：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題，很好地起到了防塵的作用。這對師生的身體健康和教室環(huán)境的清潔起了極大的作用。

2 無塵擦黑板裝置的分析

2.1 建立仿真模型

利用所設(shè)計裝置的三維結(jié)構(gòu)及其工作原理，設(shè)計無塵擦黑板裝置的仿真模型，見表1及圖3.

表1 各部件間運(yùn)動的約束關(guān)系表

圖3 無塵擦黑板裝置的仿真模型

2.2 運(yùn)動分析

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)動學(xué)分析曲線如圖4所示[4]。

圖4 除塵機(jī)構(gòu)的運(yùn)動曲線

按照其運(yùn)動規(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引起穩(wěn)定性問題。如圖5所示，發(fā)現(xiàn)除塵機(jī)構(gòu)的合力隨時間的增加而增大。

圖5 除塵機(jī)構(gòu)的合力曲線變化

2.3 除塵裝置的運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)分析[5]

利用ADAMS分析除塵機(jī)構(gòu)中皮帶毛氈運(yùn)動時，在黑板面產(chǎn)生的接觸力的變化對其運(yùn)動速度的影響。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，分析是否因為阻力值的變化影響黑板擦裝置運(yùn)行時，在皮帶毛氈與黑板接觸應(yīng)力變化對除塵效果分析，以及速度的變化是否引起機(jī)械振動，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)

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

圖7 除塵機(jī)構(gòu)的移動速度的變化曲線

實驗發(fā)現(xiàn)，除塵機(jī)構(gòu)的移動速度在仿真時間為0 s～1.5 s范圍內(nèi)，速度值得變化由遞減到遞增；在時間1.5 s～5.0 s范圍內(nèi)，除塵機(jī)構(gòu)的移動速度值的增量趨近于0.由此可見，阻尼的變化對除塵機(jī)構(gòu)的移動速度有較大影響，需考慮其阻尼值得設(shè)置對除塵機(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)計中，因設(shè)計的摩擦布的阻尼值固定，但在實驗中，需要通過彈性體的結(jié)構(gòu)改變摩擦布與黑板接觸過程中的阻尼值。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

本無塵自動黑板擦裝置克服了現(xiàn)有的黑板-粉筆-黑板擦費(fèi)時費(fèi)力、粉塵污染等不足。本裝置機(jī)械化設(shè)計。具體優(yōu)勢如下：

（1）結(jié)構(gòu)簡單，成本低，耐用、快速省時。利用簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)加吸塵器達(dá)到自動無塵的效果，結(jié)構(gòu)沒有那么繁瑣，反而簡單化；成本低，零件互換性強(qiáng)，耐用。采用微型電機(jī)提供動力，省時又省力。

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

（3）無塵清潔。將擦除黑板的粉塵控制在橫梁密閉的空間中，通過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，使人在整個自動無塵擦黑板裝置擦除黑板時不接觸黑板以及裝置，避免師生及相關(guān)工作人員過多地吸入粉塵。有益于身體健康，防止環(huán)境污染[5]。

參考文獻(xiàn)：

[1]王秀紅.基于QFD和TRIZ集成理論的電動吸塵黑板擦創(chuàng)新設(shè)計[J].包裝工程，2014，35（18）：39-42.

[2]李樹元，李光舉，王貴蘭.基于電器控制的無塵黑板研究[J].科技風(fēng)，2016（18）：58.

[3]鄭利東.基于ProE的吸塵器產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2013.

[4]張繼忠，隋 博，秦世安，等.機(jī)構(gòu)運(yùn)動方案仿真實驗平臺研究[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2010，8（3）：17-19.

[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.