摘 要

设计了一种适用于教育过程中的一种黑板擦的清洁装置，设计出一种可以自动清理黑板擦灰尘的装置，避免了课堂上清理黑板擦造成粉尘飞扬影响老师和同学身体健康的情况。本设计方案利用了3D打印技术和吸尘器的旋风除尘原理，并且对此设计原理进行了结构上的优化设计和安排。详细介绍了此设计方案工作原理和工作过程，外部设计包括外观设计和整体的结构设计等。本设计完全是自主设计，具有实用性强，操作简单，对环境污染小，美观，易于操作等优点，可以在很大程度上方便教学，极大改善了老师们的教学环境，是一个创新型设计。

关键字：黑板擦，3D打印，旋风除尘，创新

Abstract

A blackboard eraser cleaning device suitable for the education process is designed, and a device capable of automatically cleaning dust on the blackboard eraser is designed, so that the situation that dust flying in the classroom caused by cleaning the blackboard eraser affects the health of teachers and classmates is avoided. This design scheme makes use of 3D printing technology and cyclone dust removal principle of dust collector, and makes structural optimization design and arrangement for this design principle. The working principle and process of this design scheme are introduced in detail. The external design includes exterior design and overall structural design, etc. This design is completely self-designed and has the advantages of strong practicability, simple operation, little environmental pollution, beautiful appearance, easy operation, etc. It can facilitate teaching to a great extent, greatly improve the teaching environment of teachers, and is an innovative design.

Key Words: Blackboard eraser, 3D printing, cyclone dust removal，Innovation

目录

摘要 III

Abstract IV

目录 V

第1章 绪论 2

1.1 研究背景 2

1.2 研究的目的和意义 2

1.2.1 研究的目的 2

1.2.2 研究的意义 2

1.3 国内外研究现状 3

1.3.1 负压式板擦吸尘器 3

1.3.2 集尘式黑板刷 3

1.3.3 自动吸尘黑板刷 4

1.3.4 自清洁黑板擦 4

1.4 本设计的内容 4

第2章 方案的设计与选择 5

2.1 可行的几种方案 5

2.1.1 负压式黑板擦清洁器 5

2.1.2 旋风式黑板擦清洁器 6

2.2 黑板擦清洁器方案的选择与确定 9

2.3 黑板擦清洁器结构装配简图与工作过程 9

2.3.1 结构装配简图 10

2.3.2 工作过程介绍 10

2.4 本章总结 11

第3章 黑板擦清洁器的尺寸设计与结构设计 12

3.1 关键尺寸设计 12

3.1.1 板擦放置口尺寸设计 12

3.1.2 整体结构的尺寸设计 13

3.1.3 筒壁内径尺寸设计 13

3.1.4 电机的安装尺寸 13

3.1.5 收纳盒的尺寸设计和安装 13

3.1.6 整体装置壁厚尺寸设计 14

3.2 主要结构设计 14

3.2.1 流道的结构设计 14

3.2.2 风机定位装置设计 15

3.2.3 装置密封方案设计 16

3.2.4 滤芯的选择原则 16

3.3 本章总结 17

第4章 结论与展望 18

4.1 结论 18

4.2 展望 18

参考文献 19

致谢 20

第1章 绪论

1.1 研究背景

黑板一直以来都是初高中大学各级学校必备的教学工具，传统的黑板擦是通过人工擦拭的方法，效率低下，并且擦拭后黑板擦上的粉尘很难清理，传统清理方法是在讲桌上拍打，这样就造成粉尘飘散在整个教室，老师和同学们的身体受到严重影响。粉笔既是老师教授知识的工具，同样也是毒害师生身心健康的罪魁祸首。有多少敬职敬业的老师们因为常年累月的粉尘污染，吸进气管从而导致最后患上严重的尘肺病不得不早早的离开讲台。虽然国家也一直有对老师们发放补贴金来弥补这种职业病对教师们的危害，但是生命有一次，不能用金钱来补偿的。同样坐在前排的学生们也会受到粉尘的影响。同时大量的粉尘飘散在空气中，在多媒体教学的今天会严重影响电脑投影仪等精密多媒体教学设备的使用寿命，这大大提高了教学成本，问题虽小，但是确实是如今教学中面对的一直没有攻克题。从无尘粉笔、微尘粉笔到新型黑板擦的研制，这都透露出当代科学技术对这一问题的深深的关怀……^【8】

最新专利的黑板擦清洁器给这一世纪难题提交了完美的答卷，黑板擦清洁器很好地解决了上述问题，它以在黑板擦擦拭后通过吸尘装置把粉尘和搜集到一个固定的装置中，从而避免了拍打造成的粉尘在教室中弥散的问题，它小巧方便易于操作更能适合如今的多媒体教学的需要。每当我们走到教室的讲台上，呼吸到的不再是充满粉尘污浊的空气。

1.2 研究的目的和意义

1.2.1 研究的目的

众所周知，黑板是我们日常教学生活中不可缺少的工具，黑板擦是一种用于擦拭黑板的教具。从小学到大学，教室里都会用到黑板和黑板擦，我们通常使用的黑板擦擦拭黑板后清理粉尘费时费力，而且在清理黑完板擦很容易造成教室里气粉尘污染。每次课后擦黑板，擦完黑板清理完黑板擦教室里都会有大量的粉尘灰尘飞扬，影响下节课的教学。这样，不仅危及老师学生的身体健康，也给传统的教学带来极大不便^【13】。因此，黑板擦清洁装置诞生了。为了解决教学中的困难和手工擦黑板后清理板擦难的这一问题，设计生产这样一种黑板擦清洁装置将是很有必要也是非常有意义的一件事情。

1.2.2 研究的意义

空气中的粉尘对人类健康的威胁一直以来都是一个全球性的问题。人体的呼吸道吸入过量空气中的粉尘就会形成多种疾病。因此，为青少年创造一个无尘的学习环境尤为紧迫。学校教室产生灰尘的原因，很大程度上是由于使用了手动清洁黑板擦，由此很多自清洁黑板还有黑板擦应运而生。然而，这些设计方案要么不能从根本上解决问题，要么价格过于昂贵，这就导致这些设计方案至今在生活中还没有广泛推广。为此，设计了一种黑板擦清洁器，能够快速清除板擦上的灰尘，防止灰尘的扩散，具有良好的应用前景。粉笔灰是传统黑板-黑板擦-粉笔教学模式中常见的问题。统计分析表明，90%的粉笔灰来自于黑板擦积尘和黑板擦清理过程中粉尘飞扬。在擦黑板的过程中，擦黑板过程中产生的的灰尘只占10%。因此，如何清除黑板擦上积聚的灰尘具有实际意义。虽然最近推出的白板-白板擦-白板笔框架可以避免这个问题，但它的使用成本较高，需要投入大量的教育资金来替代传统的黑板-黑板擦-粉笔框架^【12】。目前，我国绝大多数场合的应用条件还不成熟，我国的教育体系仍主要采用传统的黑板-黑板擦-粉笔框架模式^【12】。在过去的20年里，我国的科技工作者也在尝试着对传统的框架以及黑板、黑板擦的组成上做更多的改进和设计，其中有的一些设计也生产成为商品，如无尘粉笔，无尘黑板，电动黑板擦等等。然而，到目前为止，还没有任何设计或产品真正普及。主要问题在于实用性差，应用效果差，价格相对较高。粉笔灰在教育系统中影响着教师和学生的身心健康，也影响着使用场所的公共环境健康

由此我设计出这样一种可以重复使用的利用率比较高的一种黑板擦清洁器，通过把板擦放进收纳装置，经过内部机构的清理，可以实现短时间内清理板擦的效果，并且其价格和综合使用成本相比于其他实用型清洁器要低，值得推广使用。

1.3 国内外研究现状

目前国内外也出现了很多类似黑板擦清洁器的设计和专利，也包括新型黑板擦和自动清理的板擦.但是并没有得到普及和推广，主要还是因为制造成本高，携带不方便，体积大等缺点。下面介绍几种国内外的类似本装置的设计和产品。

1.3.1 负压式板擦吸尘器

压式板擦吸尘器^【12】是利用了吸尘器的原理，来实现对板擦粉尘上的灰尘进行清理。负压式真空除尘是通风除尘技术中的一种有效利用方式采用单相电动机带动离心式引风机可产生吸附粉尘的负压气流场，利用粉尘的自重力和气流的携带力使粉尘下落，通过过滤袋实现气固分离，从而实现真空除尘的目的。

1.3.2 集尘式黑板刷

在擦干净黑板的同时又能将粉笔灰收集起来，和普通的黑板刷使用方法相同。集尘式黑板擦，本技术简单合理，擦、吸、滤、排一气完成，设计了最合理的适用于不同粗糙度的黑板和带孔的毛刷擦板。镀膜粉笔，本产品不脱粉，耐潮湿。新型电动无粉尘黑板，用电源控制，完成工作后，粉尘能被收集到底部的小盒内，利用电动和电磁感应原理。微型吸尘器该吸尘器可做成无尘黑板擦，还可以做成广泛用于机关、企业、宾馆和家庭等的除尘工具^【14】。

1.3.3 自动吸尘黑板刷

吸尘黑板擦^【11】利用高速电机旋转产生的真空将粉笔灰吸进，滤去粉尘，然后排出干净的空气。自动吸尘黑板刷，使用过程中，利用电能做动力，既擦拭了粉尘，又减轻了使用者的劳动强度，同时还将所擦落的粉尘自动吸入粉尘收集袋中，不是粉尘在室内飞扬，从而保证了室内空气的清洁。电动吸尘黑板擦，在擦黑板时，不但能使黑板表面清洁，还能把所有被接触的尘灰吸进机内，避免尘灰再次污染，从而起到保护工作环境的作用。自动吸尘黑板擦，使用时动力传动黑板擦擦体在导轨引导下做紧贴黑板的横向运动，擦体两侧的擦条同时做上下运动，将黑板上的粉笔字迹擦去。集尘式快速清洁黑板刷，长度和黑板的高度一样，宽略比一般的黑板刷宽几厘米，挂在黑板上，可自由滑动，集尘一次性把黑板上的粉笔灰擦干净。防尘清洁黑板，由黑板一块、有小孔的铝合金挡板、一个装粉笔的长方形槽、两个铝合金扣组成。

1.3.4 自清洁黑板擦

自动清洁黑板擦选用电动机来驱动，电机轴上带一个小齿轮，小齿轮为主动轮，由它带动从动轮大齿轮做旋转运动，大齿轮的轴端带有毛毡，毛毡旋转可以擦去黑板上的笔迹，旋转的毛毡分上下两排，可以把黑板擦得很干净。黑板两侧，左边是一根光杠，右边是丝杠，丝杠也是由电动机带动来带着黑板擦做上下进给运动，而左边的光杠只起一个导向的作用。当擦完黑板，黑板擦是停留在最上面的，需要的时候再让它做进给运动。黑板擦的周围是密封圈，同时还装有吸尘口，在黑板擦的右边有一个总的出口，用来把粉尘吸到积尘盒里面，当积尘盒满了再把它打开倒掉里面的粉尘^【14】。

1.4 本设计的内容

黑板擦清洁器的主体动力结构是一个类似吸尘器中的风机，其过滤装置是吸尘器中的滤芯。其主要工作原理是通过黑板擦放置于黑板擦吸尘器的清灰装置上,使用者将黑板擦在铁条上来回搓动或者轻微拍使粉尘和黑板擦分离,清理下来的粉笔粉尘在自重力与引风机产生的气流携带力的作用下降落至设计的流道中，进入圆柱形装置后，在旋风气流的作用下，粉尘会在流场的作用下作旋转运动，同时由于粉尘的自有重力，最后落入收纳盒的底部，清洁的空气通过滤芯由风机从筒壁侧面的出气口排出从而实现对粉尘的收集的目的。收纳盒在收集装置的底部，收纳盒有密封圈保证整个装置的密封性，当粉尘满了可以从下面抽出收纳盒来清理粉尘。其中吸尘装置的滤芯和风机相连接，在必要得情况下可以从筒壁上端拆下定位装置，拆下风机来定时更换滤芯。

第2章 方案的设计与选择

2.1 可行的几种方案

2.1.1 负压式黑板擦清洁器

负压式黑板擦吸尘器^【12】在工作时,黑板擦放置在清洁器的上的清灰装置上,黑板擦通过操作者的来回搓动或者轻微拍打使粉尘与板擦分离,黑板擦上积累的粉尘在自重力的作用与引风机产生的气流携带力的作用下降落至过滤袋中,通过过滤袋实现气固分离,将粉尘收集到过滤袋中。清理过滤袋中的粉尘时,过滤袋与气流分布装置同时取出。

图2.1 负压式黑板擦清洁器结构示意图

1.清洁器外壳,2.外缘支撑框架,3.清灰网格栅栏,4.法兰盘5.滤袋口套环,6.过滤袋,7清洁器内壁,8.外壁,9.加强筋,10.连接风管,11.排气管,12.引风机,13.平键,14.电机,15.电源总开关,16.电源电线的入口

负压式黑板擦吸尘器的工作过程如下: 插入电源时,电源开关15开启,黑板擦粉尘收集器开始工作,风机电机14驱动引风机12旋转产生负压气流,气流通过连接风管10进入气流分布装置形成的空腔内，生成均匀作用的吸附作用和过滤的气流，此时过滤袋6通过清灰装置中产生负压式气流。将黑板擦放置于黑板擦清洁器的清灰装置的外缘支撑框架2上,黑板擦在使用者的来回拍打和搓动下,粉笔粉尘与黑板擦脱离，在自重力与引风机12产生的气流携带力的作用下降落至过滤袋6中。通过过滤袋的过滤作用将粉尘和气体分离,最终将粉尘捕获。清洁后的气体进入连接风管10，通过引风机12、排气管11排入到空气中。等到粉尘达到一定量的时候,需要清除过滤袋中收集的粉尘,把清灰装置取出,将气流分布装置与过滤袋总成一起取出,然后把过滤袋中的粉尘清理出来,清理完毕后重新安装好总成，便于下次的使用。过滤袋可以多次循环使用，待达到一定的使用时间可以考虑更换过滤袋。

2.1.2 旋风式黑板擦清洁器

旋风式黑板擦清洁器是利用了旋风式吸尘器^【7】的原理，而其中旋风式吸尘器又是真空吸尘装置的一种。旋风式吸尘器的除尘清洁的过程实质上是灰尘的离心运动过程，即带有灰尘的空气沿切向方向引入旋风分离筒的内部，空气环绕旋风沿分离筒的表面以螺旋形的路径流动，因此在其所夹带的灰尘上附着有离心力，进而使灰尘被甩带到旋风的外围，即靠近旋风分离筒壁，灰尘得以从主气流中分离出来。由于灰尘的自有重力的原因分离出来的灰尘收集在旋风分离体的底部，而清洁空气通过位于旋风分离体顶部的中央出气口排出。此设计方案就是主要利用了这一原理来完成对带有大量粉尘的空气进行清洁，从而实现对粉笔粉尘收集的目的。

对此我设计出主体结构设计的方案如下：

方案一：

图2.2 旋风式黑板擦清洁器主体结构示意图（方案一）

图2.3 方案一局部剖视图

如上图所示，主体结构设计由左侧的板擦放置区域和粉尘流道部分，右侧是筒壁和风机部分，其主要功能的实现是使用者通过手动在进气口出抖动或者搓动板擦，是板擦上的粉尘脱离，在引风机产生的气流的作用下，沿着筒壁进入圆筒收集部分，最终在重力作用下落在底部。

方案二：

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