自动擦拭无尘黑板结构优化分析_刘权.pdf

自动擦拭无尘黑板结构优化分析刘权，王帆，涂领，杨智勇（湖北工业大学，湖北武汉430068）摘要：针对自动擦拭无尘黑板变轨机构在长时间往复运动中存在变形较大、易磨损等问题，从静力学角度分析了滑块构件最大内应力所在位置及方向，再结合正应力强度与刚度约束条件优化支座安装位置和所受到的载荷分布，并借助有限元分析软件 AnsysWorkbench 对优化前后的结构进行有限元对比仿真分析。结果表明，优化后的滑块构件在变形、应力、应变三个方面都得到了大幅改善，受力更加合理，优化了自动擦拭无尘黑板结构。关键词：自动擦拭黑板无尘化有限元分析滑块构件中图分类号：TH122文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0150-03引言多媒体等现代化设备在教学中已被广泛采用，但传统黑板凭借其廉价、方便等特点依然在现代教育中发挥着重要作用。因此，设计一款自动擦拭无尘黑板，实现黑板擦拭的自动化和无尘化，提高擦拭效率，同时减轻粉尘对广大师生身体健康造成的危害具有重要意义1。国内外已有较多学者对自动擦拭无尘黑板开展研究，Ceemakurthy 等设计了一种自动清洁黑板或白板的清洁系统，但该系统采用了齿轮齿条机构，有较大的噪声2；蔡国庆等提出了一种自动擦拭无尘黑板，由具有 4 个自由度的机械臂带动黑板执行擦拭功能，但没有收集粉尘能力3；彭亚洲等提出了一种柔性自动擦拭黑板，将擦拭过程转移到黑板后面，但柔性黑板面不便于书写，且长期使用后黑板面易变得松弛4；唐小文等提出了一种“无尘”环保智能黑板，但其无尘效果不好5；闫乙伟等提出了一款除尘黑板擦，但其擦拭效率较低6。综上，目前已研制的自动无尘黑板存在擦拭效率低、噪声大、使用不方便、无法根除粉尘危害等弊端。本文以机械优化设计理论为基础7，采用优化设计方法8，提出一种新的自动无尘黑板新构型；并对机构中变轨部件的滑块构件进行结构优化，利用有限元分析软件进行分析；以黑板支撑点的安装位置、所选材料最大许用应力及最大位移为边界约束条件，以最小形变量为目标函数，优化自动擦拭无尘黑板的机械结构。1自动擦拭无尘黑板结构及工作流程1.1自动擦拭无尘黑板结构自动擦拭无尘黑板整体结构主要包括变轨机构、横向移动机构、擦拭机构和粉灰收集机构及控制系统等。由图 1-1 可知，变轨机构对称布置在黑板边框的左右两侧，其主要由步进电机 1、同步带轮 1、同步带、纵向滑轨以及变轨架组成，通过步进电机 1 以及同步带传动实现黑板的纵向移动；在变轨机构的上方为横向移动机构，其位于黑板边框的上下两侧，由横向滑轨、横向导轨、步进电机 2、同步带、电磁铁套、电磁铁套 2、滑块及同步带轮 2 组成，通过步进电机 2、同步带传动，以及电磁铁套的运用实现黑板的横向移动；擦拭机构安装在黑板的背面一侧，主要由海绵滚轮、轴承、轴承座及刮板组成，可实现隐藏式擦拭，减少粉收稿日期：2021-11-24第一作者简介：刘权（1998），男，湖北武汉人，湖北工业大学在读研究生。通讯作者：杨智勇（1987），男，湖北武汉人，湖北工业大学副教授。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.0581-1正视图1-2轴测图1横向滑轨；2步进电机 1；3同步带轮 1；4横向导轨；5黑板框；6黑板；7电磁铁套；8滑块；9电磁铁套 2；10步进电机 2；11同步带轮 2；12海绵滚轮；13刮板；14收集盒；15纵向滑轨；16变轨架图 1自动擦拭无尘黑板结构示意图12345678910111213141516优化改造2023 年第 2 期尘污染；收集机构安装在刮板的正下方，用来收集粉尘，还可拆下收集盒，方便清理。1.2自动擦拭无尘黑板工作流程自动擦拭无尘黑板的工作流程如图 2 所示。此时机构处于初始状态，黑板 1 在横向导轨 1 上，黑板 2在横向导轨 2 上，假设黑板 1 需要擦拭，控制系统发出启动指令，使黑板 1 运动到位置 2，然后纵向滑块将黑板 1 带动到位置 3，最后横向滑块将黑板 1 带动到位置 4。在移动过程中，黑板 2 后方的擦拭机构对黑板 1 进行擦拭。与此同时，黑板 2 上的刮板装置将海绵滚轮上的粉笔灰刮入下方的收集盒中。到位置 4后，电机停止转动，黑板 1 完成擦拭。黑板的上端设有电磁铁套，通过电磁铁套与相应的导轨进行吸附，起到定位与固定的作用。以上便是大致的擦拭过程。在整个工作流程中，滑块不仅要承担整块黑板的重量，还要与各个轨道相互配合，并在其上进行滑动，为保证滑块的正常工作，因此需要尽可能地减小滑块的变形量，防止其因变形过大而无法与导轨配合，导致变轨过程的失败。2滑块静力学分析为方便进行受力分析，可以将滑块 2 简化成外伸梁，简化模型如图 3 所示，上方受分布载荷作用，作用力 q=0.326 N/mm，下端简化为两个支座，其中支座约束力 F1=F2=9.78 N。将其分为 AB、BC、CD 三段进行各截面的内力求解可得出滑块 2 的剪力图，如图 4 所示，其中最大内力 Fmax=6.52 N。因为梁的正应力强度条件，横截面上的最大工作正应力不超过材料的许用弯曲正应力，即 max。正应力是支配梁强度的主要因素，只按弯曲正应力强度计算即可满足工程要求9-10。其正应力强度条件为 max=Mmax/Wz。为了提高弯曲强度，需要合理安排梁的受力情况以减少最大弯距 Mmax及合理设计截面形状以提高抗弯截面系数 Wz。可以将下方导轨的间距从原来的 20mm减小到 10 mm，通过减小跨距来提高其抗弯强度；为了使滑块 2 的受力更加合理，可以将滑块 2 凸起上端面积扩大和减小 FN值。下面通过有限元分析软件Ansys Workbench 对滑块部件优化前后的结构进行有限元分析求解，通过对比结果，优化效果显著。3滑块有限元分析为确保黑板可以正常地工作，滑块 2 需要具有一定的强度和刚度。本文基于有限元分析软件 AnsysWorkbench 对滑块 2 变形、应力和应变进行了计算，并提出优化方案。根据实际情况，假设滑块材料为 45 钢，其弹性模量为 169 GPa、泊松比为 0.3、屈服强度为 355 MPa。将滑块 2 和相关导轨的三维模型导入有限元分析软件Ansys Workbench 中分析。考虑黑板的重量，给滑块 2的上端平面施加 20 N的力，导轨下端施加全约束。基于 Ansys Workbench 对滑块 2 进行求解，变形云图如图 5 所示，应力云图如图 6 所示，最大变形为8.21710-9；最大应力为 0.094 840 MPa，小于屈服强度，滑块 2 的强度达到要求。结果显示，滑块部件的最大变形与最大应力都比较大，因此着重考虑减小最大应力。根据正应力公式=FN/A 可知，可以通过增大接触面积 A 达到要求的强度；另一方面，根据挠度和转角与跨长的 n 次幂成正比，可以将下方两滑轨之间的图 2运动流程图 3受力分析图 4剪力分析图 6滑块构件的应力（Pa）云图图 5滑块构件的变形云图黑板 1位置 2位置 4黑板 2位置 3q=0.326 N/mmAF1=9.78 NF2=9.78 N10 mm40 mm10 mmBCD102030405060-3.26-6.523.266.52F/NX/mm8217e-9 Max7.304e-96.391e-95.478e-94.565e-93.652e-92.739e-91.826e-99.13e-100 Min94840 Max84303737666322852691421543161721079105424.7676 Min刘权，等：自动擦拭无尘黑板结构优化分析151机械管理开发第 38 卷间距减小为 10 mm。滑块凸起上端面积扩大，两滑轨间距为 10 mm，将优化后的滑块 2 和相关导轨的三维模型导入有限元分析软件 Ansys Workbench 中分析。其他条件与前文一样。基于 Ansys Workbench 对滑块 2 再次进行求解，得到的变形云图如图 7 所示，应力云图如图 8 所示。通过对比优化之前的变形云图和应力云图可知，优化之后最大变形为 4.740 910-9，减小 42.3%；最大应力为 0.059 975 MPa，减小 36.8%。从有限元分析的结果可知，优化后滑块的受力改观是很明显的，有利于提高其使用寿命与工作稳定性。4结语本文为了解决人工擦拭黑板效率低下以及会产生粉尘这一问题，设计了一款自动擦拭无尘黑板。考虑到滑块部件对黑板工作有及其重要的作用，从静力学受力分析与材料力学相关强度条件，提出优化结构的方案，通过 AnsysWorkbench 分析软件对优化前后的滑块2 进行有限元分析计算求解，根据两组计算结果的对比可知，优化后的结构在变形、应力、应变三个方面都大幅降低，使得滑块 2 的受力更加合理，达到优化目的。参考文献1任志刚，张亚增，程海明，等.粉笔尘对教师健康危害的研究J.中国学校卫生，2002（2）：189.2V.K.Ceemakurthy，V.S.Bogyam.International Journal of AdvanceResearchJ.Idea and Innovation in Technology，2017（3）：426-429.3蔡国庆，钱新惠，侯玉秋，等.一种自动吸尘黑板擦的设计与研究J.机械工程与自动化，2020（3）：82-83；88.4彭亚洲，刘庆，王亚茹，等.自动清理无尘黑板的设计研究J.中小企业管理与科技（下旬刊），2016（7）：172-173.5唐小文，江林志，王杨洋，等.一种“无尘”环保智能黑板设计J.现代经济信息，2015（23）：334.6闫乙伟，李淑青，左赟，等.除尘黑板擦的设计与应用J.河北农机，2020（2）：48-49.7孙靖民，梁迎春.机械优化设计：4 版M.北京：机械工业出版社，2009.8贺贤贵，徐振华.机构最优化设计M.北京：高等教育出版社，1984.9刘鸿文.材料力学（）M.北京：高等教育出版社，2011.10侯作富，胡述龙，张新红.材料力学M.武汉：武汉理工大学出版社，2010.（编辑：李俊慧）图 7优化后的滑块构件变形云图图 8优化后的滑块构件应力（Pa）云图Structure Optimization Analysis of Automatic Cleaning Dust Free BlackboardLiu Quan,Wang Fan,Tu Ling,Yang Zhiyong（School of Mechanical Engineering,Hubei University of Technology,Wuhan Hubei 430068）Abstract:In order to solve the problems of large deformation and easy wear in the long time reciprocating motion of the automaticdust-free blackboard rail changing mechanism,this paper firstly analyzes the position and direction of the maximum internal stress of theslider member from the perspective of statics,and then optimates the installation position and load distribution of the support by combiningthe normal stress intensity and stiffness constraints.With the help of the finite element analysis softw