可自動升降的道路排水井蓋

宋金睿

研究背景

每年夏天都會下暴雨，為了解決城市道路因排水不暢而導(dǎo)致的道路積水問題，以及由此可能帶來的嚴(yán)重的交通安全問題，暴雨前都會有很多道路工人把路邊的排水井蓋打開傾斜著放在旁邊。暴雨結(jié)束后，工人們又會把排水井蓋重新蓋好。如此，按每條路幾十個排水井蓋計算，整個南京的排水井蓋數(shù)以萬計，工作量可想而知。通過文獻(xiàn)檢索和實際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，打開路邊排水井蓋幾乎是市政管理部門在暴雨來臨前必做的一項工作，且工作量巨大。因此，能根據(jù)雨量自動升降的井蓋有實際需求，并且能解決實際問題。

我想要設(shè)計一種在暴雨時能自動打開井蓋，當(dāng)暴雨結(jié)束后井蓋能自動恢復(fù)原樣的裝置。這樣不僅可以節(jié)省大量人工，解決因未能及時打開井蓋導(dǎo)致的道路積水問題，還可以避免暴雨時打開的井蓋在雨停后忘記蓋上而帶來的安全隱患。

設(shè)計思路

目前，類似研究成果有兩類：一是利用電機(jī)、控制器、傳感器抬升井蓋;二是自動懸浮復(fù)位市政道路井蓋裝置，包括井蓋、液壓缸和水浸傳感器。但這兩類都需要用電，由于工作環(huán)境主要在雨水中，在實際工作時容易出現(xiàn)故障和損害，存在漏電隱患。

針對上述情況，我們基于將“暴雨”帶來的麻煩和問題由暴雨“自己解決”的角度，設(shè)計了一種可以根據(jù)雨量自動升降的道路排水井蓋裝置（圖1、圖2）。安裝時，只需將原井蓋拿走，把整個井蓋裝置放到井蓋下方的通道中固定即可，安裝、維修、更換都十分簡單。當(dāng)遇到暴雨時，井蓋自動升起;當(dāng)暴雨變小或停止時，井蓋自動復(fù)原。

方案設(shè)計與優(yōu)化

→原理分析

根據(jù)想法及研究目的，需要將井蓋在暴雨時抬升，雨停后下降，我們分析后找到了兩個可以利用的“力”：一個是雨水向下的重力，一個是井蓋本身向下的重力，如何利用好這兩個“力”是整個研究的關(guān)鍵。我們統(tǒng)籌兩種情形進(jìn)行了如下考慮。

原理一：定滑輪改變力的方向。利用定滑輪可以改變力的方向，我們在井蓋下設(shè)計了一個可以蓄積雨水的內(nèi)水槽。當(dāng)暴雨發(fā)生時，蓄積到的雨水產(chǎn)生向下的力，我們通過定滑輪改變這個向下的重力，使之向上抬升井蓋。

原理二：蓄水池（進(jìn)水——放水）控制。在內(nèi)水槽底部設(shè)計一個可以調(diào)節(jié)放水速度的閥門，通過計算和測試，在雨量小的時候，進(jìn)水速度和內(nèi)水槽底部閥門的放水速度基本相等，內(nèi)水槽不蓄水，不會產(chǎn)生抬升井蓋的力;當(dāng)暴雨時，進(jìn)水速度大干放水速度，內(nèi)水槽很快蓄滿水，產(chǎn)生抬升井蓋的力;當(dāng)暴雨停止或減小時，內(nèi)水槽的水又被排空，抬升井蓋的力消失后，井蓋靠自身重量下降。利用雨量作為進(jìn)水，內(nèi)水槽底部閥門放水，使內(nèi)水槽根據(jù)雨量大小提供不同的抬升力量，實現(xiàn)整個裝置根據(jù)外界變化而變化的“智能化”。

→設(shè)計與計算

根據(jù)實地測量的排水井?dāng)?shù)據(jù)，利用排水井深度、井蓋重量、排水口的長寬，設(shè)計內(nèi)水槽的尺寸和排水孔大小。利用井蓋上的孔徑計算抬升井蓋后排水速度可以增加多少。水槽體積計算：井蓋重量15kg，收集雨水按24kg計算，所需水槽體積為0.024m3（橫截面0.06m2×40cm）即能滿足要求，也就是長30cm、寬20 cm、高40 cm即可。在抬升井蓋時，會有一些其他的阻力，在研究中我們設(shè)定了制作時的原則——在實際應(yīng)用中將井蓋的重量制作成比水槽的重量多10kg，這樣在沒有雨或者水槽排空后有10kg的力可以克服阻力將井蓋蓋好;當(dāng)雨水蓄積到20kg時，水槽和雨水的重量比井蓋大10kg，也就足夠克服阻力抬升井蓋了。也就是說，可以通過在井蓋或者水槽中配置調(diào)節(jié)重量的配重調(diào)節(jié)井蓋和水槽的重量關(guān)系。

→制作模型

根據(jù)設(shè)計方案的數(shù)據(jù)，我購買了定滑輪、支桿，用亞克力板制作了演示用模型（圖3）。

結(jié)論與討論

可自動升降的道路排水井蓋有效解決了暴雨時需要人工打開井蓋加快排水速度和暴雨結(jié)束后需要人工將井蓋復(fù)原的問題，有效減輕了市政工人的實際工作量，同時解決了因暴雨產(chǎn)生的道路安全問題。整個裝置模塊化設(shè)計且不需電源和傳感器及電機(jī)等，安裝受限少、成本低、容易實現(xiàn)和推廣。

本裝置在實際應(yīng)用中可能還涉及安全性問題，因為裝置的使用環(huán)境是在道路上，打開后對行人和車輛存在一定安全隱患。我們將在后續(xù)方案中增加相關(guān)設(shè)計，如井蓋抬升后增加警示音、將井蓋抬升高度控制在安全范圍內(nèi)（根據(jù)實際測量，在暴雨中抬升15 cm左右既可保證排水量，又對汽車的通行不會造成影響）等。

該項目獲得第34屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競賽項目小學(xué)組技術(shù)類一等獎。

專家評語

本項目在傳統(tǒng)排水井蓋的基礎(chǔ)上增加了內(nèi)水槽和定滑輪，實現(xiàn)暴雨后的井蓋自動抬升，作品較完整，展示效果好。主要創(chuàng)新點是：不用電源和傳感器即可實現(xiàn)排水井蓋根據(jù)雨量“智能”升降。建議根據(jù)實際排水井的大小，進(jìn)一步設(shè)計詳細(xì)方案，通過實驗進(jìn)一步驗證其合理性，增強(qiáng)其實用性。