可自动升降的道路排水井盖

宋金睿

研究背景

每年夏天都会下暴雨，为了解决城市道路因排水不畅而导致的道路积水问题，以及由此可能带来的严重的交通安全问题，暴雨前都会有很多道路工人把路边的排水井盖打开倾斜着放在旁边。暴雨结束后，工人们又会把排水井盖重新盖好。如此，按每条路几十个排水井盖计算，整个南京的排水井盖数以万计，工作量可想而知。通过文献检索和实际调研发现，打开路边排水井盖几乎是市政管理部门在暴雨来临前必做的一项工作，且工作量巨大。因此，能根据雨量自动升降的井盖有实际需求，并且能解决实际问题。

我想要设计一种在暴雨时能自动打开井盖，当暴雨结束后井盖能自动恢复原样的装置。这样不仅可以节省大量人工，解决因未能及时打开井盖导致的道路积水问题，还可以避免暴雨时打开的井盖在雨停后忘记盖上而带来的安全隐患。

设计思路

目前，类似研究成果有两类：一是利用电机、控制器、传感器抬升井盖;二是自动悬浮复位市政道路井盖装置，包括井盖、液压缸和水浸传感器。但这两类都需要用电，由于工作环境主要在雨水中，在实际工作时容易出现故障和损害，存在漏电隐患。

针对上述情况，我们基于将“暴雨”带来的麻烦和问题由暴雨“自己解决”的角度，设计了一种可以根据雨量自动升降的道路排水井盖装置（图1、图2）。安装时，只需将原井盖拿走，把整个井盖装置放到井盖下方的通道中固定即可，安装、维修、更换都十分简单。当遇到暴雨时，井盖自动升起;当暴雨变小或停止时，井盖自动复原。

方案设计与优化

→原理分析

根据想法及研究目的，需要将井盖在暴雨时抬升，雨停后下降，我们分析后找到了两个可以利用的“力”：一个是雨水向下的重力，一个是井盖本身向下的重力，如何利用好这两个“力”是整个研究的关键。我们统筹两种情形进行了如下考虑。

原理一：定滑轮改变力的方向。利用定滑轮可以改变力的方向，我们在井盖下设计了一个可以蓄积雨水的内水槽。当暴雨发生时，蓄积到的雨水产生向下的力，我们通过定滑轮改变这个向下的重力，使之向上抬升井盖。

原理二：蓄水池（进水——放水）控制。在内水槽底部设计一个可以调节放水速度的阀门，通过计算和测试，在雨量小的时候，进水速度和内水槽底部阀门的放水速度基本相等，内水槽不蓄水，不会产生抬升井盖的力;当暴雨时，进水速度大干放水速度，内水槽很快蓄满水，产生抬升井盖的力;当暴雨停止或减小时，内水槽的水又被排空，抬升井盖的力消失后，井盖靠自身重量下降。利用雨量作为进水，内水槽底部阀门放水，使内水槽根据雨量大小提供不同的抬升力量，实现整个装置根据外界变化而变化的“智能化”。

→设计与计算

根据实地测量的排水井数据，利用排水井深度、井盖重量、排水口的长宽，设计内水槽的尺寸和排水孔大小。利用井盖上的孔径计算抬升井盖后排水速度可以增加多少。水槽体积计算：井盖重量15kg，收集雨水按24kg计算，所需水槽体积为0.024m3（横截面0.06m2×40cm）即能满足要求，也就是长30cm、宽20 cm、高40 cm即可。在抬升井盖时，会有一些其他的阻力，在研究中我们设定了制作时的原则——在实际应用中将井盖的重量制作成比水槽的重量多10kg，这样在没有雨或者水槽排空后有10kg的力可以克服阻力将井盖盖好;当雨水蓄积到20kg时，水槽和雨水的重量比井盖大10kg，也就足够克服阻力抬升井盖了。也就是说，可以通过在井盖或者水槽中配置调节重量的配重调节井盖和水槽的重量关系。

→制作模型

根据设计方案的数据，我购买了定滑轮、支杆，用亚克力板制作了演示用模型（图3）。

结论与讨论

可自动升降的道路排水井盖有效解决了暴雨时需要人工打开井盖加快排水速度和暴雨结束后需要人工将井盖复原的问题，有效减轻了市政工人的实际工作量，同时解决了因暴雨产生的道路安全问题。整个装置模块化设计且不需电源和传感器及电机等，安装受限少、成本低、容易实现和推广。

本装置在实际应用中可能还涉及安全性问题，因为装置的使用环境是在道路上，打开后对行人和车辆存在一定安全隐患。我们将在后续方案中增加相关设计，如井盖抬升后增加警示音、将井盖抬升高度控制在安全范围内（根据实际测量，在暴雨中抬升15 cm左右既可保证排水量，又对汽车的通行不会造成影响）等。

该项目获得第34届全国青少年科技创新大赛创新成果竞赛项目小学组技术类一等奖。

专家评语

本项目在传统排水井盖的基础上增加了内水槽和定滑轮，实现暴雨后的井盖自动抬升，作品較完整，展示效果好。主要创新点是：不用电源和传感器即可实现排水井盖根据雨量“智能”升降。建议根据实际排水井的大小，进一步设计详细方案，通过实验进一步验证其合理性，增强其实用性。