【科创比赛案例参考】可自动升降的路边排水井盖

江苏省南京市瑞金路小学 宋金睿 | 指导教师 王翔 朱国海 江昕颖

研究背景

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

为此,我想要设计一种在暴雨时能自动打开盖、当暴雨结束后井盖能自动恢复原样的装置。这样不仅可以节省因暴雨前需要打开道路排水井盖的大量人工,解决因未能及时打开井盖导致的道路积水问,还可以避免暴雨时打开的井盖在雨停后忘记盖上带来的安全隐患。

设计思路

目前,类似研究成果有两类:一是利用电机和控制器+传感器抬升井盖;ニ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。但二者都需要用电,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,把整个井盖置下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问,我们在井盖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为了向上抬升井盖,我们通过定滑轮改变这个向下的重力,使之同上来抬升井盖原理二:蓄水池(进水一放水)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,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;在暴雨时,进水速度大于放水速度,内水槽很快蓄满水,产生抬升盖的力;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,井靠自身重量复原。利用雨量作为进水,内水槽底部阀门为放水,使内水槽根据雨量大小来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。利用井盖上孔径计算出拾升井盖后排水速度可以增加多少。水槽体积计算:井盖重量15g,收集雨水按照24kg计算,所需水槽体积为0.024m3(横截面0.06m2×0.4m)可满足要求,也就是长30cm、宽20cm、高40cm即可。在抬升井盖时,会有些其他的阻力,在研究中我们设定了制作时的原则一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+雨水的重量比井盖大10kg,也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量的配重铁来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,购买定滑轮、支杆,用亚克力板制作演示用模型(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水速度和暴雨结束后人工将井盖复原的问题有效减轻了市政工人的实际工作是同时解决了因暴雨产生的道路交通安全问题整个装置模块化设计且不需电源传感器以及电机等,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涉及安全性问题因为装置的使用环境是在道胶上,打开后对行人、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、将井盖抬升高度制在安全范围内(根据实际测量在暴雨中抬升15cm既可保证排水量,又对车的通行不造成影响)等。

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,作品较完整,展示效果较好。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,通过实验进一步验其合理性,增强其实用性。

文章来源

  • 第三十四届全国青少年科技创新大赛获奖作品集
  • 中国科协青少年科技中心 著/编
  • 出版社:科学普及出版社
  • 2020.5 出版

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