于立寶　劉玉振　李鋒

摘 要：針對(duì)當(dāng)前普通排水井蓋無法及時(shí)有效排除積水。人工開啟井蓋的時(shí)效性及對(duì)路面車輛行人安全造成的威脅等問題，提出了一種智能排水裝置的設(shè)計(jì)方案。對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置，控制機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了研究分析;闡述了排水裝置的工作過程;并對(duì)控制元件進(jìn)行選用分析。關(guān)鍵詞：排水裝置;智能;井蓋中圖分類號(hào)：S276.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）11-94-03

Abstract：?In view of the current common drainage well cover can not effectively remove water in a timely manner. This paper presents a design scheme of an intelligent drainage device for solving the problems of the manhole cover's timeliness and the threat to the pedestrian safety. The driving device and control mechanism are studied， the working process of drainage device is described， and the selection of control elements is analyzed.Keywords： Drainage Device; Intelligence; Manhole coverCLC NO.：?S276.1??Document Code： B??Article ID： 1671-7988（2020）11-94-03

前言

井蓋，用于遮蓋道路或家中深井，防止人或者物體墜落。井蓋按材質(zhì)可分為金屬井蓋、高強(qiáng)度纖維水泥混凝土井蓋、樹脂井蓋等。一般采用圓形?？捎糜诰G化帶、人行道、機(jī)動(dòng)車道、碼頭、小巷等。[1]

近年來，受天氣影響，部分城市內(nèi)澇現(xiàn)象嚴(yán)重，普通排水井蓋無法及時(shí)有效排除積水。當(dāng)積水量過大時(shí)，需通過人工開啟井蓋的方式排除積水。人工開啟井蓋需要耗費(fèi)大量的人力物力，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且無法及時(shí)快速地排出積水，導(dǎo)致車輛和行人無法出行。[2]因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種智能排水裝置，可根據(jù)積水量實(shí)時(shí)開閉井蓋，有效的解決了路面積水問題，可為此領(lǐng)域的設(shè)備研發(fā)提供一定的參考價(jià)值。

1 排水裝置總體設(shè)計(jì)

本排水裝置是基于51單片機(jī)控制，利用杠桿原理由電機(jī)驅(qū)動(dòng)完成運(yùn)動(dòng)的裝置。主要由驅(qū)動(dòng)裝置、控制機(jī)構(gòu)、集水裝置組成。排水裝置三維模型如圖1所示。其通過流量傳感器檢測(cè)并反饋井蓋上的積水量，使井蓋的開閉可以自動(dòng)控制，不需人為控制井蓋的開合，增加了井蓋裝置的自動(dòng)性，提高了排水效率，最大程度確保道路交通及他人的人身安全。

1.1 驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)裝置主要組成部分包括控制機(jī)構(gòu)、電機(jī)和第三齒輪，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中控制機(jī)構(gòu)與電機(jī)電連接，電機(jī)與第三齒輪傳動(dòng)連接，第三齒輪與第一齒輪嚙合連接;控制機(jī)構(gòu)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)第三齒輪正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，繼而帶動(dòng)第一連板和第二連板正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)，以使積水流入或流出集水箱內(nèi)的流路在開閉狀態(tài)之間切換。其目的為便于集水箱集放水，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)井蓋的升降。

1.2 控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

控制機(jī)構(gòu)主要組成部分包括控制裝置和流量傳感器，流量傳感器設(shè)置在井蓋上，用于檢測(cè)并反饋井蓋上的積水量;流量傳感器的輸出端與控制裝置的輸入端電連接，控制裝置的輸出端與所述電機(jī)電連接;當(dāng)流量傳感器檢測(cè)到積水量于預(yù)設(shè)值變化時(shí)，向控制裝置發(fā)出相應(yīng)的電信號(hào)，控制裝置控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。其目的在于打開和關(guān)閉集水箱進(jìn)排水閥門。

1.3 集水裝置的設(shè)計(jì)

集水裝置主要由集水箱和伸縮管兩部分組成，其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，集水箱為圓環(huán)型，位于井壁外圍，在其集水箱上下表面各開有四個(gè)通孔，上表面通孔與伸縮管相連，且上下表面通孔水平面夾角為45度，互不相通。其目的在于方便集水箱進(jìn)排水互不干擾，進(jìn)而控制井蓋開啟高度。

1.4 其他機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

除上述機(jī)構(gòu)外，該裝置還包括連桿機(jī)構(gòu)，供能裝置。連桿機(jī)構(gòu)用于集水箱與井蓋之間建立連接，并起到力臂的功用;供能裝置包括太陽能板，蓄電池，逆變器等，其目的在于為排水裝置提供動(dòng)力源。

2 排水裝置的工作原理

排水裝置主要由上述幾大部分構(gòu)成，其安裝位置如圖4所示。工作時(shí)，流量傳感器監(jiān)測(cè)到水流，當(dāng)積水量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)激活，排水系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪正轉(zhuǎn)打開集水箱進(jìn)水閥門，隨后雨水將在短時(shí)間內(nèi)將集水箱裝滿，集水箱會(huì)產(chǎn)生一定的重力，繼而帶動(dòng)連接集水箱和井蓋的力臂以井壁為支點(diǎn)下沉，以此達(dá)到井蓋開啟，快速排水的目的;當(dāng)流量傳感器檢測(cè)到水流量降低到一定值時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪反轉(zhuǎn)，排水閥門打開，雨水排出后，水箱重量下降，進(jìn)而在力臂帶動(dòng)下上升，井蓋利用自身重力下降，恢復(fù)到原來位置，系統(tǒng)關(guān)閉。其具體控制流程如圖5所示。

1.太陽能板 2.儲(chǔ)能裝置 3.控制單元 4.電動(dòng)機(jī) 5.流量傳感器

6.集水器 7.支撐桿（力臂）8.集水箱 9.連桿

3 控制元件選用

水流量傳感器的選用直接影響到排水裝置的開閉時(shí)刻，結(jié)合實(shí)際工作條件，擬選用YF-2102-A型流量傳感器，其具體結(jié)構(gòu)如圖六所示。其主要由銅閥體、水流轉(zhuǎn)子組件、穩(wěn)流組件和霍爾元件組成。

它裝在井蓋的進(jìn)水端測(cè)量進(jìn)水流量。水通過水流轉(zhuǎn)子組件時(shí)，磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)并且轉(zhuǎn)速隨著流量變化而變化，霍爾傳感器輸出相應(yīng)脈沖信號(hào)，反饋給控制器，由控制器判斷水流量的大小，對(duì)井蓋開閉做出具體調(diào)控[3]。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種智能排水裝置，在控制機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、集水裝置等各部件協(xié)同作用下，有效的解決了路面積水問題，避免了行人或車輛在視野不佳的情況下墜井的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)路

面垃圾等不會(huì)對(duì)排水孔造成堵塞，在有效排水的同時(shí)保障行人安全。對(duì)排水裝置設(shè)計(jì)研究具有一定的參考借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 盛坤，沈永麟，張玲.淺談井蓋的應(yīng)用與發(fā)展[J]建材發(fā)展導(dǎo)向2019 （16）.

[2] 海生虎.城市內(nèi)澇的成因和防治措施[J]中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品2019 （19）.

[3] 佟西偉.基于霍爾流量計(jì)改進(jìn)小型純水機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]科技資訊2014（4）.