于立宝 刘玉振 李锋
摘 要：针对当前普通排水井盖无法及时有效排除积水。人工开启井盖的时效性及对路面车辆行人安全造成的威胁等问题，提出了一种智能排水装置的设计方案。对驱动装置，控制机构等进行了研究分析;阐述了排水装置的工作过程;并对控制元件进行选用分析。关键词：排水装置;智能;井盖中图分类号：S276.1 文献标识码：B 文章编号：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
井盖，用于遮盖道路或家中深井，防止人或者物体坠落。井盖按材质可分为金属井盖、高强度纤维水泥混凝土井盖、树脂井盖等。一般采用圆形。可用于绿化带、人行道、机动车道、码头、小巷等。[1]
近年来，受天气影响，部分城市内涝现象严重，普通排水井盖无法及时有效排除积水。当积水量过大时，需通过人工开启井盖的方式排除积水。人工开启井盖需要耗费大量的人力物力，费时费力且无法及时快速地排出积水，导致车辆和行人无法出行。[2]因此，我们设计了一种智能排水装置，可根据积水量实时开闭井盖，有效的解决了路面积水问题，可为此领域的设备研发提供一定的参考价值。
1 排水装置总体设计
本排水装置是基于51单片机控制，利用杠杆原理由电机驱动完成运动的装置。主要由驱动装置、控制机构、集水装置组成。排水装置三维模型如图1所示。其通过流量传感器检测并反馈井盖上的积水量，使井盖的开闭可以自动控制，不需人为控制井盖的开合，增加了井盖装置的自动性，提高了排水效率，最大程度确保道路交通及他人的人身安全。
1.1 驱动装置的设计
驱动装置主要组成部分包括控制机构、电机和第三齿轮，其具体结构如图2所示。其中控制机构与电机电连接，电机与第三齿轮传动连接，第三齿轮与第一齿轮啮合连接;控制机构控制电机正转或反转，带动第三齿轮正转或反转，继而带动第一连板和第二连板正向或反向转动，以使积水流入或流出集水箱内的流路在开闭状态之间切换。其目的为便于集水箱集放水，进而实现井盖的升降。
1.2 控制机构的设计
控制机构主要组成部分包括控制装置和流量传感器，流量传感器设置在井盖上，用于检测并反馈井盖上的积水量;流量传感器的输出端与控制装置的输入端电连接，控制装置的输出端与所述电机电连接;当流量传感器检测到积水量于预设值变化时，向控制装置发出相应的电信号，控制装置控制电机正反转。其目的在于打开和关闭集水箱进排水阀门。
1.3 集水装置的设计
集水装置主要由集水箱和伸缩管两部分组成，其具体结构如图3所示，集水箱为圆环型，位于井壁外围，在其集水箱上下表面各开有四个通孔，上表面通孔与伸缩管相连，且上下表面通孔水平面夹角为45度，互不相通。其目的在于方便集水箱进排水互不干扰，进而控制井盖开启高度。
1.4 其他机构的设计
除上述机构外，该装置还包括连杆机构，供能装置。连杆机构用于集水箱与井盖之间建立连接，并起到力臂的功用;供能装置包括太阳能板，蓄电池，逆变器等，其目的在于为排水装置提供动力源。
2 排水装置的工作原理
排水装置主要由上述几大部分构成，其安装位置如图4所示。工作时，流量传感器监测到水流，当积水量达到设定值时，系统激活，排水系统进入工作状态。此时，电动机带动齿轮正转打开集水箱进水阀门，随后雨水将在短时间内将集水箱装满，集水箱会产生一定的重力，继而带动连接集水箱和井盖的力臂以井壁为支点下沉，以此达到井盖开启，快速排水的目的;当流量传感器检测到水流量降低到一定值时，电动机带动齿轮反转，排水阀门打开，雨水排出后，水箱重量下降，进而在力臂带动下上升，井盖利用自身重力下降，恢复到原来位置，系统关闭。其具体控制流程如图5所示。
1.太阳能板 2.储能装置 3.控制单元 4.电动机 5.流量传感器
6.集水器 7.支撑杆（力臂）8.集水箱 9.连杆
3 控制元件选用
水流量传感器的选用直接影响到排水装置的开闭时刻，结合实际工作条件，拟选用YF-2102-A型流量传感器，其具体结构如图六所示。其主要由铜阀体、水流转子组件、稳流组件和霍尔元件组成。
它装在井盖的进水端测量进水流量。水通过水流转子组件时，磁性转子转动并且转速隨着流量变化而变化，霍尔传感器输出相应脉冲信号，反馈给控制器，由控制器判断水流量的大小，对井盖开闭做出具体调控[3]。
4 结语
本文设计了一种智能排水装置，在控制机构、驱动装置、集水装置等各部件协同作用下，有效的解决了路面积水问题，避免了行人或车辆在视野不佳的情况下坠井的风险，同时路
面垃圾等不会对排水孔造成堵塞，在有效排水的同时保障行人安全。对排水装置设计研究具有一定的参考借鉴意义。
参考文献
[1] 盛坤，沈永麟，张玲.浅谈井盖的应用与发展[J]建材发展导向2019 （16）.
[2] 海生虎.城市内涝的成因和防治措施[J]中国新技术新产品2019 （19）.
[3] 佟西伟.基于霍尔流量计改进小型纯水机系统设计[J]科技资讯2014（4）.
