一種新型井蓋防沖裝置設(shè)計(jì)

馬江南，李敬，姜楚，陸漢達(dá)，程鐵杰，王軍 （合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230000）

井蓋作為城市里一種普遍的公共設(shè)施，在城市的道路規(guī)劃建設(shè)中必不可少，廣泛應(yīng)用于排水工程、給水工程、園林工程。隨著當(dāng)前中國經(jīng)濟(jì)、基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，城市管網(wǎng)逐漸增多，井蓋的需求也隨之發(fā)生演變[1]。目前部分城市排水管網(wǎng)規(guī)劃較早，設(shè)計(jì)流量小，伴隨著舊城改造和新型智慧城市建設(shè)[1]，逐漸顯現(xiàn)出與原有設(shè)計(jì)不匹配的問題，部分城市容易在強(qiáng)降雨天氣下出現(xiàn)排水量不足，從而導(dǎo)致管網(wǎng)內(nèi)雨水上涌沖走井蓋的現(xiàn)象，對過往行人和車輛產(chǎn)生不利影響[2]。若采用加固裝置可以起到一定程度的井蓋防沖、防盜的效果，然而井底設(shè)備進(jìn)行維修的難度也隨之增加。為解決汛期井蓋防沖問題，本文基于機(jī)械卡位原理，研發(fā)設(shè)計(jì)了一種裝置簡潔、原材料經(jīng)濟(jì)的井蓋防沖裝置，以滿足當(dāng)前社會市場需求。分析表明，該裝置可以對汛期井內(nèi)水位變化進(jìn)行判斷，能夠較好地避免上述維護(hù)不便的問題。

1 設(shè)計(jì)原理

如圖1所示，井蓋防沖裝置包括井蓋本體、由拉力傳感裝置與可伸縮鎖扣兩個(gè)部分組成，

圖1 井蓋整體剖面圖

井蓋由聚乙烯泡沫塑料防水材料制成，伸縮鎖扣由鋼材制成，能夠保證其承受足夠的水壓力。而拉力傳感裝置分為上、下兩部分，上部為控制彈鎖的感應(yīng)裝置，下部為尼龍繩連接的材質(zhì)為純復(fù)合泡沫塑料的實(shí)心重球。當(dāng)球體處于懸掛狀態(tài)時(shí)，繩子的拉應(yīng)力使伸縮鎖扣關(guān)閉，此時(shí)井蓋處于可打開的正常工作狀態(tài)。當(dāng)汛期來臨，城市管網(wǎng)充水導(dǎo)致井下水位上漲，此時(shí)由于球體受到水的浮托力被抬起，伸縮鎖扣啟動，彈出鎖扣，卡于井壁下沿卡槽處，使井蓋無法被從下而上的水沖走。

圖2 原理圖

如圖3所示，控制球由純復(fù)合聚乙烯泡沫塑料包裹住，內(nèi)部含重量約為500 g的鐵球，以在非汛期提供拉力。控制球由于自身的重力可以保證它能產(chǎn)生向下的拉力，同時(shí)外部包裹低密度浮力材料的設(shè)計(jì)又可以使它在水位上升時(shí)將自身承托起來取消拉力，實(shí)現(xiàn)了原理中關(guān)閉鎖扣的功能要求。聚乙烯泡沫塑料使用壽命約50年，性能良好，保證了新型防沖井蓋井下的部分有優(yōu)異的抗老化性能。

2 應(yīng)力分析

圖3 提供拉力的控制球

在卡位板選材方面，對卡位板材料進(jìn)行了比選分析。灰口、球墨鑄鐵等材料熔點(diǎn)低、流動性好、熔煉簡單、成本低、耐磨，但塑性和韌性差，強(qiáng)度低。鑄鐵是煉鋼的原料，有較高的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，具備耐熱、耐腐蝕、耐磨等性能，但相比鑄鐵成本更高。將卡位板的彎曲應(yīng)力對比碳鋼與鑄鐵材料的許用應(yīng)力表，選定材料以及型號，以下概化模型計(jì)算中將忽略摩擦力、水頭損失、水量損耗等因素。

暴雨強(qiáng)度公式[1]：

Qs＝qΨF

其中Qs—設(shè)計(jì)雨水流量(L/s)；Ψ—徑流系數(shù)，取 0.9；q—暴雨強(qiáng)度（L/s·ha）；F—匯水面積（ha）。

式中P是指多大的暴雨出現(xiàn)的重現(xiàn)年，時(shí)間t指的是暴雨形成徑流的時(shí)間。A，C，b為參數(shù)。設(shè)計(jì)重現(xiàn)期取2年；降雨歷時(shí)取5 min進(jìn)行計(jì)算，則q（5min）=414L（/s·ha）（p=2、t=5min）。

由于常規(guī)井蓋直徑為600mm-700mm，所以匯水面積F的半徑應(yīng)為 35m。將 q（5min）=414L/(s·ha)（p=2、t=5min），Ψ=0.9，F(xiàn)=3.14 ×352 m2=0.38465ha帶入暴雨強(qiáng)度公式中得：

Qs=414×0.9×0.38465

=143.32L/s=0.14332m3/s[2]

取井蓋外徑（直徑）D=700 mm，內(nèi)徑d=600mm，重量為70kg。由于井內(nèi)構(gòu)造不一，擬定該井內(nèi)構(gòu)造為直徑為800mm，高為2m的規(guī)則圓柱體。卡位板的規(guī)格為長 a=150mm，寬b=100mm，高h(yuǎn)=10mm的規(guī)則長方體。

根據(jù)水力學(xué)動量方程：∑F=ρQ（0-βv），令 G1為 1s時(shí)涌水的重力，G2為井蓋重力。取β=1，得：

FR+G1=ρQsv

FR=13663.656N（ρ=1000kg/m3，g

=9.8m/s2，=3.14）

M=（FR-G2）×L

“控制球”懸浮的時(shí)候，繩索材料也懸浮在水中，打破彈簧平衡，考慮選取PE材料或PP材料。PP材料為聚丙烯，PE材料為聚乙烯，兩者都具有輕便、耐腐、耐熱、電絕緣、高強(qiáng)度機(jī)械性的特點(diǎn)和良好的高耐磨加工性能。在價(jià)格方面，PE材料比PP材料單價(jià)較高，綜合而言，選取PP材料作為繩索的材料。

當(dāng)井內(nèi)無水時(shí)：繩索受力為“控制球”自重所帶來的拉力和彈簧給予的拉力，兩者大小等值。F=0.5×9.8=4.9N，遠(yuǎn)小于繩索拉伸極限。

“控制球”要做到懸浮在水中，同時(shí)平時(shí)能依靠自身重力向下拉動彈簧，需要具有合適的重量，“控制球”材料的密度不能太大也不能太小。目前便于生產(chǎn)產(chǎn)品以及自身強(qiáng)度可以承載拉力的，生產(chǎn)成本較低的材料主要有合金、PP塑料等。井下水為污水，汛期漫上來的水可能具有腐蝕性。因此選擇固體浮力材料，具體材料性質(zhì)如下：密度低（0.20～0.7 g/cm3）、吸水率低（不大于 3%）、機(jī)械強(qiáng)度高（壓縮強(qiáng)度1MPa～100 MPa）、耐腐蝕、可進(jìn)行二次機(jī)械加工等特點(diǎn)，滿足水下不同的應(yīng)用要求。且在使用壽命上來看，固體浮力材料也具有明顯的優(yōu)勢，便于后期進(jìn)行保修。

圖4 控制球示意圖

根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸計(jì)算“控制球”質(zhì)量：

m=ρV=0.065×4/3×π×53=3.72g

又要平時(shí)將彈簧拉至伸長狀態(tài)，在其內(nèi)部加上500g配重的鐵球。鐵球體積：

V'=500/7.8=6.4 cm3（可放進(jìn)控制球內(nèi)）

彈簧部分?jǐn)M采用兩股合金彈簧作為固定。當(dāng)井內(nèi)無水時(shí)：繩索受力為“控制球”自重所帶來的拉力和彈簧給予的拉力，兩者大小等值，約為2.5 N。選原長為20 cm，受2.5 N拉力拉伸為10 cm的彈簧，其彈性系數(shù)k=ΔF/Δl=2.5/0.1=25 N/m，選用原長20 cm，勁度系數(shù)為25 N/m的合金彈簧。

3 結(jié)論

一種新型井蓋防沖裝置的設(shè)計(jì)能夠改進(jìn)目前下水井蓋易丟失、傳統(tǒng)防盜裝置本高的問題。借助浮動式動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行對鎖扣單元的控制，在減少大雨大水天氣下水道涌出水導(dǎo)致的損失的同時(shí)，也減少了平時(shí)安裝防墜網(wǎng)導(dǎo)致的維護(hù)困難。通過實(shí)證分析表明本裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡明，易于維修。由于設(shè)計(jì)裝置是基于對現(xiàn)有井蓋進(jìn)行改造，性價(jià)比較高，具備在局部中小城市實(shí)施的可行性。

裝置是采用的水位標(biāo)定判據(jù)，可以進(jìn)一步結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)出一個(gè)城市地下水的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，能夠及時(shí)反映城市下水管道的運(yùn)行狀況，具有一定應(yīng)用前景。