一種智能排水裝置的設計研究

于立寶　劉玉振　李鋒

摘 要：針對當前普通排水井蓋無法及時有效排除積水。人工開啟井蓋的時效性及對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計方案。對驅動裝置，控制機構等進行了研究分析;闡述了排水裝置的工作過程;并對控制元件進行選用分析。關鍵詞：排水裝置;智能;井蓋中圖分類號：S276.1 ?文獻標識碼：B ?文章編號：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。井蓋按材質可分為金屬井蓋、高強度纖維水泥混凝土井蓋、樹脂井蓋等。一般采用圓形。可用于綠化帶、人行道、機動車道、碼頭、小巷等。[1]

近年來，受天氣影響，部分城市內澇現象嚴重，普通排水井蓋無法及時有效排除積水。當積水量過大時，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大量的人力物力，費時費力且無法及時快速地排出積水，導致車輛和行人無法出行。[2]因此，我們設計了一種智能排水裝置，可根據積水量實時開閉井蓋，有效的解決了路面積水問題，可為此領域的設備研發提供一定的參考價值。

1 排水裝置總體設計

本排水裝置是基于51單片機控制，利用杠桿原理由電機驅動完成運動的裝置。主要由驅動裝置、控制機構、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并反饋井蓋上的積水量，使井蓋的開閉可以自動控制，不需人為控制井蓋的開合，增加了井蓋裝置的自動性，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 驅動裝置的設計

驅動裝置主要組成部分包括控制機構、電機和第三齒輪，其具體結構如圖2所示。其中控制機構與電機電連接，電機與第三齒輪傳動連接，第三齒輪與第一齒輪嚙合連接;控制機構控制電機正轉或反轉，帶動第三齒輪正轉或反轉，繼而帶動第一連板和第二連板正向或反向轉動，以使積水流入或流出集水箱內的流路在開閉狀態之間切換。其目的為便于集水箱集放水，進而實現井蓋的升降。

1.2 控制機構的設計

控制機構主要組成部分包括控制裝置和流量傳感器，流量傳感器設置在井蓋上，用于檢測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電連接;當流量傳感器檢測到積水量于預設值變化時，向控制裝置發出相應的電信號，控制裝置控制電機正反轉。其目的在于打開和關閉集水箱進排水閥門。

1.3 集水裝置的設計

集水裝置主要由集水箱和伸縮管兩部分組成，其具體結構如圖3所示，集水箱為圓環型，位于井壁外圍，在其集水箱上下表面各開有四個通孔，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排水互不干擾，進而控制井蓋開啟高度。

1.4 其他機構的設計

除上述機構外，該裝置還包括連桿機構，供能裝置。連桿機構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成，其安裝位置如圖4所示。工作時，流量傳感器監測到水流，當積水量達到設定值時，系統激活，排水系統進入工作狀態。此時，電動機帶動齒輪正轉打開集水箱進水閥門，隨后雨水將在短時間內將集水箱裝滿，集水箱會產生一定的重力，繼而帶動連接集水箱和井蓋的力臂以井壁為支點下沉，以此達到井蓋開啟，快速排水的目的;當流量傳感器檢測到水流量降低到一定值時，電動機帶動齒輪反轉，排水閥門打開，雨水排出后，水箱重量下降，進而在力臂帶動下上升，井蓋利用自身重力下降，恢復到原來位置，系統關閉。其具體控制流程如圖5所示。

1.太陽能板 2.儲能裝置 3.控制單元 4.電動機 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刻，結合實際工作條件，擬選用YF-2102-A型流量傳感器，其具體結構如圖六所示。其主要由銅閥體、水流轉子組件、穩流組件和霍爾元件組成。

它裝在井蓋的進水端測量進水流量。水通過水流轉子組件時，磁性轉子轉動并且轉速隨著流量變化而變化，霍爾傳感器輸出相應脈沖信號，反饋給控制器，由控制器判斷水流量的大小，對井蓋開閉做出具體調控[3]。

4 結語

本文設計了一種智能排水裝置，在控制機構、驅動裝置、集水裝置等各部件協同作用下，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險，同時路

面垃圾等不會對排水孔造成堵塞，在有效排水的同時保障行人安全。對排水裝置設計研究具有一定的參考借鑒意義。

參考文獻

[1] 盛坤，沈永麟，張玲.淺談井蓋的應用與發展[J]建材發展導向2019 （16）.

[2] 海生虎.城市內澇的成因和防治措施[J]中國新技術新產品2019 （19）.

[3] 佟西偉.基于霍爾流量計改進小型純水機系統設計[J]科技資訊2014（4）.