每年夏天都會(huì)下暴雨，為了解決城市道路因排水不暢而導(dǎo)致的道路積水問(wèn)題，以及由此可能帶來(lái)的嚴(yán)重的交通安*問(wèn)題，暴雨前都會(huì)有很多道路工人把路邊的排水井蓋打開傾斜著放在旁邊。暴雨結(jié)束后，工人們又會(huì)把排水井蓋重新蓋好。如此，按每條路幾十個(gè)排水井蓋計(jì)算，整個(gè)南京的排水井蓋數(shù)以萬(wàn)計(jì)，工作量可想而知。通過(guò)文獻(xiàn)檢索和實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，打開路邊排水井蓋幾乎是市政管理部門在暴雨來(lái)臨前必做的*項(xiàng)工作，且工作量*大。因此，能根據(jù)雨量自動(dòng)升降的井蓋有實(shí)際需求，并且能解決實(shí)際問(wèn)題。
　　我想要設(shè)計(jì)*種在暴雨時(shí)能自動(dòng)打開井蓋，當(dāng)暴雨結(jié)束后井蓋能自動(dòng)恢復(fù)原樣的裝置。這樣不僅可以節(jié)省大量人工，解決因未能及時(shí)打開井蓋導(dǎo)致的道路積水問(wèn)題，還可以避免暴雨時(shí)打開的井蓋在雨停后忘記蓋上而帶來(lái)的安*隱患。
　　設(shè)計(jì)思路
　　目前，類似研究成果有兩類：*是利用電機(jī)、控制器、傳感器抬升井蓋;二是自動(dòng)懸浮復(fù)位市政道路井蓋裝置，包括井蓋、液壓缸和水浸傳感器。但這兩類都需要用電，由于工作環(huán)境主要在雨水中，在實(shí)際工作時(shí)容易出現(xiàn)故障和損害，存在漏電隱患。
　　針對(duì)上述情況，我們基于將“暴雨”帶來(lái)的麻煩和問(wèn)題由暴雨“自己解決”的角度，設(shè)計(jì)了*種可以根據(jù)雨量自動(dòng)升降的道路排水井蓋裝置（圖1、圖2）。安裝時(shí)，只需將原井蓋拿走，把整個(gè)井蓋裝置放到井蓋下方的通道中固定即可，安裝、維修、*換都十分簡(jiǎn)單。當(dāng)遇到暴雨時(shí)，井蓋自動(dòng)升起;當(dāng)暴雨變小或停止時(shí)，井蓋自動(dòng)復(fù)原。
　　方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化
　　→原理分析
　　根據(jù)想法及研究目的，需要將井蓋在暴雨時(shí)抬升，雨停后下降，我們分析后找到了兩個(gè)可以利用的“力”：*個(gè)是雨水向下的重力，*個(gè)是井蓋本身向下的重力，如何利用好這兩個(gè)“力”是整個(gè)研究的關(guān)鍵。我們統(tǒng)籌兩種情形進(jìn)行了如下考慮。
　　原理*：定滑輪改變力的方向。利用定滑輪可以改變力的方向，我們?cè)诰�蓋下設(shè)計(jì)了*個(gè)可以蓄積雨水的內(nèi)水槽。當(dāng)暴雨發(fā)生時(shí)，蓄積到的雨水產(chǎn)生向下的力，我們通過(guò)定滑輪改變這個(gè)向下的重力，使之向上抬升井蓋。
　　原理二：蓄水池（進(jìn)水——放水）控制。在內(nèi)水槽底部設(shè)計(jì)*個(gè)可以調(diào)節(jié)放水速度的閥門，通過(guò)計(jì)算和測(cè)試，在雨量小的時(shí)候，進(jìn)水速度和內(nèi)水槽底部閥門的放水速度基本相等，內(nèi)水槽不蓄水，不會(huì)產(chǎn)生抬升井蓋的力;當(dāng)暴雨時(shí)，進(jìn)水速度大干放水速度，內(nèi)水槽很快蓄滿水，產(chǎn)生抬升井蓋的力;當(dāng)暴雨停止或減小時(shí)，內(nèi)水槽的水又被排空，抬升井蓋的力消失后，井蓋靠自身重量下降。利用雨量作為進(jìn)水，內(nèi)水槽底部閥門放水，使內(nèi)水槽根據(jù)雨量大小提供不同的抬升力量，實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置根據(jù)外界變化而變化的“智能化”。
　　→設(shè)計(jì)與計(jì)算
　　根據(jù)實(shí)地測(cè)量的排水井?dāng)?shù)據(jù)，利用排水井深度、井蓋重量、排水口的長(zhǎng)寬，設(shè)計(jì)內(nèi)水槽的尺寸和排水孔大小。利用井蓋上的孔徑計(jì)算抬升井蓋后排水速度可以增加多少。水槽體積計(jì)算：井蓋重量15kg，收集雨水按24kg計(jì)算，所需水槽體積為0.024m3（橫截面0.06m2×40cm）即能滿足要求，也*是長(zhǎng)30cm、寬20 cm、高40 cm即可。在抬升井蓋時(shí)，會(huì)有*些其他的阻力，在研究中我們?cè)O(shè)定了制作時(shí)的原則——在實(shí)際應(yīng)用中將井蓋的重量制作成比水槽的重量多10kg，這樣在沒(méi)有雨或者水槽排空后有10kg的力可以克服阻力將井蓋蓋好;當(dāng)雨水蓄積到20kg時(shí)，水槽和雨水的重量比井蓋大10kg，也*足夠克服阻力抬升井蓋了。也*是說(shuō)，可以通過(guò)在井蓋或者水槽中配置調(diào)節(jié)重量的配重調(diào)節(jié)井蓋和水槽的重量關(guān)系。
　　→制作模型
　　根據(jù)設(shè)計(jì)方案的數(shù)據(jù)，我購(gòu)買了定滑輪、支桿，用亞克力板制作了演示用模型（圖3）。
　　結(jié)論與討論
　　可自動(dòng)升降的道路排水井蓋有效解決了暴雨時(shí)需要人工打開井蓋加快排水速度和暴雨結(jié)束后需要人工將井蓋復(fù)原的問(wèn)題，有效減輕了市政工人的實(shí)際工作量，同時(shí)解決了因暴雨產(chǎn)生的道路安*問(wèn)題。整個(gè)裝置模塊化設(shè)計(jì)且不需電源和傳感器及電機(jī)等，安裝受限少、成本低、容易實(shí)現(xiàn)和推廣。
　　本裝置在實(shí)際應(yīng)用中可能還涉及安*性問(wèn)題，因?yàn)檠b置的使用環(huán)境是在道路上，打開后對(duì)行人和車輛存在*定安*隱患。我們將在后續(xù)方案中增加相關(guān)設(shè)計(jì)，如井蓋抬升后增加警示音、將井蓋抬升高度控制在安*范圍內(nèi)（根據(jù)實(shí)際測(cè)量，在暴雨中抬升15 cm左右既可保證排水量，又對(duì)汽車的通行不會(huì)造成影響）等。