閆 川，譚 樺，孫悅涵

（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

1 項目背景及研究意義

近年來，我國多處地方都會遭遇大雨或暴雨的“襲擊”。面對較大的雨勢多處地方采取了打開窨井蓋來提高排水的速度，盡可能減少積水，方便交通。但打開窨井井蓋后如果窨井沒有具備很好的預(yù)警防護(hù)措施，則會對行人的安全造成威脅。在一些暴雨重災(zāi)城市，每年都會有人因墜井而受傷甚至死亡，大眾需求有效的安全防護(hù)措施。同時，對于暴雨時可能發(fā)生的倒灌，進(jìn)而使井蓋被沖開的現(xiàn)象，目前并沒有很好的預(yù)警和避免方式。

基于以上背景，設(shè)計了一種自發(fā)電多用途的窨井蓋，本裝置所有功能均利用回收能源和自身機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計，在小成本的前提下實現(xiàn)了多重功能，節(jié)約了能源，滿足了當(dāng)今社會可持續(xù)發(fā)展的大主題需求。

2 裝置結(jié)構(gòu)介紹

整個裝置可以分為三大部分，即渦輪部分，井框固定板部分和井蓋部分，具體如圖1所示。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)

2.1 渦輪結(jié)構(gòu)和固定板結(jié)構(gòu)

中空渦輪發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)特殊，該裝置與全貫流式水輪機(jī)相似，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極直接安裝在渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的外緣，使渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子成為一個整體。中空渦輪發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)較多，且葉片的外端有外輪緣支撐，這種結(jié)構(gòu)增加了葉片的強度和剛度，為擴(kuò)展轉(zhuǎn)輪直徑提供了條件，中空渦輪的中心是開口的，沒有中心旋轉(zhuǎn)軸，這種設(shè)計使垃圾可以從中心開口處通過，且可以減少雨水流過轉(zhuǎn)輪時的阻力。該設(shè)計在中心增加了1個收集網(wǎng)，安裝在中心，垃圾從中間通過后會落入網(wǎng)中，當(dāng)垃圾積累到一定量，渦輪整體對固定板的壓力大于預(yù)設(shè)值時，會發(fā)送信號通知工作人員通過取出渦輪進(jìn)行清理。葉片的外端被外輪緣包裹起來，轉(zhuǎn)輪在定子所限定的槽內(nèi)旋轉(zhuǎn)。裝置利用該渦輪結(jié)構(gòu)實現(xiàn)發(fā)電和第二類積水水位檢測功能，當(dāng)?shù)孛娣e水、打開井蓋后，第二類積水檢測開始，通過記錄渦輪產(chǎn)生的電壓的平均大小并通過2G/3G無線接收裝置將觸發(fā)信號傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)機(jī)組，分析后可以得出當(dāng)前井外積水量，并作為該地區(qū)的實時數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)庫中。受高度差和尺寸的約束，該渦輪產(chǎn)生的電量有限，主要是作為打開后警示用作LED燈的主要照明來源。

2.2 井蓋結(jié)構(gòu)

該項目設(shè)計將井蓋結(jié)構(gòu)拆開，分為底座、彈片、固定板、踏板四個部分，踏板下端裝入固定板內(nèi)后和彈片螺旋連接，固定板螺旋連接在底座上，彈片緊挨著壓電陶瓷，通過對踏板施加壓力，從而帶動彈片移動按壓陶瓷，電線通過底座底部的銷孔與壓電陶瓷連接，這樣的設(shè)計既保證了井蓋原有的強度，又使得陶瓷保護(hù)在內(nèi)部延長其壽命。同時，彈片與壓電片間接觸方式為圓角接觸，利用大學(xué)力學(xué)知識，這樣的設(shè)計能更大程度地利用壓力。除了產(chǎn)生電能供給用電外，當(dāng)井蓋未打開時，該裝置通過壓電陶瓷來測量水深度，根據(jù)不同水深壓力不同來得到當(dāng)前積水情況，即本裝置第一種檢測方法。井蓋結(jié)構(gòu)與下水道框口鉸鏈連接時，在鉸鏈連接的對側(cè)，井蓋上有一段凹槽，當(dāng)井蓋放在井框上時該凹槽和框上突出的彈簧可伸縮塊配合，使得井蓋鎖死在井框上，加強防盜性的同時，更主要的是起到防倒灌加固作用，讓井蓋不會因為倒灌的水被沖開。如果要解除鎖定，則可以通過負(fù)責(zé)人持有的專門桿插入井蓋上方的孔中旋轉(zhuǎn)使內(nèi)部的結(jié)構(gòu)將塊頂出（因為塊的尾部是彈簧），此時，就可以取出井蓋了。

2.3 井框設(shè)計

在該項目的設(shè)計中，主要對井框增加了固定板結(jié)構(gòu)的設(shè)計，渦輪結(jié)構(gòu)外輪緣被限定在固定板上，固定板有4個縱向延伸板，頂端是放置井蓋的框口以及4個橫向加固板，LED被內(nèi)置在井框內(nèi)側(cè)形成LED燈圈，作為當(dāng)井蓋打開時的預(yù)警提醒。安裝該固定板結(jié)構(gòu)井框的方法是在原本安裝窨井蓋之前，先將固定板井框壓入窨井口，放上瀝青，填充瀝青至高于地面一段距離，再通過振動壓路機(jī)壓實。此時，固定板就被固定在窨井口處，且埋在瀝青中的橫向板可以大大增加其載荷，在縱向固定板上有滑槽，將渦輪結(jié)構(gòu)滑入底部（距離井口1 m），在4個縱向板上插上插銷鎖死，起到保護(hù)和限制渦輪移動作用。

在井框上端有和井蓋凹槽配合的塊，塊實際是存放在鉸鏈連接對側(cè)橫向板內(nèi)部的可滑動板，橫向板最內(nèi)側(cè)安裝有彈簧使其能嵌入和被頂出井蓋凹槽，當(dāng)打開井蓋排水后，可以將板滑出并固定在對側(cè)，形成起到一定防墜作用的平臺。

2.4 控制部分設(shè)計

在整個裝置中，一共有3個主電路，即積水檢測電路、報警電路、預(yù)警電路。積水檢測裝置由渦輪和壓電陶瓷組成，兩者并用達(dá)到無論井蓋打開與否都能檢測積水變化的目的，信號通過2G、3G無線接收裝置發(fā)送到數(shù)據(jù)庫中作為積水實時監(jiān)測信息。

報警電路以渦輪和壓電陶瓷產(chǎn)生電能為能源，實現(xiàn)了3個功能：①使用壓力傳感器實現(xiàn)垃圾累計過量判斷；②井蓋非法移動使其電路破壞，導(dǎo)致蜂鳴器作用；③倒灌時渦輪反向轉(zhuǎn)動，電壓反向，通過該變化發(fā)送倒灌信號。

預(yù)警電路的設(shè)計是通過單片機(jī)控制，實現(xiàn)當(dāng)井蓋電路沒被破壞（斷路）時，利用隨光照增大電阻減小的光敏電阻使得當(dāng)打開井蓋排水時電路接通，LED開始發(fā)光，而平時不發(fā)光。如果井蓋電路破壞，下水道暴露，則當(dāng)晚沒光照時發(fā)光電路會接通；清晨有光照時發(fā)光電路不接通。

3 市場前景分析

該裝置可以應(yīng)用于比如武漢這樣多暴雨城市和降雨量較大的城市，這套設(shè)備功能完善，設(shè)計符合時代發(fā)展，極大程度地保障了公民的人生安全，且其具有自發(fā)電的特性，毫無疑問是符合時代綠色環(huán)保要求的，與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合也有益于其在今后更加網(wǎng)絡(luò)化，在大數(shù)據(jù)的時代中站穩(wěn)腳跟，所以，其應(yīng)用前景是非常廣泛的。

參考文獻(xiàn)：

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