【水壓升降系統在噴泉景觀中的應用】
作者：小編更新時間：2025-01-17
一、引言
在水景景觀工程中，噴泉景觀不可或缺。或大或小，總是希望有噴泉元素，或作點綴或作主景。噴泉的噴頭幾乎都是露出水面的，大煞風景。人們希望噴泉不噴時，噴頭不露出水面。
目前通常的解決辦法是，用水旱兩用池的辦法來解決。將噴泉設備按旱噴形式安裝在里面，噴頭、燈等處留有孔洞。在旱池頂板上面再設計一淺水池，水深約200～300毫米。噴泉使用時，用泵將水排入另一專設水池中，不妨叫調節池。使噴頭露出水面，噴泉即可使用。噴泉表演完后再用泵將蓄水池的水回灌到噴泉池中。噴泉規模較大的話，蓄水池的容量就要很大。以西安大雁塔北廣場噴泉為例，調解池的容積要3000立方米之大。快排、回灌用泵的功率也要很大，這是美中不足的事。
對江河湖里的噴泉，想不要看到噴泉，就無法用快排快灌的辦法解決。只能用噴頭或系統升降的辦法來解決。當然，現實中水旱兩用噴頭同樣可用升降方法來解決不露頭的問題。這樣可以省卻一調解用蓄水池。
實現升降的辦法有多種，如卷揚機構、浮體機構、液壓機構等。
就液壓機構而言，現實中人們也是首選油壓。油壓技術已非常成熟，應用也非常普通。但油壓系統在水里應用有其局限性。供油系統要設專門的泵室。液壓缸要么與水隔離，要么用不銹鋼材質。一個大型噴泉系統，油缸與水隔離談何容易。油缸置于水中，一旦漏油，就污染了景觀水。如果將液壓系統的油泵換成清水，如自來水等。不就可以解決了嗎！是的，完全可以解決。我們的方案是連清水都不用，就用景觀水。
二、水壓升降系統的設計
（1）設計分配升降單元
（2）剛性化設計要求
（3）升力計算
（4）水泵與液壓缸的選擇
（5）導向機構注意事項
（6）升降系統的水路設計
1.設計分配升降單元
定義：一個或多個水形組合成一個整體進行升降，稱為一個升降單元。
噴泉形式多種多樣，有的很緊湊，有的很分散，有的主管道還可能相互重疊，有的不同水形還可能共用水泵，有的水形還要由機械運動的機構來實現，有的一個噴頭由1臺或多臺泵實現，這就要根據具體情況來組合升降單元。
如128個二維數控噴頭，成一排排列，可以全部組合在一起形成一個整體系統同時升降，這就是一個升降單元。也可以64個一組，組成一個整體系統同時升降，這就是兩個升降單元。
確定升降單元注意以下4點：
① 優先將同種規格同種水形組合在一起
② 優先將升同一高度的水形組合在一起
③ 距離較近的水形優先組合在一起
④ 重量分配要均衡，相對單元的重心要對稱
2.剛性化設計要點
根據單元的組合形式，初步設計其連接方式。各系統的剛性大小是個相對的概念。剛性大小與支撐點的配置位置，間距有關。同樣的材料，同樣地結構形式，同樣地升降單元，支撐點多，支撐點的間距近，這個單元就比另一個單元剛性大。不同單元結構形式不同，看上去單元的結構對其自身而言其剛性比另一看上去較結實的系統的剛性不一定小。影響剛性大小的因素較復雜。各單元結構形式不盡相同，剛性校核也不是一個模式。但必要時應當對系統進行剛性校核。
影響系統的剛性大小的主要因素有：
① 結構形式。如直排列的多個數控噴頭，采用桁架結構為宜。
② 材料的物理性能。如抗拉強度、抗彎強度、屈服強度等。
③ 管路系統的主管徑大小
④ 管路系統的形狀，如環形、線形等。
⑤ 系統設備重量
⑥ 支點的間距。在這里支點就是液壓缸。
根據具體方案，具體分析。合理的組合升降單元，合理的配置液壓缸，綜合考慮。合理設計其連接方式，考慮用什么方式加強系統的剛性，使其最簡單造價最低。
比如一個環形噴泉，做為一個升降單元。選擇幾個液壓缸均布支撐，系統剛性不夠。此時可以繼續考慮加多液壓缸。也可以考慮將主管管徑加大。顯然在成本相當的情況下，加大管徑就比多加液壓缸好。因為同樣彎一次管路就解決了。
桁架的材料最好采用管材，因為管口封堵后，其自身的排水量產生的浮力，可以平衡一部分自重。這樣在計算所需升力時就可以酌減。
3.升力計算
升力系統所需升力大小由以下因素決定：
①系統的總重量，包括所有隨該系統一起升降的設備，零部件。如潛水泵、噴頭、閥門、管路、燈具、電纜等都要計入。
②利用升降系統的升力帶動某些附屬設施所需的力。如用升降系統帶動活動蓋板開啟的力。
③系統升起時所受到的水的阻力
④系統內部的阻力。如液壓缸、導向結構、安裝偏差所減弱的力。
⑤水的波動對系統擾動的力。
⑥噴頭噴水時系統產生的反沖力。
①條系統的總重量可以通過稱重或通過計算得到。
③④⑤條不好算。不妨將系統總重加大個系數來計算。
⑥條根據動量定理得知。物體所受外力的沖量等于它的總動量的變化量。即物體的沖量等于物體的總動量增量。根據動量、沖量的定義可以推導出計算反沖力的簡化式。
動量：運動物體的質量和速度的乘積叫動量
p：動量 單位：千克·米/秒 kg·m/s
m:運動物體的質量 單位：千克 kg
v=運動物體的速度 單位：米/秒 m/s
沖量：力和力作用時間的乘積叫做力的沖量。
I:沖量 單位：牛·秒 N·S
F:作用力 單位：牛頓 N
t:力作用的時間 單位：秒 S
根據動量定理 即 （一）
噴泉方案確定后噴嘴出水口徑D（單位：米 m）、噴嘴出水量Q（單位：米3/秒 m3/s）、就已知，也就可以計算出噴水的速度v及時間內出水的質量m。 初始速度：=0 ：水的密度 單位：1000千克/米3 1000kg/m3
帶入公式（一）
則
其結論：
噴頭垂直噴水時對其系統的作用力為噴頭出水流量的平方乘以水密度的乘積與噴嘴面積之比。
單位：牛頓 kg·m/s2
這里提供的反沖力的的計算方法僅供參考，與有的刊物里所提供的計算方法不同，結論也不一樣。
4.水泵與液壓缸選擇
根據帕斯卡定理：“加在密閉液體上的壓強能夠大小不變由液體內部向各個方向傳遞”。
升力的動力源就是由泵給液壓缸內的水施加壓強。液壓缸內的活塞受壓產生的力與受壓的壓強、活塞的受壓面積成正比。因此合理選擇泵的揚程與液壓缸的直徑則是問題的關鍵。
系統確定后，支點位置數量即可初步確定。就可以計算出每個缸所承擔的力。泵的揚程與缸徑先任選定一個，如先選定一定揚程的泵，就可以計算出液壓缸的直徑。
液壓缸的長度主要是由所需升降的高度決定的。各單元的升降高度也不一定相同。但同一單元的液壓缸升降高度要相同。已知缸體直徑及缸體高度，就可以計算出缸體的容積。根據液壓缸的數量可以計算出總容積。確定一個升起時間，則就可以計算出所選泵的流量。
根據方案大小，系統的多少，確定升降泵的功率及數量。
5.導向機構注意事項
一個單元一般地要有多個液壓缸進行升降。液壓缸升起的速度與分配到個液壓缸的水的速度，與其自身加工的精度，安裝精度等都有關系。很難保證一個系統垂直的升降，夸張地說就是歪歪扭扭的升與降。如果系統升降高度不很大，且噴頭、燈等處有較大孔洞，則歪歪扭扭的升起來或降下去也不影響使用，因為升到頂就垂直了。如果噴頭、燈等處的孔洞較小，則歪扭的升降就會出現問題，要么損壞設備，要么卡到旱噴的頂板上而升不出來。為避免這類問題的發生，則需要設置導向機構進行導向。只要導向機構安裝精度保證，就可以解決這類問題。
導向機構的形式不盡相同，選擇輪軌機構較好，因為不易卡死。
影響導向因素主要有3個：一是導向機構配合副的配合間隙。二是導軌的安裝垂直度與平行度。三是導向機構自身的剛性。特別是導軌安裝的垂直度、平行度影響較大。
見圖一、圖二
圖1 圖2
圖1為滑套副導向。如果某一導軌傾斜一角度，系統升的高度超出了導套與導軌的配合間隙所允許的范圍，就會卡死。
圖2為導輪與導軌配合。這種情況雖不會卡死，但系統隨升高而偏斜。所以導向機構的垂直度是保證系統垂直升降的關鍵。
6．升降系統水路設計
升降系統的水路設計是影響液壓缸同步升降的關鍵因素。
水路系統設計的關鍵主要在于如何保證向各升降單元液壓缸供水速度一致，從而保證液壓缸同步升起，返程下降時液壓缸流出水的速度一致。從而使液壓缸同步下降，這樣才能保證系統圣劍不歪斜。
其措施有：1.每個液壓缸都應設進水調節閥，用閥門調解其進水速度。2.供給各液壓缸的管路的管內流速不宜過大，建議小于0.1m/s，使各缸進水的壓力盡可能保持一致。3.長排列的系統應以兩端給主管道供水，最好采用封閉環供水。系統下降時，泵停止運行，靠系統重力自降。回水管路系統各缸也要設調節閥門，使回流速度盡量保持一致。
所有調節閥門都應能夠方便人手動操作。
給水泵及下降時開啟回流管的電動閥門都應有備份。
升降管路系統圖如下：
液壓缸安裝的垂直度偏差的大小也是影響升降垂直平穩的因素之一。偏差過大既影響升力也易損壞設備。
系統安裝時應有手動調節平衡機構，也便于維修，系統沉下后可由這些支點支撐。
三、水質
現在來回答為什么可以大膽地用景觀水作為液壓缸的動力傳遞介質。從液壓缸的結構及水流的方向看，進到缸里的水也包括絮凝物、懸浮物，當液壓缸下降時就從排水系統排出去了。在液壓缸里另加一過濾裝置，該過濾裝置在進水升起時過濾，下降排水時則反沖洗，就可以解決水質過臟的問題。實際應用中基本上可以不用加過濾器。
這正是因為用水做液壓傳遞動力的優越性。因為即使有些許懸浮微粒進入缸里可能擦傷活塞與缸的配合，會使活塞密封不好而漏水，絲毫不影響液壓缸的使用，既不用考慮污染環境，也不要考慮補充漏油那樣補充水，因為周圍都是水。液壓缸的材質采用不銹鋼為佳。
與其他方式升降的比較
最常用的就是浮體式升降。浮體式升降的優點是可以隨水位變化而變化，同樣存在定位導向問題。缺點是耗費大量鋼材，浮起100kg重的系統至少要耗100kg的鋼材，占的空間位置也大。安裝工程量大，運輸難度大。
而液壓升降在所升高度不是很高的條件下還是比浮體式優越。