【水壓升降系統(tǒng)在噴泉景觀中的應(yīng)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?；虼蠡蛐。偸窍Ｍ袊娙?，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(shè)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(shè)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(shè)水池中，不妨叫調(diào)節(jié)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(guī)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(diào)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(tǒng)升降的辦法來解決。當然，現(xiàn)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(diào)解用蓄水池。
實現(xiàn)升降的辦法有多種，如卷揚機構(gòu)、浮體機構(gòu)、液壓機構(gòu)等。
就液壓機構(gòu)而言，現(xiàn)實中人們也是首選油壓。油壓技術(shù)已非常成熟，應(yīng)用也非常普通。但油壓系統(tǒng)在水里應(yīng)用有其局限性。供油系統(tǒng)要設(shè)專門的泵室。液壓缸要么與水隔離，要么用不銹鋼材質(zhì)。一個大型噴泉系統(tǒng)，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(tǒng)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(tǒng)的設(shè)計
（1）設(shè)計分配升降單元
（2）剛性化設(shè)計要求
（3）升力計算
（4）水泵與液壓缸的選擇
（5）導向機構(gòu)注意事項
（6）升降系統(tǒng)的水路設(shè)計
1.設(shè)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(gòu)來實現(xiàn)，有的一個噴頭由1臺或多臺泵實現(xiàn)，這就要根據(jù)具體情況來組合升降單元。
如128個二維數(shù)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(tǒng)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(tǒng)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(yōu)先將同種規(guī)格同種水形組合在一起
② 優(yōu)先將升同一高度的水形組合在一起
③ 距離較近的水形優(yōu)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(shè)計要點
根據(jù)單元的組合形式，初步設(shè)計其連接方式。各系統(tǒng)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(guān)。同樣的材料，同樣地結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式不同，看上去單元的結(jié)構(gòu)對其自身而言其剛性比另一看上去較結(jié)實的系統(tǒng)的剛性不一定小。影響剛性大小的因素較復(fù)雜。各單元結(jié)構(gòu)形式不盡相同，剛性校核也不是一個模式。但必要時應(yīng)當對系統(tǒng)進行剛性校核。
影響系統(tǒng)的剛性大小的主要因素有：
① 結(jié)構(gòu)形式。如直排列的多個數(shù)控噴頭，采用桁架結(jié)構(gòu)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(tǒng)的主管徑大小
④ 管路系統(tǒng)的形狀，如環(huán)形、線形等。
⑤ 系統(tǒng)設(shè)備重量
⑥ 支點的間距。在這里支點就是液壓缸。
根據(jù)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(shè)計其連接方式，考慮用什么方式加強系統(tǒng)的剛性，使其最簡單造價最低。
比如一個環(huán)形噴泉，做為一個升降單元。選擇幾個液壓缸均布支撐，系統(tǒng)剛性不夠。此時可以繼續(xù)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?shù)那闆r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(chǎn)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(tǒng)所需升力大小由以下因素決定：
①系統(tǒng)的總重量，包括所有隨該系統(tǒng)一起升降的設(shè)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(tǒng)的升力帶動某些附屬設(shè)施所需的力。如用升降系統(tǒng)帶動活動蓋板開啟的力。
③系統(tǒng)升起時所受到的水的阻力
④系統(tǒng)內(nèi)部的阻力。如液壓缸、導向結(jié)構(gòu)、安裝偏差所減弱的力。
⑤水的波動對系統(tǒng)擾動的力。
⑥噴頭噴水時系統(tǒng)產(chǎn)生的反沖力。
①條系統(tǒng)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(tǒng)總重加大個系數(shù)來計算。
⑥條根據(jù)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(jù)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(zhì)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(zhì)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：?！っ?nbsp; N·S
F:作用力 單位：牛頓 N
t:力作用的時間 單位：秒 S
根據(jù)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(nèi)出水的質(zhì)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(jié)論：
噴頭垂直噴水時對其系統(tǒng)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(jié)論也不一樣。
4.水泵與液壓缸選擇
根據(jù)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(nèi)部向各個方向傳遞”。
升力的動力源就是由泵給液壓缸內(nèi)的水施加壓強。液壓缸內(nèi)的活塞受壓產(chǎn)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(guān)鍵。
系統(tǒng)確定后，支點位置數(shù)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(jù)液壓缸的數(shù)量可以計算出總?cè)莘e。確定一個升起時間，則就可以計算出所選泵的流量。
根據(jù)方案大小，系統(tǒng)的多少，確定升降泵的功率及數(shù)量。
5.導向機構(gòu)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(guān)系。很難保證一個系統(tǒng)垂直的升降，夸張地說就是歪歪扭扭的升與降。如果系統(tǒng)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(xiàn)問題，要么損壞設(shè)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(fā)生，則需要設(shè)置導向機構(gòu)進行導向。只要導向機構(gòu)安裝精度保證，就可以解決這類問題。
導向機構(gòu)的形式不盡相同，選擇輪軌機構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(tǒng)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(tǒng)隨升高而偏斜。所以導向機構(gòu)的垂直度是保證系統(tǒng)垂直升降的關(guān)鍵。
6．升降系統(tǒng)水路設(shè)計
升降系統(tǒng)的水路設(shè)計是影響液壓缸同步升降的關(guān)鍵因素。
水路系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)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(tǒng)圣劍不歪斜。
其措施有：1.每個液壓缸都應(yīng)設(shè)進水調(diào)節(jié)閥，用閥門調(diào)解其進水速度。2.供給各液壓缸的管路的管內(nèi)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(tǒng)應(yīng)以兩端給主管道供水，最好采用封閉環(huán)供水。系統(tǒng)下降時，泵停止運行，靠系統(tǒng)重力自降?；厮苈废到y(tǒng)各缸也要設(shè)調(diào)節(jié)閥門，使回流速度盡量保持一致。
所有調(diào)節(jié)閥門都應(yīng)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(yīng)有備份。
升降管路系統(tǒng)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(wěn)的因素之一。偏差過大既影響升力也易損壞設(shè)備。
系統(tǒng)安裝時應(yīng)有手動調(diào)節(jié)平衡機構(gòu)，也便于維修，系統(tǒng)沉下后可由這些支點支撐。
三、水質(zhì)
現(xiàn)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(zhì)。從液壓缸的結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(zhì)過臟的問題。實際應(yīng)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(yōu)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(huán)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(zhì)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(yōu)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(tǒng)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(yōu)越。