水压升降系统在喷泉景观中的应用
陕西极水景观工程有限公司  王跟东 王震坤 赵婉
关键词：水压、升降、导向
一、引言
在水景景观工程中，喷泉景观不可或缺。或大或小，总是希望有喷泉元素，或作点缀或作主景。喷泉的喷头几乎都是露出水面的，大煞风景。人们希望喷泉不喷时，喷头不露出水面。
目前通常的解决办法是，用水旱两用池的办法来解决。将喷泉设备按旱喷形式安装在里面，喷头、灯等处留有孔洞。在旱池顶板上面再设计一浅水池，水深约200～300毫米。喷泉使用时，用泵将水排入另一专设水池中，不妨叫调节池。使喷头露出水面，喷泉即可使用。喷泉表演完后再用泵将蓄水池的水回灌到喷泉池中。喷泉规模较大的话，蓄水池的容量就要很大。以西安大雁塔北广场喷泉为例，调解池的容积要3000立方米之大。快排、回灌用泵的功率也要很大，这是美中不足的事。
对江河湖里的喷泉，想不要看到喷泉，就无法用快排快灌的办法解决。只能用喷头或系统升降的办法来解决。当然，现实中水旱两用喷头同样可用升降方法来解决不露头的问题。这样可以省却一调解用蓄水池。
实现升降的办法有多种，如卷扬机构、浮体机构、液压机构等。
就液压机构而言，现实中人们也是首选油压。油压技术已非常成熟，应用也非常普通。但油压系统在水里应用有其局限性。供油系统要设专门的泵室。液压缸要么与水隔离，要么用不锈钢材质。一个大型喷泉系统，油缸与水隔离谈何容易。油缸置于水中，一旦漏油，就污染了景观水。如果将液压系统的油泵换成清水，如自来水等。不就可以解决了吗！是的，完全可以解决。我们的方案是连清水都不用，就用景观水。
二、水压升降系统的设计
（1）设计分配升降单元
（2）刚性化设计要求
（3）升力计算
（4）水泵与液压缸的选择
（5）导向机构注意事项
（6）升降系统的水路设计
1.设计分配升降单元
定义：一个或多个水形组合成一个整体进行升降，称为一个升降单元。
喷泉形式多种多样，有的很紧凑，有的很分散，有的主管道还可能相互重叠，有的不同水形还可能共用水泵，有的水形还要由机械运动的机构来实现，有的一个喷头由1台或多台泵实现，这就要根据具体情况来组合升降单元。
如128个二维数控喷头，成一排排列，可以全部组合在一起形成一个整体系统同时升降，这就是一个升降单元。也可以64个一组，组成一个整体系统同时升降，这就是两个升降单元。
确定升降单元注意以下4点：
① 优先将同种规格同种水形组合在一起
② 优先将升同一高度的水形组合在一起
③ 距离较近的水形优先组合在一起
④ 重量分配要均衡，相对单元的重心要对称
2.刚性化设计要点
根据单元的组合形式，初步设计其连接方式。各系统的刚性大小是个相对的概念。刚性大小与支撑点的配置位置，间距有关。同样的材料，同样地结构形式，同样地升降单元，支撑点多，支撑点的间距近，这个单元就比另一个单元刚性大。不同单元结构形式不同，看上去单元的结构对其自身而言其刚性比另一看上去较结实的系统的刚性不一定小。影响刚性大小的因素较复杂。各单元结构形式不尽相同，刚性校核也不是一个模式。但必要时应当对系统进行刚性校核。
影响系统的刚性大小的主要因素有：
① 结构形式。如直排列的多个数控喷头，采用桁架结构为宜。
② 材料的物理性能。如抗拉强度、抗弯强度、屈服强度等。
③ 管路系统的主管径大小
④ 管路系统的形状，如环形、线形等。
⑤ 系统设备重量
⑥ 支点的间距。在这里支点就是液压缸。
根据具体方案，具体分析。合理的组合升降单元，合理的配置液压缸，综合考虑。合理设计其连接方式，考虑用什么方式加强系统的刚性，使其最简单造价最低。
比如一个环形喷泉，做为一个升降单元。选择几个液压缸均布支撑，系统刚性不够。此时可以继续考虑加多液压缸。也可以考虑将主管管径加大。显然在成本相当的情况下，加大管径就比多加液压缸好。因为同样弯一次管路就解决了。
桁架的材料最好采用管材，因为管口封堵后，其自身的排水量产生的浮力，可以平衡一部分自重。这样在计算所需升力时就可以酌减。
3.升力计算
升力系统所需升力大小由以下因素决定：
①系统的总重量，包括所有随该系统一起升降的设备，零部件。如潜水泵、喷头、阀门、管路、灯具、电缆等都要计入。
②利用升降系统的升力带动某些附属设施所需的力。如用升降系统带动活动盖板开启的力。
③系统升起时所受到的水的阻力
④系统内部的阻力。如液压缸、导向结构、安装偏差所减弱的力。
⑤水的波动对系统扰动的力。
⑥喷头喷水时系统产生的反冲力。
①条系统的总重量可以通过称重或通过计算得到。
③④⑤条不好算。不妨将系统总重加大个系数来计算。
⑥条根据动量定理得知。物体所受外力的冲量等于它的总动量的变化量。即物体的冲量等于物体的总动量增量。根据动量、冲量的定义可以推导出计算反冲力的简化式。
动量：运动物体的质量和速度的乘积叫动量

p：动量  单位：千克·米/秒  kg·m/s
m:运动物体的质量   单位：千克  kg
v=运动物体的速度   单位：米/秒  m/s
冲量：力和力作用时间的乘积叫做力的冲量。
 
I:冲量 单位：牛·秒   N·S
F:作用力 单位：牛顿   N
t:力作用的时间 单位：秒  S
根据动量定理
    即                                         （一）
喷泉方案确定后喷嘴出水口径D（单位：米 m）、喷嘴出水量Q（单位：米³/秒  m³/s）、就已知，也就可以计算出喷水的速度v及时间内出水的质量m。
  初始速度：=0
  ：水的密度    单位：1000千克/米³  1000kg/m³
带入公式（一）
则
其结论：
喷头垂直喷水时对其系统的作用力为喷头出水流量的平方乘以水密度的乘积与喷嘴面积之比。
单位：牛顿  kg·m/s²      
这里提供的反冲力的的计算方法仅供参考，与有的刊物里所提供的计算方法不同，结论也不一样。
4.水泵与液压缸选择
根据帕斯卡定理：“加在密闭液体上的压强能够大小不变由液体内部向各个方向传递”。
升力的动力源就是由泵给液压缸内的水施加压强。液压缸内的活塞受压产生的力与受压的压强、活塞的受压面积成正比。因此合理选择泵的扬程与液压缸的直径则是问题的关键。
系统确定后，支点位置数量即可初步确定。就可以计算出每个缸所承担的力。泵的扬程与缸径先任选定一个，如先选定一定扬程的泵，就可以计算出液压缸的直径。
液压缸的长度主要是由所需升降的高度决定的。各单元的升降高度也不一定相同。但同一单元的液压缸升降高度要相同。已知缸体直径及缸体高度，就可以计算出缸体的容积。根据液压缸的数量可以计算出总容积。确定一个升起时间，则就可以计算出所选泵的流量。
根据方案大小，系统的多少，确定升降泵的功率及数量。
5.导向机构注意事项
一个单元一般地要有多个液压缸进行升降。液压缸升起的速度与分配到个液压缸的水的速度，与其自身加工的精度，安装精度等都有关系。很难保证一个系统垂直的升降，夸张地说就是歪歪扭扭的升与降。如果系统升降高度不很大，且喷头、灯等处有较大孔洞，则歪歪扭扭的升起来或降下去也不影响使用，因为升到顶就垂直了。如果喷头、灯等处的孔洞较小，则歪扭的升降就会出现问题，要么损坏设备，要么卡到旱喷的顶板上而升不出来。为避免这类问题的发生，则需要设置导向机构进行导向。只要导向机构安装精度保证，就可以解决这类问题。
导向机构的形式不尽相同，选择轮轨机构较好，因为不易卡死。
影响导向因素主要有3个：一是导向机构配合副的配合间隙。二是导轨的安装垂直度与平行度。三是导向机构自身的刚性。特别是导轨安装的垂直度、平行度影响较大。
见图一、图二

图1                       图2
图1为滑套副导向。如果某一导轨倾斜一角度，系统升的高度超出了导套与导轨的配合间隙所允许的范围，就会卡死。
图2为导轮与导轨配合。这种情况虽不会卡死，但系统随升高而偏斜。所以导向机构的垂直度是保证系统垂直升降的关键。
6．升降系统水路设计
升降系统的水路设计是影响液压缸同步升降的关键因素。
水路系统设计的关键主要在于如何保证向各升降单元液压缸供水速度一致，从而保证液压缸同步升起，返程下降时液压缸流出水的速度一致。从而使液压缸同步下降，这样才能保证系统圣剑不歪斜。
其措施有：1.每个液压缸都应设进水调节阀，用阀门调解其进水速度。2.供给各液压缸的管路的管内流速不宜过大，建议小于0.1m/s，使各缸进水的压力尽可能保持一致。3.长排列的系统应以两端给主管道供水，最好采用封闭环供水。系统下降时，泵停止运行，靠系统重力自降。回水管路系统各缸也要设调节阀门，使回流速度尽量保持一致。
所有调节阀门都应能够方便人手动操作。
给水泵及下降时开启回流管的电动阀门都应有备份。
升降管路系统图如下：

液压缸安装的垂直度偏差的大小也是影响升降垂直平稳的因素之一。偏差过大既影响升力也易损坏设备。
系统安装时应有手动调节平衡机构，也便于维修，系统沉下后可由这些支点支撑。
三、水质
现在来回答为什么可以大胆地用景观水作为液压缸的动力传递介质。从液压缸的结构及水流的方向看，进到缸里的水也包括絮凝物、悬浮物，当液压缸下降时就从排水系统排出去了。在液压缸里另加一过滤装置，该过滤装置在进水升起时过滤，下降排水时则反冲洗，就可以解决水质过脏的问题。实际应用中基本上可以不用加过滤器。
这正是因为用水做液压传递动力的优越性。因为即使有些许悬浮微粒进入缸里可能擦伤活塞与缸的配合，会使活塞密封不好而漏水，丝毫不影响液压缸的使用，既不用考虑污染环境，也不要考虑补充漏油那样补充水，因为周围都是水。液压缸的材质采用不锈钢为佳。
与其他方式升降的比较
最常用的就是浮体式升降。浮体式升降的优点是可以随水位变化而变化，同样存在定位导向问题。缺点是耗费大量钢材，浮起100kg重的系统至少要耗100kg的钢材，占的空间位置也大。安装工程量大，运输难度大。
而液压升降在所升高度不是很高的条件下还是比浮体式优越。