何志州 卞歡 常樂 汪明 西安石油大學(xué)計算機(jī)學(xué)院

離心式輸油泵工作原理的三維動畫制作

何志州 卞歡 常樂 汪明 西安石油大學(xué)計算機(jī)學(xué)院

基于企業(yè)培訓(xùn)用途的系列石油機(jī)械原理動畫的制作——離心式輸油泵工作原理三維動畫的制作，所選的離心式輸油泵的型號為新型單級單吸KS離心式輸油泵，通過對新型單級單吸KS125-100-200離心式輸油泵的吸入式，壓出式，泵鉆子的工作原理動畫以及零部件和組裝動畫的實現(xiàn)，能讓油泵使用者更加清晰明了的了解輸油泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理。吸入式動畫和壓出式動畫主要實現(xiàn)了讓用戶能夠清楚的理解原油是怎樣吸入和壓出到輸油泵中的，泵鉆子動畫為用戶顯示了原油進(jìn)入輸油泵中后對原油的一些處理過程。而零部件和組裝動畫則為我們展現(xiàn)了輸油泵的各個零部件以及零部件的組裝過程。實現(xiàn)的軟件技術(shù)支持為3DMAX，并以Real flow作為輔助工具。

新型單級單吸KS125-100-200離心式輸油泵 3DMAX Real flow

1 項目制作背景

基于企業(yè)培訓(xùn)用途的系列石油機(jī)械原理動畫的制作項目，選擇石油企業(yè)普遍使用的通用設(shè)備輸油泵為主題對象，開發(fā)其工作原理與組裝三維動畫用于現(xiàn)場人員培訓(xùn)。主要因為輸油泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)場故障率高。現(xiàn)場組裝人員，維修維護(hù)人員很難精確，高效的完成組裝與維修任務(wù)。為了克服此類困難，提高現(xiàn)場組裝人員，維修維護(hù)人員專業(yè)素養(yǎng)與專業(yè)技能，減少設(shè)備故障及故障損失是該原理動畫開發(fā)的意義所在。離心式輸油泵工作原理三維動畫的制作正是基于以上目的。

2 項目制作內(nèi)容

本次項目制作擬實現(xiàn)5個動畫，分別是依據(jù)基本型離心式輸油泵測繪電子圖設(shè)計壓出式工作原理動畫；依據(jù)基本型離心式輸油泵測繪電子圖設(shè)計吸入式工作原理動畫；基本型離心式輸油泵的平衡裝置，泵鉆子工作原理動畫的實現(xiàn)；基本型離心式輸油泵其他零部件動畫元件的實現(xiàn)；基本型離心式輸油泵整體組裝動畫的渲染與實現(xiàn)。本次項目所選擇的泵的型號為新型KS125-100-200單級單吸離心式輸油泵。新型KS單級單吸離心泵的基本構(gòu)造是由6部分組成的，分別是：葉輪，泵體，泵軸，軸承，懸架，機(jī)械密封。

3 離心式輸油泵的分類和工作原理

離心油泵作為石油儲存和運輸工程中的動力源，它結(jié)構(gòu)簡單，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，操作方便，易于維護(hù)。新型KS單級單吸離心泵工作原理如下，先將泵內(nèi)充滿液體，然后啟動離心泵，葉輪快速轉(zhuǎn)動，葉輪的葉片驅(qū)使液體轉(zhuǎn)動，液體轉(zhuǎn)動時依靠慣性向葉輪外緣流去，同時葉輪從吸入式吸進(jìn)液體，在這一過程中，葉輪中的液體繞流葉片，在繞流運動中液體作用一升力于葉片，反過來葉片以一個與此升力大小相等，方向相反的力作用于液體，這個力對液體做功，使液體得到能量而流出葉輪，這時液體的動能與壓能均增大。

啟動后，葉輪由軸帶動高速轉(zhuǎn)動，葉片間的液體也必須隨著轉(zhuǎn)動，在離心力的作用下，液體從葉輪中心被拋向外緣并獲得能量，以高速離開葉輪外緣進(jìn)入蝸形泵殼。在蝸殼中，液體由于流道的逐漸擴(kuò)大而減速，又將部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，最后以較高的壓力流入排除管道，送至需要場所。液體由葉輪中心流向外緣時，在葉輪中心形成了一定的真空，由于貯槽液面上方的壓力大于泵入口處的壓力，液體便被連續(xù)壓入葉輪中?？梢?，只要葉輪不斷地轉(zhuǎn)動，液體便會不斷地被吸入和排除。

4 離心式輸油泵工作原理動畫制作過程

新型KS單級單吸離心泵的基本工作步驟如下：葉輪被泵軸帶動旋轉(zhuǎn)，對位于葉片間的流體做功，流體受離心作用，由葉輪中心被拋向外圍。當(dāng)流體到達(dá)葉輪外周時，流速非常高；泵殼匯集從各葉片間被拋出的液體，這些液體在殼內(nèi)順著蝸殼形通道逐漸擴(kuò)大的方向流動，使流體的動能轉(zhuǎn)化為靜壓能，減小能量損失。所以泵殼的作用不僅在于匯集液體，它更是一個能量轉(zhuǎn)換裝置；液體吸上原理：依靠葉輪高速旋轉(zhuǎn)，迫使葉輪中心的液體以很高的速度被拋開，從而在葉輪中心形成低壓，低位槽中的液體因此被源源不斷地吸上。

葉輪外周安裝導(dǎo)輪，使泵內(nèi)液體能量轉(zhuǎn)換效率高。導(dǎo)輪是位于葉輪外周的固定的帶葉片的環(huán)。這些葉片的彎曲方向與葉輪葉片的彎曲方向相反，其彎曲角度正好與液體從葉輪流出的方向相適應(yīng)，引導(dǎo)液體在泵殼通道內(nèi)平穩(wěn)地改變方向，使能量損耗最小，動壓能轉(zhuǎn)換為靜壓能的效率高。

后蓋板上的平衡孔消除軸向推力。離開葉輪周邊的液體壓力已經(jīng)較高，有一部分會滲到葉輪后蓋板后側(cè)，而葉輪前側(cè)液體入口處為低壓，因而產(chǎn)生了將葉輪推向泵入口一側(cè)的軸向推力。這容易引起葉輪與泵殼接觸處的磨損，嚴(yán)重時還會產(chǎn)生振動。平衡孔使一部分高壓液體泄露到低壓區(qū)，減輕葉輪前后的壓力差。但由此也會引起泵效率的降低。

軸封裝置保證離心泵正常、高效運轉(zhuǎn)。離心泵在工作是泵軸旋轉(zhuǎn)而殼不動，其間的環(huán)隙如果不加以密封或密封不好，則外界的空氣會滲入葉輪中心的低壓區(qū)，使泵的流量、效率下降。

本項目采用的是3dmax動畫制作軟件來實現(xiàn)的，首先采用3dmax的三維建模功能根據(jù)cad圖紙制作出基本零件的三維模型，其次使用3dmax的制作動畫的時間軸以及關(guān)鍵幀還有攝像機(jī)動畫制作出零部件展示動畫以及組裝動畫。而吸入式和壓出式動畫主要是應(yīng)用3dmax中的粒子系統(tǒng)，來制作出原油的吸入，壓出，以及泵鉆子處理原油的過程，這個制作過程需要有Real flow來作為輔助工具，這樣整個動畫才能完整的完成。

5 結(jié)論

正是基于以上的工作原理以及基于完善的動畫設(shè)計和修正方案，用當(dāng)前流行的多媒體開發(fā)環(huán)境和三維動畫制作軟件，設(shè)計開發(fā)該多媒體軟件和三維動畫稿。

我們才得以正確的掌握輸油泵的運行機(jī)制并準(zhǔn)確的在3DMAX中對元件進(jìn)行建模以及制作出相應(yīng)的動畫。在具體設(shè)計過程中，要充分考慮離心泵的安裝高度和汽蝕現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)在設(shè)計之前就要通過嚴(yán)格的計算來達(dá)到要求，避免在設(shè)計完成之后再想補(bǔ)救的辦法，才能保證整個油泵動畫系統(tǒng)的完善和設(shè)計制作目的的實現(xiàn)。