何志州 卞歡 常樂 汪明 西安石油大學計算機學院

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 西安石油大學計算機學院

基于企業(yè)培訓用途的系列石油機械原理動畫的制作——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)部結構和工作原理。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)培訓用途的系列石油機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。主要因為輸油泵結構復雜，現(xiàn)場故障率高?，F(xiàn)場組裝人員，維修維護人員很難精確，高效的完成組裝與維修任務。為了克服此類困難，提高現(xiàn)場組裝人員，維修維護人員專業(yè)素養(yǎng)與專業(yè)技能，減少設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造是由6部分組成的，分別是：葉輪，泵體，泵軸，軸承，懸架，機械密封。

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，它結構簡單，運轉平穩(wěn)，操作方便，易于維護。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，葉輪快速轉動，葉輪的葉片驅使液體轉動，液體轉動時依靠慣性向葉輪外緣流去，同時葉輪從吸入式吸進液體，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動，葉片間的液體也必須隨著轉動，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入蝸形泵殼。在蝸殼中，液體由于流道的逐漸擴大而減速，又將部分動能轉變?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。可見，只要葉輪不斷地轉動，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，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。當流體到達葉輪外周時，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大的方向流動，使流體的動能轉化為靜壓能，減小能量損失。所以泵殼的作用不僅在于匯集液體，它更是一個能量轉換裝置；液體吸上原理：依靠葉輪高速旋轉，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。

葉輪外周安裝導輪，使泵內(nèi)液體能量轉換效率高。導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，引導液體在泵殼通道內(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，而葉輪前側液體入口處為低壓，因而產(chǎn)生了將葉輪推向泵入口一側的軸向推力。這容易引起葉輪與泵殼接觸處的磨損，嚴重時還會產(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。離心泵在工作是泵軸旋轉而殼不動，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鍵幀還有攝像機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 結論

正是基于以上的工作原理以及基于完善的動畫設計和修正方案，用當前流行的多媒體開發(fā)環(huán)境和三維動畫制作軟件，設計開發(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制并準確的在3DMAX中對元件進行建模以及制作出相應的動畫。在具體設計過程中，要充分考慮離心泵的安裝高度和汽蝕現(xiàn)象，應當在設計之前就要通過嚴格的計算來達到要求，避免在設計完成之后再想補救的辦法，才能保證整個油泵動畫系統(tǒng)的完善和設計制作目的的實現(xiàn)。