矿用D型泵结构分析与水泵房布置论述-毕业设计论文.doc

华北科技学院毕业设计（论文）
毕业设计论文
矿用D型泵结构分析与水泵房布置论述

摘要：
本设计论文是矿用多级泵结构设计与水泵房布置论述，利用VRML语言构建可视性的矿用多级泵模型是一个有较大独创性研究项目。其建模过程即是对矿用多级泵的数字仿真，又是对矿用多级泵的工作原理和设计制造工艺的全面了解。通过本次毕业设计掌握VRML语言的使用规律，并创建出矿用多级泵三维实体模型，以及其主要部件的三维实体模型，并通过编写程序实现模拟矿用多级泵的拆装过程，制作矿用多级泵拆装动画。最终完成后，制作出一个三维的、交互式、可视化的矿用多级泵拆装。并对泵房的布置的结构进行分析，制作出一个三维的泵房，展示了一个真实的泵房结构。
关键词：矿用多级泵；VRML；虚拟现实；泵房结构
Abstract：
This paper is designed for mine multistage pumps water seal structure design and structure analysis, the use of VRML language construct visibility for multistage pumps model is a large original research project. The modeling process is for mine multistage pumps is the digital simulation for mine multistage pumps and, and, and, and the work principle and design manufacturing process fully understand. Through the graduation design master VRML language use law, and create mine multistage pumps three-dimensional entity model, and the main components of the three-dimensional entity model, and through the program for simulating the multistage pumps, tear open outfit process, make mine multistage pumps disassembling animation. After the completion of the final, produce a three dimensional, interactive and visualization of mine multistage pumps, tear open outfit. And the structure of the pumping station on the analysis, produce a three dimensional pumping station the paper discusses packing seal. Show a real pumping station structure.
KeyWords：Mine multistage pumps; VRML; Virtual reality; The pumping station structure analysis1 绪论
1.1 离心泵概述
1.1.1 离心泵工作原理
在启动泵前，泵体及吸入管路内充满液体。当叶轮高速旋转时，叶轮带动叶片间的液体一起旋转，由于离心力的作用，液体从叶轮中心被甩向叶轮外缘，动能也随之增加。当液体进入泵壳后，液体以较高的压强沿排出口流出。与此同时，叶轮中心处由于液体被甩出而形成一定的真空，而液面处的压强比叶轮中心处要高，因此，吸入管路的液体在压差作用下进入泵内。叶轮不停旋转，液体也连续不断的被吸入和压出。离心泵之所以能够输送液体，主要靠离心力的作用，故称为离心泵。
1.1.2 离心泵的分类
离心泵有根据不同结构和方式有多种分类：
一、按工作叶轮数目来分类
1、单级泵：即在泵轴上只有一个叶轮。
2、多级泵.：即在泵轴上有两个或两个以上的叶轮，这时泵的总扬程为n个叶轮产生的扬程之和。
二、按工作压力来分类
1、低压泵：压力低于100米水柱；
2、中压泵：压力在100~650米水柱之间；
3、高压泵：压力高于650米水柱。
三、按叶轮进水方式来分类
1、单侧进水式泵：又叫单吸泵，即叶轮上只有一个进水口；
2、双侧进水式泵：又叫双吸泵，即叶轮两侧都有一个进水口。它的流量比单吸式泵大一倍，可以近似看作是二个单吸泵叶轮背靠背地放在了一起。
四、按泵壳结合缝形式来分类
1、水平中开式泵：即在通过轴心线的水平面上开有结合缝。
2、垂直结合面泵：即结合面与轴心线相垂直。
五、按泵轴位置来分类
1、卧式泵：泵轴位于水平位置。
2、立式泵：泵轴位于垂直位置。
六、按叶轮出来的水引向压出室的方式分类
1、蜗壳泵：水从叶轮出来后，直接进入具有螺旋线形状的泵壳。
2、导叶泵：水从叶轮出来后，进入它外面设置的导叶，之后进入下一级或流入出口管。
平时我们说某台水泵属于多级泵，是指叶轮多少来讲的。根据其它结构特征，它又有可能是卧式泵、垂直结合面泵、导叶式泵、高压泵、单面进水式泵等。所以依据不同，叫法就不一样。另外，根据用途也可进行分类，如油泵、水泵、凝结水泵、排灰泵、循环水泵等。
1.1.3 离心泵的工作特点
(1)水沿离心泵的流经方向是沿叶轮的轴向吸入，垂直于轴向流出，即进出水流方向互成90°。
(2)由于离心泵靠叶轮进口形成真空吸水，因此在起动前必须相泵内和吸水管内灌注引水，或用真空泵抽气，以排出空气形成真空，而且泵壳和吸水管路必须严格密封，不得漏气，否则形不成真空，也就吸不上水来。
(3)由于叶轮进口不可能形成绝对真空，因此离心泵吸水高度不能超过10米，加上水流经吸水管路带来的沿程损失，实际允许安装高度(水泵轴线距吸入水面的高度)远小于10米。如安装过高，则不吸水；此外，由于山区比平原大气压力低，因此同一台水泵在山区，特别是在高山区安装时，其安装高度应降低，否则也不能吸上水来。
1．2 矿用泵排水的研究背景与重要性
众所周知，矿井有它一定的局限性，那便是地下作业。在矿井建设和生产过程中，矿井排水设备不仅要排除各时期涌入矿井的矿水，而且在遭到突然涌水的袭击有可能淹没矿井的情况下，还要抢险排水。因此，排水设备是煤矿建设和生产中不可缺少的，它对保证矿井正常生产起着非常重要的作用。
矿用排水泵多用离心式多级泵，主要有以下优点：流量、扬程的范围大，并且流量和压力都很平稳，没有波动；效率较高；转数较高，可以与电动机直接相连；操作方便可靠，故障少，维修容易，易于实现自动化；于同一指标的往复泵相比，离心泵结构紧凑，体积小，重量轻，零部件少，制造方便，造价低，占地面积小。
设计出不同类型和不同结构尺寸的泵以及合理的布置泵站房，才能更好的使矿井的涌水及时、安全、经济地排出，因此设计工作也较繁重，在设计过程中，对设计结果的有效模拟和检验是提高设计工作效率的重要途径。本次设计主要真对矿用D型泵进行了结构分析。
1.3 虚拟现实造型语言（Virtual Reality Modeling Language）
VRML 是虚拟现实造型语言（Virtual Reality Modeling Language）的简称，本质上是一种面向WEB，面向对象的三维造型语言，而且它是一种解释性语言。虚拟现实技术是许多相关学科领域交叉、集成的产物。人们通过计算机运用虚拟现实技术对复杂数据进行可视化操作与交互，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。虚拟现实技术是一种能对现实场景实现有效模拟的技术，它是高度发展的计算机技术在各领域的广泛应用过程中的结晶，它不仅仅包括所说的图形学、图像处理、模式识别、网络技术、并行处理技术、人工智能等高性能等计算机技术，还涉及了数学、物理等学科领域，甚至与气象学、美学、地理、生物、心理学及社会学科等相关。此技术也不仅为采煤机的设计起到很好的辅助作用，也是为现有产品的展示和宣传的提供了很大的方便。
VRML 的应用领域相当广泛，大致有以下几个领域：娱乐、教台、训练、医学、设计、商业、简报、军事、太空、艺术、监控、科学视觉化、听觉评估、刑事调查和网络应用等。
国内最早开展此项技术试验的是西安虚拟现实工程技术研究中心。北京航空航天大学计算机系也是国内最早研究VR 的单位之一，它在VR 视觉接口方面获得了一部分研究成果；北京大学设计了基于PC 机的VR 系统；清华大学国家光盘工程研究中心所作的“布达拉宫”，采用了QuickTime 技术，实现大全景VR 制作；浙江大学CAD&CG 国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统；哈尔滨工业大学算机系已经成功地合成了人的高级行为中的特定人脸图像，解决了表情的合成和唇动合成技术问题，并正在研究人说话时手势和头势的动作、语音和语调的同步等。近些年来，随着计算机和网络技术的发展，这些新兴技术冲击着传统工业，并且带动其技术的革新。VRML 在机械设计和装配方面有着重要的意义，基于VRML 机械行业出现虚拟设计和虚拟装配技术，大大提高了产品的质量和缩短了产品设计周期，带来了巨大的经济效益，所以研究VRML 有着及其重要的意义。VRML 还可以建造虚拟实室，建造虚拟机械，有利于学生对知识的理解和掌握。因此，虚拟现实技术为泵的结构分析设计起到很好的仿真作用。
1.4 本次设计的目的和主要任务
本次设计采用了UG三维建模，通过虚拟现实技术仿真，对矿用多级泵进行建模、组装、虚拟场景、动作仿真、实时控制，从而达到对多级泵设计结构的进一步检验，以及对泵房的三维建模，进行动作仿真，展示一个真实的泵房效果。VRML语言是基于网络的描述性语言，由于其本身的语言特点，几乎可以描述任何现实或非现实的场景效果，但其对机械机构的精确运动仿真有不足之处，没有严格意义上的干涉检验，只能人为设定变化效果。在此对多级泵的仿真和演示是在不出现明显视觉差的情况下尽量精确控制，对其主要部件的形状和位置误差尽可能缩小，从而制作出在虚拟现实中比较完美的数字多级泵。

2 多级泵的测绘与结构分析
2.1 多级泵的测绘
测绘就是对现有的机器或部件进行实物测量，并绘出装配图和零件图的过程。测绘对机械零件几何尺寸的测量的基本内容有：长度测量、角度测量、表面粗糙度测量、形位误差测量、螺纹测量和齿轮测量，测绘是确定被测对象的量值的实验过程。一个完整的测绘过程应包括四个要素：测绘对象和被测量、测量单位和标准量、测绘方法、测量精度。
2.1.1 几个测绘基本概念
1. 测绘对象和被测量
机械零件几何精度测量对象多种多样，不同的测量对象有不同的被测量。如孔和轴主要测量直径，被测量有长、宽、高及孔间距等。
2．测量单位和标准量
几何测量中常用的长度单位有米（m）、毫米（mm）、微米（μm），常用毫米（mm），角度单位有度、分、秒。
3.测绘方法
测量认识水平是指完成测量任务所用的方式、量具或量仪，及测量条件的总和。当无现成量具或量仪时，需自行拟定测量方法，这就要根据被测对象和被测量的特点（形体大小、精度要求等）确定标准量，拟定测量方案，工件定位，读数和瞄准方式及测量条件（如温度和环境要求）。
4.测量精度
由于在测绘过程中不可避免地存在或大或小的测量误差，使测量结果的可能性受到一定影响，测量误差越大测量结果精度越低，测量误差越小测量结果精度越高，所以没有测量精度的测量结果是没有意义的。
2.1.2 测绘的目的
在生产实践中，为了推广和学习先进技术、仿制和改造现有设备，也常要进行装配体测绘。
1.复习和巩固已学知识，并在测绘中得到综合应用。
2.进—步培养分析问题和解次问题的能力，继续提高绘图的技能和技巧。
3.掌握测绘的基本方法和步骤，学习初步的整机测绘能力。
4.为毕业设计的后续部件奠定基础
2.1.3 测绘的任务
1．对D型泵进行拆装与测绘，了解其内部结构和各部件作用
2. D型多级泵装配体绘制
3. 绘制装配图和零件图
2.2 多级泵的简介
2.2.1 多级泵的分类
多级泵是指装有两个或两个以上叶轮的泵。因这种泵的叶轮数多，为提高抗空化性能，他的首级叶轮经常与后面的各次级叶轮不同，故其结构比单级泵复杂。通常按采用的泵可形式将常见的多级泵分为蜗壳式多级泵、节段式多级泵和双壳泵等。
2.2.2 D型多级泵
节段式多级泵（如图2-1所示）采用径向剖分结构，在所需要的级数叶轮、中段（导叶）的两端装入吸入段和排出段，然后用穿杠把紧连接紧固起来，是应用最为广泛的多级泵结构。其主要特点是各中段（及导叶）的形状尺寸皆相同，可以按需要的扬程增减泵的级数，结构紧凑，有利于提高标准化、通用化程度，但其检修拆装不如中开式泵方便。这种泵的单吸式叶轮只能按一个方向依次布置，其轴向力多用平衡盘平衡，两端多采用双支承结构，压水室一般都是导叶式的。D型多级离心泵结构型式为卧式安装，除D16-60型泵的吸入口方向垂直向上外，其余泵的吸入口方向为水平，所有D型泵的吐出口方向垂直向上。除D85-67，D155-67型泵采用滑动轴承、稀油润滑外，其余采用滚动轴承、油脂润滑。旋转方向为从电机端向泵看为顺时针方向旋转。其主要零件材质：泵的过流部件材质均为铸铁，轴的材质为45号钢。
D型多级离心泵参数范围：流量Q 10~500m3/s，扬程H 33~850m
D型泵在型号表示方法上有三种，现分述如下：
1）D280-43/84×5
“D”－表示单级、多吸、节段式离心清水泵；
“280”－表示泵的流量（m3/h）；
“43”－表示泵的单级扬程（m）；
“84”－表示年号；
“5”－表示级数。
2）D80-30×5
“D”－表示单级、多吸、节段式离心清水泵 ；
“80”－表示泵的吸入口直径（mm）；
“30”－表示泵的单级扬程（m）；
“5”－表示级数。 这种方法表示的泵只有D80－30。
3）150D30×5
“150”－表示泵的吸入口直径（mm）；
“D”－表示单级、多吸、节段式离心清水泵；
“30”－表示泵的单级扬程（m）；
“5”－表示级数。

图2-1节段式多级泵
2.3 D型泵的结构分析
D型泵是单吸、多级、分段式离心泵。它可输送水温低于80℃的清水或物理性能类似与水的液体。目前矿用主排水泵多采用D型泵。D型泵经多年的发展已形成系列，其结构形式基本相同，只是尺寸大小不同。如图2-2所示为型水泵的结构图，主要有转动部分、固定部分、轴承部分和密封部分组成。

图2-2D型泵的结构
1-联轴器；2-泵轴；3-端盖螺栓；4-轴承端盖；5-轴承；6-端盖螺母；7-轴承座；8-填料压盖；9-填料；10-水封环；11-进水段；12-放气栓；13-大口环；14-叶轮；15-小口环；16-导叶；17-中段；18-放水口；19-出水段；20-平衡环；21-平衡盘；22-尾盖；23-漏水孔；24、25-轴套；26-轴端套筒
2.3.1 转动部分
转动部分是水泵的工作部件，主要由泵轴及装在泵轴上的数个叶轮和一个用以平衡轴向推力的平衡盘组成。
1、 叶轮。
叶轮是离心式水泵的主要部件，其作用是将电动机输入的机械能传递给水，是水的压力能和动能得到提高。它的尺寸、形状和制造精度对水泵的性能影响很大。其形状取决于比转数。
叶轮由前轮盘、后轮盘、叶片和轮毂组成，通常铸造成一个整体。叶片绝大多数为后弯叶片，数目一般为5~12片。D型水泵的叶片数为7片，数目太多会增加水在叶轮中的摩擦阻力；太少，又容易产生涡流。
D型水泵第一级叶轮的入口直径大于其余各级叶轮的入口直径，这样就可以减少水进入首级叶轮的速度，提高水泵的抗气蚀性能；同时，D型水泵叶轮叶片的入口边缘呈扭曲状，以保证全部叶片入口断面都适应入口水流，从而减少水流对入口的冲击损失，这是这种水泵初始扬程较高和效率曲线平坦的原因之一。
D型泵的叶轮剖视如图2-3所示。

图2-2 D型水泵叶轮剖视图
1-前轮盘；2-后轮盘；3-叶片；4-轮毂
2、泵轴。泵轴常用45号钢锻造加工而成。其主要作用是传递扭矩和支撑套装在它上面的其它转动部件。为了防止泵轴锈蚀，泵轴与水接触的部分装有轴套，轴套锈蚀和磨损后能够更换，这样可以延长泵轴寿命。
3、平衡盘。平衡盘的作用是平衡水泵的轴向推力。图2-4是D型水泵平衡的剖视图。

图2-4 平衡盘的剖视图
1-盘面；2-键槽；3-轴孔；4-拆卸用螺丝孔
2.3.2 固定部分
固定部分主要包括进水段（前段）、出水段（后段）和中间段等部件，并用拉紧螺栓（穿杠）将它们连接在一起。吸水口位于进水段，为水平方向，出水口位于出水段，为垂直方向。
在单吸多级离心式水泵中，水由进水段的吸入室均匀地进入叶轮，经由叶轮甩出后，水流具有相当大的动压。为了提高克服管路阻力的能力，必须将此项动压尽可能地转变为静压。D型泵动压的转变是由导水圈和反水圈所组成的中段（图2-5）与位于出水段（图2-6）中的环形压出室共同实现的。反水圈的作用是以最小的损失把水引入次级叶轮的入口。

图2-5 D型水泵中段图
1-中段；2-导水圈叶片；3-反水圈叶片
导水圈的叶片数应比叶轮的叶片数多一片或少一片，使其互为质数，否则会出现叶轮叶片与导水圈叶片重叠的现象，造成流速脉动，产生冲击和振动。
导水圈中流道的形状是按泵处于额定工况设计的。当水泵在额定工矿工作时，叶轮出口处水的绝对速度方向与导叶流道的形状相吻合，使水从叶轮中无撞击地进入导水圈。当不在额定工矿工作时，叶轮出口处水的绝对速度方向发生了变化，但是导水圈中流道的形状却不变，因而产生冲击，加大水力损失，式水泵的效率下降。
出水段的作用是以最小损失，将导水圈中流出的水汇集起来并均匀地引至出水口；同时，在此过程中，将一部分动压变为静压。D型泵出水段流道成螺壳形，它可以将从导水圈中散流出来的水，先后均匀地导入总流，并缓慢减速至出口。因而这种螺壳形的出水段流道较非螺壳形的出水段流道冲击损失小，效率高。出水段示意图如图2-6所示。

图2-6 D型泵出水段示意图
离心式水泵的进水段、中间段、叶轮和出水段总称为水泵的过流部件。过流部件的形状和材质的好坏是影响水泵性能和寿命的主要因素。
2.3.3 轴承部分
水泵转子部分支承在泵轴两端的轴承上，D型水泵采用单列向心滚柱轴承，用黄油润滑。为了防止水进入轴承，支撑轴承和泵体分开在泵的两端，泵轴两侧采用O型耐油橡胶密封圈和挡水圈。这种轴承允许少量的位移，有利于平衡装置改变间隙，以平衡轴向推力，同时，由于采用了滚动轴承，减少了静阻力矩和机械摩擦损失。
2.3.4 水泵的密封
水泵各段之间的静止结合面采用纸垫密封，转动部分与固定部分之间的间隙是靠密封环及填料来密封的。
1.密封环
密封环又称口环。叶轮的吸水口和水泵固定部分之间，叶轮尾端轮毂和中段导叶内孔之间有环形间隙。高压区的水经过这些缝隙进入低压区并形成循环流，从而使叶轮实际排入次级的流量减少，并多消耗部分能量。为了减少缝隙的泄漏量，应在保证转子正常转动的前提下，尽可能减小缝隙。为此，在每个叶轮前后的环形缝隙处，安装了磨损后便于更换的密封环。如图2-7所示。
D型水泵的密封环为圆柱形，用螺栓固定在泵壳上，它承受着同转子的摩擦，故密封环是水泵的易损零件之一。当密封环被磨损到一定程度后，水在泵腔内发生大量的窜流，使水泵的排水量和效率显着下降，应及时更换。

图2-7 D型水泵的密封环
1-大口环；2-叶轮；3-小口环
2.填料装置
在水泵轴穿过泵壳的地方设有添料装置（又称填料箱或填料函），以实现泵轴的密封。在泵轴穿过进水段处，外侧是大气压，内侧是首级叶轮入口的低压，如不进行密封，则外部大气将窜入泵内从而影响水泵的正常吸水；在泵轴穿过出水段处，如不进行密封，高压水将沿泵轴间隙向外泄露，式水泵的流量减少。可见，吸水侧填料装置的作用是防止空气进入泵内，排水侧填料装置的作用是防止高压水向外泄露。
D型水泵吸水侧填料装置如图2-8所示。它有填料箱、填料、水封环及压盖等组成。水封环装在进水侧填料箱的中部，其四周钻有若干小孔。有水泵中段引来的压力水，通过小孔进入环内浸湿填料而形成水封，增强填料装置的密封作用，同时还能起到一定的润滑和冷却作用。

图2-8 D型水泵吸水侧填料装置
1-填料压盖；2-进水段；3-轴套；4-水封环；5-填料
D型水泵一般用油浸石棉绳作填料。将填料完成圆形后一圈一圈填入填料箱内。
填料压盖是用来压紧填料的，它穿在两条双头螺栓上，把螺母拧进宁出，便可调节填料松紧。为防止填料发热和增大摩擦阻力，填料压盖不可拧的太紧，一般以滴水不成串为宜。
2.3.5 D型泵的特点及性能
1. D型水泵的流量和扬程范围较大，适合于矿山排水，并有清水泵、耐磨泵和耐酸泵；
2. 排水效率高，是我国设计制造的多级离心式水泵中，效率最高的一种泵；
3. 采用单列向心滚柱轴承，减少了水泵的静阻力矩，提高了机械效率；同时，此轴承还可以满足运转时泵轴的轴向窜动；
4. 通向吸水侧填料箱的水封管在进水段内部，不落露在外；
5. 扬程特性曲线较平缓，没有上凸部分，且初始扬程较高，有利于水泵的稳定运行；零流量时功率低，有利于电动机启动；效率曲线平坦，因而扩大了它的工业利用区。
2.4 D型泵主要参数和结构方案的确定
2.4.1 设计的数据和要求
1.流量
2.扬程
3.转速
4.介质的性质、密度、温度、含杂质情况、腐蚀性等，作为泵材料选择和性能换算的依据。
5.对特性曲线的特殊要求。
2.4.2 泵的总体设计
1. 进口直径
泵进口直径也叫吸入口直径。泵的进口流速一般为1～3m/s。从制造经济性考虑，大型泵的流速取大些，以减小泵的体积，提高过流能力。从提高抗空化性能考虑，赢取较大的进口直径，以减小流速，推荐的泵吸入口直径、流量和流速的关系见表2-1。
表2-1 泵吸入口径和流速、流量的关系
吸入口直径
40
50
65
80
100
150
200
250
300
400
多
级
泵

1.375
1.77
2.1
2.2
2.3
2.44
2.48
2,54
2.84
3.42

6.25
12.5
25
46
85
155
280
450
720
1500

选定吸入流速=2.2m/s，按下式确定进口直径
（2-1）
式中 ——吸入口径()
——流量()
——吸入管内的流速()
根据法兰连接取标准入口。
2.出口直径
泵出口直径也叫泵排出口直径，是指泵排出法兰处管的内径。一般来说，低扬程泵，吸入口径和出口直径是相等的；对于高扬程泵，为减小泵的体积和排水管路直径，可取排出口径小于吸入口径，一般由以下经验公式计算：
（2-2）
式中 ——吐出口径()
此泵属于低扬程泵，故取出口直径和入口直径相等。
根据进出口径、流量、扬程、转速、查阅相关泵的选型手册初选型号为80D30×5，该型号泵的功率为66%，流量为43。
对于泵功率、长管路输送流体的情况，装置扬程以管路损失为主，增大管路直径可降低流速，减小管路损失，从而降低泵的扬程，减小泵的功率，节约能源，降低运行成本，但增大管路直径使一次性投资增加。因此可进行成本优化以确定管路直径，获得最佳经济效益。
3. 泵进出口流速
泵的进出口直径初步确定之后按照标准管路直径系列进行圆整，最后确定进出口管路内的流速为
（2-3）
（2-4）
4. 比转速
所谓比转速，就是相似的模型泵，是指功率为一马力时，能使水泵单级叶轮产生的流量为75kg/s和扬程为1m时所需的转速，比转速是讨论叶轮的相似性、确定泵的特性及形式时所采用的准则。它是从相似理论中引出的一个综合性参数，说明了相似泵的转速n,单级扬程h和流量Q之间的关系。
转速和比转速有关，而比转速和泵的效率、级数有关，所以转速和比转速应结合起来确定，泵的比转速为
（2-5）
式中 ——泵的总扬程
——转速
——级数
5. 泵的轴功率和原动机功率
从前面可知泵的总效率、泵流量和扬程，泵的轴功率为
（2-6）
式中 ——液体密度
g——重力加速度
——泵的总效率
原动机功率为
（2-7）
式中 ——原动机与泵之间传动装置的效率，水泵一般原动机轴与泵轴直接连接，其值为1。
——原动机的容量系数（见表2-2），原动机为电动机，取值为1.2。

表2-2 原动机容量系数
原动机类型

电动机

汽油机

柴油机

7. 泵轴直径
泵轴直径应该按其承受的外载荷（拉、压、弯、扭）、刚度和临界转速条件确定。因为转矩是泵轴最主要的载荷，所以在开始设计时，可按转矩确定泵轴的最小直径。一般联轴器处的轴段只受转矩，所以按纯扭强度条件计算的轴径可作为联轴器处轴段的最小直径。考虑键槽对轴强度的影响，如果是两个键槽，轴径应增大，再适当圆整，最后确定联轴器处的最小直径。
(2-8)
式中 ——转矩
按纯扭强度计算的泵轴直径（单位为）为
（2-9）
式中 ——泵轴直径
——材料的许用切应力，值见表2-3
由于受键槽的影响，轴径要增大，按照标准直径圆整后的泵轴直径为。
材料的值的大小决定轴直径的大小，轴直径小可以节省材料，提高叶轮水利和空化性能；轴直径增大可增强轴的刚度，提高运行的可靠性。

表2-3 轴常用几种材料的值
轴的材料
、
、

、、、

3 VRML语言介绍
3.1 VRML发展状况
3.1.1 VRML概述
VRML是虚拟现实构造语言的缩写，是一种面向对象的网络三维语言。是一种基于文本的通用语言，是一种在网络上使用的描述三维环境的场景描述语言，是HTML的3D(三维)模拟，利用它可以在互联网上创建交互式三维多媒体虚拟世界。VRML与其它实现三维场景的技术手段（如OpenGL,Cult3D,3DSMAX,Viewpoint）相比，具有语法简单、三维建模功能强大、便于网上发布等优点。它定义了3D应用中大多数常见概念，如光源、视点、动画、雾化、材质属性、纹理映射等。VRML语言的诞生，尤其是新的VRML2.0标准，被称为第二代Web语言，它改变了原来WWW上单调、平面的缺点，将人的行动作为浏览的主体，所有的表现都将随操作者行为而改变。如图3-1所示。

图3-1 第二代Web
但由于VRML本身仅仅是一种标准,不可能满足各行各业的所有需要。所以，高级交互功能的实现必须借助于Java等功能强大的高级语言。这样，可以有效地弥补VRML本身的一些不足（例如逻辑判断、文件操作、键盘输入、精确控制场景等），进而完善与其它媒体的交互,也可实现复杂的虚拟环境系统。但由于的VRML是基于网络开发的，其在网络上的发布显得游刃有余了，只在其支持的能力范围内，可以把网页做得很丰富、很精彩。下图便是在安装了VRML插件的网页浏览器上打开的虚拟电风扇造型场景，它可以声音和转动节点播放声音和转动动作的效果。如图3-2所示。

图3-2 电风扇虚拟场景
3.1.2 VRML发展
VRML的历史可以上溯到1994年，当时在日内瓦的第一次WWW年会上，一些与会者提出为创建三维网络的界面必须有一种通用的描述性语言，用于在 WWW上超级链接——类似于超文本描述语言(HTML)，于是诞生了虚拟现实描述语言(Virtual Reality Makeup Language)。稍后，改为虚拟现实建模语言 (Virtual Reality Modeling Language)，用于反映图像的本质。现在世界上有一个管理 VRML 的团体 ，简称为 VRML结构组织 (VGA)，VGA为网络的三维功能建立了标准。1995年5月，VRML1.0规范正式出台，但此规范缺少对一些关键特性如动作、交互和行为的支持，为此，急需对它进行修订。1996年8月，在新奥尔良举行的SIGGRAPH’96会议上公布了VRML2.0规范的第一版，经ISO JTCI/ SC2 4同意，这一版被作为14772号委员会草案公布，并且于1997年4月提交审议。该草案又称为VRML 97(遵循ISO把发布年号写入名字的命名约定)。从此之后，许多公司纷纷推出了自己的 VRML浏览器，如 Netscape公司 Live3D，IE内嵌的Microsoft VRML 2.0 Viewer，Apple公司的 Quick Time VR等等。
我国对VR技术的正式研究起步却很晚，大概在20世纪90年代初，发展到现在已初步取得了成果，但与发达国家相比还有很大的差距。其研究概述如下。
国内最早开展此项技术试验的是西安虚拟现实工程技术研究中心；北京航空航天大学计算机系也是国内最早研究VR的单位之一，它在VR视觉接口方面获得了一部分研究成果；北京大学设计了基于PC机的VR系统；清华大学国家光盘工程研究中心所作的“布达拉宫”，采用了QuickTime技术，实现大全景VR制；浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统；哈尔滨工业大学计算机系已经成功地合成了人的高级行为中的特定人脸图像，解决了表情的合成和唇动合成技术问题，并正在研究人说话时手势和头势的动作、语音和语调的同步等；西安交大信息工程研究所对VR中的关键技术—立体显示技术进行了研究；中国科技开发院威海分院研究了视觉接口技术，完成了VR中的体视图及软件接口；北方工业大学CAD中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一，完成了通讯图像显示系统的多媒体平台及相关音频资料库, 并且中国第一部完全用计算机动画技术制作的科教片《相似》就出自该中心；上海大学CIMS中心开发了一套基于IRIX的虚拟科技园区环境实时漫游系统；另外，上海交通大学图像处理模式识别研究所，长沙国防科技大学计算机研究所、华东船舶工业学院计算机系、安徽大学电子工程与住处科学系等单位也进行了一些研究工作和尝试。
3.2 VRML的工作原理与实例运用
3.2.1 VRML的工作原理
VRML的访问方式是基于客户／服务器模式（见图1），其中服务器提供VRML文件（后缀为．wrl）及支持资源客户通过网络下载希望访问的文件，并通过本地平台上的VRML浏览器（Ｂrowse）交互式访问该文件描述的虚拟境界（VirtualWorld），因为浏览器是本地平台提供的，从而实现了和硬件平台的无关性。VRML文件是以扩展名为wrl结尾的一种用来描述几何形体的ASCII文本文件，它不需要任何编译，直接由浏览器解释执行。当用户打开VRML文件时，系统首先装入一个内嵌的VRML浏览器，该浏览器将VRML语言中的信息解释成空间中目标的几何形体描述，如长方体，球体，不规则的其它三维物等等，同时它将提供实时显示，一秒显示多次，这样在用户的计算机上就会有一个活动场景的感觉。
1． 场景图结构
　　VRML 2.0使用场景图(Scene Graph)数据结构来建立3D实境，这是以SGI(Silicon Graphics Inc.)的Open Inventor 3D工具包为基础的一种数据格式，其基本单元被称为节点(Node)，场景图规定了节点之间的等级关系与嵌套关系。VRML2.0总共定义有54个节点，它大致可以分为如下几类 :
·造型节点 用于表示各种基本的几何体和用于任意几何体的线框图和面框图。
·属性节点 用于定义相关对象的颜色、材质、纹理以及摄像机组、灯光组、视点、背景等。
·组节点 用于将节点分组 ，把相关节点组合成为同一个对象。
·感应节点 用于感知用户的输入或动作 ，以触发相应的动作。
·其它节点 包括移动和旋转动作 ，脚本(Script)节点、超链接节点等。
VRML2.0使用符合右手规则的三维坐标系统，原点在屏幕中心，它也是使用这一坐标系统的各种几何体的中心。所以，当根据构图要求，某个几何体的中心不在屏幕中心时(事实上，几何体的中心落在屏幕中心的情形是很少见的)，就需要移动坐标系统，即使用Transform节点，在该节点内定义的几何体都使用该节点中所定义的平移后的坐标系统。可以想见，在构造一个较为复杂的场景时，这种坐标平移将是相当频繁的。
2. 事件驱动机制和传感器
　　由面向对象编程技术可以知道，对象之间的相互作用是通过一个对象向另一个对象发出某个操作消息(message)而实现的，VRML也是这样。它在两个要传递消息的节点之间创造(或称为绑定)一个路由(或称为路径)。于是，第一个节点就可以通过路由传递消息给第二个节点。这样的消息称为事件(event)，它包含的是一个值，即节点内需要传递的某个域值。当一个节点接受到某个事件时，它将根据新得到的域值，去进行一次数据更新，从而可能引发某个动作。通过绑定多个节点，就可以创建出复杂的线路 ，从而使创造出的世界充满动感和交互性。
　　传感器(Sensor，或称检测器)是VRML中提供交互能力和动态行为的基元。一个具有动态能力的节点需包含传感器。VRML共提供7种传感器节点，即Cylinder Sensor、Plane Sensor、Time Sensor、Touch Sensor、 Visibility Sensor、Proximity Sensor。它们提供了用户与虚拟世界中的物体进行交互的机制:根据时钟或者用户的动作，它们可以产生一个相应的事件，这事件沿着事先设定好的路由传递下去，从而使得虚拟世界对用户做出反应 ，实现交互。右图便是一个简单的拖曳路由：平面传感器Plane Sensor起动即被激活后，鼠标的移动变化量（translation_changed）就传递给球体实物造型ball,这样球体便可以跟随鼠标的移动而移动，也就实现了对球体的拖曳功能。路由指向（路径）如图3-3所示，路由代码是：
ROUTE drag.translation_changed TO ball.set_translation

图3-3 拖曳路径图
3. 动画的实现和插补器
　　VRML的动画比普通动画更吸引人，因为当用户在一个虚拟世界中漫游时，他可以从各种角度来观察动画，而要完成一个复杂的从所有视点来看都成功的动画是很困难