基于SolidWorks真空開(kāi)關(guān)觸頭的參數化設計

　　真空滅弧室作為真空開(kāi)關(guān)的核心部件，對真空開(kāi)關(guān)開(kāi)斷性能有著(zhù)重要影響。真空滅弧室具有結構相似，尺寸大小不統一特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)其參數化設計系統，特別是實(shí)現真空滅弧室關(guān)鍵部件———電極觸頭參數化系統設計，對提高設計效率，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，減輕勞動(dòng)強度有著(zhù)重要意義。本文以三維造型軟件SolidWorks 為開(kāi)發(fā)平臺，以VB( Visual Basic) 為二次開(kāi)發(fā)工具，利用參數化系統建模法，對真空開(kāi)關(guān)電極觸頭的進(jìn)行參數化分析，并設計了其參數化系統。通過(guò)該系統可實(shí)現電極觸頭的自動(dòng)建模與裝配，極大地提高真空開(kāi)關(guān)觸頭建模的速度，提高零部件設計的效率與質(zhì)量。

　　真空開(kāi)關(guān)是以真空作為絕緣和滅弧介質(zhì)的開(kāi)關(guān)設備。真空開(kāi)關(guān)具有開(kāi)斷容量大、可靠性高、體積小、壽命長(cháng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其在電力系統內得到了廣泛的應用。真空滅弧室作為真空開(kāi)關(guān)的核心部件，對真空開(kāi)關(guān)開(kāi)斷性能有著(zhù)重要影響，研究真空滅弧室性能成為真空開(kāi)關(guān)領(lǐng)域重要課題。而電極觸頭是真空滅弧室主要工作零件，其結構和尺寸大小直接決定了真空滅弧室開(kāi)斷性能。因此，真空滅弧室廠(chǎng)家在真空滅弧室觸頭電極設計上投入大量的人力物力進(jìn)行研究、設計及制作。在設計過(guò)程中，設計人員往往對每一個(gè)型號的觸頭進(jìn)行重新建模，必將耗時(shí)耗力，大幅度降低了設計效率，提高了勞動(dòng)成本。

　　隨著(zhù)計算機技術(shù)和模型參數化技術(shù)的發(fā)展，對零部件進(jìn)行參數化設計，使只需設計人員根據用戶(hù)的具體要求輸入一些相關(guān)參數，系統便能實(shí)現快速自動(dòng)生成觸頭模型成為可能�；�于此，本文以真空滅弧室觸頭為研究對象，以SolidWorks 為三維實(shí)體建模軟件平臺，用VB 語(yǔ)言為開(kāi)發(fā)工具，通過(guò)API(Application Program Interface) 技術(shù)來(lái)實(shí)現真空開(kāi)關(guān)觸頭的參數化設計，從而實(shí)現快速、精確進(jìn)行觸頭的三維實(shí)體造型。

1、二次開(kāi)發(fā)方法

　　SolidWorks 提供了大量的OLE ( Object Linking And Embedding ) 對象，用戶(hù)只需設置對象屬性和方法調用，建立自己的應用系統，即可實(shí)現二次開(kāi)發(fā)。目前，SolidWorks 二次開(kāi)發(fā)方法主要有兩種：

　�、俪绦騾�數化建模法，即完全通過(guò)編程實(shí)現三維模型的參數化設計。該方法要求操作者在充分了解零件功能的基礎上，確定合理的建模順序，以求能夠簡(jiǎn)單有效的實(shí)現零件的建模。因此編程會(huì )相對復雜，但可實(shí)現復雜形體的零件建模。

　�、趨�數化系統建模法，即通過(guò)人機交互形式建模。該方法無(wú)需重復建模，只需通過(guò)界面選定設計變量，再利用VB 程序驅動(dòng)設計變量，便可在已建立零件模型的基礎上，通過(guò)修改零件尺寸參數便可實(shí)現零件模型更新的目的。該方法編程簡(jiǎn)單，通用性好，適用于結構相同、而尺寸不同的零件參數化設計。

　　真空開(kāi)關(guān)觸頭具有結構相似，尺寸大小不同特點(diǎn)，適合參數化系統建模法�；�于此，本文將采用參數化系統建模法實(shí)現其參數化設計，從而實(shí)現該系列觸頭的快速精準建模設計。

2、真空開(kāi)關(guān)觸頭關(guān)鍵參數分析

　　觸頭是組成真空滅弧室的關(guān)鍵部件，其電極結構的選擇和設計直接影響到真空滅弧室的性能，如開(kāi)斷能力、耐電壓強度、關(guān)合能力和長(cháng)期導通電流能力等。因此，觸頭材料選用、電極結構的選擇和設計對真空滅弧室的性能起著(zhù)決定性的作用。

　　2.1、觸頭結構選擇

　　電極結構主要有圓盤(pán)形觸頭結構、螺旋槽橫磁吹觸頭結構、單極縱向磁場(chǎng)線(xiàn)圈結構和多極縱向磁場(chǎng)線(xiàn)圈結構、杯狀觸頭電極等。目前在國際上多采用杯狀和縱向磁場(chǎng)的觸頭。該觸頭具有結構簡(jiǎn)單，電腐蝕率小、分斷能力大和使用壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應用于電力系統。其中杯狀觸頭結構，從產(chǎn)生磁場(chǎng)角度來(lái)講，可分為杯狀橫磁與杯狀縱磁結構�；�于縱向磁場(chǎng)觸頭在開(kāi)斷能力和穩定性以及抗電蝕等方面所具有的優(yōu)勢，本文將針對杯狀縱磁觸頭結構進(jìn)行參數化設計，其觸頭結構如圖1 所示。

圖1 觸頭結構

　　2.2、杯狀觸頭結構及材料

　　杯狀觸頭電極分為杯座和觸頭兩部分，在杯壁上開(kāi)有許多傾斜的槽，形成許多觸指。同時(shí)，為了保證觸頭結構的機械強度，需要在杯子里增加一支撐盤(pán)，以免杯子變形。其中，杯座材料選用無(wú)氧銅，支撐盤(pán)材料選用不銹鋼材料。

　　常用的真空開(kāi)關(guān)觸頭材料有鎢基( 鉬基) ，銅鉍，銅鉻系，銅-鐵等幾種。目前在中、高壓真空滅弧室中，以CuCr 觸頭材料為主，采用CuCr 合金的配比，一般在CuCr25 ～ CuCr50 范圍左右[16 - 17]。為了增加觸頭材料的耐用性、抗腐蝕性等，可以在CuCr合金系中添加新組元。

3、真空開(kāi)關(guān)觸頭參數化設計實(shí)現

　　利用參數化系統建模法，對真空開(kāi)關(guān)觸頭進(jìn)行參數化設計的流程圖如圖2 所示。

　　3.1、分析觸頭結構特征，建立觸頭三維模型

　　杯狀觸頭由杯座、觸頭片以及支撐盤(pán)裝配而成。

圖2 觸頭參數化設計流程圖

　　觸頭建模的時(shí)候，要分別對三個(gè)組成部分進(jìn)行建模。同時(shí)建立觸頭各部分特征的時(shí)候，要確定建立各個(gè)特征的順序，弄清每個(gè)特征怎樣利用SolidWorks 的特征方法來(lái)建立，以保證所建立的特征盡可能的簡(jiǎn)單，使參數尺寸盡可能的少，便于自動(dòng)建模。

　　3.2、標注觸頭驅動(dòng)尺寸，確定參數變量

　　在建立完成觸頭各部分結構建模后，需要對各個(gè)驅動(dòng)尺寸進(jìn)行標注，比如觸頭直徑標為d，觸頭片厚度h，斜槽數目m、斜槽寬度a，以及圓弧過(guò)渡半徑r，便于程序編寫(xiě)。

　　3.3、建立用戶(hù)界面，讀取特征參數

　　用戶(hù)界面的設計要遵循界面友好的原則。即:使用方便，界面易讀，有靈活的提示信息等。建立的用戶(hù)界面如圖3 所示。針對用戶(hù)來(lái)說(shuō)，只需根據界面提示輸入或選擇各個(gè)設定好的變量，點(diǎn)擊按鈕“零件更新”即可實(shí)現觸頭的自動(dòng)建模。

圖3 觸頭建模用戶(hù)界面

4、觸頭參數化設計系統實(shí)例應用

　　將該觸頭參數化設計系統應用到額定電壓12kV，額定電流6300 A，額定短路開(kāi)斷電流80 kA 的真空開(kāi)關(guān)的觸頭結構建模上。首先經(jīng)過(guò)分析，考慮到額定電流6300 A 及要使真空滅弧室能夠開(kāi)斷80 kA額定短路開(kāi)斷電流，則必須選用杯狀縱磁場(chǎng)觸頭結構。其次，根據額定短路開(kāi)斷電流與觸頭直徑關(guān)系的計算公式，以及將現有的12 kV 不同額定短路開(kāi)斷電流的真空滅弧室的觸頭直徑和額定短路開(kāi)斷

　　電流之間關(guān)系繪制的曲線(xiàn)進(jìn)行外延，確定觸頭直徑為125 mm，綜合考慮確定觸頭片厚度為7 mm。由于該斷路器的額定短路關(guān)合電流在220 kA 以上，真空滅弧室觸頭間壓力須在104 N 以上，分析計算決定采用內、外直徑分別為50，58 mm 的支撐盤(pán)。根據斜槽數量與開(kāi)斷電流時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強度的關(guān)系，經(jīng)過(guò)分析優(yōu)選杯座均布開(kāi)4 斜槽。另外，觸頭開(kāi)距根據經(jīng)驗選取11 mm，斜槽寬度選取1.8 mm，圓弧過(guò)渡半徑選取4 mm。

　　利用觸頭參數化設計系統，用戶(hù)需要根據界面提示，輸入特征參數: 觸頭開(kāi)距11 mm，觸頭直徑125mm，觸頭片厚度7 mm，斜槽寬度1.8 mm，斜槽數量4，圓弧過(guò)渡半徑4 mm，支撐盤(pán)內徑50 mm，外徑58mm，點(diǎn)擊“零件更新”按鈕，即可實(shí)現觸頭零件的自動(dòng)建模和裝配。最后保存觸頭模型，退出操作界面，即可完成觸頭自動(dòng)建模的全部過(guò)程。利用觸頭參數化設計系統所生成的各個(gè)零件及觸頭結構剖面視圖如圖4 所示。

圖4 觸頭零件及其裝配體剖面視圖

5、結論

　　通過(guò)分析觸頭各組成部分及其設計變量，以SolidWorks 為開(kāi)發(fā)平臺，以VB 為二次開(kāi)發(fā)工具，并利用參數化系統建模法，研究開(kāi)發(fā)了觸頭結構的自動(dòng)建模和裝配系統，以實(shí)現真空滅弧室零部件建模的參數化和自動(dòng)化。該系統成功實(shí)現了額定電壓12kV，額定電流6300 A，額定短路開(kāi)斷電流80 kA 的真空開(kāi)關(guān)的觸頭模型的重建，結果表明了利用該方法可實(shí)現真空開(kāi)關(guān)用觸頭參數化設計，且該方法具有使用方便簡(jiǎn)單，速度快，可靠性高等特點(diǎn)，可大量節省設計人員在建模和裝配過(guò)程中花費的時(shí)間和精力，提高了設計效率，也必將更好地提高真空滅弧室零部件產(chǎn)品的標準化水平，對設計人員具有極大的參考價(jià)值和現實(shí)意義。