真空滅弧室作為真空開關(guān)的核心部件，對真空開關(guān)開斷性能有著重要影響。真空滅弧室具有結(jié)構(gòu)相似，尺寸大小不統(tǒng)一特點，開發(fā)其參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，特別是實現(xiàn)真空滅弧室關(guān)鍵部件———電極觸頭參數(shù)化系統(tǒng)設(shè)計，對提高設(shè)計效率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，減輕勞動強(qiáng)度有著重要意義。本文以三維造型軟件SolidWorks 為開發(fā)平臺，以VB( Visual Basic) 為二次開發(fā)工具，利用參數(shù)化系統(tǒng)建模法，對真空開關(guān)電極觸頭的進(jìn)行參數(shù)化分析，并設(shè)計了其參數(shù)化系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可實現(xiàn)電極觸頭的自動建模與裝配，極大地提高真空開關(guān)觸頭建模的速度，提高零部件設(shè)計的效率與質(zhì)量。

　　真空開關(guān)是以真空作為絕緣和滅弧介質(zhì)的開關(guān)設(shè)備。真空開關(guān)具有開斷容量大、可靠性高、體積小、壽命長等諸多優(yōu)點，使其在電力系統(tǒng)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。真空滅弧室作為真空開關(guān)的核心部件，對真空開關(guān)開斷性能有著重要影響，研究真空滅弧室性能成為真空開關(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(jié)構(gòu)和尺寸大小直接決定了真空滅弧室開斷性能。因此，真空滅弧室廠家在真空滅弧室觸頭電極設(shè)計上投入大量的人力物力進(jìn)行研究、設(shè)計及制作。在設(shè)計過程中，設(shè)計人員往往對每一個型號的觸頭進(jìn)行重新建模，必將耗時耗力，大幅度降低了設(shè)計效率，提高了勞動成本。

　　隨著計算機(jī)技術(shù)和模型參數(shù)化技術(shù)的發(fā)展，對零部件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，使只需設(shè)計人員根據(jù)用戶的具體要求輸入一些相關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)便能實現(xiàn)快速自動生成觸頭模型成為可能。基于此，本文以真空滅弧室觸頭為研究對象，以SolidWorks 為三維實體建模軟件平臺，用VB 語言為開發(fā)工具，通過API(Application Program Interface) 技術(shù)來實現(xiàn)真空開關(guān)觸頭的參數(shù)化設(shè)計，從而實現(xiàn)快速、精確進(jìn)行觸頭的三維實體造型。

1、二次開發(fā)方法

　　SolidWorks 提供了大量的OLE ( Object Linking And Embedding ) 對象，用戶只需設(shè)置對象屬性和方法調(diào)用，建立自己的應(yīng)用系統(tǒng)，即可實現(xiàn)二次開發(fā)。目前，SolidWorks 二次開發(fā)方法主要有兩種：

　　①程序參數(shù)化建模法，即完全通過編程實現(xiàn)三維模型的參數(shù)化設(shè)計。該方法要求操作者在充分了解零件功能的基礎(chǔ)上，確定合理的建模順序，以求能夠簡單有效的實現(xiàn)零件的建模。因此編程會相對復(fù)雜，但可實現(xiàn)復(fù)雜形體的零件建模。

　　②參數(shù)化系統(tǒng)建模法，即通過人機(jī)交互形式建模。該方法無需重復(fù)建模，只需通過界面選定設(shè)計變量，再利用VB 程序驅(qū)動設(shè)計變量，便可在已建立零件模型的基礎(chǔ)上，通過修改零件尺寸參數(shù)便可實現(xiàn)零件模型更新的目的。該方法編程簡單，通用性好，適用于結(jié)構(gòu)相同、而尺寸不同的零件參數(shù)化設(shè)計。

　　真空開關(guān)觸頭具有結(jié)構(gòu)相似，尺寸大小不同特點，適合參數(shù)化系統(tǒng)建模法�；�于此，本文將采用參數(shù)化系統(tǒng)建模法實現(xiàn)其參數(shù)化設(shè)計，從而實現(xiàn)該系列觸頭的快速精準(zhǔn)建模設(shè)計。

2、真空開關(guān)觸頭關(guān)鍵參數(shù)分析

　　觸頭是組成真空滅弧室的關(guān)鍵部件，其電極結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計直接影響到真空滅弧室的性能，如開斷能力、耐電壓強(qiáng)度、關(guān)合能力和長期導(dǎo)通電流能力等。因此，觸頭材料選用、電極結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計對真空滅弧室的性能起著決定性的作用。

　　2.1、觸頭結(jié)構(gòu)選擇

　　電極結(jié)構(gòu)主要有圓盤形觸頭結(jié)構(gòu)、螺旋槽橫磁吹觸頭結(jié)構(gòu)、單極縱向磁場線圈結(jié)構(gòu)和多極縱向磁場線圈結(jié)構(gòu)、杯狀觸頭電極等。目前在國際上多采用杯狀和縱向磁場的觸頭。該觸頭具有結(jié)構(gòu)簡單，電腐蝕率小、分?jǐn)嗄芰Υ蠛褪褂脡勖�長等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)。其中杯狀觸頭結(jié)構(gòu)，從產(chǎn)生磁場角度來講，可分為杯狀橫磁與杯狀縱磁結(jié)構(gòu)�；�于縱向磁場觸頭在開斷能力和穩(wěn)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(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，其觸頭結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 觸頭結(jié)構(gòu)

　　2.2、杯狀觸頭結(jié)構(gòu)及材料

　　杯狀觸頭電極分為杯座和觸頭兩部分，在杯壁上開有許多傾斜的槽，形成許多觸指。同時，為了保證觸頭結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度，需要在杯子里增加一支撐盤，以免杯子變形。其中，杯座材料選用無氧銅，支撐盤材料選用不銹鋼材料。

　　常用的真空開關(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、真空開關(guān)觸頭參數(shù)化設(shè)計實現(xiàn)

　　利用參數(shù)化系統(tǒng)建模法，對真空開關(guān)觸頭進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計的流程圖如圖2 所示。

　　3.1、分析觸頭結(jié)構(gòu)特征，建立觸頭三維模型

　　杯狀觸頭由杯座、觸頭片以及支撐盤裝配而成。

圖2 觸頭參數(shù)化設(shè)計流程圖

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

　　3.2、標(biāo)注觸頭驅(qū)動尺寸，確定參數(shù)變量

　　在建立完成觸頭各部分結(jié)構(gòu)建模后，需要對各個驅(qū)動尺寸進(jìn)行標(biāo)注，比如觸頭直徑標(biāo)為d，觸頭片厚度h，斜槽數(shù)目m、斜槽寬度a，以及圓弧過渡半徑r，便于程序編寫。

　　3.3、建立用戶界面，讀取特征參數(shù)

　　用戶界面的設(shè)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。建立的用戶界面如圖3 所示。針對用戶來說，只需根據(jù)界面提示輸入或選擇各個設(shè)定好的變量，點擊按鈕“零件更新”即可實現(xiàn)觸頭的自動建模。

圖3 觸頭建模用戶界面

4、觸頭參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)實例應(yīng)用

　　將該觸頭參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)用到額定電壓12kV，額定電流6300 A，額定短路開斷電流80 kA 的真空開關(guān)的觸頭結(jié)構(gòu)建模上。首先經(jīng)過分析，考慮到額定電流6300 A 及要使真空滅弧室能夠開斷80 kA額定短路開斷電流，則必須選用杯狀縱磁場觸頭結(jié)構(gòu)。其次，根據(jù)額定短路開斷電流與觸頭直徑關(guān)系的計算公式，以及將現(xiàn)有的12 kV 不同額定短路開斷電流的真空滅弧室的觸頭直徑和額定短路開斷

　　電流之間關(guān)系繪制的曲線進(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(nèi)、外直徑分別為50，58 mm 的支撐盤。根據(jù)斜槽數(shù)量與開斷電流時產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度的關(guān)系，經(jīng)過分析優(yōu)選杯座均布開4 斜槽。另外，觸頭開距根據(jù)經(jīng)驗選取11 mm，斜槽寬度選取1.8 mm，圓弧過渡半徑選取4 mm。

　　利用觸頭參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，用戶需要根據(jù)界面提示，輸入特征參數(shù): 觸頭開距11 mm，觸頭直徑125mm，觸頭片厚度7 mm，斜槽寬度1.8 mm，斜槽數(shù)量4，圓弧過渡半徑4 mm，支撐盤內(nèi)徑50 mm，外徑58mm，點擊“零件更新”按鈕，即可實現(xiàn)觸頭零件的自動建模和裝配。最后保存觸頭模型，退出操作界面，即可完成觸頭自動建模的全部過程。利用觸頭參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)所生成的各個零件及觸頭結(jié)構(gòu)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(jié)論

　　通過分析觸頭各組成部分及其設(shè)計變量，以SolidWorks 為開發(fā)平臺，以VB 為二次開發(fā)工具，并利用參數(shù)化系統(tǒng)建模法，研究開發(fā)了觸頭結(jié)構(gòu)的自動建模和裝配系統(tǒng)，以實現(xiàn)真空滅弧室零部件建模的參數(shù)化和自動化。該系統(tǒng)成功實現(xiàn)了額定電壓12kV，額定電流6300 A，額定短路開斷電流80 kA 的真空開關(guān)的觸頭模型的重建，結(jié)果表明了利用該方法可實現(xiàn)真空開關(guān)用觸頭參數(shù)化設(shè)計，且該方法具有使用方便簡單，速度快，可靠性高等特點，可大量節(jié)省設(shè)計人員在建模和裝配過程中花費(fèi)的時間和精力，提高了設(shè)計效率，也必將更好地提高真空滅弧室零部件產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化水平，對設(shè)計人員具有極大的參考價值和現(xiàn)實意義。