真空滅弧室作為真空開關的核心部件，對真空開關開斷性能有著重要影響。真空滅弧室具有結構相似，尺寸大小不統(tǒng)一特點，開發(fā)其參數(shù)化設計系統(tǒng)，特別是實現(xiàn)真空滅弧室關鍵部件———電極觸頭參數(shù)化系統(tǒng)設計，對提高設計效率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，減輕勞動強度有著重要意義。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，對真空開關電極觸頭的進行參數(shù)化分析，并設計了其參數(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觸頭建模的速度，提高零部件設計的效率與質量。

　　真空開關是以真空作為絕緣和滅弧介質的開關設備。真空開關具有開斷容量大、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)得到了廣泛的應用。真空滅弧室作為真空開關的核心部件，對真空開關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領域重要課題。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斷性能。因此，真空滅弧室廠家在真空滅弧室觸頭電極設計上投入大量的人力物力進行研究、設計及制作。在設計過程中，設計人員往往對每一個型號的觸頭進行重新建模，必將耗時耗力，大幅度降低了設計效率，提高了勞動成本。

　　隨著計算機技術和模型參數(shù)化技術的發(fā)展，對零部件進行參數(shù)化設計，使只需設計人員根據(jù)用戶的具體要求輸入一些相關參數(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) 技術來實現(xiàn)真空開關觸頭的參數(shù)化設計，從而實現(xiàn)快速、精確進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，用戶只需設置對象屬性和方法調(diào)用，建立自己的應用系統(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，以求能夠簡單有效的實現(xiàn)零件的建模。因此編程會相對復雜，但可實現(xiàn)復雜形體的零件建模。

　　②參數(shù)化系統(tǒng)建模法，即通過人機交互形式建模。該方法無需重復建模，只需通過界面選定設計變量，再利用VB 程序驅動設計變量，便可在已建立零件模型的基礎上，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，適用于結構相同、而尺寸不同的零件參數(shù)化設計。

　　真空開關觸頭具有結構相似，尺寸大小不同特點，適合參數(shù)化系統(tǒng)建模法。基于此，本文將采用參數(shù)化系統(tǒng)建模法實現(xiàn)其參數(shù)化設計，從而實現(xiàn)該系列觸頭的快速精準建模設計。

2、真空開關觸頭關鍵參數(shù)分析

　　觸頭是組成真空滅弧室的關鍵部件，其電極結構的選擇和設計直接影響到真空滅弧室的性能，如開斷能力、耐電壓強度、關合能力和長期導通電流能力等。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決定性的作用。

　　2.1、觸頭結構選擇

　　電極結構主要有圓盤形觸頭結構、螺旋槽橫磁吹觸頭結構、單極縱向磁場線圈結構和多極縱向磁場線圈結構、杯狀觸頭電極等。目前在國際上多采用杯狀和縱向磁場的觸頭。該觸頭具有結構簡單，電腐蝕率小、分斷能力大和使用壽命長等優(yōu)點，因此被廣泛應用于電力系統(tǒng)。其中杯狀觸頭結構，從產(chǎn)生磁場角度來講，可分為杯狀橫磁與杯狀縱磁結構。基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構進行參數(shù)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，在杯壁上開有許多傾斜的槽，形成許多觸指。同時，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，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、真空開關觸頭參數(shù)化設計實現(xiàn)

　　利用參數(shù)化系統(tǒng)建模法，對真空開關觸頭進行參數(shù)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、觸頭片以及支撐盤裝配而成。

圖2 觸頭參數(shù)化設計流程圖

　　觸頭建模的時候，要分別對三個組成部分進行建模。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、標注觸頭驅動尺寸，確定參數(shù)變量

　　在建立完成觸頭各部分結構建模后，需要對各個驅動尺寸進行標注，比如觸頭直徑標為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)化設計系統(tǒng)實例應用

　　將該觸頭參數(shù)化設計系統(tǒng)應用到額定電壓12kV，額定電流6300 A，額定短路開斷電流80 kA 的真空開關的觸頭結構建模上。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構。其次，根據(jù)額定短路開斷電流與觸頭直徑關系的計算公式，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

　　電流之間關系繪制的曲線進行外延，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)生的磁場強度的關系，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)化設計系統(tǒng)所生成的各個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

　　通過分析觸頭各組成部分及其設計變量，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)了觸頭結構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 的真空開關的觸頭模型的重建，結果表明了利用該方法可實現(xiàn)真空開關用觸頭參數(shù)化設計，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)省設計人員在建模和裝配過程中花費的時間和精力，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值和現(xiàn)實意義。