干式變壓器三維布置圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張 丹

0 引言

干式變壓器進(jìn)入我國已經(jīng)有幾十年歷史，隨著對人類環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，干式變壓器在整個(gè)變壓器產(chǎn)品數(shù)量中的份額也越來越大。

現(xiàn)今變壓器行業(yè)競爭激烈，成本控制至關(guān)重要，眾多的變壓器廠商都會(huì)因?yàn)榫€材及硅鋼片的價(jià)格適當(dāng)調(diào)整設(shè)計(jì)，以求達(dá)到最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)。干式變壓器因?yàn)槠涮厥獾闹圃旃に嚕蛊渫盗凶儔浩魍庥^基本相同，只是大小比例有所偏差，因此，給干式變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來大量的重復(fù)性工作，占用設(shè)計(jì)人員大量時(shí)間。

筆者利用Inventor 軟件，將傳統(tǒng)的二維CAD設(shè)計(jì)與三維立體設(shè)計(jì)相結(jié)合，對干式變壓器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維布置圖建模，自上而下的完成設(shè)計(jì)，構(gòu)建一套完整的干式變壓器設(shè)計(jì)體系，提高了10 倍以上的工作效率，而且使得圖紙無錯(cuò)化，節(jié)約了人力成本，極大地縮短了變壓器的制造周期。

1 設(shè)計(jì)思路與流程

傳統(tǒng)的變壓器CAD 設(shè)計(jì)，采用二維CAD 設(shè)計(jì)，二維CAD 入手簡單，可以直觀的自上而下進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后再套用各廠已經(jīng)建立好的通用件，以及標(biāo)準(zhǔn)件庫完成整套設(shè)計(jì)。

筆者利用Inventor 軟件實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方案，可以最大化的簡化設(shè)計(jì)流程，在得到一種新產(chǎn)品后確定產(chǎn)品主體思路及結(jié)構(gòu)，然后衍生出設(shè)計(jì)參數(shù)，再建立以三維原點(diǎn)為基點(diǎn)的傳統(tǒng)二維三視圖，并且與設(shè)計(jì)參數(shù)鏈接；再用二維布置圖生成三維零件并裝配，最后生成傳統(tǒng)的二維工程圖。

如果是成熟產(chǎn)品設(shè)計(jì)，已經(jīng)確定了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)以及有了成熟的三維布置圖，那么在二次設(shè)計(jì)時(shí)只需要輸入設(shè)計(jì)參數(shù)并且進(jìn)行圖形更新即可得到最終的二維工程圖，從而省去了重復(fù)的設(shè)計(jì)工作，節(jié)約了重復(fù)性工作時(shí)間，并且使得圖紙無錯(cuò)化，標(biāo)準(zhǔn)化。具體設(shè)計(jì)流程見圖1。

圖1 設(shè)計(jì)流程圖

1.1 初步確定變壓器結(jié)構(gòu)

筆者以1 臺鐵道專用DC10-30/27.5 kV 單相變壓器為例進(jìn)行初始設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)確定為普通雙柱串聯(lián)單向變壓器。

1.2 編寫基本參數(shù)表格

筆者從變壓器初始計(jì)算單入手將基本參數(shù)編寫Excel 表格。為了簡化三維數(shù)據(jù)在以后各個(gè)零件中的傳遞效率，選取少量的核心數(shù)據(jù)編入基本數(shù)據(jù)表格，這類數(shù)據(jù)從初始計(jì)算單得到，只包括變壓器的鐵心直徑，窗高等核心數(shù)據(jù)，該類數(shù)據(jù)完整的反映出變壓器各個(gè)零件在空間的相對位置，以及各個(gè)零件的配合關(guān)系。但是諸如零件自身的細(xì)部數(shù)據(jù)，在基本表格中根本不需出現(xiàn)，只在最后完善零件步驟中進(jìn)行編輯。

基本參數(shù)表格中的參數(shù)在Inventor軟件中利用等式與三維布置圖中的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，如：d0= 鐵心直徑。這樣就可以做到利用參數(shù)對三維布置圖進(jìn)行完全控制（圖2）。

圖2 基本參數(shù)表格圖

1.3 參數(shù)化建立三維布置圖

一切結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都始于布置圖，傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)都是先建立主視圖，然后利用投影的方法建立俯視圖以及左視圖，但是一個(gè)視圖只能反映物體的一個(gè)方位的形狀，不能完整反映物體的結(jié)構(gòu)形狀。所以在后期工作中需要投入很多的工作進(jìn)行校核，審核確保設(shè)計(jì)正確。在后來的設(shè)計(jì)中，有些設(shè)計(jì)人員采用了三維設(shè)計(jì)，但是受制于軟件等其他因素設(shè)計(jì)只能自下而上的反推進(jìn)行，這樣不僅背離了設(shè)計(jì)原則，而且被事先設(shè)計(jì)好的通用零件所束縛，不能完全的展開設(shè)計(jì)思路。

筆者利用Inventor 軟件中進(jìn)行自上而下的設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)的靈活和三維設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)相結(jié)合，創(chuàng)新了一種三維布置圖的方法。三維布置圖不使用三維設(shè)計(jì)中X，Y，Z 三維坐標(biāo)，而是由三維坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0，0）為基點(diǎn)建立XY 平面的主視圖，YZ 平面的俯視圖，XZ 平面的側(cè)視圖，3 個(gè)視圖中的數(shù)據(jù)來源于1.2 節(jié)中的基本參數(shù)表格，每一個(gè)視圖都是單獨(dú)建立，并不是其他視圖的投影，因?yàn)樵摬贾脠D會(huì)作為以后所有零件的創(chuàng)建基礎(chǔ)，所以要簡化其數(shù)據(jù)構(gòu)成，只要不是基本參數(shù)表格中出現(xiàn)的參數(shù)，一律不在布置圖中畫出，提高以后步驟的運(yùn)行速率。參見圖3。

圖3 三維布置示意圖

1.4 生成三維零件模型

在該步驟中，筆者使用了Inventor 軟件中的一項(xiàng)極為重要的“生成零部件”功能，該功能是保證基本數(shù)據(jù)和布置圖傳遞到各個(gè)零件的核心。在布置圖中利用拉伸，掃掠，旋轉(zhuǎn)等基本功能就可以建立相關(guān)零件，然后根據(jù)不同零件的不同細(xì)部數(shù)據(jù)對零件進(jìn)行再完善。

在完成該步驟之后，包括在布置圖中的所有零件就都被構(gòu)建出來，如果需要對零件進(jìn)行微調(diào)，或者更新零件的基本數(shù)據(jù)，只需要更新原始的1.2 節(jié)中的基本數(shù)據(jù)表格，或者更改1.3 節(jié)中的布置圖就可以完成對零件的數(shù)據(jù)更新，改變其三維特征。

1.5 對所有的零件進(jìn)行總裝配及檢查

在1.4 節(jié)中，筆者完成了對干式變壓器零件的建立，這些零件因?yàn)橛扇S布置圖而來，所以它們都繼承了三維布置圖中的相對位置關(guān)系，所以在進(jìn)行總裝配過程中可以利用基準(zhǔn)點(diǎn)和基準(zhǔn)面進(jìn)行快速有效的裝配，完成裝配之后，利用軟件的干涉檢查功能進(jìn)行最終校核，然后完成整體的三維設(shè)計(jì)。圖4是干式變壓器的總裝配圖。

圖4 干式變壓器總裝配圖

1.6 完成設(shè)計(jì)并生成二維工程圖

裝配完成之后，通過干涉檢查后就轉(zhuǎn)入最終步驟生成最后的二維工程圖，該步驟也是整個(gè)干式變壓器三維布置圖設(shè)計(jì)工作中最繁瑣的一步，但是合理利用Inventor 中的標(biāo)注功能也能簡化步驟（圖5）。

1.7 快速的基本數(shù)據(jù)更新

完成以上6 個(gè)步驟之后就建立了一套完整的從計(jì)算單到最后二維工程圖的系統(tǒng)，本次的DC10-30/27.5 kV 單相變壓器設(shè)計(jì)完成，就可以涵蓋小容量27.5 kV 變壓器（30～315 kV·A）。對于在這個(gè)容量段的新設(shè)計(jì)變壓器就可以打開基本參數(shù)表格進(jìn)行基本數(shù)據(jù)更新，然后直接進(jìn)行二維工程圖圖紙更新，完成設(shè)計(jì)。

圖5 變壓器總裝工程圖

2 設(shè)計(jì)總結(jié)及經(jīng)驗(yàn)

筆者認(rèn)為利用Inventor軟件的三維布置圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法則是當(dāng)下干式變壓器設(shè)計(jì)中最便捷，最精確，最先進(jìn)的設(shè)計(jì)辦法，它結(jié)合了二維設(shè)計(jì)的靈活多樣以及三維設(shè)計(jì)的空間位置嚴(yán)謹(jǐn)?shù)碾p重特點(diǎn)，成倍的提高了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)效率，將一個(gè)設(shè)計(jì)人員最快1 d 完成的工作量，縮短到10 min 內(nèi)完成，節(jié)約了大量的結(jié)構(gòu)重復(fù)設(shè)計(jì)時(shí)間，使得設(shè)計(jì)人員無需進(jìn)行繁雜的重復(fù)性工作，將更寶貴的時(shí)間和精力投入到新產(chǎn)品的研發(fā)。

筆者認(rèn)為可以將干式變壓器的三維布置圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做相應(yīng)改進(jìn)，在油浸變壓器器身設(shè)計(jì)中使用，配合另外的一些參數(shù)化設(shè)計(jì)理念可以勝任油浸變壓器的器身設(shè)計(jì)。