气体绝缘金属封闭开关设备拆装系统的夹具设计及其应力分析
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国网浙江省电力有限公司电力科学研究院、国网浙江省电力有限公司、国网浙江省电力有限公司台州供电公司、湖南长高电气有限公司的研究人员王绍安、徐华、邹宏亮、肖世威、罗小冬，在2019年第7期《电气技术》杂志上撰文指出，目前气体绝缘金属封闭开关设备安装和检修过程中，存在作业劳动强度大，安装难度高以及安全隐患等问题。
本文作者在实地考察国内多个气体绝缘金属封闭开关变电站的基础上，设计一种可应用于气体绝缘金属封闭开关设备智能拆装机器人的夹具机构。针对气体绝缘金属封闭开关设备拆装工况，提出夹具机构设计指标要求，依此指标设计夹具，并在Ansys软件下建模仿真，证明本文所设计的夹具能满足气体绝缘金属封闭开关设备拆装指标，可广泛应用推广。
随着电力工业的发展，电压等级的提高，大规模跨区联网的形成，对电力系统输变电设备的可靠性提出了很高的要求。自20世纪60年代问世以来，气体绝缘金属封闭开关设备（gas insulated switchgear, GIS）迅速发展，装用量不断提高，在电力系统中占据了重要的地位。
但目前在GIS设备安装和检修过程中仍存在诸多问题和隐患亟待解决：
①在室内或附近有带电物体等空间局促的环境下安装困难；
②非标准化作业导致存在安全隐患，在GIS设备对接过程中，GIS气室容易晃动，作业人员也存在高处跌落的安全风险；
③由于GIS设备安装对接过程中，设备会自然晃动，对位的可靠性和准确性时有不足，存在质量隐患风险；
④作业劳动力密集程度高，不符合生产力进步方向。
尽管目前针对GIS设备智能拆装系统的研究和应用在国内还处于空白阶段，自动拆装机器人系统存在对装配环境要求高、装配效率低，缺乏感知与自适应的控制能力、精度要求较高等问题，但由于其在GIS设备拆装作业所具有的重要作用，使得应用于GIS设备拆装机器人的研究颇有价值。
本文作者在实地考察平高、泰开、西开等多个变电站的基础上，设计出一种能广泛应用于各变电站的智能拆装机器人系统，其主要由三部分组成：履带车、机器人和夹具，如图1所示。其中，夹具直接与工件接触，起着夹持工件和精确定位的重要作用，直接影响工作完成质量。本文的重点在于设计满足GIS智能拆装系统工况指标要求的夹具。
图1 GIS设备智能拆装机器人系统模型
1 夹具指标分析与设计
由于GIS自动夹具用于夹取GIS分支母线，根据实际工况提出以下设计指标：
1）应能夹取不同直径规格的分支母线。考虑220kV电压等级分支母线，根据调研各厂家分支母线外径规格在290～400mm，为充分考虑特殊情况要求最大能夹取外径为420mm的GIS工件。
2）应能夹取不同长度的分支母线。考虑220kV电压等级分支母线，长度一般在2～5m，因此，考虑最短的分支母线，夹爪间的水平间隔不超过2m。对于长为5m的分支母线，其重量约为300kg，主要考虑夹具能否承受其重量，因此要求夹具的负载应不低于300kg。
3）不应损坏分支母线外壳。一方面要保障各夹爪受力平均，不会出现局部应力集中；另一方面在各夹爪受力平衡的情况下，对GIS工件外壳的压强也不应超过外壳材质的屈服强度，GIS分支母线外壳一般采用6005-H112、5052-H112或者5A05-H112的铝合金材质，壁厚大部分采用6mm，也有采用8mm，其中5052铝合金屈服强度最低为70MPa，即要求夹具受力面a最大应力不超过70MPa。
4）夹具自身不应损坏。在最恶劣工况下，夹具各部分所受最大应力不超过自身材料屈服强度。
5）具备失电自保持功能。为防止失电导致夹具所夹持的GIS工件突然掉落，导致人员或财产安全风险，因此要求具备失电自保持功能。
6）安装稳定可靠。保证夹具与机器人安装接口稳定可靠，不易松动滑落。
综合以上几点得到夹具设计指标，见表1。
表1 夹具设计指标
依据表1所示的指标要求，设计GIS拆装机器人专用夹具如图2所示，为了避免分支母线外壳发生塑性变形，设计夹具时，主要靠V型面托起分支母线。设置有4个动夹爪，保证夹具能够可靠夹紧分支母线，每个动夹爪上都设有传感器，保障作用力平均分布。
动夹爪由气缸驱动，气缸直径为80mm，在气源压强为额定的0.5MPa时，气缸输出力为2510N，气路上配置精密减压阀，实现气缸输出力无级调节，在保证负载能力（300kg）的同时尽量减少对GIS工件外壳的作用力。
径向2个夹爪间的距离为450mm，满足夹持外径为420mm的GIS工件，轴向两个夹爪间的距离为868mm，满足夹持长度为2m较短的GIS分支母线。
由于夹爪由气缸驱动，由于杠杆原理，夹爪的作用力在失电情况下可自保持。
2 GIS自动夹具机构的应力计算
夹具机构的应力主要关注夹具本身的应力和夹具法兰上的应力分布情况，需对其进行有限元分析。Ansys相比于其他有限元分析软件，具有友好的程序—用户界面，强大的图形交互功能，能够高效地求解各种复杂结构的振动、静力、动力、线性和非线性等问题。
因此，本文运用Ansys计算夹具在最极端的情况下应力情况，即所夹持的分支母线长为5m，外径为420mm，重300kg。在Ansys中建立夹具和法兰的计算模型，图3（a）为GIS自动夹具机构的应力计算模型，图3（b）为底部法兰盘的应力计算模型，外力条件为气缸输出作用在夹爪表面的2510N压力。
图2 GIS拆装机器人夹具设计图
图3 GIS自动夹具机构应力计算模型
在Ansys中设置材料属性并网格划分，添加约束条件后求解，得到GIS自动夹具机构应力分析结果，如图4所示。
从图4（a）中可以看出，夹具框架最大形变量为0.08799mm，图4（b）为GIS自动夹具机构主框架等效应力计算结果，从图4（b）可以看出，夹具框架所受最大应力为50.3MPa，夹具框架的材质为Q235，屈服强度为235MPa，即满足要求。
图4 GIS自动夹具机构主框架应力分析结果
同样，求解得到GIS夹具底座法兰盘应力分析结果，如图5所示。从图5（a）可以看出，夹具底座法兰盘最大变形量为0.393mm，图5（b）为夹具底座法兰盘等效应力分析结果，从图5（b）可以看出，夹具底座法兰盘所受最大应力约为107MPa，底座法兰盘的材质为Q235，屈服强度为235MPa，满足要求。
图5 GIS夹具底座法兰盘应力分析结果
目前，国内还没有应用于GIS设备的智能拆装机器人系统。本文作者在充分调研多个变电站GIS设备工作环境后，提出了夹具要求指标，并依据指标设计了一种应用于GIS设备拆装的机器人系统夹具。最后，通过在Ansys上建模并进行应力计算，计算结果表明，本文所设计的GIS分支母线夹具机构能完全满足工作要求。
实际上，现该夹具已经制作投入到本文的智能拆装系统中，如图6所示，并做了各项试验，能满足实际工况要求。
图6 投入使用中的夹具