設備拆裝系統的夾具設氣體絕緣金屬封閉開關

　　國網浙江省電力有限電力科學研究院、國網浙江省電力有限、國網浙江省電力有限臺州供電、湖南長高電氣有限的研究人員王紹安、徐華、鄒宏亮、肖世威、羅小冬，在2019年第7期《電氣技術》雜志上撰文指出，目前氣體絕緣金屬封閉開關設備安裝和檢修過程中，存在作業勞動強度大，安裝難度高以及安全隱患等問題。

　　本文作者在實地考察國內多個氣體絕緣金屬封閉開關變電站的基礎上，設計一種可應用于氣體絕緣金屬封閉開關設備智能拆裝機器人的夾具機構。針對氣體絕緣金屬封閉開關設備拆裝工況，提出夾具機構設計指標要求，依此指標設計夾具，并在Ansys軟件下建模仿真，證明本文所設計的夾具能滿足氣體絕緣金屬封閉開關設備拆裝指標，可廣泛應用推廣。

　　隨著電力工業的發展，電壓等級的提高，大規?？鐓^聯網的形成，對電力系統輸變電設備的可靠性提出了很高的要求。自20世紀60年代問世以來，氣體絕緣金屬封閉開關設備（gas insulated switchgear, GIS）迅速發展，設備拆裝系統的夾具設裝用量不斷提高，在電力系統中占據了重要的地位。

　?、僭谑覂然蚋浇袔щ娢矬w等空間局促的環境下安裝困難；②非標準化作業導致存在安全隱患，在GIS設備對接過程中，GIS氣室容易晃動，作業人員也存在高處跌落的安全風險；③由于GIS設備安裝對接過程中，設備會自然晃動，對位的可靠性和準確性時有不足，存在質量隱患風險；④作業勞動力密集程度高，不符合生產力進步方向。盡管目前針對GIS設備智能拆裝系統的研究和應用在國內還處于空白階段，自動拆裝機器人系統存在對裝配環境要求高、裝配效率低，缺乏感知與自適應的控制能力、精度要求較高等問題，但由于其在GIS設備拆裝作業所具有的重要作用，使得應用于GIS設備拆裝機器人的研究頗有價值。

　　本文作者在實地考察平高、泰開、西開等多個變電站的基礎上，設計出一種能廣泛應用于各變電站的智能拆裝機器人系統，其主要由三部分組成：履帶車、機器人和夾具，如圖1所示。其中，夾具直接與工件接觸，起著夾持工件和定位的重要作用，直接影響工作完成質量。本文的重點在于設計滿足GIS智能拆裝系統工況指標要求的夾具。

　　由于GIS自動夾具用于夾取GIS分支母線，根據實際工況提出以下設計指標：

　　1）應能夾取不同直徑規格的分支母線kV電壓等級分支母線，根據調研各廠家分支母線mm，為充分考慮特殊情況要求能夾取外徑為420mm的GIS工件。

　　2）應能夾取不同長度的分支母線kV電壓等級分支母線m，因此，考慮短的分支母線，夾爪間的水平間隔不超過2m。對于長為5m的分支母線kg，主要考慮夾具能否承受其重量，因此要求夾具的負載應不低于300kg。

　　3）不應損壞分支母線外殼。一方面要保障各夾爪受力平均，不會出現局部應力集中；另一方面在各夾爪受力平衡的情況下，對GIS工件外殼的壓強也不應超過外殼材質的屈服強度，GIS分支母線的鋁合金材質，壁厚大部分采用6mm，也有采用8mm，其中5052鋁合金屈服強度為70MPa，即要求夾具受力面a應力不超過70MPa。

　　4）夾具自身不應損壞。在惡劣工況下，夾具各部分所受應力不超過自身材料屈服強度。

　　5）具備失電自保持功能。為防止失電導致夾具所夾持的GIS工件突然掉落，導致人員或財產安全風險，因此要求具備失電自保持功能。

　　依據表1所示的指標要求，設計GIS拆裝機器人專用夾具如圖2所示，為了避免分支母線外殼發生塑性變形，設計夾具時，主要靠V型面托起分支母線個動夾爪，保證夾具能夠可靠夾緊分支母線，每個動夾爪上都設有傳感器，保障作用力平均分布。

　　動夾爪由氣缸驅動，氣缸直徑為80mm，在氣源壓強為額定的0.5MPa時，氣缸輸出力為2510N，氣路上配置精密減壓閥，實現氣缸輸出力無級調節，在保證負載能力（300kg）的同時盡量減少對GIS工件外殼的作用力。

　　徑向2個夾爪間的距離為450mm，滿足夾持外徑為420mm的GIS工件，軸向兩個夾爪間的距離為868mm，滿足夾持長度為2m較短的GIS分支母線。

　　夾具機構的應力主要關注夾具本身的應力和夾具法蘭上的應力分布情況，需對其進行有限元分析。Ansys相比于其他有限元分析軟件，具有友好的程序—用戶界面，強大的圖形交互功能，氣體絕緣金屬封閉開關能夠高效地求解各種復雜結構的振動、靜力、動力、線性和非線性等問題。

　　因此，本文運用Ansys計算夾具在的情況下應力情況，即所夾持的分支母線kg。在Ansys中建立夾具和法蘭的計算模型，圖3（a）為GIS自動夾具機構的應力計算模型，圖3（b）為底部法蘭盤的應力計算模型，外力條件為氣缸輸出作用在夾爪表面的2510N壓力。

　　在Ansys中設置材料屬性并網格劃分，添加約束條件后求解，得到GIS自動夾具機構應力分析結果，如圖4所示。

　　從圖4（a）中可以看出，夾具框架形變量為0.08799mm，圖4（b）為GIS自動夾具機構主框架等效應力計算結果，從圖4（b）可以看出，夾具框架所受應力為50.3MPa，夾具框架的材質為Q235，屈服強度為235MPa，即滿足要求。

　　同樣，求解得到GIS夾具底座法蘭盤應力分析結果，如圖5所示。從圖5（a）可以看出，夾具底座法蘭盤變形量為0.393mm，圖5（b）為夾具底座法蘭盤等效應力分析結果，從圖5（b）可以看出，夾具底座法蘭盤所受應力約為107MPa，底座法蘭盤的材質為Q235，屈服強度為235MPa，滿足要求。

　　目前，國內還沒有應用于GIS設備的智能拆裝機器人系統。本文作者在充分調研多個變電站GIS設備工作環境后，提出了夾具要求指標，并依據指標設計了一種應用于GIS設備拆裝的機器人系統夾具。后，通過在Ansys上建模并進行應力計算，計算結果表明，本文所設計的GIS分支母線夾具機構能完全滿足工作要求。

　　實際上，現該夾具已經制作投入到本文的智能拆裝系統中，如圖6所示，并做了各項試驗，能滿足實際工況要求。
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