隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電壓等級(jí)的提高，大規(guī)模跨區(qū)聯(lián)網(wǎng)的形成，對(duì)電力系統(tǒng)輸變電設(shè)備的可靠性提出了很高的要求。自20世紀(jì)60年代問(wèn)世以來(lái)，氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備（gas insulated switchgear, GIS）迅速發(fā)展，裝用量不斷提高，在電力系統(tǒng)中占據(jù)了重要的地位。

但目前在GIS設(shè)備安裝和檢修過(guò)程中仍存在諸多問(wèn)題和隱患亟待解決：

• ①在室內(nèi)或附近有帶電物體等空間局促的環(huán)境下安裝困難；
• ②非標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)導(dǎo)致存在安全隱患，在GIS設(shè)備對(duì)接過(guò)程中，GIS氣室容易晃動(dòng)，作業(yè)人員也存在高處跌落的安全風(fēng)險(xiǎn)；
• ③由于GIS設(shè)備安裝對(duì)接過(guò)程中，設(shè)備會(huì)自然晃動(dòng)，對(duì)位的可靠性和準(zhǔn)確性時(shí)有不足，存在質(zhì)量隱患風(fēng)險(xiǎn)；
• ④作業(yè)勞動(dòng)力密集程度高，不符合生產(chǎn)力進(jìn)步方向。

盡管目前針對(duì)GIS設(shè)備智能拆裝系統(tǒng)的研究和應(yīng)用在國(guó)內(nèi)還處于空白階段，自動(dòng)拆裝機(jī)器人系統(tǒng)存在對(duì)裝配環(huán)境要求高、裝配效率低，缺乏感知與自適應(yīng)的控制能力、精度要求較高等問(wèn)題，但由于其在GIS設(shè)備拆裝作業(yè)所具有的重要作用，使得應(yīng)用于GIS設(shè)備拆裝機(jī)器人的研究頗有價(jià)值。

本文作者在實(shí)地考察平高、泰開(kāi)、西開(kāi)等多個(gè)變電站的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種能廣泛應(yīng)用于各變電站的智能拆裝機(jī)器人系統(tǒng)，其主要由三部分組成：履帶車(chē)、機(jī)器人和夾具，如圖1所示。其中，夾具直接與工件接觸，起著夾持工件和精確定位的重要作用，直接影響工作完成質(zhì)量。本文的重點(diǎn)在于設(shè)計(jì)滿足GIS智能拆裝系統(tǒng)工況指標(biāo)要求的夾具。

圖1 GIS設(shè)備智能拆裝機(jī)器人系統(tǒng)模型

1 夾具指標(biāo)分析與設(shè)計(jì)

由于GIS自動(dòng)夾具用于夾取GIS分支母線，根據(jù)實(shí)際工況提出以下設(shè)計(jì)指標(biāo)：

1）應(yīng)能夾取不同直徑規(guī)格的分支母線?？紤]220kV電壓等級(jí)分支母線，根據(jù)調(diào)研各廠家分支母線外徑規(guī)格在290～400mm，為充分考慮特殊情況要求最大能夾取外徑為420mm的GIS工件。

2）應(yīng)能夾取不同長(zhǎng)度的分支母線?？紤]220kV電壓等級(jí)分支母線，長(zhǎng)度一般在2～5m，因此，考慮最短的分支母線，夾爪間的水平間隔不超過(guò)2m。對(duì)于長(zhǎng)為5m的分支母線，其重量約為300kg，主要考慮夾具能否承受其重量，因此要求夾具的負(fù)載應(yīng)不低于300kg。

3）不應(yīng)損壞分支母線外殼。一方面要保障各夾爪受力平均，不會(huì)出現(xiàn)局部應(yīng)力集中；另一方面在各夾爪受力平衡的情況下，對(duì)GIS工件外殼的壓強(qiáng)也不應(yīng)超過(guò)外殼材質(zhì)的屈服強(qiáng)度，GIS分支母線外殼一般采用6005-H112、5052-H112或者5A05-H112的鋁合金材質(zhì)，壁厚大部分采用6mm，也有采用8mm，其中5052鋁合金屈服強(qiáng)度最低為70MPa，即要求夾具受力面a最大應(yīng)力不超過(guò)70MPa。

4）夾具自身不應(yīng)損壞。在最惡劣工況下，夾具各部分所受最大應(yīng)力不超過(guò)自身材料屈服強(qiáng)度。

5）具備失電自保持功能。為防止失電導(dǎo)致夾具所夾持的GIS工件突然掉落，導(dǎo)致人員或財(cái)產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)，因此要求具備失電自保持功能。

6）安裝穩(wěn)定可靠。保證夾具與機(jī)器人安裝接口穩(wěn)定可靠，不易松動(dòng)滑落。

綜合以上幾點(diǎn)得到夾具設(shè)計(jì)指標(biāo)，見(jiàn)表1。

表1 夾具設(shè)計(jì)指標(biāo)

依據(jù)表1所示的指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)GIS拆裝機(jī)器人專用夾具如圖2所示，為了避免分支母線外殼發(fā)生塑性變形，設(shè)計(jì)夾具時(shí)，主要靠V型面托起分支母線。設(shè)置有4個(gè)動(dòng)夾爪，保證夾具能夠可靠夾緊分支母線，每個(gè)動(dòng)夾爪上都設(shè)有傳感器，保障作用力平均分布。

動(dòng)夾爪由氣缸驅(qū)動(dòng)，氣缸直徑為80mm，在氣源壓強(qiáng)為額定的0.5MPa時(shí)，氣缸輸出力為2510N，氣路上配置精密減壓閥，實(shí)現(xiàn)氣缸輸出力無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，在保證負(fù)載能力（300kg）的同時(shí)盡量減少對(duì)GIS工件外殼的作用力。

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

由于夾爪由氣缸驅(qū)動(dòng)，由于杠桿原理，夾爪的作用力在失電情況下可自保持。

2 GIS自動(dòng)夾具機(jī)構(gòu)的應(yīng)力計(jì)算

夾具機(jī)構(gòu)的應(yīng)力主要關(guān)注夾具本身的應(yīng)力和夾具法蘭上的應(yīng)力分布情況，需對(duì)其進(jìn)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(qiáng)大的圖形交互功能，能夠高效地求解各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的振動(dòng)、靜力、動(dòng)力、線性和非線性等問(wèn)題。

因此，本文運(yùn)用Ansys計(jì)算夾具在最極端的情況下應(yīng)力情況，即所夾持的分支母線長(zhǎng)為5m，外徑為420mm，重300kg。在Ansys中建立夾具和法蘭的計(jì)算模型，圖3（a）為GIS自動(dòng)夾具機(jī)構(gòu)的應(yīng)力計(jì)算模型，圖3（b）為底部法蘭盤(pán)的應(yīng)力計(jì)算模型，外力條件為氣缸輸出作用在夾爪表面的2510N壓力。

圖2 GIS拆裝機(jī)器人夾具設(shè)計(jì)圖

圖3 GIS自動(dòng)夾具機(jī)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算模型

在Ansys中設(shè)置材料屬性并網(wǎng)格劃分，添加約束條件后求解，得到GIS自動(dòng)夾具機(jī)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果，如圖4所示。

從圖4（a）中可以看出，夾具框架最大形變量為0.08799mm，圖4（b）為GIS自動(dòng)夾具機(jī)構(gòu)主框架等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，從圖4（b）可以看出，夾具框架所受最大應(yīng)力為50.3MPa，夾具框架的材質(zhì)為Q235，屈服強(qiáng)度為235MPa，即滿足要求。

圖4 GIS自動(dòng)夾具機(jī)構(gòu)主框架應(yīng)力分析結(jié)果

同樣，求解得到GIS夾具底座法蘭盤(pán)應(yīng)力分析結(jié)果，如圖5所示。從圖5（a）可以看出，夾具底座法蘭盤(pán)最大變形量為0.393mm，圖5（b）為夾具底座法蘭盤(pán)等效應(yīng)力分析結(jié)果，從圖5（b）可以看出，夾具底座法蘭盤(pán)所受最大應(yīng)力約為107MPa，底座法蘭盤(pán)的材質(zhì)為Q235，屈服強(qiáng)度為235MPa，滿足要求。

圖5 GIS夾具底座法蘭盤(pán)應(yīng)力分析結(jié)果

總結(jié)

目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有應(yīng)用于GIS設(shè)備的智能拆裝機(jī)器人系統(tǒng)。本文作者在充分調(diào)研多個(gè)變電站GIS設(shè)備工作環(huán)境后，提出了夾具要求指標(biāo)，并依據(jù)指標(biāo)設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于GIS設(shè)備拆裝的機(jī)器人系統(tǒng)夾具。最后，通過(guò)在Ansys上建模并進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的GIS分支母線夾具機(jī)構(gòu)能完全滿足工作要求。

實(shí)際上，現(xiàn)該夾具已經(jīng)制作投入到本文的智能拆裝系統(tǒng)中，如圖6所示，并做了各項(xiàng)試驗(yàn)，能滿足實(shí)際工況要求。

圖6 投入使用中的夾具