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，裝用量不斷提高，在電力系統中占據了重要的地位。

但目前在GIS設備安裝和檢修過程中仍存在諸多問題和隱患亟待解決：

• ①在室內或附近有帶電物體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，起著夾持工件和精確定位的重要作用，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。

圖1 GIS設備智能拆裝機器人系統模型

1 夾具指標分析與設計

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?？紤]220kV電壓等級分支母線，根據調研各廠家分支母線外徑規格在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）應能夾取不同長度的分支母線。考慮220kV電壓等級分支母線，長度一般在2～5m，因此，考慮最短的分支母線，夾爪間的水平間隔不超過2m。對于長為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分支母線外殼一般采用6005-H112、5052-H112或者5A05-H112的鋁合金材質，壁厚大部分采用6mm，也有采用8mm，其中5052鋁合金屈服強度最低為70MPa，即要求夾具受力面a最大應力不超過70MPa。

4）夾具自身不應損壞。在最惡劣工況下，夾具各部分所受最大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。

6）安裝穩定可靠。保證夾具與機器人安裝接口穩定可靠，不易松動滑落。

綜合以上幾點得到夾具設計指標，見表1。

表1 夾具設計指標

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。設置有4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。

由于夾爪由氣缸驅動，由于杠桿原理，夾爪的作用力在失電情況下可自保持。

2 GIS自動夾具機構的應力計算

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，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計算夾具在最極端的情況下應力情況，即所夾持的分支母線長為5m，外徑為420mm，重300kg。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。

圖2 GIS拆裝機器人夾具設計圖

圖3 GIS自動夾具機構應力計算模型

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，夾具框架最大形變量為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，夾具框架所受最大應力為50.3MPa，夾具框架的材質為Q235，屈服強度為235MPa，即滿足要求。

圖4 GIS自動夾具機構主框架應力分析結果

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，夾具底座法蘭盤最大變形量為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最大應力約為107MPa，底座法蘭盤的材質為Q235，屈服強度為235MPa，滿足要求。

圖5 GIS夾具底座法蘭盤應力分析結果

總結

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。最后，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。

圖6 投入使用中的夾具