（无锡供电公司输配电工程公司 江苏无锡 214171）
摘要：本文介绍了220KV带电作业大刀卡具的设计过程，根据机械工程方面的专业知识，收集了人机工程学、机械工装工具的常规设计方法，深入分析了设计要求和实际操作人员的使用方便，提出了鱼腹式设计的理念，据此提高设计吨位可用于特高压线路的带电换瓶作业
关键词：带电作业；大刀卡具；7075
1现状研究与分析
随着我国电网建设的高速发展，带电作业越来越呈现出它的重要性。本项目研究的内容是带电作业更换220kV线路耐张整串瓷瓶或单片瓷瓶用大刀片卡具，本项目是江苏省电力公司2009年度科技项目《5吨带电作业万向液压承力工具》实用性配套工器具。在带电作业更换瓷瓶串时，为了有效的增加绝缘距离，需将5吨带电作业万向液压承力工具整体结构安装在瓷瓶串端部靠近横担处，同时液压承力工具在工作时使其前部泵体平面为承力面，在此条件下，需设计出一种能够快速固定于瓷瓶串两端三角板上的前后卡具，前卡具与绝缘引拔棒的一端相连，后卡具与5吨液压承力工具实现自动调节嵌入式连接，绝缘引拔棒另一端与5吨液压承力工具活塞杆叉口销连接，在收紧过程中液压承力工具能够自动调整受力方向，不产生横向作用力，使整个换瓶过程达到快捷，就位可靠，操作轻松。这样就可以减轻作业人员的劳动强度，同时也极大的提高了带电作业的安全性。
本项目的研究如能达到预期效果，将填补此领域中的空白，据此提高设计吨位可用于特高压线路的带电换瓶作业。
2 项目意义、主要研究内容及预期目标
采用铝镁合金航空材料制作，牌号为7075，抗拉强度为530Mpa，密度为2.7g/cm3，强度与合金钢相当，重量为合金钢的1/3左右。
卡具整体为鱼腹式造型结构，根据工作时的抗弯力矩合理设计出各断面的尺寸，使之尺寸分布合理，在满足极限抗弯力矩的前提下，尽量减轻自身重量，同时达到外形美观。
后卡具需装入液压承力工具，而且要求液压承力工具不能进入瓷瓶串区，以增加带电作业的有效绝缘距离，而且要求液压承力工具装入后卡具后承力面可自动调节受力方向，使整套器具在工作时保持受力直线性。
前后卡具在工作时整体结构是受到抗弯力矩作用，因此抗弯力矩支撑点的选择应该优先考虑瓷瓶串端部线路金具，并考虑连接可靠性和安全性。前后卡具入位后应有可靠的紧固装置，以防止控制脱落至地面。
3 220kV带电作业大刀卡具工作负荷的确定
通过与相关各方的讨论，参考各方意见和建议后，充分确认带电作业安全规程对本项目的要求，明确工作负载状况，确定安全系数和实验方案。前后卡具长度为500mm，前卡具自身重量约为4kg，后卡具自身重量约为5kg，许用载荷为5吨，抗弯安全系数为3.0，当达到5吨载荷时，卡具不得产生变形，并且自动调节装置转动承力面回转灵活自如。
4 大刀卡具结构设计
4.1卡具总体框架与实现方式
前后卡具采用7075的镁铝合金材料，而且整体为鱼腹式结构设计，使得前卡具自身重量小于4kg，而后卡具自身重量小于5kg，安装时间小于5s。由于后卡具与液压承力工具采用圆弧面嵌入式连接，两者之间自动调整回转角度可达±7°，能够保证承力圆弧面转动可靠，灵活，承力面接触材料为7075，许用比压足够。前后卡具采用鱼腹式机构，钩体钩住金具三角板卸扣头外侧，起到受力支撑点的作用，卡具中间槽嵌入金具三角板，槽底面与三角板一侧斜边接触，起到中间支持点的作用。卡具另一侧为连接液压承力工具，绝缘引拔棒，使之成为一个完整的受力装置。前后卡具在入位后用上平面个设置的两个紧定螺钉旋紧，分别将固定在位置上，使卡具与三角板连接牢固，以利于装入液压承力工具机绝缘引拔棒。
前后卡具的装配示意图如图1所示。
4.2 前卡具工作原理与结构设计
前卡具在使用过程中，头部钩住三角金具的一端，鱼腹部下侧安装有滑轮机构，方便在使用过程中，操作者能够利用该滑轮机构搬运重量较轻的工具。同时前卡具的后侧则是双截面的圆孔，如图4.4所示，用于连接和后卡具相连的绝缘引拔棒。
前卡具在设计过程中充分考虑了设计要求以及强度和刚度方面对使用者的影响，前卡具承力部件时前卡具的主体，也是主要部件，整体设计为了减轻自身重量在选材方面选择了重量轻，比重小的航空材料7075镁铝合金。在卡具的承力主体下方考虑到操作者实际使用过程中可能需要从地面搬运工具或者重量较轻的零部件到高空或者从空中需要放置一些物件到地面，因此设计时，在鱼腹式承力部件的下方设计了用于搬运物品的滑轮，材料选择高强度的合金钢40Cr，强度高达700Mpa以上。
4.2.1 前卡具承力主体强度刚度校核
在前卡具的工作过程中，承力主要在前卡具的鱼腹体上，因此当工作条件达到设计要求时，所有的作用力集中于该受力物体中。若前卡具在额定载荷下，额定安全系数下，鱼腹体不发生疲劳破坏，则说明设计满足要求。
从图中，可以看出当前卡具承力主体受力为额定载荷时，最大弯曲应力集中在主体的头部即与三角金具相连的弯曲部分，内凹侧最大应力值约为144Mpa，而外侧最大应力值约为190Mpa。远小于7075镁铝合金的屈服强度530Mpa，因此当对该主体承力部件施加额定载荷时，强度足够。图4.6为相同计算条件下前卡具主体变形有限元计算图。
前卡具主体承力部件在额定载荷下，整个前卡具主体承力部件变形主要集中在卡具的头部即弯曲部分的头部上面，最大变形量为0.36mm，几乎可以忽略，因此通过分析计算得出：在额定载荷下，前卡具的承力能够满足强度和刚度要求。
前卡具受力主体最大应力集中在头部的弯曲处，其中，弯曲出内侧受力最大约为294MPa，外侧最大约为340MPa。也能够满足强度要求。
前卡具分析可以得出：前卡具受力主体刚度和强度在额定载荷下满足设计要求，同时安全系数高于设计要求中的3.0。
4.2.2 起吊滑轮主轴强度刚度校核
前卡具处于工作状态时，为了方便使用，设计了滑轮机构。而滚轮将承受的拉力传递给受力销钉。起吊滑轮主轴材料为40Cr。
起吊滑轮主轴最大应力作用点依然在固定端面与受力端面之间，通过计算可以看出变形量的最大值在几何中心处。
通过表1数据对起吊滑轮主轴的强度和刚度校核可以看出，销钉完全能够满足设计要求。
综上所述，起吊滑轮主轴强度和刚度满足设计要求，而且安全系数高于设计要求。
4.2.3 起吊滑轮主轴固定板强度刚度校核
起吊滑轮主轴固定板材质为45号钢。当销钉受力后，将固定面受到的力传递给销钉固定板，而销钉固定板是通过底部的两个螺钉孔与前卡具连接的，因此结构设计决定当承载为500kg，销钉固定板受力最大值约为320Mpa。满足强度要求。
起吊滑轮主轴固定板承力15吨时，最大变形量为0.5mm，非常小，因此刚度满足要求。据此可以得出：起吊滑轮主轴固定板强度和刚度满足要求，而且安全系数远大于设计要求。
4.3 后卡具结构设计与强度计算
整体后卡具的设计与前卡具类似，不同之处在于后卡具与液压缸的连接部分设计。液压缸与后卡具的连接设计按照要求：能够在正负7°的范围内进行旋转，因此与液压缸连接的滑块要能够与后卡具自由、平顺的滑动。
在高空作业时，液压缸连接滑块与后卡具由于有滑动导轨，因此不会发生自由掉落的情况，当用销钉将滑轨的另外一个自由度限定后，液压缸与后卡具的滑轨不会滑出设定的范围。
与液压缸相连的滑块的上部为一个光滑的圆弧面，能够与后卡具的内侧圆弧面配合，而上部圆弧面上两侧各有两个滑轨，滑轨的作用是保证液压缸与滑块连接后能够与后卡具之间完成面与面之间的相互滑动。
后卡具承力主体的后部呈圆弧面而且圆弧面上带槽，用与液压缸滑块相连，液压缸滑块的滑轨就这个槽中沿着滑轨进行滑动，滑动的同时也完成了液压缸正负7°的要求。
设计中滑轨的截面形状呈半圆形，半径为3mm，同时后卡具承力主体的滑槽也呈半圆形，半径为3mm。后卡具与液压缸滑块的圆弧面尺寸均是半径为90mm。
4.3.1 后卡具承力主体强度刚度校核
后卡具承力主体的前部为钩形，目的在于将三角金具的一端勾住，为承力面。鱼腹式设计使得整体承力部件能够减轻自身重量，便于使用。鱼腹体的下部为滑轮设计，与前卡具设计相同，受力相同，这部分在前卡具的校核中已经进行了说明。承力主体的后端呈圆弧面形状，液压缸滑块与该承力主体通过圆弧面相连，因此该承力主体的后侧也为承力面。当液压缸产生作用力时，油缸通过连接滑块将力传递给该承力主体。因此在整个作用过程中，承力主体是主要承载部件，如果产生疲劳破坏，整个后卡具部分首先会在该部分产生裂痕。
对后卡具在承受载荷时，利用有限元计算方法进行计算，得出承力主体的应力和形变数据分布如表2所示。后卡具材料为7075，许用应力530Mpa。
由图中数据得出：后卡具承力主体的强度和刚度在额定载荷下能够满足要求，安全系数高于设计要求的安全系数3.0。
4.3.2 液压缸滑块设计
液压缸滑块如图4.28所示，滑块是连接液压缸与后卡具的中间体。液压缸滑块通过四周四个螺栓孔与液压缸连接，液压缸滑块的底部与液压缸顶部相连。
液压缸滑块与液压缸连接，其中液压缸呈半透明状态。从中可以清楚的看到其与液压缸的连接关系。
液压缸滑块在设计时考虑了实际使用过程中需要满足的要求：整个液压缸能够与后卡具之间发生±7°的自由旋转，以便调节使得前后卡具处于直线相对位置，液压缸作用力在直线上。
满足上述旋转要求是通过液压缸滑块两侧的凸出圆弧状轨道完成的。该轨道是直径为6mm的半圆形，可以绕在后卡具的圆弧腔内自由滑动。
液压缸滑块与后卡具连接，其中后卡具呈半透明态。可以看出两个圆弧面能够完全接触，这样可以保证两部件之间呈面接触。而且部件的前后侧有圆弧形滑槽，保证液压缸能够与后卡具完成滑动。后卡具呈半透明态，可以看出，液压缸与后卡具能够自由滑动。液压缸滑块材料为7075，许用应力530Mpa。液压缸滑块的上下两侧受到压力的作用，因此需要对该滑块进行有限元应力应变计算。
据表3的实验数据可以得出：液压滑块的强度和刚度能够满足设计要求，安全系数高于设计要求。
５ 结束语
本工具的设计过程首先根据机械工程方面的专业知识，收集了人机工程学、机械工装工具的常规设计方法，深入分析了设计要求和实际操作人员的使用方便，提出了鱼腹式设计的理念。
参考机械设计手册等相关方面的资料对该卡具作了优化设计，并对满足设计要求的同时完成后卡具与液压缸在±７°方向上进行相对滑动的方案进行了研究，提出采用面接触以提高工具的接触强度，降低应力应变，并且满足滑轨在滑槽中移动时，油缸能够顺利旋转的要求。
设计过程中对关键承力部位都进行了零件的强度和刚度分析、校核。所有承力部件经过有限元方法分析更加准确，分析显示零部件的强度和刚度完全满足设计要求，同时安全系数远高于设计要求。
整个设计的理念是在满足功能的条件下设计要求尽量减轻其重量，结构紧凑，操纵携带方便，维护简单，因此设计主体材料采用了强度重量比很大的航空镁铝合金7075，同时兼顾美观性和实用性对材料表面进行了微弧氧化处理，卡具不但美观而且防腐性能大大提高。
论文作者:王路江
论文发表刊物:《电力设备》2017年第5期
论文发表时间:2017/5/26
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