针对绝缘子型号种类非常之多、传统卡具不通用导致绝缘子更换效率低下的现状，安徽送变电工程有限公司的孟令、吴维国、胡成城、马鹏飞、邹鑫，在2023年第4期《电气技术》上撰文，设计了一款以通用性及轻量化为目标的万能更换卡具。他们利用有限元法对设计完成的卡具在实际工况下的力学性能进行仿真分析，根据结果得出卡具在静态载荷132kN作用下满足强度要求。该卡具顺利通过了实际更换作业试验，验证了有限元仿真分析结果的正确性、卡具结构设计的通用性及合理性。

  随着我们国家的经济发展，城市用电量慢慢的变大，国内输电线路数量快速增加。其中，高压输电线路中使用的绝缘子由于一直处在露天环境，易受雷、雨影响而发生损坏，为避免影响用电安全，需要用绝缘子更换卡具进行及时更换。由于绝缘子的生产及研究同步进行，绝缘子型号慢慢的变多，传统更换卡具的不通用性导致绝缘子更换效率低下。

  例如，有文献在对绝缘子进行小型化设计后，尺寸变化使现有卡具不再适用。针对这一情况，许多个人或单位相继研发出多种万能绝缘子更换卡具，使一种卡具可更换不相同的型号的绝缘子，来提升工作效率。有文献开发了套筒模式的通用绝缘子卡具，此卡具可更换不同厂家、不相同的型号的绝缘子，提高了卡具通用性。有文献设计了一种绝缘更换设备，提高更换作业安全性的同时也提升了更换效率。有文献使用碳纤维复合材料替换传统卡具使用的钢材，使卡具质量减少59.62%，增强了卡具便携性。

  上述设计在卡具材料和结构方面都有创新，但在实际应用中，卡具内径与绝缘子外径匹配较为困难，并不可以真正有效提升更换绝缘子的效率。

  为进一步提升卡具通用性并降低绝缘子更换难度，本文提出一种新型万能绝缘子更换卡具。此万能卡具以通用性和轻量化为设计目标，同时考虑卡具制造及使用成本。本文所提新型万能绝缘子更换卡具设计完成后，利用有限元方法对其进行力学分析，由相关文献可知有限元方法对绝缘子强度分析的结果具有较高的可靠性，因此当仿真分析结果满足规定的要求后即可铸造卡具实物，再通过实际绝缘子更换作业模拟试验验证新型万能更换卡具结构设计的合理性及通用性。

  在传统闭式卡具的设计中，主体部分为上下盖开合模式，卡具的内径与绝缘子钢帽外径相匹配，通过二者的卡紧完成绝缘子的更换，传统闭式卡具如图1所示。传统闭式卡具构造简单，操作便捷，但是其在单个零件发生损坏后必须更换整个卡具，使用成本高。另外，此卡具只能对应单一型号的绝缘子，通用性差。

  在后续改进中，有文献设计出可调式绝缘子闭式卡具如图2所示，该卡具增加了可调节分片内胆，提高了卡具的通用性，并且内胆的可拆卸设计降低了卡具的使用成本。但是，该设计中的螺栓受力较大，若调节过大有断裂风险，因此此种设计仍有较大的改进空间。

  通过上述对现有卡具结构设计的分析，本文设计一种新型万能绝缘子更换卡具，针对上述现有卡具的不足做出相应的结构优化，以提升绝缘子更换作业的速度与效率，降低卡具使用成本。

  有文献将传统卡具主体部分设计为内卡和外卡，通过选用适配绝缘子尺寸的内卡实现快速更换不相同的型号的绝缘子。有文献设计了一种匹配绝缘子凸缘面的调整夹头，并通过有限元明了该夹头的可行性。参考上述设计，新型万能卡具主体部分设计仍然采用上下盖开合模式，通过轴销与锁紧轴销控制主体开合，其中后卡具零件示意图如图3所示。由于闭式卡具的磨损大多数来源于于卡具与钢帽内侧的接触部分，同时考虑卡具的通用性，故设计新型万能卡具具有可匹配绝缘子凸缘面的可调节拆卸卡爪。

  其中，单爪行程8mm，卡爪可通过进给螺杆实现对不相同的型号绝缘子进行直径匹配，进而实现卡具对不同吨位、不相同的型号绝缘子的通用性。卡爪通过螺杆及定位块实现径向固定，螺杆和定位块的组合作用使卡爪在工作时更牢固可靠，同时卡爪与主体部分接触面积较大，可缓解螺杆的受力情况，降低螺杆断裂的可能性。前后卡具主体部分完全相同，前后卡爪因其卡紧方法不一样而在形状上略有不同。

  卡具主体部分使用7075铝合金材料，卡爪部分使用TC4钛合金材料，合金相较于钢材密度更小，抵抗腐蚀能力更强，因而新型卡具整体质量相较于钢制卡具下降许多，提升了卡具的便携性。

  绝缘子在工作中会有一定的损坏，在覆雪条件下，绝缘子损坏率会相对增加，其更换更加频繁。根据卡具使用情况，每套卡具在连续更换30片绝缘子后，卡具会存在不同程度的破损，在使用整体式卡具时，卡具使用成本会大大增加。

  卡爪是直接与绝缘子接触的零件，卡爪的可拆卸性使卡具在使用中损坏后只需更换单个损坏卡爪，这一设计大幅度的降低了卡具的后续使用成本。同时，卡爪使用钛合金材料，强度高，在使用的过程中不易发生损坏，可增加卡爪的常规使用的寿命，减少更换次数。

  新型万能卡具工作原理如图4所示，前后卡具中心距800mm，其中液压杆行程为100～250mm。更换作业时，将前卡爪与后卡爪分别卡在钢帽凸缘的前侧与后侧，通过微调进给螺杆使四个卡爪同时与钢帽凸缘贴合，以避免卡爪受力不均，最后通过液压杆收紧前卡具及后卡具，待损坏绝缘子松动后才可以进行更换。

  将设计人员提供的卡具三维模型导入Hypermesh中，对模型倒角及细微结构可以进行几何处理后划分网格，其中卡爪与钢帽接触部分是核心区域，因此卡爪与钢帽前端网格为六面体网格，其余各部分为自动划分的四面体网格。前卡具模型为681904个单元，后卡具模型为608040个单元，钢帽模型为44677个单元，网格尺寸最大为3mm，最小为1mm，前卡具及钢帽模型网格划分如图5所示。卡具各部分材料参数见表1，以此对仿真模型进行材料定义。

  在有限元分析中，对螺纹连接用RBE2单元进行模拟，并将卡爪与主体、卡爪与钢帽的接触部分设置为面对面接触，摩擦系数设置为0.17。根据卡具的工作原理及受力特点，对卡具模型进行加载及约束。模型分析以30t绝缘子为例，安全系数采用2.5，考虑到实际在做的工作拉杆受力的不均匀性，对卡具单侧加载66kN，作用于卡具与液压杆轴销连接处，加载方向平行于液压杆施力方向。约束位置为钢帽前侧，约束六个方向自由度，前后卡具加载与约束示意图如图6所示。

  将Hypermesh中处理好的前、后卡具模型分别导入Abaqus中进行计算，前卡具位移与应力云图如图7、图8所示，后卡具位移与应力云图如图9、图10所示。

  由前后卡具的位移云图图7和图9可知，卡具最大位移点都位于卡具两端位置，最大位移分别为5.686mm、3.409mm。前后卡具各零件所受最大应力见表2。

  由表2可知，前卡具与后卡具各零部件最大应力均小于各自材料的屈服强度，说明所设计的新型万能卡具在更换30t绝缘子时能够很好的满足强度要求。对于在真实的情况中磨损最为严重的卡爪，所受应力相对于材料的屈服强度来说较小，这能增加卡爪的常规使用的寿命，减少卡爪更换次数，降低卡具的使用成本。

  卡具采用熔模精密铸造方法制作而成，此方法铸造而成的卡具具有更高的尺寸精度及表面上的质量，能够大大减少铸造成形后卡爪与主体之间因尺寸误差导致的不配合问题。铸造成形的新型万能绝缘子卡具如图11所示。

  在特定试验场地，对卡具实际更换绝缘子作业进行模拟，首先对20t绝缘子串两端施加一定拉力，模拟真实的情况下绝缘子载荷情况，再根据1.3节所述步骤对损坏绝缘子来更换，如图12所示，绝缘子更换完成后，卡具未出现损坏现象，且卡具无变形。再重复上述过程，对30t绝缘子来更换，如图13所示，更换完成后卡具未发生破损或变形。上述更换试验结果说明此卡具在强度与通用性方面都满足设计要求。

  通过对新型万能绝缘子卡具结构特点的介绍，以及对卡具实际在做的工作情况下的仿真及试验模拟，能得出以下结论：1）通过对现有卡具优缺点的分析，从结构和材料两方面对卡具进行了创新设计。所设计的可调节、可拆卸卡爪使卡具对不同吨位、不相同的型号的绝缘子都能通用，其中卡具主体采用铝合金材料，受力较大的卡爪采用强度更高的钛合金材料，合金材料使卡具质量更轻、强度更高。

  2）施加132kN的载荷进行仿真模拟分析，根据结果得出各零件所受应力值均小于材料的屈服强度，满足强度要求。

  3）利用卡具进行实际更换20t、30t绝缘子的试验，验证了仿真结果的正确性及卡具结构设计的合理性和通用性。新型万能绝缘子卡具的应用可大大降低卡具的使用成本并提升工作人员更换绝缘子的工作效率。