QC小组活动管内自动清洁装置研制组.docx

1、QC小组活动管内自动清洁装置研制组管内自动清洁装置研制管道施工技术研究QC小组中国石油天然气管道第二工程公司2013年5月一、小组概况小组名称管道施工技术研究QC小组成立日期2001年3月10日成员人数10人课题类型创新型注册日期2012年4月1日注册编号QC-2012-KY-01活动次数15次活动时间2012.4.12012.12.1活动地点施工技术研究所获奖情况先后获得省部级、国家级奖项共计4项序号姓名性别年龄文化程度职称职务组内分工备注1尹中霞女47大专工程师组长全面策划、实施2张燕超女29硕研工程师组员方案实施3丁英利男42本科工程师组员组织协调4张世伟男32大专助理工程师组员方案实施

2、5王礼来男31本科助理工程师组员方案实施6吴寅虎男29本科工程师组员方案实施7孙国庭男45大专工程师组员方案实施8童少先男58大专技 师组员操作实施9王利群男39大专工程师组员方案实施10李迎春女36大专高级工组员操作实施图1：管道施工技术研究QC小组获奖证书二、课题选定选题理由一：GB50369-2006油气管道工程施工及验收规范中明确要求，管道组对前，应通过管内清扫，确保管内无污物。选题理由二：目前普遍采用的人工清洁方式存在劳动强度大、工作效率低、清洁质量无保障等弊端。选题理由三：通过对本课题“管内自动清洁装置研制”进行科技查新，发现国内尚无同类产品。图4：“管内自动清洁装置研制”科技查新

3、报告因此，我们选定“管内自动清洁装置”作为本次活动的课题。三、目标确定经QC小组讨论，确定课题目标为：针对914mm1219mm管径的钢管，为使钢管内碎瓦砾、碎土块、小泥块、浮灰等污物清洁度相同，管内自动清洁装置的工效较人工清理提高1倍。四、提出方案并确定最佳方案（一）总体结构方案的提出及确定方案编号方案名称方案说明三维效果图方案分析分析结论方案一车载简易清管器设计一个遥控小车，小车前后各安装一个简易清管器。简易清管器是在两块等径圆钢板上安装环形橡胶皮制作而成。优点：结构简单，成本低，易操作。缺点：对粘附管壁的污物不易清理。不采用方案二车载清洁刷、吸尘器设计一个遥控小车，小车前端设计可控旋转清

4、洁刷，后端载入吸尘器，将清洁刷剥离掉的污物吸走。 优点：可清理粘附管壁的污物。缺点：吸尘范围有限，污物清理不彻底，耗电量大。不采用方案三车载清洁、清理、擦拭、隔离四合一装置设计一个遥控小车，小车上设计有可控旋转清洁刷、污物清理器、封堵板，封堵板也可起到擦拭管壁的作用。 优点：能够彻底清理碎瓦砾、碎土块、小泥块、浮灰等各种污物，清洁能力强，易于操作。缺点：结构较复杂。采用（二）总体结构构成车载清洁、清理、擦拭、隔离四合一装置清洁部分清理部分擦拭、隔离部分电控部分清洁刷刷杆刷杆分配器污物清理器封堵板电源电机开关图5：管内自动清洁装置总体结构框图（三）局部结构方案的提出及确定1. 清洁部分（1）清洁

5、刷材质选择方案编号方案名称方案说明方案分析分析结论方案一铜丝刷优点：铜丝较硬，能刷掉粘附管内壁的污物。 缺点：易划伤管内壁防腐层，且铜丝易被折弯。不采用方案二毛刷优点：刷毛较软，不会划伤管内壁防腐层。 缺点：不易清理粘附管壁的污物。 不采用方案三塑料刷优点：刷毛硬度适中，可清理粘附管壁的污物，且不会划伤管内壁防腐层。 缺点：易老化，更换频率高。采用（2）清洁刷数量选择由人在管内最大清洁速度约为6m/min，根据装置行走轮直径为0.15m，换算成转速约为12.7r/min（换算过程为12.76(0.15)），考虑到装置的行走稳定性，将装置的最大行走速度定为12.5 r/min。设清洁刷的旋转速度

6、（也就是旋转电机的转速）用v表示，如装置行走0.1m（等于清洁刷的长度），管内壁每个点的清洁次数N=nv0.1（12.50.15）=0.017nv，根据人用抹布擦拭粘附管壁的土块需10次左右的试验，则装置的清洁次数N10才能满足要求。据此，QC小组对清洁刷的数量进行了选择，选择过程如下：方案编号方案名称方案说明方案分析分析结论方案一4把取清洁次数N=10，清洁刷数量n=4，则清洁刷旋转速度v =N(0.017n) 147 r/min。优点：结构简单、拆装方便。 缺点：旋转速度高，电机稳定性较差。不采用方案二8把取清洁次数N=10，清洁刷数量n=8，则清洁刷旋转速度v =N(0.017n) 73

7、.5 r/min。优点：电机稳定性好。 缺点：拆装较复杂。 采用（3）清洁刷清洁方式选择方案编号方案名称方案说明方案分析分析结论方案一单排刷同向旋转8把清洁刷呈单排等距周向分布，同向旋转进行清洁作业。优点：结构简单。 缺点：拆装非常困难，且受力偶矩的影响，易导致清洁作业中的装置行走方向跑偏，影响清洁质量。不采用方案二双排刷同轴同向旋转8把清洁刷均分为2排，2排清洁刷分别呈等距周向分布，2排清洁刷同轴同向旋转进行清洁作业。优点：拆装方便。 缺点：也容易受力偶矩的影响，导致清洁作业中的装置行走方向跑偏，影响清洁质量。不采用方案三双排刷同轴逆向旋转8把清洁刷均分为2排，2排清洁刷分别呈等距周向分布，

8、2排清洁刷同轴逆向旋转进行清洁作业。优点：拆装方便，且2排清洁刷的力偶矩方向相反使得装置行走平稳，清洁质量有保障。 缺点：结构复杂。采用（4）清洁刷刷杆材质选择方案编号方案名称方案说明方案分析分析结论方案一不锈钢材质采用30mm、厚2mm的钢管。优点：强度和硬度较高，便于加工。 缺点：较重,单根刷杆重约0.85kg，计算公式为m=7.9103(1219/2)10-33.14(152-132)10-60.85kg，外观不够美观。不采用方案二铝合金材质 采用25mm25mm、厚2mm的铝合金方管。优点：外观好看，重量轻,单根刷杆重约0.3kg，计算公式为m=2.7103(1219/2)10-3(2

9、52-212)10-60.3kg。 缺点：加工较为复杂。采用（5）清洁刷与刷杆的组装方式设计方案编号方案名称方案说明三维效果图方案分析分析结论方案一双压簧外置法分别用两个压簧和螺栓直接将清洁刷固定在刷杆上。 优点：结构简单，加工容易。 缺点：拆装不便。不采用方案二单压簧内置法在刷杆的杆头设计一个清洁刷底座，底座上端加工一段内螺纹，用螺栓将清洁刷固定其上；底座下端加工长条通孔，刷杆相应位置也加工通孔，将压簧置于底座内，用铝销将底座与刷杆连接成一体。优点：外观整齐划一，装拆方便。 缺点：结构较复杂，加工较困难。采用（6）清洁刷刷杆分配器设计方案编号方案名称方案说明三维效果图方案分析分析结论方案一顶

10、丝固定刷杆的分配器分别设计2个圆柱形轴套，沿其周向各加工4个等距的方孔，分别将刷杆插入方孔中，用顶丝将其固定。优点：结构简单、加工容易。 缺点：较重；装拆不便；顶丝松弛会导致刷杆甩出，存在安全隐患。不采用方案二螺栓连接固定刷杆的分配器分别设计2个轴套，沿其周向各焊有4个等距分支插管，在插管上加工通孔，用螺栓将刷杆和插管连接在一起。优点：较轻；装拆方便；安全可靠。 缺点：加工程序较复杂。 采用2. 清理部分（污物清理器设计）污物清理器是将选定材质的材料裁剪为弧形（弧长为钢管内圆周长的1/4），通过螺栓安装在封堵板底部。方案编号方案名称方案说明方案分析分析结论方案一塑料皮采用3mm厚的塑料皮优点：

11、价格较便宜，约为86元/米2，材质柔软，不会划伤管壁。 缺点：硬度较低，不易清理瓦砾、碎土块等污物，不够耐磨，容易变形。 不采用方案二尼龙板采用10mm厚的尼龙板优点：硬度较高，可清理各种污物，耐磨，不易变形。 缺点：易划伤管壁，价格较高，约为310元/米2 。不采用方案三橡胶皮采用15mm厚的橡胶皮优点：硬度适中，有一定的弹性，既能够清理各种污物，也不会划伤管壁；价格适中，约为150元/米2； 耐磨、不易变形。 缺点：重量稍重。采用3. 擦拭、隔离部分（1）封堵板的选材及组装方式设计方案编号方案名称方案说明三维效果图方案分析分析结论方案一螺栓周向固定钢板、海绵的方式在1mm厚的不锈钢圆形钢板

12、和圆环钢板上分别沿周向打孔，用螺栓将圆形钢板、1块直径稍大于钢板的圆形海绵、圆环钢板连接成为一个整体。其中：海绵的直径与待清洁钢管的内径相当，圆环钢板的外径和钢板的直径相等。优点：选材容易，加工方便，成本较低。 缺点：装拆麻烦，不便于更换擦拭海绵；外观不美观；较重，约为方案二的1.5倍。不采用方案二海绵塞入铆接铝合金板间隙的方式用铆钉将两块1mm厚的铝合金圆板铆接成一个具有一定间隙的整体，将清洁海绵直接塞入到铝合金圆板间隙中即可。优点：拆卸清洁海绵较为方便；重量较轻；外观美观。 缺点：选材较难，成本较高，约为方案一的5倍。采用（2）封堵板的安装位置选择方案编号方案名称方案分析分析结论方案一安装

13、在装置后端优点：整体结构显得较为协调，安装较为方便。 缺点：清洁刷剥离掉的污物容易通过传动轴与不锈钢壳体之间的调节孔飞溅入内，造成电机和电控部分受损。 不采用方案二安装在装置前端优点：可将装置的电机和电控部分全部隔离在已清洁管段，免受污物损坏。 缺点：拆卸较麻烦。采用4. 电控部分（1）电源选型方案编号方案名称方案说明方案分析分析结论方案一电瓶供电电瓶通常也叫铅酸蓄电池，图示如下：优点：价格较便宜，单块电瓶价格为960元。 缺点：体积大，重量大，约25kg，无短路自保护功能，易烧毁设备。不采用方案二锂电池供电锂电池图示如下：优点：体积小，重量轻，仅为4kg；具有短路自保护功能；绿色环保，无论生

14、产、使用、报废，也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。 缺点：价格较贵，约1500元/块。采用（2）电机选型1）行走电机选型由前面得知，将装置的最大行走速度定为12.5 r/min，根据现场情况，设定装置最高爬坡能力=100，经查阅机械设计手册得装置的行走轮与管内壁的滚动摩擦力臂K=2.5mm。QC小组对清洁刷进行了摩擦力试验（如图2），试验过程为：在清洁刷上施加正压力，直至清洁刷承受不了而歪倒，由此得出，清洁刷所受最大正压力为24.5N，经查阅机械设计手册得，塑料刷对钢的摩擦系数=0.1，因此，8把清洁刷所受最大摩擦力f1=24.50.18=19.6N。图6：清洁刷摩擦力试验图Q

15、C小组又对封堵板进行了摩擦力试验（见图3），得封堵板所受最大摩擦力f2=147N，设定装置自重mg=70kg，又知行走轮半径r=75mm，根据力学原理对装置进行了受力分析（受力分析图见图4）。由上可得，装置的驱动力P= mgsin+ mgcosK/r+ f1+ f2308N，驱动力力矩W=Pr=23.1Nm。考虑到清扫污物的重量，行走电机选取90ZYT108PX6Rv50-40-AB，转速为12.5r/min，输出扭矩为94.5Nm。2）旋转电机选型考虑到清洁效果和电机选型的便利性，将清洁刷旋转速度定为100转/分,已知清洁刷刷杆与清洁刷底座长0.545m，单根刷杆重0.5kg，刷杆采用铝合金

16、方管0.025m0.025m0.002m，清洁刷旋转电机必须满足公式：TMg+MT。式中，T：电机输出扭矩（Nm）；Mg：惯性力矩（Nm）；MT：清洁刷与管壁摩擦力矩（Nm）。其中：；。上述左式中，J：转动惯量（kgm2）；K=0.166；m：单根清洁刷杆质量（kg），m=0.5kg；De2=4b2+c21.19m2，其中：b=0.545m，c=0.025m；a：加速度，a=v2/b=59.61m/s2,其中：v=(100/60)0.54523.14=5.7m/s。将所有已知量带入得，Mg11.8Nm。上述右式中，F：管壁对清洁刷的摩擦力；L：1219钢管半径，L=1.219/20.61m；:

17、清洁刷与管壁摩擦系数，=0.1；N：清洁刷与管壁接触压力，经试验测得N24.5N；将所有已知量带入得，MT12Nm。因此，可得清洁刷旋转电机的输出扭矩TMg+MT=23.8Nm，最终选取的清洁刷旋转电机型号：110ZYT157PX6A1，输出扭矩30Nm，转速100转/分。（3）开关选型为了防止装置在行进（或后退）至管口滑落，QC小组在装置上安装2个相同开关，使装置到管口处自动停止，下表是对开关的选型过程。 方案编号方案名称方案说明方案分析分析结论方案一行程开关行程开关又叫限位开关，安装在装置的边缘位置，当装置在管内时，行程开关触头受管内壁压力，开关闭合，装置正常工作；装置行至管口时，行程开关

18、触头离开管内壁，开关断开，装置停止工作。优点：不需供电。缺点：使用寿命短、响应速度慢。不采用方案二光电开关光电开关主要由发射器和接收器构成，当装置在管内时，发射器发出的光束经管内壁反射被接收器接收，开关闭合，装置可正常工作；当装置在管口时，发射器发出的光束无法被反射，接收器接收不到反射光束，则开关断开，装置停止工作。优点：体积小、重量轻、响应速度快、安装方便。缺点：需要电源供电。采用图9：管内自动清洁装置最佳研制方案材质：塑料数量：8把清洁方式：双排刷同轴逆向旋转车载清洁、清理、擦拭、隔离四合一装置清洁部分清理部分擦拭、隔离部分电控部分清洁刷刷杆刷杆分配器污物清理器封堵板电源电机开关材质：铝合

19、金清洁刷与刷杆的组装方式：单压簧内置法螺栓连接固定刷杆的分配器橡胶皮选材及组装方式：海绵塞入铆接铝合金板间隙安装位置：装置的前端锂电池供电行走电机：90ZYT108PX6Rv50-40-AB旋转电机：110ZYT157PX6A1光电开关（四）确定最佳方案五、制定对策序号对策目标措施地点完成时间责任人1设计图绘制1张总装配图、23张零件加工图和10张三维效果图绘制完毕，尺寸标注齐全。采用CAD软件绘图。施工技术研究所机房2012年6月30日尹中霞吴寅虎2零部件的原材料采购、加工、组装满足设计要求和功能需要。 外购材料，根据设计要求进行加工、组装。施工技术研究所厂房2012年10月31日尹中霞王礼

20、来童少先3标配件的购置满足设计要求和功能需要。外购标配件施工技术研究所2012年10月31日丁英利李迎春4电控部分连接、调试电路连接完成，确保装置行走电机和清洁刷旋转电机能够正常运转，确保遥控能够控制装置行进、后退和清洁刷旋转。 根据设计要求进行电路连接。施工技术研究所厂房2012年11月15日张世伟张燕超孙国庭王利群5装置总装零部件组装完毕，装置具备自动清洁作业功能。根据装配要求依次组装。施工技术研究所厂房2012年11月20日尹中霞童少先六、对策实施实施一：设计图绘制图10：装置的总体装配设计图图11：装置的三维效果图实施效果：QC小组绘制了1张装配图、23张零件加工图和10张三维效果图，

21、上图为装置的总装配图和三维效果图。实施二：零部件的原材料采购、加工、组装图12：装置的零部件加工图表1：装置自加工零部件列表序号零件名称材质加工方法加工数量备注1清洁刷刷杆分配器1不锈钢机加工、焊接、打磨12清洁刷刷杆1（可伸缩段）铝合金钻孔、切割、焊接、打磨43清洁刷刷杆1（固定段）铝合金钻孔、切割、打磨44清洁刷刷杆分配器2不锈钢机加工、焊接、打磨15清洁刷刷杆2（可伸缩段）铝合金钻孔、切割、焊接、打磨46清洁刷刷杆2（固定段）铝合金钻孔、切割、打磨47清洁刷底座铝合金机加工、铆接88弹簧座（铝销）铝合金机加工89封堵板铝合金切割、铆接110擦拭器高密度海绵按设计要求裁制111轴承盖不锈钢

22、机加工112换向器不锈钢机加工113旋转电机底座不锈钢切割、焊接114主轴不锈钢机加工115轴套不锈钢机加工116污物清理器橡胶切割117衬垫尼龙切割218装置底座不锈钢切割、焊接119电控面板不锈钢切割、焊接120被动轮轴不锈钢机加工121主动轮轴不锈钢机加工122行走轮橡胶、不锈钢机加工、挂胶423电控部分壳体镀锌铁皮切割、铆接1实施效果：23种零件加工完毕，尺寸满足设计要求。实施三：标配件的购置实施情况：QC小组共购置了电机、锂电池、清洁刷、螺栓等22种标配件，详见表2。表2：装置外购标配件列表序号零件名称标准单位规格数量备注1螺母GB/T6170个M1212平垫GB/T95个1283固

23、定螺栓GB/T5781套M5164清洁刷个8塑料材质5螺栓GB/T5781套M81546螺栓GB/T5781套M102047密封毡个18圆锥滚子轴承GB297-94个3020429螺栓GB290-64套M1020410支座轴承GB/T3882个411螺母GB/T6170个M10412旋转电机台110ZYT157PX6A1113行走电机台90ZYT108PX6Rv50-40-AB114锂电池块DC48V115电源总开关个DZ47-63116工业遥控器部F21-E1B-TX117电位器个20K218光电开关个E3JK-DS30M1219保险片、保险座套10A220电源模块块DC48V-DC24V1

24、21控制器个DC48RT50BL222电线米1平方30实施效果：所购置标配件均满足设计要求和功能需要。图13：电控部分电路设计图实施四：电控部分连接、调试图14：小组成员正在连接、调试装置的电控部分实施效果：电路连接完成，装置行走电机和清洁刷旋转电机能够正常运转，遥控能够控制装置的行进、后退和清洁刷的旋转，装置行进（后退）速度为0-12.5r/min，清洁刷旋转速度为0-100r/min，装置行进（后退）至管口时，可自动停止工作。实施五：装置总装图15：装置总体装配图表3：装置主要零部件装配情况列表序号零件名称零件名称装配方式备注1清洁刷清洁刷底座螺栓连接2清洁刷底座清洁刷刷杆（可伸缩段）销连

25、接3清洁刷刷杆（可伸缩段）清洁刷刷杆（固定段）螺栓连接4清洁刷刷杆（固定段）清洁刷刷杆分配器螺栓连接5清洁刷刷杆分配器1主轴键连接6清洁刷刷杆分配器2轴套轴套定位7旋转电机旋转电机底座螺栓连接8换向器旋转电机底座螺栓连接9封堵板换向器螺栓连接10污物清理器封堵板螺栓连接11锂电池行走电机、旋转电机、光电开关电线连接12电控部分壳体装置底座螺栓连接13行走轮轮轴键连接14轮轴行走电机键连接15行走电机装置底座螺栓连接实施效果：各零部件组装完毕，装置具备自动清洁作业功能。七、效果检查（一）装置技术参数表4：装置的技术参数表序号参数名称参数值备注1总 重67.6kg2总 长855mm3适应管径914mm1219mm4爬坡能力105控制方式遥控控制（二）清洁试验分析为了检验该装置的性能，QC小组先后安排1名工人和该装置分别对1根12米长、清洁状态类似的1219mm钢管进行了清洁试验。试验发现，在清洁效果相当的情况下，人工清洁该钢管需时约15分钟（即：工作效率为0.8m/min），该装