QC小组活动管内自动清洁装置研制组.docx
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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
2012.4.1—2012.12.1
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
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φ914mm—φ1219mm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12.7≈6÷（π×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12.5r/min。
设清洁刷的旋转速度（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=n×v×0.1÷（12.5×π×0.15）=0.017×n×v，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N≥10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÷（0.017×n）≈147r/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÷（0.017×n）≈73.5r/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，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φ30mm、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=ρν=7.9×103×（1219/2）×10-3×3.14×（152-132）×10-6≈0.85kg，外观不够美观。
不采用
方案二
铝合金材质
采用25mm×25mm、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=ρν=2.7×103×（1219/2）×10-3×（252-212）×10-6≈0.3kg。
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：
①较重；②装拆不便；③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：
①较轻；②装拆方便；③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：
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：
①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；②价格适中，约为150元/米2；③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：
①装拆麻烦，不便于更换擦拭海绵；②外观不美观；③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：
①拆卸清洁海绵较为方便；②重量较轻；③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：
①体积小，重量轻，仅为4kg；②具有短路自保护功能；③绿色环保，无论生产、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12.5r/min，根据现场情况，设定装置最高爬坡能力θ=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μ=0.1，因此，8把清洁刷所受最大摩擦力f1=24.5×0.1×8=19.6N。
图6：
清洁刷摩擦力试验图
QC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=mgsinθ+mgcosθ×K/r+f1+f2≈308N，驱动力力矩W=P×r=23.1N·m。
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94.5N·m。
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，刷杆采用铝合金方管0.025m×0.025m×0.002m，清洁刷旋转电机必须满足公式：
T≥Mg+MT。
式中，T：
电机输出扭矩（N·m）；Mg：
惯性力矩（N·m）；MT：
清洁刷与管壁摩擦力矩（N·m）。
其中：
；
。
上述左式中，J：
转动惯量（kg•m2）；K=0.166；m：
单根清洁刷杆质量（kg），m=0.5kg；De2=4b2+c2≈1.19m2，其中：
b=0.545m，c=0.025m；a：
加速度，a=v2/b=59.61m/s2,其中：
v=（100/60）×0.545×2×3.14=5.7m/s。
将所有已知量带入得，Mg≈11.8N·m。
上述右式中，F：
管壁对清洁刷的摩擦力；L：
φ1219钢管半径，L=1.219/2≈0.61m；μ:
清洁刷与管壁摩擦系数，μ=0.1；N：
清洁刷与管壁接触压力，经试验测得N≈24.5N；将所有已知量带入得，MT≈12N·m。
因此，可得清洁刷旋转电机的输出扭矩T≥Mg+MT=23.8N·m，最终选取的清洁刷旋转电机型号：
110ZYT157PX6A1，输出扭矩30N·m，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，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
1
2
清洁刷刷杆1（可伸缩段）
铝合金
钻孔、切割、焊接、打磨
4
3
清洁刷刷杆1（固定段）
铝合金
钻孔、切割、打磨
4
4
清洁刷刷杆分配器2
不锈钢
机加工、焊接、打磨
1
5
清洁刷刷杆2（可伸缩段）
铝合金
钻孔、切割、焊接、打磨
4
6
清洁刷刷杆2（固定段）
铝合金
钻孔、切割、打磨
4
7
清洁刷底座
铝合金
机加工、铆接
8
8
弹簧座（铝销）
铝合金
机加工
8
9
封堵板
铝合金
切割、铆接
1
10
擦拭器
高密度海绵
按设计要求裁制
1
11
轴承盖
不锈钢
机加工
1
12
换向器
不锈钢
机加工
1
13
旋转电机底座
不锈钢
切割、焊接
1
14
主轴
不锈钢
机加工
1
15
轴套
不锈钢
机加工
1
16
污物清理器
橡胶
切割
1
17
衬垫
尼龙
切割
2
18
装置底座
不锈钢
切割、焊接
1
19
电控面板
不锈钢
切割、焊接
1
20
被动轮轴
不锈钢
机加工
1
21
主动轮轴
不锈钢
机加工
1
22
行走轮
橡胶、不锈钢
机加工、挂胶
4
23
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
M12
1
2
平垫
GB/T95
个
φ12
8
3
固定螺栓
GB/T5781
套
M5
16
4
清洁刷
个
8
塑料材质
5
螺栓
GB/T5781
套
M8×15
4
6
螺栓
GB/T5781
套
M10×20
4
7
密封毡
个
1
8
圆锥滚子轴承
GB297-94
个
30204
2
9
螺栓
GB290-64
套
M10×20
4
10
支座轴承
GB/T3882
个
4
11
螺母
GB/T6170
个
M10
4
12
旋转电机
台
110ZYT157PX6A1
1
13
行走电机
台
90ZYT108PX6Rv50-40-AB
1
14
锂电池
块
DC48V
1
15
电源总开关
个
DZ47-63
1
16
工业遥控器
部
F21-E1B-TX
1
17
电位器
个
20K
2
18
光电开关
个
E3JK-DS30M1
2
19
保险片、保险座
套
10A
2
20
电源模块
块
DC48V-DC24V
1
21
控制器
个
DC48RT50BL
2
22
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
67.6kg
2
总长
855mm
3
适应管径
φ914mm—φ1219mm
4
爬坡能力
≦10°
5
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φ1219mm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
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