管内自动清洁装置研制QC成果

1、管内自动清洁装置研制管道施工技术研究QC小组发布人：张燕超2013年7月目 录一、小组概况二、课题选定三、目标确定四、提出方案并确定最佳方案五、制定对策六、对策实施七、效果检查八、标准化九、总结与今后打算一、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4项省部级奖、1项国家奖一、小组概况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

2、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 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。二、课题选定选题理由一 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。二、课题选定选题理由二用抹布擦拭管内壁用木板清理管内壁积雪用吸尘器清洁管内壁通

3、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。二、课题选定选题理由三查新报告管内自动清洁装置研制二、课题选定选定课题三、目标确定 针对914mm1219mm管径的钢管，为使管内碎瓦砾、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。经讨论，目标确定为四、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一：车载简易清管器方案说明：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。不采用 缺点：对粘附管壁的污物不易清理。四、提出方案并确定最佳方案（一）总体

4、结构方案的提出及确定方案二：车载清洁刷、吸尘器方案说明：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，吸尘器可将清洁刷剥离掉的污物吸走。 优点：可清理粘附管壁的污物。不采用 缺点：吸尘范围有限，污物清理不彻底，耗电量大。四、提出方案并确定最佳方案方案三：车载清洁、清理、擦拭、 隔离四合一装置方案说明：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。采用 缺点：结构较复杂。（一）总体结构方案的提出及确定四、提出方案并确定最佳方案（二）总体结构构成车载清

5、洁、清理、擦拭、隔离四合一装置清洁部分清洁刷刷杆刷杆分配器清理部分污物清理器擦拭、隔离部分封堵板电控部分电源开关电机四、提出方案并确定最佳方案（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。采用四、提出方案并确定最佳方案（三）局部结构方案的提出

6、及确定1.清洁部分（2）清洁刷数量选择 由人在管内最大清洁速度约为6m/min的试验，根据装置行走轮直径为0.15m，换算成转速u= 6(0.15) 12.7r/min，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=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，则装置对管内壁每个点的清洁次数N10才能满足要求。四、提出方案并确定最佳方案（三）局部结构方案的提出及确定1.清洁部分（2）清洁刷数量选择 由上，

7、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) 73.5 r/min。 优点：电机稳定性好。 缺点：拆装较复杂。 采用四、提出方案并确定最佳方案（三）局部结构方案的提出及确定1.清洁部分（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

8、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。 采用四、提出方案

9、并确定最佳方案（三）局部结构方案的提出及确定1.清洁部分（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(252-212)10-60.3kg。 缺点：加工较为复杂。 采用四、提出方

10、案并确定最佳方案（三）局部结构方案的提出及确定1.清洁部分（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，设计效果图如下： 优点：结构简单，加工容易。 缺点：拆装不便。不采用四、提出方案并确定最佳方案（三）局部结构方案的提出及确定1.清洁部分（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方案分析分析结论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

11、。设计效果图如下： 优点：外观整齐划一，装拆方便。 缺点：结构较复杂，加工较困难。采用四、提出方案并确定最佳方案方案一方案说明方案分析分析结论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，设计效果图如下： 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（三）局部结构方案的提出及确定1.清洁部分（6）清洁刷刷杆分配器设计 四、提出方案并确定最佳方案方案二方案说明方案分析分析结论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

12、杆和插管连接在一起。设计效果图如下： 优点：较轻；装拆方便；安全可靠。 缺点：加工程序较复杂。 采用（三）局部结构方案的提出及确定1.清洁部分（6）清洁刷刷杆分配器设计 四、提出方案并确定最佳方案方案名称方案说明方案分析分析结论塑料皮采用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

13、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 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。（三）局部结构方案的提出及确定2.清理部分污物清理器设计 四、提出方案并确定最佳方案方案一方案说明方案分析分析结论螺栓周向固定钢板、海绵的方式 用螺栓将1块圆形钢板、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

14、 。 不采用（三）局部结构方案的提出及确定3.擦拭、隔离部分（1）封堵板的选材及组装方式设计 四、提出方案并确定最佳方案方案二方案说明方案分析分析结论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（三）局部结构方案的提出及确定3.擦拭、隔离部分（1）封堵板的选材及组装方式设计 四、提出方案并确定最佳方案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

15、：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（三）局部结构方案的提出及确定3.擦拭、隔离部分（2）封堵板的安装位置选择 四、提出方案并确定最佳方案方案名称方案说明方案分析分析结论电瓶 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。不采用锂电池 优点：体积小，重量轻，仅为4kg；具有短路自保护功能；绿色环保，无论生产、使用、报废，也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元

16、素和物质。 缺点：价格较贵，约1500元/块。采用（三）局部结构方案的提出及确定4.电控部分（1）电源选型四、提出方案并确定最佳方案（三）局部结构方案的提出及确定4.电控部分（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。 QC小组对清洁刷进行了摩擦力试验（见右图），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。 清洁刷摩擦力试验图四、提出方案并确定最佳方案（三）局部结构方案的提

17、出及确定4.电控部分（2）电机选型 1）行走电机选型 QC小组又对封堵板进行了摩擦力试验（见左下图），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。根据力学原理对装置进行了受力分析（受力分析图见右下图）。封堵板摩擦力试验图装置受力分析图mgcosmgf1f2四、提出方案并确定最佳方案（三）局部结构方案的提出及确定4.电控部分（2）电机选型 1）行走电机选型 综上可得，装置的最大驱动力P= mgsin+ mgcosK/r+ f1+ f2

18、308N 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。四、提出方案并确定最佳方案（三）局部结构方案的提出及确定4.电控部分（2）电机选型 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0.025m0.025m0.002m，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

19、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。四、提出方案并确定最佳方案（三）局部结构方案的提出及确定4.电控部分（2）电机选型 2）旋转电机选型上述右式中，F：管壁对清洁刷的摩擦力；L：1219钢管半径，L=1.219/20.61m；: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N2

20、4.5N；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。四、提出方案并确定最佳方案（三）局部结构方案的提出及确定4.电控部分（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

21、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。 不采用方案一光电开关 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。 采用四、提出方案并确定最佳方案（四）确定最佳方案材质：塑料数量：8把清洁方式：双排刷同轴逆向旋转锂电池供电材质：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

22、塞入铆接铝合金板间隙安装位置：装置的前端行走电机：90ZYT108PX6Rv50-40-AB旋转电机：110ZYT157PX6A1光电开关车载清洁、清理、擦拭、隔离四合一装置清洁部分清洁刷刷杆刷杆分配器清理部分污物清理器擦拭、隔离部分封堵板电控部分电源开关电机五、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

23、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 制表：张燕超 制表日期：2012年4月20日六、对策实施实施一：设计图绘制 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 ，尺

24、寸标注准确无误，上图为装置的总体装配设计图和三维效果图。装置的三维效果图装置的总体装配设计图六、对策实施实施二：零部件的原材料采购、加工、组装序号零件名称 材质 加工方法 加工数量 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

25、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 序号零件名称 材质 加工方法 加工数量 12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装置自加工零部件列表 制表：张燕超 制表日期：2012年10月20日六、对策实

26、施实施二：零部件的原材料采购、加工、组装实施效果：23种零件加工完毕，满足设计要求。六、对策实施实施三：标配件的购置序号零件名称 标准 单位 规格数量 1螺母GB/T6170个M1212平垫GB/T95个1283固定螺栓GB/T5781套M5164清洁刷个塑料材质85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M104序号零件名称 标准 单位规格数量 12旋转电机台110ZYT157PX6A1113行走电机台90ZYT10

27、8PX6Rv50-40-AB114锂电池块DC48V115电源总开关 个DZ47-63 116工业遥控器 部F21-E1B-TX 117电位器 个20K 218光电开关 个E3JK-DS30M1 219保险片、保险座 套10A 2 20电源模块 块DC48V-DC24V 1 21控制器 个DC48RT50BL 222电线 米1平方 30 装置外购标配件列表 实施效果：所购置22种标配件均满足设计要求和功能需要。 制表：张燕超 制表日期：2012年10月20日六、对策实施实施四：电控部分连接、调试 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

28、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。六、对策实施实施五：装置总装序号零件名称 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

29、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 装置主要零部件装配情况列表 制表：张燕超 制表日期：2012年12月20日六、对策实施实施五：装置总装实施效果：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 制表：张燕超 制表日期：2012年12月20日 管内自动清洁装置技术参数表七、效果检查 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），该装置需时约6分钟（即：工作效率为2m/min）。因此， 装置清洁效率较人工清洁效率提高了1.5倍（超过了预期研究目标）。（二）清洁试验分析七、效果检查 为了检验该装置的现场作业性能，QC小组将“管内自动清洁装置”在管道二公司江都如东天然气管道项目泰兴芙蓉段进行了为期1个月的现场应用，清理管径为101626