XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ПРИМЕНЕНИЕ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ РОБОТИЗИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ВЗЯТИЯ ПРОБ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕННЫХ КАТАСТРОФ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Техногенные аварии и катастрофы, вероятность возникновения которых достаточно высока, становятся практически неизбежны в силу увеличения сложности производства с применением энергоемких технологий, радиоактивных и токсичных веществ. Невозможно проведение плановых ремонтных работ и замена изношенного оборудования, снижаются требования к эффективности работы надзорных органов и государственной инспекции, падение технологической и производственной дисциплины, снижение уровня квалификации обслуживающего персонала приводит к необратимым последствиям. В этой ситуации особую опасность представляют объекты химической и атомной промышленности. Работающее изношенное оборудование является постоянной угрозой здоровью обслуживающего персонала, а любая нештатная ситуация функционирования может привести к аварии или катастрофе. Поражающие факторы, возникающие при этом, образуют экстремальные условия для выживания в них не только спасаемых, но и личного состава спасателей, ликвидирующих последствия аварий.
Опираясь на вышесказанное, целью данной работы является уменьшение степени участия человека при проведении работ по взятию проб почвы и воды в опасных условиях техногенных катастроф за счет использования роботизированных комплексов.
Для достижения данной цели необходимо выполнить следующие задачи:
Обзор техногенных катастроф и существующих роботизированных комплексов для взятия проб в условиях техногенных катастроф
Проектирование механической части роботизированного комплекса
Разработать алгоритм программы для управления РТК на базе программируемого логического контроллера
Произвести испытания РТК для взятия проб почвы и воды
Объектом исследования является роботизированный комплекс по взятию проб (далее робот)
Практическая значимость: Уменьшить степень участия человека при проведении работ по взятию почвы и воды в опасных условиях техногенных катастроф, что в свою очередь, позволит сохранить жизнь и здоровье людей.
Обзор литературы
Техногенная катастрофа — крупная авария (катастрофа) на техническом объекте, влекущая за собой массовую гибель людей и/или экологическую катастрофу. Одной из особенностей техногенной катастрофы является её случайность[1].
Мы предпочитаем не думать о катастрофах, пока они не произойдут. И хотя землетрясения, цунами и извержения вулканов безусловно ужасны в своей разрушительной мощи, техногенные катастрофы могут быть столь же опасны и даже более того. Они способны не только повлечь за собой тысячи смертей, но и нанести огромный вред окружающей среде на десятки и сотни лет. Память о них служит важным уроком для человечества, потому что природные катастрофы могут повредить нам, но не планете, а вот техногенные несут угрозу абсолютно всему окружающему миру.
Техногенные катастрофы и аварии можно разделить на следующие типы:
РАДИАЦИОННАЯ АВАРИЯ – это нарушение правил безопасной эксплуатации ядерной энергетической установки, оборудования или устройств, при котором произошел выход радиоактивных продуктов или ионизирующего излучения за предусмотренные проектом пределы их безопасной эксплуатации, приводящий к облучению населения и загрязнения окружающей среды. Основным поражающим фактором таких аварий являются радиационное воздействие и радиоактивное загрязнение. Аварии могут сопровождаться взрывами и пожарами. Радиационное воздействие на человека заключается в нарушении жизненных функций различных органов (главным образом органов кроветворения, нервной системы, желудочно-кишечного тракта) и развитии лучевой болезни под влиянием ионизирующих излучений. Радиоактивное загрязнение вызывается воздействием альфа-, бета- и гамма- ионизирующих излучений и обусловливается выделением при аварии непрореагированных элементов и продуктов деления ядерной реакции (радиоактивный шлак, пыль, осколки ядерного продукта), а также образованием различных радиоактивных материалов и предметов (например, грунта) в результате их облучения.
ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ АВАРИЯ – чрезвычайная ситуация, связанная с разрушением плотины, при этом возникает волна прорыва, которая приводит к затоплению огромной территории и наносит большой материальный и экологический ущерб.
ХИМИЧЕСКАЯ АВАРИЯ - это нарушение технологических процессов на производстве, повреждение трубопроводов, емкостей хранилищ, транспортных средств, приводящих к выбросу аварийно химически опасных веществ в атмосферу в количествах, представляющих опасность для жизни и здоровья людей, функционировании биосферы. Опасность химической аварии для людей и животных заключается в нарушении нормальной жизнедеятельности организма и возможности отдаленных генетических последствий, а при определенных обстоятельствах – в летальном исходе, при попадании АХОВ в организм через органы дыхания, кожу, слизистые оболочки, раны и вместе с пищей. Химическая авария может сопровождаться взрывами и пожарами [3].
2.1. Техногенные катастрофы в современной России
1.Загрязнение акватории Халактырского пляжа.
Экологическая катастрофа, произошедшая в сентябре 2020 года на Камчатке и вызвавшая массовую гибель морских животных. По основной версии, загрязнение Авачинского залива в районе Петропавловска-Камчатского произошло в результате «красного прилива» — массового размножения динофитовых водорослей (динофлагеллятов) рода Gymnodinium, выделяющих ядовитые вещества. Точная причина катастрофы на данный момент выясняется. Катастрофа привела к массовой гибели морских животных, трупы которых были обнаружены на побережьях Халактырского пляжа, в Большой и Малой Лагерных бухтах и в бухте Бабья, а также на дне океана. Кроме этого, загрязнение привело к появлению симптомов отравления у людей. В частности, в Авачинской бухте на глубине от 10 до 15 метров погибло 95 % бентоса (донных живых организмов). По оценкам биологов, основанных на свидетельствах очевидцев, загрязнение охватило более 350 км тихоокеанского побережья (от бухты Калыгирь до мыса Лопатка), а также часть охотского побережья Камчатки (приложение А, рисунок А1) [2].
2. Утечка дизельного топлива в Норильске
Утечка дизельного топлива в Норильске (приложение А, рисунок А2) — экологическая катастрофа, чрезвычайная ситуация федерального масштаба, произошедшая 29 мая 2020 года при разгерметизации бака с дизельным топливом на ТЭЦ-3 в Кайеркане (район Норильска). Это одна из крупнейших утечек нефтепродуктов в арктической зоне в истории, создающая угрозу для экосистемы Северного Ледовитого океана. В результате утечки более 21 тыс. тонн дизельного топлива разлились далеко за пределы промзоны, из них по предварительной оценке 6 тыс. тонн попали в грунт, и 15 тыс. тонн в реку Далдыкан, правый приток Амбарной, впадающей в крупное озеро Пясино (площадью 735 км² — 3-е по площади в Красноярском крае и 16-е в России), из которого вытекает река Пясина, впадающая в Карское море.
3. Взрыв на шахте «Северная»
Взрыв на шахте «Северная» (приложение А, рисунок А3) — техногенная авария, случившаяся 25 февраля 2016 года в 14 часов 09 минут в угольной шахте в городе Воркуте, Республики Коми. В результате взрыва метана и угольной пыли в лаве 412-з (запад) по пласту «Мощному» погибли 30 шахтёров и возник подземный пожар. Взрыв вызвал обрушение пород кровли и завалы в вентиляционном и конвейерном бремсбергах 42-з, а также конвейерном бремсберге 52-з.
4. Авария на Саяно-Шушенской ГЭС
Авария на Саяно-Шушенской ГЭС (приложение А, рисунок А4) — промышленная техногенная катастрофа, произошедшая 17 августа 2009 года. В результате аварии погибло 75 человек, оборудованию и помещениям станции нанесён серьёзный ущерб. Работа станции по производству электроэнергии была приостановлена. Последствия аварии отразились на экологической обстановке акватории, прилегающей к ГЭС, на социальной и экономической сферах региона. В результате проведённого расследования Ростехнадзора непосредственной причиной аварии было названо разрушение шпилек крепления крышки турбины гидроагрегата, вызванное дополнительными динамическими нагрузками переменного характера, которому предшествовало образование и развитие усталостных повреждений узлов крепления, что привело к срыву крышки и затоплению машинного зала станции[. Авария на данный момент является крупнейшей в истории катастрофой на гидроэнергетическом объекте России и одной из самых значительных в истории мировой гидроэнергетики.
5. Кыштымская авария: взрыв на химкомбинате «Маяк»
«Кыштымская авария» (или Кыштымская катастрофа) (приложение А, рисунок А5) — первая в СССР радиационная чрезвычайная ситуация техногенного характера, возникшая 29 сентября 1957 года на химкомбинате «Маяк», расположенном в закрытом городе Челябинск-40 (ныне Озёрск). Название города в советское время употреблялось только в секретной переписке, поэтому авария и получила название «кыштымской» по ближайшему к Озёрску городу Кыштыму, который был обозначен на картах.
29 сентября 1957 года из-за выхода из строя системы охлаждения произошёл взрыв ёмкости, где содержалось около 80 м³ высокорадиоактивных ядерных отходов. Взрывом, оцениваемым в десятки тонн в тротиловом эквиваленте, ёмкость была разрушена, бетонное перекрытие толщиной 1 метр весом 160 тонн отброшено в сторону, в атмосферу было выброшено около 20 млн кюри радиоактивных веществ. В зоне радиационного загрязнения оказалась территория нескольких предприятий комбината «Маяк», военный городок, пожарная часть, колония заключённых и далее территория с населением 270 000 человек в 217 населённых пунктах трёх областей: Челябинской, Свердловской и Тюменской. Сам Челябинск-40 не пострадал. 90% радиационных загрязнений выпали на территории химкомбината «Маяк», а остальная часть рассеялась дальше.
2.2. Существующие роботизированные комплексы для взятия проб в условиях техногенных катастроф
На сегодняшний день информация в открытых источниках о специальных роботизированных комплексах, способных работать в экстремальных условиях техногенных катастроф в большей мере отсутствует.
Робототехнические комплексы MV-3 и MV-4 разработаны для разведки и ликвидации последствий локальных аварий на предприятиях ядерного цикла.
В состав MV-3 (приложение Б, рисунок Б1) входят транспортный модуль, манипулятор, пульт управления. Дополнительно в состав комплекса могут быть включены различные виды навесного оборудования и транспортный контейнер.
Робот MV-4 (приложение Б, рисунок Б2) отличается от модели MV-3 только устройством гусеничного движителя [4-7].
Проектирование механической части роботизированного комплекса
Перед началом работы, мы с моим руководителем определили последовательность действий для создания робота и нарисовали блок схему строения робота(рисунок 1).
Рисунок 1. Блок схема строения робота.
Предстояла интересная и новая для меня работа: нужно было создать робота, в котором будет 6 функций и 4 двигателя. Для решения этой задачи, я использовал в своей конструкции раздаточную коробку передач.
Первый шаг в создании робота это конструирование рамы и шасси. Я использовал балки, штифты и коннекторы. В качестве катков я использовал колеса диаметром 62 мм(рисунок 2).
Рисунок 2. Шасси робота.
Далее шел этап создания раздаточной коробки. Для этого я использовал шестеренки на 16 зубьев с крепление под ось и штифт. Шестерни с креплением под штифт специально используются для создания коробок передач из лего. Мы сделали схему раздаточной коробки(рисунок 3) и приступили к сборке(рисунок 4).
Рисунок 3. Блок схема раздаточной коробки.
Рисунок 4. Сборка раздаточной коробки.
Следующим шагом было крепление двигателей, мы их разместили вертикально, так как это позволило легко передавать движение к раздаточной коробке передач(рисунок 5).
Рисунок 5. Крепление двигателей.
Очень важной задачей это было создание крепление для манипулятора и вывести приводы с раздаточной коробки для манипулятора.
Основной манипулятора стал стандартный манипулятор. После первых запусков, мы пришли к выводу, что он нам не подходит. Поэтому мы переделали конструкцию, оставив только часть рамы старого манипулятора(рисунок 6). На конце мы поставили захват в виде двух ковшей(рисунок 7).
Рисунок 6. Рама манипулятора.
Рисунок 7. Захват.
Следующий этап сборки заключался в создании механизма для забора воды. Мы использовали медицинский шприц как вакуумный насос. Подвели привод от раздаточной коробки и провели испытания (рисунок 8).
Рисунок 8. Механизм забора воды.
На последнем этапе я сделал кузов для грунта и закрепил Pixy2 Camera для ориентирования в пространстве и поиска грунта и воды. На этом сборка моего робота была успешно завершена(рисунок 9).
Рисунок 9. Готовый робототехнический комплекс.
Алгоритм моей программы был составлен на основе изученных мною алгоритмов для решения задач по езде в городе с использованием камеры Pixy 2. Сначала мы искали грунт, потом брали пробу грунта и забор воды и отвозили к начальной позиции(рисунок 10). Проведения испытаний прошло успешно, робот справился с поставленной задачей(рисунок 11).
Рисунок 10. Программа.
Рисунок 11. Результат взятия пробы.
Заключение
В ходе выполнения работы, я много узнал нового о конструирование сложных робототехнических систем и важности контроля последствий техногенных катастроф.
Все поставленные задачи выполнены:
Произведен обзор техногенных катастроф и существующих роботизированных комплексов.
Спроектирована и собрана модель роботизированного комплекса.
Разработан и написан алгоритм программы для управления РТК.
Произведены успешные испытания РТК.
Цель работы – достигнута.
Из деталей конструктора Lego Technic мною разработана и сконструирована модель РТК, проведены успешные испытания. В будущем это позволит уменьшить степень участия человека при проведении работ по взятию почвы и воды в опасных условиях техногенных катастроф за счет использования роботизированных комплексов.
Список литературы
https://ru.wikipedia.org/wiki/Техногенная_катастрофа
Камчатгидромет назвал возможную причину гибели морских животных. РИА Новости, 04.10.2020
Лопота, В.А. Экстремальная робототехника и мехатроника. Принципы и перспективы развития / В.А. Лопота, Е.И. Юревич // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2007. – № 4. – С. 37-42.
Юревич, Е.И. Робот будущего — робот разумный / Е.И. Юревич // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2004. – № 12.
Юревич, Е.И. Основы робототехники / Е.И. Юревич. – СПб.: БХВ Петербург, 2010
Акимов, В.А. Природные и техногенные чрезвычайные ситуации: опасности, угрозы, риски / В.А. Акимов, В.Д. Новиков, Н.Н. Радаев. – М.: ЗАО ФИД "Деловой экспресс", 2016 – с. 144.
Козлитин, А.М., Яковлев Б.Н. Чрезвычайные ситуации техногенного характера. Прогнозирование и оценка. Детерминированные методы количественной оценки опасностей техносферы / А.М. Козлитин, Б.Н. Яковлев. – Саратов: С.Г.У., 2016. – с. 124.
Экстремальная робототехника // Труды Девятой Всероссийской научно-практической конференции. – Санкт-Петербург, 2006
Приложение А
Техногенные катастрофы
Рисунок А1. Пена на берегу Халактырского пляжа на полуострове Камчатка
Рисунок А2. Разлив дизельного топлива на ТЭЦ в Норильске
Рисунок А3. Взрыв в шахте "Северная"
Рисунок А4. Авария на Саяно-Шушенской ГЭС
Рисунок А5. Кыштымская авария: взрыв на химкомбинате «Маяк»
Приложение Б
Существующие роботизированные комплексы для взятия проб в условиях техногенных катастроф
Рисунок Б1. Мобильный робот MV-3.
Рисунок Б2. Мобильный робот MV-4.