Снегоуборочная машина на базе конструктора LEGO Mindstorms

XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Снегоуборочная машина на базе конструктора LEGO Mindstorms

Богданов А.М. 1Борисов Р.Д. 1Бессонова Ю.А. 1Томилов А.А. 1
1Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн»
Филинова А.В. 1Корсукова О.С. 1
1Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн»
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

В зимнее время довольно частой картиной является отсутствие парковочных мест, потому что парковка плохо расчищена от снега, либо въезд на нее затруднен по той же самой причине. Это приводит к образованию дорожных пробок и аварий. На данный момент уборка снега на малых пространствах производится с помощью снегоуборочной лопаты, либо с помощью дорогостоящей спецтехники. Уборка снега лопатой очень трудоемкий, дорогостоящий, длительный и не всегда эффективный процесс, потому что в данном виде уборки снега присутствует человеческий фактор. Уборка снега спецтехникой очень быстрый и эффективный метод, но он очень дорогостоящий и для многих недоступный. Так же данный метод не подходит для уборки тротуаров и малых пространств, поскольку в большинстве случаев снегоуборочная техника имеет большие габариты. Помимо уборки снега, существует метод смешения снега и льда с абразивными частицами позволяет защитить и людей, и транспорт на дорогах от скольжения. Данный метод имеет широкое применение на дорогах города Тюмени, но в результате ухудшаются условия питания деревьев и портятся обувь и покрышки автомобилей. В данном проекте представлено роботизированное устройство малой механизации, позволяющее решить данные проблемы.

Цель исследования: создание новой модели снегоуборочной машины на базе конструктора LEGO Mindstorms, для решения проблемы уборки снега в придомовых территориях

Задачи:

Дать общие сведения о снегоуборочной машине;

Выявить основные виды малогабаритных машин для города;

Выявить основные принцип работы снегоуборочной машины;

Изучить основные проблемы уборки снега в придомовых территориях многоквартирных домах.

Глава 1. Снегоуборочная машина – универсальная техника.

1.1 Общие сведения

Снегоуборка или уборка снега — повседневное удаление снега с полотна автомобильных и железнодорожных путей сообщения, с городских улиц и площадей, с крыш зданий и т. д. [1] Осуществляется в холодное время года наряду с борьбой со скользкостью и гололёдом.

До появления моторизованного транспорта уборка снега не требовалась. Грунтовые дороги в сельской местности были опасные и неровные, а зимой снег и лёд делали их поверхность гораздо более гладкой. Зимой просто меняли повозки на сани. Утрамбовка увеличивала продолжительность существования снега и облегчала перемещение по нему на санях. Некоторые общины даже нанимали надзирателей за снегом для рассыпания снега на открытых участках, таких как мосты, чтобы сани могли проехать по ним. Однако с увеличением количества дорог с твёрдым покрытием и увеличением размеров городов снег стал представлять неудобство для пешеходов и транспорта.

Первые патенты на снегоуборочную технику восходят к 1840 году, но нет никаких записей относительно её фактического использования до 1862 года, когда в городе Милуоки начала работать повозки, запряжённые лошадьми, оснащённые снегоуборочной техникой. Конные снегоочистители быстро распространилась в другие города, особенно в районы, подверженные сильным снегопадам.

Первая моторизованная снегоуборочная техника были разработаны в 1913 году на основе корпусов грузовых автомобилей и тракторов. Эти машины позволили механизировать процесс очистки снега, снижая трудозатраты, необходимые для уборки снега, и повышая скорость и эффективность процесса. Расширение авиационной промышленности также выступало в качестве катализатора для развития транспортных средств уборки снега в начале XX века. Даже небольшое количество снега или льда могло привести к падению самолёта, поэтому аэропорты устанавливали ограждения от снега вокруг аэродромов для предотвращения образования снежных заносов и начали поддерживать парк транспортных средств для очистки взлётно-посадочных полос в тяжёлых погодных условиях.

Затем было установлено, что только одного вспахивания снега было недостаточно для устранения всего снега и льда с проезжей части, что привело к применению соли для ускорения таяния снега. В то же время соль вызывала коррозию, нанося ущерб металлическим конструкциям мостов, а также обуви пешеходов. Однако, когда количество автомобильных аварий увеличилось, протесты против её использования утихли. Но в 1960 и 1970-х годах использование соли вновь стали критиковать из-за её воздействия на окружающую среду, что привело к появлению альтернативных антиобледенительных химикатов и распространению более эффективных систем [2].

1.2 Виды снегоуборочных машин для города

В наше время семейство снегоуборщиков разнообразно. Их отличают согласно нескольким признакам в связи от структуры, направления также исполняемых функций:

Класс техники:

Бытовые снегоотбрасыватели – это снегоуборочное оборудование, рассчитанное на ограниченный спектр задач, таких как уборка дачных участков или расчистка дорожек (если у них бензиновый двигатель, то обычно до 13 л.с.).

К профессиональному классу относятся более мощные большие машины, которыми пользуются коммунальные службы, и стоят они достаточно дорого

Способ удаления снега:

Одноступенчатые – снегоотбрасыватели, имеющие только шнек в качестве рабочего органа. Он и сгребает, и измельчает снег, и отбрасывает его.

Двухступенчатые – имеют помимо шнека еще и ротор. На первой ступени при помощи шнека снег измельчается и сгребается под снегоотбрасыватель, а крыльчатка, являющаяся второй ступенью, увеличивает силу выброса снега.

Тип управления:

Самоходные – агрегаты, имеющие привод на колеса. Оператор не прилагает физических сил для передвижения, а лишь направляет. Самоходные снегоотбрасыватели мощные, имеют привод на колеса. Крутящий момент с помощью ремня передается от двигателя на фрикционный диск. Он может быть сдвинут, чтобы вступить в контакт с фрикционным колесом. Далее момент передается на вал, от него к редуктору и затем к колесу. Таким образом, колеса приводятся в движение без физической нагрузки для оператора.

Несамоходные – оператор не только направляет снегоуборщик, но и ведет его, толкая перед собой. Несамоходные удаляют снег и передвигаются исключительно за счет вращения шнека – он подтаскивает толкаемый оператором снегоотбрасыватель [3].

Рассмотрим более подробно наиболее популярную снегоуборочную технику:

Крупная снегоуборочная техника

Крупная техника применяется для чистки автомобильниых дорог. Снег либо отбрасывается на обочину, либо по транспортировочной ленте попадает на грузовик, идущий за снегоуборщиком, и впоследствии вывозится на специальные полигоны [4]. (Рисунок 1.2.1, Приложение)

Средняя снегоуборочная техника

Минитрактор для уборки снега. При небольших размерах такой аппарат обладает высокой мощностью и справляется с большими объемами снега. Основные инструменты коммунального трактора — это погрузчик, который загружает снег в кузов машины или снегоплавильню; отвал, которым убирают снег с дорог и тротуаров; подметальная щётка, которой счищают снежную кашу с дороги и тротуаров после уборки основной снежной массы. Отвал и погрузчик подключаются спереди машины, а щётка навешивается сзади массы [5]. (Рисунок 1.2.2, Приложение)

Мини-снегоочистители

Уборка снега с дорожки обычной лопатой лишь на первый взгляд кажется активным и полезным времяпрепровождением. В реальности уже через 20 минут спину начинает ломить, руки устают, да и сама монотонность занятия навевает тоску. Сэкономить силы и время поможет специальная техника – ручной снегоуборщик.

Ручная снегоуборочная техника служит для уборки снега с придомовой территории. Оборудование представляет собой ковш, включающий снегоотбрасыватель с ручкой управления. Мини-снегоочиститель способен справиться с расчисткой снега на площади до 400 квадратных метров. Качество уборки, а также время, потраченное на расчистку, определяется размером ковша. Чем он выше, тем более высокий сугроб сможет расчистить. Чем шире, тем быстрее оператор справится со своей задачей.

Принцип работы довольно прост: техника двигается под руководством оператора в нужном направлении, захватывает снег и отбрасывает его в сторону. Ручная снегоуборочная машина более маневренна. (Рисунок 1.2.3, Приложение)

1.3 Устройство снегоуборочной машины. Принцип работы

Несмотря на то, что снегоуборочная машина представляет собой сложный технически агрегат, устройство снегоуборщика достаточно простое и доступное для понимания любому человеку, у которого имеется хотя бы минимальных опыт в технических работах. Схематически конструкцию снегоуборочной машины можно поделить на три функциональных части:

Захватывающая часть, основная задача которой – подать снег в устройство машины;

Шнековая часть, в которой происходит переработка и формирование снежных масс;

Выводящая часть, отвечающая за выброс снега [6].

 

Снегоуборочная машина представляет собой механизм, который состоит из нескольких основных деталей:

двигатель;

шнек;

корпус и кожухи для выброса снега в сторону;

крыльчатка;

колеса;

ручки для управления. (Рисунок 3.1, Приложение)

Самоходные снегоуборочные машины оснащены двигателем и могут самостоятельно перемещаться по территории, которую необходимо очистить от снега. Они, как правило, оборудованы колесами, что позволяет им легко перемещаться и маневрировать в разных направлениях.

Принцип работы снегоуборочной машины несложен, она справляется со снегом как обычная лопата, только работа технически отлажена и требует от человека минимум вмешательств.

На первом этапе шнековый механизм, представляющий собой стержень с наклонными лопастями или винтообразными загибами, захватывает снег с дороги.

Оператор (пользователь) управляет машиной при помощи ручек, на которых есть регулировка «газа». То есть вы можете повышать и понижать обороты мотора, ускоряя или замедляя работу устройства.

Двигатель приводит в движение шнек – стержень с наклонными лопатками или винтовыми стенками. Во время движения шнек крутится, загребая снег и подавая его в специальный бункер, оснащенный мощной крыльчаткой.

В бункере снежные глыбы измельчаются крыльчаткой и выбрасывается по специальному отводному желобу с кожухом.

Так устроены все снегоуборочные машины, от самых маленьких до самых больших и мощных. Разница может касаться только дополнительного оборудования для облегчения управления устройством. Например, привод на колеса делает машину самоходной, что упрощает работу.

Система очистки снега бывает шнековая и роторная.

Шнековая - состоит из шнека, который непосредственно собирает снег из ковша. Шнек может быть пластиковым, металлическим. Плюсом в конструкции являются прорезиненные вставки. Шнек собирает снег и направляет его в патрубок выброса.

Принцип работы роторной системы в том, что ротор придает ускорение снегу и направляет его на выброс. В такой конструкции также присутствует шнек. Ротор как бы “распушивает” снег и передает его шнеку. В таком случае шнек можно выбрать и пластиковый ведь на него приходится меньше нагрузки [7].

1.4. Основные проблемы уборки снега в придомовых территориях многоквартирных домах

Зима всегда наступает внезапно. В этот период уборка территории ориентирована в основном на очищение дорожек от снега и наледи. От грамотной и четко организованной работы управляющей компании, которая проводит уборку прилегающей территории, в буквальном смысле зависит жизнь и здоровье людей. 

В зимнее время в обязанности управляющих организаций входит:

очищение дорожек, тротуаров, подъездных путей от наледи, снежного покрова (вручную или с применением спецтехники);

посыпание тротуарных/пешеходных дорожек, входных объектов (площадок возле подъездов, включая лестницы) смесью речного песка и соли;

сбивание сосулек с крыш, наледи с водосточных труб и канализационных люков;

очищение входа в подвальное помещение от снега.

При сильных снегопадах очищение придомовой площади от снежного покрова проводится два раза в сутки

Основные проблемы уборки 

Аномальные морозы, которые в наших широтах нередки. При температуре ниже сорока градусов техника может работать только на расчистке, а сгребание и вывоз снежных масс не производится. Также отражается на скорости работ большое количество выпавших осадков.

Когда жильцы сами делают невозможной уборку, не реагируя на просьбы управляющих компаний убрать машины. Иногда грейдер просто не может зайти в такой двор, из-за стесненных условий.

Глава 2. Практическая часть

2.1 Универсальная модель снегоуборочной машины на базе конструктора Lego Mindstorms

Самой важной частью проекта было сконструировать робота. Наша модель снегоуборочной мfшины создана на базе конструктора Lego Mindstorms.(Рисунок 2.1.1, Приложения)

Мы внимательно изучили все виды малогабаритных снегоуборочных машин, а также их устройство и принцип работы. На основе полученных знаний мы выделили основные элементы данной техники:

Захватывающая часть, основная задача которой – подать снег в устройство машины;

Шнековая часть, в которой происходит переработка и формирование снежных масс;

Выводящая часть, отвечающая за выброс снега

Также мы определились, что наша модель будет являться самоходной. Способом перемещения будут служить гусеницы.

Для захватывающей части мы разработали специальный ковш, для этой задачи мы использовали «крылья» из набора. Ковш служит не только коробом, так же в нем установлены специальные ножи, которые обеспечивает эффективное удаление наледи. (Рисунок 2.1.2, Приложения)

Шнековую часть мы решили сделать, используя зубчатые колеса разных размеров. Здесь мы использовали средний мотор. Шнек загребает снег, подавая его в специальный бункер. В бункере снежные глыбы измельчаются крыльчаткой и выбрасывается по специальному отводному желобу. (Рисунок 2.1.3, Приложения)

Также наша модель оснащена дополнительными насосами, расположенными по обе стороны машины. Специальные насосы рассчитаны на устранение таких проблем, как уборка снега в труднодоступных местах, например, под автомобилями. (Рисунок 2.1.4, Приложения) Снег поступает в дополнительные шнеки, установленные по бокам и подается в бункер, после чего выводится по желобу.

Для перемещения снегоуборочной машины мы использовали два больших мотора и гусеничный ход. (Рисунок 2.1.5, Приложения) Наш выбор обоснован следующими факторами:

Гусеничная база обеспечивает большее сцепление с поверхностью и высокую проходимость;

Большая площадь сцепления с поверхностью земли у гусеничных тракторов дает более высокую маневренность;

Гусеничный ход создает меньшую нагрузку на поверхность. Это исключает уплотнение снега.

Так же снегоуборочная машина автоматизирована и оснащена следующими датчиками:

Датчик цвета; (Рисунок 2.1.6, Приложения)

Ультразвуковой датчик. (Рисунок 2.1.7, Приложения)

2.2 Управление моделью в ПО Lego Mindstorms

Наша модель снегоуборочной машины является автоматизированной. Управляется она с помощью программы Lego Mindstorms.

Задача робота исследовать ограниченную территорию и расчистить ее от снега.

Ограничением служит черная линия, за пределы которой нельзя выходить. Для ее обнаружения установлен датчик цвета.

Снег –белые детали Lego. Для их обнаружения на модели установлен инфракрасный датчик.

Программа работает следующим образом (Рисунок 2.2.1, Приложения):

Робот, исследуя территорию, вращается вокруг своей оси с мощность 30, до тех пор, пока инфракрасным датчиком не увидит объект (снег);

Далее робот едет на цель, выталкивая ее за пределы территории, тем самым расчищая местность;

Робот считывает датчиком цвета «отражённый свет» с поверхности, если данные меньше порогового значения «15», значит робот увидел черную линию;

Робот едет назад 3 оборота, отъезжая от границы, при этом у него загорается красный индикатор и вопроизводится предупреждающий звук;

Программа зациклена, то есть робот заново повторяется действия начиная с пункта «1»

Заключение

Нага команда провела исследование и изучила основные проблемы уборки снега в придомовых территориях многоквартирных домов.

Использование созданной нами модели снегоуборщика для уборки придомовых территории рентабельно, по следующим причинам:

Экономия времени ( обеспечит быструю и своевременную уборку территории от снега);

экономия денег;

Наша модель решает такие проблемы как, сложная геометрия участка, труднодоступные места, автомобили, где снег приходится убирать вручную (оплачивается труд дворника).

Данный проект может быть использован на уроках робототехники и физики. А так же его можно реализовать на основе существующих моделей.

Список литературы

1. Гляциологический словарь / В.М.Котляков. — Л. : Гидрометеоиздат, 1984. — УДК 551.32(03)

2.https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D0%B1%D0%BE%D1%80%D0%BA%D0%B0_%D1%81%D0%BD%D0%B5%D0%B3%D0%B0

3. https://www.vseinstrumenti.ru/articles/sad/vidi-i-tipi-snegouborshikov/

4.https://rovnayadoroga.ru/tehnika/tehnika-dlya-uborki-snega.html

5. https://garden-shop.ru/obzor-kommunalnyh-traktorov-populyarnye-modeli-stoimost-sovety.html

6. https://diy.obi.ru/articles/yborka-snega-kak-podobrat-tehniky-20514/

7. https://nasha-stroyka.com.ua/article/vse-chto-nuzhno-znat-pro-elektricheskie-snegouborshchiki/

Приложения

Рисунок 1.2.1, Крупная снегоуборочная техника

Рисунок 1.2.2, Средняя снегоуборочная техника

Рисунок 1.2.3, Ручная снегоуборочная машина

 

Рисунок 1.3.1, Механизм шнековой снегоуборочной машины

Рисунок 2.1.1, Модель снегоуборочной машины на базе конструктора Lego Mindstorms

Рисунок 2.1.2, Ковш снегоуборочной машины

Рисунок 2.1.3, Желоб снегоуборочной машины

Рисунок 2.1.4, Дополнительные насосы

Рисунок 2.1.5, Гусеничный ход

Рисунок 2.1.6, Датчик цвета

Рисунок 2.1.7, Ультразвуковой датчик

 

(Рисунок 2.2.1, Приложения)

 

Просмотров работы: 278