XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022
Электромагнитная платформа: расчет стоимости эксплуатации
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
На сегодняшний день грузоперевозки это не только доставка товаров в магазины, но и непосредственно покупателю от производителя. Это огромная система ежедневной работы миллионов людей и техники. И главный залог успеха в создании автономности производства – это время! Это осуществимо при правильной логистике и слаженной работе всех.
Цель нашего проекта: разработать способ увеличения КПД складов при погрузке/разгрузке товаров.
Задачи:
- рассмотреть современные проблемы несовершенства процесса погрузки/разгрузки товаров;
- провести подробные исследования проблем процесса погрузки/разгрузки товаров;
- выполнить расчеты трудозатрат и времени в процессе погрузки/разгрузки товаров
- побывать на экскурсии и на заводе «Очаково» в городе Тюмени;
- подробно проанализировать интернет-источники, выделить несколько вариантов – альтернатив грузчикам в России и в мире на сегодняшний день;
- сгенерировать и провести отбор идей для решения рассмотренных проблем;
- изучить теоретические основы выбранной идеи;
- создать модель для демонстрации нашей идеи;
- провести эксперименты;
- выполнить расчеты стоимости работы нашей модели в реальности;
- получить экспертную оценку у нескольких специалистов и компаний в Тюмени и России;
- продемонстрировать проект большому числу слушателей, выступить в СМИ.
В качестве источников информации мы использовали информационные сайты: dic.academic.ru, principraboty.ru, www.promvishivka.ru. При оформлении проекта мы брали идеи из большой книги «Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3» [1], при конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах, подробно о зубчатых передачах [2, 3].
Мы перед собой поставили большое количество задач. Благодаря тому, что нас в команде 8 человек (Приложение, Рисунок 1.0), мы успешно справились со всеми задачами. Мы разделились на две команды по 4 человека и распределили задачи. Подробно анализ интернет-источников по наличию альтернатив грузчиков и решению проблем погрузки и разгрузки, демонстрационная модель склада с электромагнитной дорожкой, экспертная оценка предприятий представлены в проекте других ребят из нашей команды «Электромагнитная платформа: модель склада». Эта работа также представлена в секции «физика» на XVI Международном конкурсе научно-исследовательских и творческих работ учащихся «Старт в науке» Российской Академии Естествознания.
Глава 1. Современные проблемы несовершенства процесса погрузки/разгрузки товаров в России и мире
На сегодняшний день грузоперевозки это не только доставка товаров в магазины, но и непосредственно покупателю от производителя. Это огромная система ежедневной работы миллионов людей и техники. И залог успеха – это время! Это осуществимо при правильной логистике и слаженной работе всех.
Растут объемы производства, и обостряется конкурентная борьба между компаниями, особенно на международном рынке. Любое преимущество может оказаться решающим в вопросе выживания компании, поэтому роль логистики увеличивается год от года. К процессам, эффективность которых оценивает логистика, относятся: перевозка, складирование, способы доставки потребителю.
Мы определили ситуации, которые могут произойти вследствие несовершенства процесса.
Долгое время разгрузки товаров.
Во время приёмки товара, основные точки напряжённости возникают из-за долгой отработки складом груза, результатом чего может стать простой транспорта. Возможных причин две: - несогласованное планирование работы подразделений; - в принципе, долгий процесс разгрузки и приёмки товара.
Большое количество людей задействовано (Рисунок 1.1, Приложение).
Человеческий фактор.
Ошибки персонала всегда имеют критическое значение для склада (Рисунок 1.2, Приложение). За ними следует недовольство конечных получателей и рекламации. Причина большинства ошибок: «человечески фактор», оптимизация процессов под исполнителя самим исполнителем, что приводит к нарушению рабочей инструкции и технологии. Ошибки на складе также могут быть вызваны низким уровнем автоматизации.
Травмы рабочих.
Зона отгрузки - территория повышенной опасности. Нередко бывает, что из-за несоблюдения элементарных правил безопасности, происходят несчастные случаи на складах. Как обезопасить рабочих и товар? Это главный вопрос.
Отсутствие согласованности и слаженности в работе грузчиков.
Повреждение продукции.
повреждения при погрузке/разгрузке товара;
нарушение условий отбора и хранения товара;
естественная убыль отдельных групп товаров: испарение, усушка и прочее;
неправильная, некачественная маркировка, которая влечет за собой потерю товара и невозможность идентификации товара;
возникновение пересортицы при неверной раскладке;
потери из-за некорректного указания адресов, которые обнаруживаются только при инвентаризации;
порча товаров при нарушении температурного режима, повышенной влажности, а также при повреждении товаров разными вредителями.>
Возникновение дополнительных затрат при разгрузке.
Глава 2. Исследование проблем процесса погрузки/разгрузки товаров
2.1 Тест «Грузоперевозки»
Наше исследование мы начали с опроса. Чтобы понимать актуальность проблем, возникающих при грузоперевозках, мы создали в гугл форме тест «Грузоперевозки» и отправили ссылку людям, непосредственно работающим в этой сфере.
В тест мы включили следующие вопросы:
1) В какой организации по доставки груза вы работаете?
2) Какие грузы по массе вы чаще всего перевозите ?
3) В каких направления вы чаще перевозите грузы?
4) У вас бывает бои продукции?
5) Что чаще всего задерживает транспортировку груза?
6) По вашему мнению, на каком этапе происходит больше всего боя товара?
7) Возите ли вы хрупкие грузы? Если да, то какие?
8) Что бы вам хотелось изменить в системе транспортных грузоперевозок?
Нам удалось опросить водителей большегрузов разных компаний: Кит, Байкал-сервис, Автотранс, СВК, ПЭК. Всего на наши вопросы ответили 5 дальнобойщиков (Рисунок 2.1.1, Приложения), они выполняют доставку грузов в разных направлениях России, на восток, так и на запад, а также на север Тюменской области. Они отметили, что проблемы бывают и при транспортировке грузов и при погрузке/разгрузке. Чаще всего это потеря времени и бой товара по причине неквалифицированной и медленной работы грузчиков. Невыполнение обязательств, связанные с точностью доставки по времени, происходит в первую очередь по причине ремонтных работ на дорогах (60% ответов), во вторую очередь при долгой погрузке и разгрузке товаров (40% ответов).
Среди ответов на вопрос «Что бы вы хотели изменить в системе транспортировки грузов» мы выделили следующие:
- отношение грузчиков к упаковке, расстановке груза, допуск при погрузке;
- надо улучшать логистику на погрузках и разгрузках, так как очень долгие погрузки и разгрузки. Причём, очень часто простой во время погрузки не учитывается, т.е идёт уже время доставки, а машина ещё грузится. Приходиться потом нагонять время, отсюда и бой в кузове и высокая аварийность.
Таким образом, мы сделали вывод, что частые проблемы при грузоперевозках возникают на этапе погрузки/разгрузки товаров и в основном по причине неквалифицированного и незаинтересованного персонала.
2.2 Экскурсия на завод «Очаково» города Тюмени
ЗАО Очаково расположен в городе Тюмень по следующему адресу: Тюмень, ул. Пермякова, 1г, почтовый индекс 625013. Основная деятельность - Тюменский завод, филиал в г. Тюмени. ЗАО Очаково размещен в категории - "Производство и промышленность" (Рисунок 2.2.1, Приложение).
Завод «Очаково» - единственная компания, которая выпускает черное легкое пиво. У них имеется квас с хреном для окрошки, который никто не может выпустить, потому что это технологически очень тяжело. "Очаково" выпускает лучший в России квас. Квас занимает более 50% рынка в России, а в Москве и Тюмени - более 70%. Вместе с тем, выращивается виноград и производятся вина в Краснодарском крае на "Южной винной компании" (бывший совхоз «Победа»). Также продукция поступает в разные виды супермаркетов. Например, «Очаково» сотрудничает с гипермаркетами: «Метро» и «Лента», в «Красное и Белое» тоже доставляют разновидности пива, кваса, соков.
В последние годы в России отмечена тенденция увеличения выпуска отечественной пищевой продукции. Тюменский завод «Очаково» отправляет продукцию на восток России, является главным поставщиком в этом направлении. Экскурсию по заводу провел руководитель службы логистики Лунев Алексей Владимирович (Рисунок 2.2.2, Приложение).
По итогам экскурсии мы выделили следующие проблемы, с которыми завод «Очаково» сталкивается:
Задержка транспорта в пути, штрафы;
Бой продукции, возврат, штрафы;
Неаккуратная погрузка/разгрузка.
Таким образом, мы вновь отметили для себя, что проблема правильной и быстрой погрузки/разгрузки товаров является актуальной.
Глава 3. Идеи для решения проблем при погрузке/разгрузки товаров, теоретические основы
3.1 Комплексный отбор идей
В процессе нашего мозгового штурма мы обсудили способы улучшения процесса погрузки и разгрузки с помощью роботов и новых технологий.
Мы в команде предложили несколько идей:
Повышение квалификации рабочих (Рисунок 3.1.1, Приложение).
Когда новейшие технологии будут внедрены в погрузочную отрасль нужно повысить квалификацию рабочих для того, чтобы они стали более профессиональны в своём деле.
Роботы-манипуляторы (Рисунок 3.1.2, Приложение).
Нельзя забывать о техническом прогрессе, модернизация может облегчить труд человека во много раз. С помощью роботов и манипуляторов можно сократить некоторых рабочих и заменить роботами – это, не только поможет сократить бюджет, сэкономив на зарплатах, но и улучшить работоспособность компании.
Роликовый каток (Рисунок 3.1.3, Приложение).
Можно было остановиться на роботах, но мы пошли дальше и предлагаем сделать физический труд рабочих более лёгким и менее труд затратным. По катку перемещается груз из одной точки в другую, исключая влияние силы трения, а также, исключая поднятие груза вверх.
3.2 Эффект левитации – главная идея
Наша идея – использовать эффект левитации при перемещении грузов на складе при погрузке и разгрузки. Таким образом, мы сможем облегчить труд грузчиков и ускорить процесс погрузки/разгрузки. Грузчики в этом случае должны будут проходить дополнительное обучение и усиленный инструктаж, т.е. будут квалифицированными рабочими.
Левита́ция (от лат. levitas — «лёгкость, легковесность») — преодоление гравитации, при котором субъект или объект пари́т в пространстве (левитирует), не касаясь поверхности твёрдой или жидкой опоры. [4] Левитацией не считается полёт, совершаемый за счёт отталкивания от воздуха, как у насекомых, птиц или рукокрылых.
Для левитации необходимо наличие силы, компенсирующей силу тяжести, то есть равной по модулю и противоположная по направлению (Рисунок 3.2.1, Приложение). Источниками таких сил могут быть струи газа, сильные звуковые колебания, лазерные лучи и др. Также научно была обнаружена и экспериментально доказана диамагнитная левитация (взаимодействие магнита и диамагнетика — вещества, намагничивающегося против направления внешнего магнитного поля) и возможность левитации за счет эффекта Мейснера.
Эффект левитации мы решили достигнуть за счет противодействия двух магнитных полей (Рисунок 3.2.1, Приложение).
Мы познакомились с некоторыми разработками, в основе которых эффект левитации за счет отталкивания двух разнонаправленных магнитных полей.
Левитацию можно использовать в весьма обширных областях. Например, есть специальная подставка для горшка с цветами, которая парит в воздухе. А также хорошим примером будет поезд Маглев в Китае – поезд, который использует эффект отталкивания электромагнитного поля для передвижения, не соприкасаясь с рельсами, со скоростью 628 км/ч (Рисунки 3.2.3-3.2.4, Приложение).
Мы решили изучить свойства магнитного поля и провести эксперименты.
Глава 4. Эксперименты по осуществлению эффекта левитации с помощью электромагнита
4.1 Простейшие электромагниты
Изучив теоретические основы создания электромагнитов [5], мы приступили к экспериментам. Первый наш электромагнит мы сделали из медной проволоки (Рисунок 4.1.1, Приложение), диаметр проволоки 0,5 мм, намотав её на металлический сердечник, срез сердечника диаметром 1 см, длина сердечника 10 см:
способ намотки №1 вверх-низ-верх;
способ намотки №2 спирально в вниз.
Мы провели эксперимент №1: первый прототип электромагнита по способу намотки №1 смог притянуть монету 10 рублей (Рисунок 4.1.1, Приложение).
Следующие электромагниты мы создали без сердечника с разным количеством витков от 50 до 200, также из медной проволоки 0,5 мм. (Рисунок 4.1.2, Приложение):
способ намотки №3 намотано 50 мотков;
способ намотки №4 намотано 100 мотков;
способ намотки №5 намотано 200 мотков;
Эксперимент №2: электромагниты по способу намотки №№3-4 приподнимались на 0,2-1 см, отталкиваясь от обычного магнита (Рисунок 4.1.2, Приложение).
Первые эксперименты прошли успешно, и мы перешли к созданию экспериментальной модели – электромагнитной платформе.
4.2 Электромагнитная платформа
Перед нами стояла непростая задача – создать или найти магниты, которые бы отталкивались друг от друга при подаче электропитания и при этом бы ещё поднимали некоторый груз. После ряда пробных испытаний и рассмотрения различных магнитов по свойству [6] для успешной левитации мы нашли оптимальное решение – взаимодействие двух магнитных полей от разного вида магнитов: природных магнитов и электромагнитов.
Мы создали электромагнитную платформу (Рисунок 4.2.1, Приложение). Она состоит из подвижной части и неподвижной части. Неподвижная часть - стационарная платформа с 4 обычными магнитами (диаметр 4 см, высота 1 см), подвижная част – платформа с 4 электромагнитами без сердечника (каждый электромагнит - 100 витков медной проволоки диаметром 0,5 мм), диаметр электромагнитов соответствует диаметру природных магнитов на неподвижной части, т.е. равен примерно 4 см. Катушки соединены в пары последовательно, каждая пара – параллельно, в качестве источника питания мы использовали автомобильный аккумулятор 12 V (Рисунок 4.2.2, Приложение).
Перед запуском мы взвесили подвижную часть, ее масса составила 160 гр, подготовили грузики различной массы: 7 гр, 25 гр, 50 гр. В результате, магнитное поле приподняло подвижную платформу примерно на 1 см и может поднять груз до 50 гр (Рисунок 4.2.2, Приложение). Высота подъема подвижной платформы уменьшается с увеличением массы груза от 1 см до 0 см.
Запуск модели состоялся успешно. Таким образом, магнитное поле можно использовать для создания эффекта левитации при подъеме грузов.
Глава 5. Демонстрация экспертам и слушателям
5.1 Встреча с экспертом, Чистяковым Андреем Николаевичем – заместителем начальника Главного Управления строительства Тюменской области Рисунок 5.1.1, Приложение).
Для оценки нашего проекта мы пригласили Чистякова Андрея Николаевича - заместителя начальника Главного Управления строительства Тюменской области. Он отметил, что наш проект очень амбициозный, он очень сложен в реализации, но возможен.
Рекомендации для продвижения проекта:
1. Минимизировать расход полезных ресурсов;
2. Упростить размещение технологии;
3. Узнать все закономерности снабжения;
4. Рассмотреть технологии Гауса;
5. Рассчитать энергию для подъёма 1 т груза.
Исходя из его советов, мы рассмотрели технологии Гауса и выполнили некоторые расчеты (представлены в Главе 6.).
5.2 Выступление на Тюменском телевидении
Для того, чтобы люди чуть больше узнали и услышали о нашем проекте, мы рассказали о нашей идее и о наших планах по усовершенствованию проекта на Тюменском телевидении (Рисунок 5.2.1, Приложение). Официальные лица из Тюменского СМИ прибыли в наш Центр интеллектуального развития Мистер Брейни и взяли у нас интервью. Мы рассказали о итоговом проекте, трудностях в реализации модели, о прошлых достижениях команды, и о многом другом.
5.3 Презентация проекта на соревнованиях
О нашей идеи мы впервые рассказали ученикам нашей Школы Мистер Брейн в декабре 2021 года. Идея многим показалась интересной и весьма амбициозной.
Первая защита проекта состоялась в феврале 2022 года не региональном соревновании «РОБОФЕСТ Тюмень-2022» (Рисунок 5.3.1, Приложение). Судейская коллегия высоко оценила нашу идею и выбрала нашу команду для представления региона на Всероссийском соревновании.
Национальном Чемпионате по робототехнике «ROBOTICS CHEMPIONSHIP – МОСКВА 3.0» прошел в Москве 17-19 марта 2022 года (Рисунок 5.3.2, Приложение). Наш проект собрал большое число зрителей. Было много одобрений, а также критики и рекомендации по усовершенствованию проекта.
Глава 6 Расчет экономической эффективности проекта
Мы поставили перед собой задачу рассчитать экономическую эффективность нашего проекта, т.е. рассчитать количество энергии и эквивалент этой величины в рублях и сравнить с затратами на работу грузчиков и техники в современном мире.
Мы провели расчеты по сопротивлению и мощности катушки, для подъема груза массой 1 т на 2 см,а также получили количество энергии, которое она тратит, работая в течение 8 часов. Мы использовали следующие формулы, итоги расчетов приведены в Таблице 6.1.
Сила катушки:
, где
Fк - сила,
i - ток,
lср - длина зазора между соленоидом и куском метала,
S - площадь сечения электромагнита,
n - количество витков электромагнита.
Магнитная постоянная = 4*π*10-7
Длины окружности: L=2πR
Площади катушки: S=πR^2
Сопротивление катушки: , где
R - сопротивление,
L - длина окружности,
0.0175 - удельное сопротивление меди,
Мощности катушки: P = i2R
Количества энергии: Q = P*t
1 закон ньютона: Fк = mg, где
Fк - сила катушки,
m - масса груза,
g - ускорение свободного падения.
Таблица 6.1 Расчеты энергетических показателей проекта «Электромагнитная платформа»
|
L,m |
Sсечения |
Sкатушки |
I,a |
R,m |
Nвитков |
R,om |
P,Bт |
Q |
F,н |
М,кг |
|
6,28 |
1,00 |
3,14 |
1,00 |
1,00 |
1424,00 |
156,58 |
156,58 |
1252,62 |
10006,67 |
1000,67 |
Стоимость электричества в Тюмени = 2,16 руб/кВат*час.
По итогу: количество энергии, требуемое для подъема груза массой 1т на 2см в течении 8 часов, будет стоить 2,71 руб. А если будут работать 100 катушек (площадь 400 м2), то стоимость составит 271 руб в рабочий день, в неделю -1355 руб, в месяц - 5420 руб.
Если сравнить с зарплатой грузчиков (примерно 40000 руб в месяц), и количеством грузчиков, минимум 5 человек, очевидна эффективность нашего проекта.
Заключение
Мы подробно изучили современные проблемы несовершенства процесса погрузки/разгрузки товаров, провели исследование, которое включает: тестирование водителей большегрузов, экскурсию на завод «Очаково» в городе Тюмени, расчет времени разгрузки фуры разным количество грузчиков и механизаторов, анализ интернет-источников по существованию альтернатив грузчикам в России и в мире. В результате, выделили основные проблемы: долгое время разгрузки и загрузки товаров, большие трудозатраты и денежные издержки по причине неквалифицированного персонала.
Наша идея - левитация грузов за счет противодействия двух магнитных полей, то есть перемещение грузов в невесомом состоянии, оказалась интересной и реализуемой. Нам удалось создать экспериментальную модель электромагнитной платформы и модель склада с электромагнитной дорожкой. А также мы рассчитали экономическую эффективность нашего проекта.
Нашу идею высоко оценили эксперты и предприятия, сталкивающиеся с процессом погрузки и разгрузки товаров. Мы также выступили на Тюменском телевидении и соревнованиях регионального и всероссийского уровней, поделившись нашей идеей с большим количеством слушателей.
Итак, главные преимущества нашего проекта «Электромагнитная платформа»:
сокращает время разгрузки и погрузки товаров;
снижает вероятность влияния человеческого фактора на производстве;
уменьшает вероятность повреждения продукции;
уменьшает дополнительные затраты при погрузке и разгрузке;
имеет экспериментальную модель – прототип реальной модели;
универсален для любого региона России и других стран;
высоко оценён экспертами;
заинтересовал 2 крупные компании: в регионе и на России
проект экономически выгоден в процессе эксплуатации.
Список используемой литературы:
Йошохито Йocoгава, Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. О.В.Обручева]. – Москва, Издательство «Э», 2017. - 232 с.;
Богданова С.М., Попова Е.Е. Благодаря механическим передачам Lego- конструкции оживают / С.М. Богданова, Е.Е. Попова// «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании»: материалы VII Международной научно-технической конф. 2017 С. 160-163. Режим доступа- https://elibrary.ru/item.asp?id=30700400
Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;
Интернет источники:
https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/47519
https://principraboty.ru/princip-raboty-elektromagnita/
https://www.promvishivka.ru/vidy_magnitov.html
Приложение
-
Рисунок 1.0 Команда Робострой Школы Мистер Брейн г.Тюмени.
Рисунок 1.1 Большое количество людей задействовано при разгрузке-погрузке
Рисунок 1.2 Человеческий фактор
Рисунок 2.1.1 Ответы на вопросы теста «Грузоперевозки»
Рисунок 2.2.1 Завод “Очаково” в городе Тюмень
Рисунок 2.2.2 Экскурсия на завод «Очаково» в городе Тюмень. Экскурсию провел руководитель службы логистики Лунев Алексей Владимирович
Рисунок 3.1.1 Повышение квалификации рабочих
Рисунок 3.1.2 Роботы-манипуляторы
Рисунок 3.1.3 Роликовый каток
Рисунок 3.2.1 Эффекта левитации: действующие силы.
Рисунок 3.2.2 Эффект левитации на примере взаимодействия магнитов
Рисунок 3.2.3 Левитирующий горшок
Рисунок 3.2.4 Поезд маглев
Рисунок 4.1.1 Первые электромагниты из медной проволоки с сердечником. Эксперимент №1.
Рисунок 4.1.2 Электромагниты без сердечника с разным количеством витков от 50 до 200. Эксперимент №2.
Рисунок 4.2.1 Электромагнитная платформа.
Рисунок 4.2.1 Электросхема и внешний вид модели «Электромагнитная платформа».
Рисунок 4.2.3 Запуск модели «Электромагнитная платформа»Рисунок 5.1.1 Фото команды с экспертом Чистяковым Михаилом Николаевичем, заместителем начальника Главного Управления строительства Тюменской области
Рисунок 5.2.1 Выступление команды с проектом «Электромагнитная платформа» на Тюменском телевидении
Рисунок 5.3.1 Выступление команды на региональном соревновании по робототехнике «Робофест-Тюмень 2022» 17 февраля 2022 года
Рисунок 5.3.2 Выступление команды на Национальном Чемпионате по робототехнике «ROBOTICS CHEMPIONSHIP – МОСКВА 3.0» в г. Москва 17-19 марта 2022 года