XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке. Летняя площадка 2022

Электромагнитная платформа: модель склада

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Шипачев П.С. 1Цаур С.Е. 1Желуницын И.И. 1Москвин Г.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Попова Е.Е. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Работа в формате PDF

3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

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 создание простейших электромагнитов, первой экспериментальной модели электромагнитной платформы и расчет энергетических затрат и экономической эффективности при подъеме груза за счет электромагнитного поля рассмотрены в проекте других ребят из нашей команды «Электромагнитная платформа: расчет стоимости эксплуатации». 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 [4]:

затраты на оплату простоев автомобилей

затраты на услуги  наемных  временных грузчиков, которых, время от времени, привлекаются  к работам

Глава 2. Исследование проблем процесса погрузки/разгрузки товаров

2.1 Расчеты трудозатрат и времени в процессе погрузки/разгрузки товаров

Мы проанализировали информацию про трудозатраты на примере разгрузки фуры 20т. (полезный объем: 96-125 м3) с помощью грузчиков и одного погрузчика (один механизатор). Данные приведены в Таблице №1 из расчета работы 1 погрузчика и от 1 до 4 грузчиков и при условии быстрой и слаженной работы и компактном размещении груза на паллетах. Итог: время разгрузки 1 т примерно от 4,5 минут до 10 минут. Полное время разгрузки фуры 20 т от 1,5 часов до 3,5 часов. А теперь представьте, что нет механизатора и погрузчика и груз размещен в фуре произвольно не на паллетах. Сколько тогда времени потребуется для разгрузки.

Таблица 1 Затраты по времени в процессе погрузки/разгрузки фуры 20т

2.2 Анализ интернет-источников – альтернатива грузчикам в России

Для ускорения процесса погрузки и выгрузки самая популярная на сегодняшний день остается специальная погрузочная техника. [5] Она позволяет исключить человеческий фактор при проведении логистических мероприятий и имеет ряд преимуществ:

• благодаря большой грузоподъемности погрузчики с легкостью справляются с перемещением грузов больших габаритов;

• минимизируются факторы порчи и хищений товара при выгрузке-погрузке;

• наличие товарно-транспортной накладной – главного документа водителя спецтехники, материально ответственного за товар;

• использование погрузчиков увеличивает скорость и непрерывность рабочего процесса, заменяет большое количество персонала, что значительно экономит время и средства компании;

• увеличивается производительность труда в несколько раз;

• технические характеристики погрузчиков позволяют их использовать во многих сферах: строительстве, коммунальном и сельском хозяйстве, складских работах.

Погрузчики (Рисунок 2.2.1, Приложение) отличаются особой надежностью, доступностью по стоимости, а также позволяют минимизировать использование человеческого труда, сокращая расходы логистической компании и с легкостью выполняя перемещение, штабелирование, выгрузку и погрузку различных видов грузов (сыпучих, твердых больших объемов и массы).

Также в процессе погрузки и разгрузки участвуют роботизированные машины. Мы рассмотрели некоторые из них.

Манипуляторы для производства компании ООО«Рекорд-Инжиниринг» (Рисунок 2.2.2, Приложение). [6]

Эффективно внедрены на заводы и цеха с ориентацией под конкретные цели и потребности заказчика, участвуют в погрузке товара.

Двухколесный роботом Handle компании Boston Dynamic (Рисунок 2.2.3, Приложение). [7]

Он предназначен для переноски грузов массой до 45 килограмм. Робот оснащен колесами, работает на электроприводах и гидравлике, может прыгать в высоту на 1,2 метра и развивать скорость до 14,5 километра в час, а его заряда аккумулятора хватает приблизительно на 24 километра пути, способен одинаково хорошо удерживать равновесие в сложных ситуациях — например, спускаться по ступенькам — и передвигаться по ровной поверхности.

Логистические роботы Ronavi H-1500, S50, M500 компании Ronavi Robotics , входящая в группу «ТехноСпарк» [8]

Эти роботы массой 250 кг и грузоподъемностью от 500 кг до 1,5 т, передвигаются со скоростью 1,3 м/с, предназначены для сортировки писем и посылок, автоматизированной перевозки «товар к человеку», перевозки тяжелых грузов.

Роботизированная система комплектации заказов «Киберсклад»

Это своего рода логистический кобот, так как система предполагает совместную работу с оператором: роботы подвозят стеллажи на станции комплектации, а люди отбирают товары под конкретные заказы. Основатели «Киберсклада» предполагают комплектовать складские помещения «под ключ». Такой склад состоит из мобильного робота грузоподъемностью 50 или 500 кг со скоростью 2 м/с, который подвозит товары, станции комплектации, мобильных стеллажей и автоматизированной системы управления RICS.

Итак, подведем небольшой итог нашего исследования. Процесс погрузки-разгрузки длительный и непредсказуемый. В настоящее время для повышения эффективности этого процесса используют в основном погрузчик. Он заменяет работу 5-7 грузчиков. Роботы частично заменяют грузчиков и ограничены определенным пространством и траекторией перемещения. Поэтому мы приступили к разработке своего решения проблем при погрузке и разгрузке товаров.

Глава 3. Идеи для решения проблем при погрузке/разгрузке 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.

Левитация грузов, то есть перемещение грузов в невесомом состоянии

Для левитации необходимо наличие силы, компенсирующей силу тяжести [9], то есть равной по модулю и противоположная по направлению (Рисунок 3.1.4, Приложение). Эта идея нам показалась интересной, и мы решили реализовать её в экспериментальной модели.

Эффект левитации мы решили достигнуть за счет противодействия двух магнитных полей (Рисунок 3.1.5, Приложение). В начале мы изучили свойства магнитного поля и провели эксперименты.

3.2 Электромагнитное поле: магниты и электромагниты

Вокруг магнита экспериментальным путем были обнаружены магнитные силовые линии. [10] Эти магнитные линии создают так называемое магнитное поле. концентрация магнитных силовых линий на самых краях магнита намного больше, чем в его середине. Это говорит о том, что магнитное поле является более сильным именно на краях магнита, а в его середине практически равна нулю. Направлением магнитных силовых линий считается направление от севера к югу. Магнитные линии замкнуты и непрерывны (Рисунок 3.2.1, Приложение).

Существует три типа магнитов: постоянные, временные и электромагниты (Рисунок 3.2.2, Приложение). [11] Первые заряжаются раз и навсегда, вторые работают только в магнитном поле, третьи – только когда есть ток.

Все постоянные магниты делятся на естественные и искусственные. Естественные – это магнитный железняк, например. Он сам по себе притягивает к себе металлические предметы, ничего с ним для этого делать не нужно. Или вот матушка-Земля – тоже естественный магнит. Только притягивает она не металл, а всё подряд. В том числе и нас свами.

Искусственные постоянные магниты делаются людьми, и их типы зависят от материала, из которого сделан магнит. Здесь бывают ферриты – в их состав входит железо, неодимовые магниты, Альнико, SmCo и магнитопласты. Собственно, в число магнитопластов входит магнитный винил: именно его используем мы при изготовлении магнитиков.

Временные магниты – это изделия из металлов, которые намагничиваются, попадая в магнитное поле и получают ненадолго способность самим притягивать другие металлические предметы. Например, скрепки и гвозди.

Электромагниты образуются с помощью намотанной проволоки, по которой пускают ток

Глава 4. Эксперименты по осуществлению эффекта левитации с помощью электромагнита

4.1 Простейшие электромагниты

Изучив теоретические основы создания электромагнитов, 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 дорожка. Модель склада

Мы предлагаем внедрить нашу идею на склад, и будет это выглядеть следующим образом.

Модель склада с применением магнитной платформы представлена на Рисунке 4.2.1 Приложения: фура с грузом на магнитных поддонах подъезжает к складу, включаются электромагниты платформы склада, поддоны внутри грузовика приподнимаются, и грузчики выдвигают груз из грузовика и направляют над электромагнитной платформой к складу. Таким образом, груз левитирует, и грузчики без усилий разгружают фуру за короткое время.

Во время защиты проекта перед экспертом мы увидели недостаток нашего проекта: груз может наклоняться из-за нестабильности магнитного поля. Мы доработали наш проект. Груз во время транспортировки из фуры на склад будет находится в тележке, которая ограничивает и направляет движение груза, тележка будет перемещаться над электромагнитной дорожкой (Рисунок 4.2.2, Приложение). Таким образом, груз будет также в невесомости, но зафиксирован стенками тележки.

Процесс разгрузки: фура подъезжает к складу, подъезжает тележка, включается электромагнитная дорожка и груз внутри фуры начинает левитировать, после этого грузчики с легкостью направляют груз в тележку и двигают тележку на склад, направляют груз из тележки на место хранения.

Мы решили создать макет нашего склада и процесса разгрузки фуры. Перед нами стояла непростая задача – создать или найти магниты, которые бы отталкивались друг от друга при подаче электропитания. После ряда пробных испытаний и рассмотрения различных магнитов по свойству для успешной левитации мы нашли оптимальное решение – взаимодействие двух магнитных полей от разного вида магнитов: неодимового магнита и электромагнитов.

Мы создали электромагнитную дорожку из 7 электромагнитов, на каждом по 200 мотков медной проволоки диаметром 0,3 мм. Все 7 магнитов мы выстроили в ряд, получилась магнитная дорожка. В качестве магнитного поддона с грузом мы взяли пластиковую коробочку и на дно прикрепили неодимовый магнит диаметром 5 см и высотой 0,5 см. На Рисунке 4.2.3 видно, как работает наш макет:

в первом положении груз находится в фуре, подаем питание на электромагнитную дорожку, груз приподнимается, направляем его в тележку;

во втором положении груз находится в тележке в состоянии левитации – приподнят от дна тележки примерно на 1 см;

в третьем положении груз находится на месте хранения на складе, электропитание отключено.

Запуск модели состоялся успешно. Таким образом, магнитное поле можно использовать для создания эффекта левитации при подъеме и перемещении грузов.

Глава 5. Демонстрация экспертам и слушателям

5.1 Встреча с экспертом, Бек Эдуардом Сергеевичем – специалистом по планированию производства ООО Технологическая компания «Шлюмберже»

Для дополнительной оценки проекта мы пригласили Бек Эдуарда Сергеевича - эксперта в области логистики: приёма, хранения, выдачи грузов, специалиста по планированию производства ООО Технологическая компания «Шлюмберже».

Эдуард Сергеевич похвалили нас, сказав, что проект вызвал у него интерес, но не совсем понятна его конкретная стоимость для больших предприятий, а также не понятно, как сотрудничать с предприятиями которыми не оборудованы этой технологией. Он направил нас на дальнейшие усовершенствования для непосредственного внедрения и точные рекомендации для продвижения проекта на производстве:

1. рассчитать общую стоимость нашего проекта;

2. разработать концепт проекта для больших складов;

3. улучшить стабильность магнитных катушек;

4. сделать проект более мобильным;.

Следуя совету, мы реализовали и разработали концепт проекта для больших складов, а также вариант стабильного основания.

5.2 Экспертная оценка предприятий

После того как мы представили наш проект «Электромагнитная платформа» на дружеском матче в школе Мистер Брейн, Тюменским СМИ, а также экспертам: Чистякову Андрею Николаевичу (заместитель начальника Главного Управления строительства Тюменской области) и Бек Эдуарду Сергеевичу (эксперт в области логистики приёма, хранения, выдачи грузов, специалист по планированию производства ООО Технологическая компания «Шлюмберже»), мы получили оценку предприятий: Autodoc (магазин автозапчастей и авто товаров, имеет 220 филиалов по всей России, компания доставляет запчасти по всей России обычным покупателям и в другие магазины авто запчастей) и Свеза (предприятие, занимающееся деревообработкой в Тюменском регионе и поставляет товар по всей России).

«Autodoc.ru» считает что наши идеи помогут в решении проблем при погрузке и разгрузке товаров, во время непредвиденных ситуаций наш проект мог бы ускорить время погрузки и разгрузки, не допуская при этом новые нарушения (Рисунок 5.2.1, Приложение).

Компания «Свеза» заинтересована в нашем новом способе по решению проблем погрузки и разгрузки, они назвали его инновационным и не стандартным. В дальнейшем решения команды «РОБОСТРОЙ» помогут в проработке в рамках реализуемых проектах компании (Рисунок 5.2.2, Приложение).

5.3 Презентация проекта на соревнованиях

О нашей идее 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.

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://stroylegko.com/prochee/skolko-gruzchikov-mozhet-zamenit-odin-vilochnyy-pogruzchik

https://beybitblog.ru/zamenit-gruzchikov-na-pogruzchik/ (Решение проблемы в мире)

https://rekord-eng.com/manipulyatory/skladskie/

https://daily.afisha.ru/news/6629-boston-dynamics-predstavila-robota-na-kolesah/

https://blogs.forbes.ru/2020/02/19/12-rossijskih-promyshlennyh-robotov-ot-manipuljatorov-do-jekzoskeletov/

3.1https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/47519

3.2 https://principraboty.ru/princip-raboty-elektromagnita/.

4.2https://www.promvishivka.ru/vidy_magnitov.html

Приложение