XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке. Летняя площадка 2022

Совершенный грузовик: исследование источников колебаний

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Чистяков М.А. 1Попов А.С. 1Гирда Я.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Попова Е.Е. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Работа в формате PDF

2.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Текущий мировой товарооборот составляет более 16,9 миллионов долларов. Большей частью, а именно 70 процентов — это судовые грузоперевозки. Однако суда лишь часть огромной транспортной цепи. На втором месте по популярности - автотранспорт, в связи с чем, мы выделили некоторые направления, где возникают проблемы при транспортировке грузов: время, грамотная логистика, целостность товара. При успешном выполнении первых двух показателей, целостность товара очень часто подводит водителей, и, в результате, предприятие-поставщик платит огромные штрафы за некачественный товар.

Цели проектной работы: усовершенствовать грузовой транспорт для уменьшения амплитуды колебания груза и снижения боя товара, создать демонстрационную модель.

Задачи проектной работы:

Изучить грузоперевозки и их логистику.

Провести исследование проблемы «бой продукции при транспортировке»: опросить водителей большегрузов, сходить на экскурсию на предприятие, сталкивающееся с проблемой боя товара

Придумать несколько идей и гипотез для выполнения цели;

Проверить выдвинутые идеи экспериментами;

Создать модель с использованием рабочих идей;

Просчитать экономическую выгоду;

Продемонстрировать свои идеи и гипотезы экспертам;

Усовершенствовать проект и подвести итоги.

В качестве источников информации мы использовали информационные сайты: carlines.ru, autolabirint.ru, tilma.ru. При оформлении проекта мы брали идеи из большой книги «Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3: 181 удивительный механизм и устройство» [1], при конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах, подробно о зубчатых передачах [2, 3], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике [4].

Мы перед собой поставили большое количество задач. Благодаря тому, что нас в команде 7 человек (Приложение, Рисунок 1.0), мы успешно справились со всеми задачами. Мы разделились на две команды по 3 и 4 человека, распределили задачи. Подробно описание транспортировки грузов на дальнее расстояние, первый эксперимент и Гипотеза Антивибрационные колеса» представлены в проекте других ребят из нашей команды «Совершенный грузовик: первый эксперимент». Эта работа также представлена в секции «техническое творчество и изобретательство» на XVI Международном конкурсе научно-исследовательских и творческих работ учащихся «Старт в науке» Российской Академии Естествознания.

Глава 1 Исследование проблем, возникающих при грузоперевозках в России и в мире

Современная жизнь развивается стремительно, и в этих условиях важнейшим аспектом деятельности людей стали перевозки грузов [5]. Перемещение грузов – это важная часть делового мира, в котором партнерские отношения основаны на обмене товарами и деньгами. И если с переводом денежных средств все обстоит просто: безналичные перечисления не связаны границами, то для перемещения из города в город, из страны в страну товара требуется процедура грузоперевозки.

На всем этапе пути возможны непредвиденные ситуации, которые могут привезти к деформации товаров. Рассмотрим, например, транспортировку грузов на автотранспорте. Очень часто происходят аварии. Они происходят из-за невнимательности водителей, проблем со здоровьем и внешних факторов, таких как неровные дороги. На сегодня можно выделить самые актуальны 3 проблемы при автогрузоперевозках: аварии (Рисунок 1.1, Приложение), бой продукции (Рисунок 1.2, Приложение) и несвоевременная доставка (Рисунок 1.3, Приложение). Мы договорились найти решение проблемы боя продукции при транспортировке товаров. При порче груза в автоперевозках действует так называемая презумпция вины перевозчика. Это означает, что перевозчик должен доказывать, что утрата, недостача или повреждение (порча) груза произошли вследствие обстоятельств, которые перевозчик не мог предотвратить или устранить.

Опрос «Грузоперевозки»

На наш тест по грузоперевозкам ответило 5 человека, все они из разных транспортных компаний.

Получив информацию от руководящего лица логистической цепочки на экскурсии на завод «Очаково», мы решили собрать статистику от непосредственных исполнителей транспортировки: водителей грузовиков, чтобы понимать актуальность проблем, возникающих при грузоперевозках. Мы создали опрос в Гугл форме.

В опрос 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?

9) По вашему мнению влияет ли техническое состояние вашего транспортного средства на количество боя продукции?

10) Как вы думаете, влияет ли колебания двигателя на целостность груза?

11) Какое время года самое проблематичное для перевозок?

12) Продолжите ли вы свой путь в случае сильной непогоды?

13) Хотели бы вы поменять своё транспортное средство на новое?

14) Как часто вы обслуживаете или меняете рессоры?

15) Как часто ваше транспортное средство требует ремонта?

Нам удалось опросить водителей большегрузов разных компаний: Кит, Байкал-сервис, Автотранс, СВК, ПЭК. Всего на наши вопросы ответили 5 дальнобойщиков (Рисуноки 1.1.1-1.1.2, 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. Трое человек считают, что бой товара возможен при перевозке, 1 человек – при погрузке. Причем 3 человека считают, что техническое состояние грузовика влияет на количество боя продукции, и это при условии, что они выходят в рейс даже при непогоде и ремонтируют свое транспортное средство несколько раз в год.

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 боя продукции возникают чаще всего при транспортировке по причине спешки во время пути, аварий на дорогах, неровности дорожного покрытия.

Теория источников колебаний

Вы выделили 2 вида колебаний, которые может испытывать на себе груз при транспортировке (Рисунок 1.2.1, Приложения)

Слишком высокая частота, низкая амплитуда - структурное разрушение материала

Источником таких колебаний может быть работа двигателя или незначительная неисправность, дисбаланс какого-то элемента автомобиля, который производит «вибрационный шум». Эти колебания нами обычно не заметны, но могут привезти к изменению материала по качеству, например жидкого или газосодержащего товара.

Низкая частота, высокая амплитуда – разрушение груза об упаковку

Такие колебания встречаются часто, так как дорожное покрытие является не идеальным и различные ямы и камни приводят к резким толчкам автомобиля. В результате, автомобиль и груз в нем испытывает резкие неблагоприятные толчки, что чаще всего приводит к порче товара.

Таким образом, можно выделить 3 источника колебаний:

дорога

Любая неровность на дорожном покрытии приведет к незапланированным и порой весьма опасным колебаниям грузового транспорта.

автомобиль

Автомобиль представляет собой колебательную систему, состоящую из нескольких масс — кузова, колес, двигателя, кабины и др., связанных между собой упругими связями и демпферами (затуханием) [6]. Эти массы делят прежде всего на подрессоренные и неподрессоренные.

Подрессоренной частью автомобиля являются все его элементы, вес которых передается рессорам (упругому устройству подвески). Те элементы, сила тяжести которых не передается через упругое устройство подвески, называют неподрессоренными элементами автомобиля. Таким образом, подрессоренными элементами автомобиля являются кузов и рама с укрепленными на ней механизмами, а неподрессоренными — колеса в сборе с осями (мостами).

Массу упругих элементов, рычагов направляющего устройства, амортизаторов, тяг рулевого привода и карданного вала относят частично к массе подрессоренных, а частично к массе неподрессоренных частей. В настоящее время массу всех этих частей условно делят между подрессоренной и неподрессоренными частями пополам.

Число возможных перемещений масс автомобиля весьма велико. Кузов, например, может испытывать поступательные перемещения вдоль трех координатных осей и угловые перемещения вокруг них (Рисунок 1.2.2, Приложение). Значения всех этих перемещений различны. Колебания кузова в вертикальной продольной плоскости, характеризующиеся поступательным перемещением z вдоль вертикальной оси (т. е. покачиванием и угловыми колебаниями вокруг поперечной оси) и галопированием, оказывают основное влияние на плавность хода автомобиля. Покачивание и галопирование совершаются на упругом устройстве подвески и шинах.

Колебания кузова в поперечной плоскости, характеризующиеся угловым перемещением р вокруг продольной оси или пошатыванием, влияют в основном на управляемость и устойчивость автомобиля при действии боковых сил. Колебания кузова вдоль поперечной оси (боковое подергивание), соответствующие изменению координаты у, а также угловые колебания вокруг вертикальной оси, характеризующиеся координатой γ (рысканье), обусловлены боковой упругостью шин. Эти колебания могут влиять на управляемость и устойчивость автомобиля. Если, например, при неблагоприятном сочетании параметров автомобиля колебания вокруг вертикальной оси станут неустойчивыми, то поступательное движение автомобиля будет сопровождаться рысканьем, резко ухудшающим управляемость и устойчивость автомобиля на дороге.

Колебания кузова вдоль продольной оси (подергивание), соответствующие изменению координаты х, обусловлены горизонтальными составляющими X реакции дороги, зависящими от неровностей ее микропрофиля. Влияние подергивания на плавность хода приходится учитывать, например, при высоком расположении сиденья водителя. Продольные колебания представляют также интерес при изучении дополнительных нагрузок на трансмиссию или тех дополнительных сопротивлений движению, которые испытывает автомобиль, передвигаясь по неровной дороге.

Внести изменения в конструкцию автомобиля с целью снижения пагубных колебаний очень сложно, так как это приведет к дополнительным финансовым вложением в транспортное средство и не каждый перевозчик будет готов изменять конструкцию грузовика.

упаковка

Сама по себе упаковка не является источником колебаний, однако при движении, упаковка повторяет и суммирует все внешние колебания: колебания автомобиля и колебания от дороги. Весь товар при перевозке обязательно упаковывается. Это позволяет уменьшить влияние колебаний при транспортировке на целостность товара. Но не всегда упаковка товара спасает.

Глава 2 Наши идеи для решения проблемы боя товара. Эксперимент «Блокировочные подушки».

Изучив подробно проблемы при транспортировке грузов, мы заострили внимание на частой проблеме – бой товара при транспортировке. Именно эта проблема на наш взгляд наиболее актуальна на сегодняшний день. Мы всей командой комплексно подошли к процессу отбора идей по решению этой проблемы. Сформулировали в итоге некоторые и спланировали проработку следующих идей:

Использовать полиуретан или резину для гашения вибраций, приводящих к повреждению товара.

Заменить колёса грузовиков на нестандартные колеса, гасящие вибрацию от кочек.

Заменить двигатели грузовиков на оптимальные двигатели, производящие высокочастотные колебания.

Поставить в контейнеры большие подушки безопасности, полностью облепляющие груз при надувании.

Наша идея: поставить в контейнеры подушки безопасности по всей внутренней поверхности контейнера, полностью облепляющие груз при надувании. Предлагаем сделать подушки по всей площади боковых стен и потолка контейнера. После загрузки товара в контейнер надувать эти подушки, что заблокирует товар от колебаний. 3D-модель расположения блокировочных подушек внутри грузовика представлена на Рисунке 2.1 Приложения. Материал подушек в идеале: высокопрочная нейлоновая ткань, пропитанная резиной.

Для грузовика 90 м³, внутренними размерами контейнера: высота 2,7 м, ширина 2,45 м, длина 13,6 м, и грузоподъемностью 20 т (Рисунок 2.2, Приложение, [7]), необходимы будут 3 блокировочные подушки: 1 подушка 2,35 м на 2,7 м, 2 подушки 13,6 м на 2,7 м. Толщина блокировочных подушек в надутом состоянии - до 7 см.

Для проведения эксперимента мы подготовили грузовик и установили в нем имитацию блокировочных подушек (Рисунок 2.3, Приложение). Для этого мы использовали следующие составные части и материалы:

модель грузовика LEGO: кабина и платформа для установки контейнера, колесный ход;

контейнер из картона (низ и 3 стенки) и прозрачного пластика для наглядности эксперимента (2 стенки);

груз на паллетах из картона 5 шт;

резиновая подложка на дне контейнера (эффективность применения подтверждена в эксперименте, который описали ребята из нашей команды в своем проекте «Совершенный грузовик: первый эксперимент»);

пакеты для льда с разделением на ячейки 4 шт для имитации блокировочных подушек;

силиконовые трубочки от капельниц для создания системы подачи воздуха к блокировочным подушкам;

ручной насос для надувания блокировочных подушек.

Мы установили все 5 поддонов внутри контейнера и перед началом эксперимента заметили, что контейнеры не скользят, так как установлены на резиновую подложку, однако при резких колебаниях контейнера наклоняются, то есть расстояние между стенками грузовика и контейнерами является лишним и может привезти к деформации груза при транспортировке.

После подачи воздуха все блокировочные подушки надулись и расстояние между стенками контейнера и грузом заполнилось. Таким образом, при любом наклоне и тряске паллеты с товаром остаются в неподвижном состоянии. Мы получили положительный результат во втором эксперименте: блокировочные подушки надуты и товар неподвижен внутри грузовика.

Глава 3 Наши гипотезы для решения проблемы боя товара. Гипотеза «Двигатель с высокочастотными колебаниями»

Ещё одна наша идея пока остается в виде гипотезы, так как у нас нет возможности приобрести материал и провести эксперимент.

Мы предполагаем, что, если заменить V образные двс [8] в грузовиках на радиальные с более маленькими поршнями (Рисунок 3.1, Приложения), то более высокочастотные колебания радиального двигателя [9] будут оказывать меньшее влияние на сохранность груза. Радиальные двигатели используются в винтовой авиации, очень надёжные и невероятно быстрые. Так как мы не имеем возможности найти, собрать или купить такой двигатель и установить, и проверить его влияние на груз, то мы не можем подтвердить или опровергнуть нашу гипотезу.

Однако мнение эксперта внесло ясность в этот вопрос (Глава 5).

Глава 4 Расчёт финансовых затрат

Мы сделали расчеты полного усовершенствования контейнера грузовика (объемом 90 м³, внутренними размерами: высота 2,7 м, ширина 2,45 м, длина 13,6 м, и грузоподъемностью 20 т), учитывая наши рекомендации (за исключением смены двигателя). Результат наших расчетов представлен в Таблице 4.1

Таблица 4.1 Расчёт финансовых затрат на усовершенствование грузовика

Стоимость полного оснащения контейнера грузовика по нашему проекту варьируется от 520 000 до 1 310 000 рублей в зависимости от выбора материала, в среднем – 915 000 руб. Эта стоимость не большая по сравнению со стоимостью груза. Конечно, такие усовершенствования будут финансово выгодны при перевозке особо хрупкого груза, ведь сохранность грузов поможет избежать штрафов.

Глава 5 Представление проекта экспертам и на соревнованиях

5.1 Мнение эксперта Чистякова Андрея Николаевича, заместителя начальника Главного Управления строительства Тюменской области

Мы пригласили эксперта Чистякова Андрея Николаевича к нам в Школу Мистер Брейни (Рисунок 5.1.1, Приложение). Он высоко оценил наш проект и отметил, что наш проект реален, а такжедополнительный плюс в том, что мы выполнили расчет финансовых затрат. В случае частой эксплуатации фуры при перевозке хрупкого груза, эти затраты будут оправданы и быстро компенсируются.

Андрей Николаевич объяснил нам, что колебания двигателя не могут значительно повлиять на сохранность груза, так как двигатель в грузовике расположен на индивидуальной подвеске и не передает колебания кузову автомобиля. Поэтому мы считаем нашу Гипотезу опровергнутой и не включаем затраты на изменение двигателя в автомобиле.

Он порекомендовал нам подробно рассмотреть виды колебаний и их влияние на сохранность груза. Мы выполнили эти рекомендации, информацию представили в Главе 1.

5.2 Презентация проекта на соревнованиях

О нашей идеи мы впервые рассказали ученикам нашей Школы Мистер Брейн в декабре 2021 года на дружеском матче. Идея многим показалась интересной и легко реализуемой.

Первая защита проекта состоялась в феврале 2022 года не региональном соревновании «РОБОФЕСТ Тюмень-2022» (Рисунок 5.2.1, Приложение). Судейская коллегия оценила нашу идею и предложила некоторые корректировки и доработки. Нам присудили III место.

Заключение

Мы подробно изучили тему грузоперевозок, определили 3 основные проблемы на сегодня: аварии, бой продукции, несоблюдение временного графика. Эти 3 проблемы взаимосвязаны друг с другом. Подробнее мы остановились на проблеме боя продукции во врем грузоперевозок. Мы провели исследование данной проблемы: опросили водителей большегрузов, сходили на экскурсию на предприятие, сталкивающееся с проблемой боя товара, изучили теорию возникновения колебаний и их влияние на груз при транспортировке. Таким образом, мы сделали вывод, что частые проблемы боя продукции возникают чаще всего при транспортировке по причине спешки во время пути, аварий на дорогах, неровности дорожного покрытия. Колебания двигателя транспортного средства малы, поэтом у не рассматриваем их в качестве угрозы для груза.

Для решения проблемы боя продукции мы выдвинули идеи и сформулировали гипотезы. Первая идея – использовать покрытие на полу контейнера поглощающее удары и колебания покрытие, например из резины. Эксперимент показал, что при ударе о резину не происходит деформации конструкции. Следующая идея - поставить в контейнеры подушки безопасности по всей внутренней поверхности контейнера, полностью облепляющие груз при надувании. Из доступного материала мы создали экспериментальную модель и получили положительный результат: блокировочные подушки надуты и товар неподвижен внутри грузовика. Гипотеза «Двигатель с высокочастотными колебаниями»: если заменить V образные двс в грузовиках на радиальные с более маленькими поршнями – опровергнута экспертом – Чистяковым А.Н. заместителем начальника Главного Управления строительства Тюменской области. Гипотеза «Антивибрационные колеса»: заполненные специальной пеной колеса помогут почти полностью нивелировать тряску от кочек на дороге, - пока остается в качестве предположения, т.к. мы не сможем проверит её экспериментально.

Мы рассчитали примерную стоимость финансового вложения для усовершенствования простого грузовика, это в среднем – 915 000 руб. Эта стоимость не большая по сравнению со стоимостью груза. В случае частой эксплуатации фуры при перевозке хрупкого груза, эти затраты будут оправданы и быстро компенсируются.

Наш проект был высоко оценен экспертами и судейской коллегией на региональном соревновании. Наш проект может быть реализован в ближайшем будущем.

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;

Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей, - СПб.: Наука, 2013. 319с;

Интернет источники:

http://autolabirint.ru/aktualnost-gruzovyx-perevozok/

http://carlines.ru/modules/Articles/article.php?storyid=2575

https://tilma.ru/pdd/perevozka-gruzov.html

https://yandex.ru/images/search?rpt=imageview&url=https%3A%2F%2Favatars.mds.yandex.net%2Fget-images-cbir%2F1046172%2FEvMj2V2OpX2nsw1pL7K6FQ9472%2Forig&cbir_id=1046172%2FEvMj2V2OpX2nsw1pL7K6FQ9472

https://yandex.ru/images/search?rpt=imageview&url=https%3A%2F%2Favatars.mds.yandex.net%2Fget-images-cbir%2F908222%2FGzQVUoqN92y4XDpF29Qn7A9760%2Forig&cbir_id=908222%2FGzQVUoqN92y4XDpF29Qn7A9760

Приложение