XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022
Совершенный грузовик: первый эксперимент
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Научно-исследовательская работа
Техническое творчество и изобретательство
Совершенный грузовик: первый эксперимент
Выполнилиученики
Школы интеллектуального развития
«Мистер Брейни»
Юрков Егор, 13 лет, 6 класс
Егоров Артем, 13 лет, 6 класс
Ермошкин Илья, 13 лет, 6 класс
Якобюк Даниил, 13 лет, 6 класс
Руководитель:
Попова Елена Евгеньевна
преподаватель робототехники,
заместитель директора по учебной части
Школы интеллектуального развития «Мистер Брейн»
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;
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 теория влияния колебаний на сохранность груза, модель «Совершенный грузовик», опровержение Гипотезы «Двигатель с высокочастотными колебаниями» представлены в проекте других ребят из нашей команды «Совершенный грузовик: исследование источников колебаний». 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
Долгий путь товара от производителя до витрины
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.
Мировая торговля подразумевает собой транспортировку товаров на огромные расстояния. Между изготовителем и потребителем может быть несколько тысяч километров. Мы решили проследить путь одного конкретного товара (Рисунок 1.1.1, Приложение). Для того чтобы оценить финансовые риски при перевозке ценного и хрупкого груза. На данный момент один из ценнейших грузов в мировой торговле это электроника, построенная на полупроводниках, например, игровые видеокарты. Возьмем видеокарты RTX3090, их производят в Калифорнии, там на заводе их грузят на огромные двадцатифутовые контейнеры. На грузовиках эти контейнеры едут до ближайшего железнодорожного вокзала. Там контейнеры грузят на поезд, который в свою очередь идёт в порт. В порту контейнеры перегружают на огромный контейнеровоз, который придёт в Россию. По приходу в порт прибытия контейнеры разгружают на поезд, который едет в Москву. На Московском вокзале контейнеры разгружают на грузовики, направляющиеся непосредственно в магазины. По приезду контейнер распаковывают и выгружают товар на полки. На этом долгом пути примерно 15 % продукции портится. Если учесть, что стоимость товара в контейнере может доходить до 100 миллионов рублей, то получается, что примерно 15 миллионов просто сгорает в никуда!
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 1.1.2, Приложение), бой продукции (Рисунок 1.1.3, Приложение) и несвоевременная доставка (Рисунок 1.1.4, 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.
Экскурсия на завод Очаково.
Одним из этапов нашего исследования была экскурсия на Тюменский завод «Очаково».
Предприятие производит и продает напитки в Тюмени: пиво, квас, коктейли, соки минеральную воду и лимонад с 2007 года. Продукцию завод реализует в Тюмени, Тюменской области и поставляет в другие регионы в восточную часть страны.
На экскурсии мы узнали, что Тюменский завод «Очаково» самый компактный из всех комбинатов сети, имеет 4 линии розлива. (Рисунок 1.2.1, Приложение). Несмотря на свои небольшие размеры, он производит 120 миллионов литров пива и 45 миллионов литров безалкогольных напитков в год. (Рисунок 1.2.2, Приложение).
Для производства продукции завод использует продукцию собственных сельхозугодий. Часть ингредиентов закупает. Например, пивные дрожжи для «Очаково» выращивают в Берлинском институте пивоварения, хмель везут из Чехии, Германии, США и России. Пюре и концентраты для соков привозят со всего мира, цитрусовые — из Бразилии, а вишневые и яблочные - из Орловской области и Ставропольского края. Закваску для Тюменского завода поставляют из Москвы в специальных автоцистернах (Рисунок 1.2.3, Приложение).
Ранее у Тюменского завода «Очаково» бóльшая часть поставок сырья и отгрузка готовой продукции происходила по железной дороге. Железнодорожная ветка проходит вблизи завода. Несколько лет назад началось освоение прилегающей к заводу территории - рядом с заводом возводят жилые дома. В связи с этим железнодорожная ветка стала «лишней». Возникла проблема – смена логистики с железнодорожного на автомобильный транспорт (Рисунок 1.2.4, Приложение).
На экскурсии руководитель службы логистики Лунев Алексей Владимирович рассказал нам о множестве проблем, с которыми сталкивается завод при доставке своих товаров по Тюмени и по России на Восток:
задержка транспорта в пути,
бой продукции, возврат,
неаккуратная и медленная погрузка/разгрузка
За всё это заказчики штрафуют поставщика товаров. Особенно часто завод сталкивается с возвратом товара из-за боя продукции при транспортировке. Бой продукции возникает в связи с авариями, тряской в пути из-за неровностей дорог, неаккуратной погрузкой/разгрузкой
На сегодняшний день проблему боя продукции на заводе решают с помощью простых мер с минимальными финансовыми затратами: ъ
прокладка промежуточных листов гипсокартона между палетами с товаром;
приклеивание товара к паллетам;
тугая стяжка паллет с товаром внешней плёнкой;
регулярный осмотр паллет и устранения неровностей;.
оптимизации формы емкости (товара) для уменьшения расстояния между товаром в одной паллете.
Однако, используемый расходный материал является одноразовым, и в перерасчете на год сумма затрат оказывается внушительной.
Глава 2 Наши идеи для решения проблемы боя товара. Эксперимент «Смягчение удара».
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.
Для того чтобы товар приехал в целости и сохранности, мы решили сделать слегка пружинящую подкладку на дно контейнера грузовика, чтобы убрать скольжения товара по кузову и снизить колебания, создаваемые неровностями на дорогах. В качестве материала для подкладки можно использовать резину или в идеале полиуретан. Общие свойства таких материалов:
— эластичность,
— способность поглощать ударные нагрузки и вибрацию,
— низкая теплопроводность и звукопроводность,
— хорошую механическая прочность,
— электроизолирующие свойства,
— газо- и водонепроницаемость,
— устойчива к агрессивным средам.
Перед началом эксперимента мы выдвинули Гипотезу 1:
подкладки в контейнере помогут смягчить небольшие низкочастотные колебания и избежать деформации при высокоамплитудных колебаниях.
Мы создали экспериментальную установку: высокий короб (высота 50 см) с прозрачной одной стенкой для возможности видеть процесс проведения эксперимента, на вершине короба установлен шарнирный механизм, удерживающий груз до старта и отпускающий груз в свободное падение без каких-либо внешних воздействий.
Наш эксперимент мы повторили 3 раза, каждый эксперимент проходил в 2 запуска (Рисунок 2.1, Приложение):
1 запуск. Короб установлен на поверхность стола, на вершине короба размещен небольшой груз из LEGO деталей. В момент открытия створок шарнирного механизма груз свободно падает. В результате первого запуска груз рассыпался, при повторах эксперимента мы получили такой же результат.
2 запуск. Короб установлен на резиновой подкладке толщиной 0,5 см, на вершине короба размещен небольшой груз из LEGO деталей (точно такой же, что и при первом запуске). В момент открытия створок шарнирного механизма груз свободно падает. В результате второго запуска груз остается в собранном виде, при повторах эксперимента мы получили такой же результат.
Таким образом Гипотеза 1 доказана, мы получили результат: резина действительно хорошо компенсирует удар.
Глава 3 Наши гипотезы для решения проблемы боя товара. Гипотеза «Антивибрационные колеса»
Ещё две наших идеи пока остаются в виде гипотез, так как у нас нет возможности приобрести материал и провести эксперименты.
Гипотеза «Антивибрационные колеса»: мы предполагаем, что заполненные специальной пеной колеса помогут почти полностью нивелировать тряску от кочек на дороге.
Такая пена (Рисунок 3.1, Приложение) обладает полезным свойством: при правильном составе пена способна оставаться крайне упругой при определённой нагрузке, но при этом становиться мягкой и податливой к деформации при другой нагрузке.
Так как такая пена не доступна для покупки обычному обывателю мы не можем проверить наше предположение экспериментально.
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 5.1
|
Наименование элемента комплектации |
Минимальная стоимость, руб |
Максимальная стоимость, руб |
Средняя стоимость, руб |
|
Подкладка на дно контейнера |
90 000 |
300 000 |
195 000 |
|
Блокировочные подушки |
300 000 |
650 000 |
475 000 |
|
Электроника |
60 000 |
250 000 |
155 000 |
|
Антивибрационные колеса |
70 000 |
110 000 |
90 000 |
|
Итого: |
520 000 |
1 310 000 |
915 000 |
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 Бек Эдуарда Сергеевича, специалиста по планированию производства ООО Технологическая компания «Шлюмберже»
Для оценки нашего проекта, мы пригласили эксперта в области логистики приёма, выдачи, хранения грузов, специалиста компании «ООО Технологическая компания Шлюмберже» – Бек Эдуарда Сергеевича (Рисунок 5.1.1, Приложение).
Эксперт подтвердил, что выбранная проблема боя продукции в рамках темы грузоперевозок максимально актуальна в настоящее время. Эдуард Сергеевич также отметил, что мы хорошо знаем тему и конструкцию грузовиков, наша идея реальна и может быть реализована в ближайшее время.
В качестве рекомендаций, эксперт предложил продумать систему для грузовиков, открывающихся сверху и сбоку, чтобы палеты с грузом легче было устанавливать.
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 «Совершенный грузовик» 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
Приложение
-
Рисунок 1.0 Команда SmartGo Школы Мистер Брейни города Тюмени
Рисунок 1.1.1 Долгий путь товара от производителя к потребителям
Рисунок 1.1.2 Аварии
Рисунок 1.1.3 Бой продукции
Рисунок 1.1.4 Несвоевременная доставка
Рисунок 1.2.1 Четырёх поточный цех разлива
Рисунок 1.2.2 Производственный цех
Рисунок 1.2.3 Цистерны для хранения напитков
Рисунок 1.2.4 Отправка грузовика с цистерной
Рисунок 1.2.5 Экскурсия на завод «Очаково» в городе Тюмени. Экскурсию провел руководитель службы логистики Лунев Алексей Владимирович
Рисунок 2.1 Результат проведение эксперимента «Смягчение удара» в два запуска.
Рисунок 3.1 Специальная пена для заполнения колес
Рисунок 5.1.1 Презентация проекта эксперту Бек Эдуарду Сергеевичу, специалисту по планированию производства ООО Технологическая компания «Шлюмберже»
Рисунок 5.2.1 Выступление команды на региональном соревновании по робототехнике «Робофест-Тюмень 2022» 17 февраля 2022 года