XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Катки Рёло для перемещения тяжёлых грузов
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Работа относится к области тяжёлого машиностроения: металлургии, прокатных станов, транспортных платформ, горных работ – везде, где требуется перемещать тяжёлые грузы. Цель работы была сформулирована после изучения истории транспортировки Гром-камня для основания Памятника Петру Первому. После анализа этого исторического факта появилось предложение усовершенствовать процесс перемещения тяжёлых грузов. Во-первых, надо заменить опорные шары на опорные ролики, чтобы уменьшить давление. Во-вторых, сечение опорных роликов надо сделать не круглым, а в виде треугольника Рёло – кривой постоянной ширины. Это означает, что тяжёлый груз не будет перемещаться вверх-вниз, что важно при большой массе, будет двигаться точно так, как на круглых цилиндрических катках. На катках Рёло движение камня такое же, как и на круглых брёвнах. Катки сложнее по форме. Но зато есть преимущество, которое никто раньше не увидел. Это преимущество связано с безопасностью работ с тяжёстями.
Введение
Тема работы появилась на уроке истории. В классе изучали интересный вопрос о памятнике Петру Первому в Санкт-Петербурге. Это «Медный всадник». Загадок очень много. Одна из них связана с постаментом. Это Гром-камень. Не вдаваясь в историю, сразу скажу, что «Медный всадник» установлен на частях Гром-камня. Именно на частях, потому что кусок скалы несколько раз ломался. Есть общий вид начального камня. На рис.1 есть смысл посмотреть не на сам камень, а полозья и катки.
Рис.1. Старинная гравюра о перемещении Гром-камня
На уроке истории появился технический вопрос. Как тащили камень? Масса 2000 тонн. Справка. Такую массу имела самая тяжёлая ракета-носитель «Энергия-Буран». 250 лет назад металл, причём только чугун, был роскошью. Сталеварение появится позднее, технология булатных клинков часто была под секретом, да и сами небольшие клинки ценились дороже драгоценных металлов. Основные материалы того времени – это дерево и верёвки, а также несколько металлических шаров специального состава, являющегося достижением того времени. И всё-таки, Гром-камень несколько раз срывался с механизма. Есть данные, что тяжёлый груз падал пять раз, от камня откалывались большие куски. В результате до постамента дошла только часть первоначальной скалы, да и то частями. На Памятнике Петру Первому в Санкт-Петербурге, на Сенатской площади, хорошо видны места состыковки частей Гром-камня в единый постамент, но туристы, да и коренные жители, обычно не обращают внимания на составную конструкцию, визуально воспринимая объект целиком. Целью этой научно-исследовательской работы является выяснение условий транспортировки тяжёлого груза и выработка рекомендаций для повышения безопасности работ по перемещению тяжестей. Для достижения цели исследования были сформулированы следующие основные задачи.
1. Выполнить исторический анализ технологических устройств и машин для перемещения тяжёлых грузов, повторить опыты на моделях.
2. Выяснить, как выполнялась транспортировка тяжёлых грузов в различных условиях, особенно на склонах гор, пусть даже небольших.
3. Создать лабораторную установку для демонстрации технологического процесса перемещения тяжёлых грузов в различных условиях, особенно на склонах гор.
4. Выявить основные недостатки и трудности процесса перемещения тяжестей, особенно обращая внимание на безопасность работ.
5. Предложить усовершенствованное устройство для перемещения тяжёлых грузов, позволяющее повысить безопасность работ.
Лабораторное повторение опыта перемещения груза
Под камень подкладывали брёвна и 30 чугунных шаров размером с ладонь. На самом деле шары были не чугунные, а из специального сплава, близкого к бронзе. Чугун – очень хрупкий материал, не может выдержать большое давление, особенно от точечной нагрузки в месте касания шара с грузом и опорной поверхностью. Однако ошибки в терминологии нет, потому что в 18-ом веке чугун был практически единственным промышленным металлом, поэтому немногим новым выплавленным материалам присваивалось его название. На рис.2 показана простейшая лабораторная установка, с которой началась исследовательская работа.
Рис.2. Первый лабораторный опыт с цилиндрическими катками
На фотографии вместо шаров консервные банки, но это лабораторное решение. В 18-ом веке роликов не было, каждой пушке вели счёт. Ролик отличается от шара. По нагрузке и прочности ролик лучше шара, потому что касание поверхностей происходит по линии, а не в точке. В тяжёлом машиностроении, например, в дорожных катках для трамбовки только что уложенного горячего асфальта, часто применяют роликовые подшипники, а не шариковые. Это связано с большими вибрационными нагрузками. Шаровая опора с точечным касанием создаст большое давление, обойма шарикоподшипника треснет. Быть может, именно поэтому Гром-камень пять раз падал и трескался. Действительно, 30 опорных шаров для груза массой 2000 тонн – это мало. Почти 70 тонн на каждый шар, то есть железнодорожный вагон с грузом на одну точку, тогда как сейчас все видят, что такой груз требует восьмиколёсной опоры, причём с диаметром колёс почти 1 метр. Но в то время наука о сопротивлении материалов только зарождалась, поэтому машины и механизмы обычно создавали интуитивно, а также учитывали накопленный опыт предыдущих работ.
Первый лабораторный опыт доказал правильность рассуждений и выводов из анализа исторической литературы. Даже на роликовых опорах кирпич массой около 4 кг прогибал жестяную конструкцию консервных банок. Значит, на шаровые опоры давление было ещё больше. Это могло служить, и наверняка служило, причиной растрескивания скалы и падения её при транспортировке. Маленькая скорость движения груза, всего 20-30 метров в сутки, уменьшила практически до нуля динамические нагрузки, но статическое давление оказалось не то что большим, а громадным, нерасчётным.
Во время проведения первого лабораторного эксперимента сразу же было отмечено необычное явление, связанное со свойствами шаровых или цилиндрических катков, с их поведением на склонах гор. На горизонтальной поверхности, вроде бы, проблем с перемещением тяжёлого груза не было. Но путь 12 вёрст от первоначального места расположения камня, где сейчас находится Петровский пруд, до берега Финского залива – это сплошные горки, то есть наклонные плоскости. На рис.3 показано моделирование перемещения тяжёлого груза по горизонтальной поверхности, то есть по ровной крышке лабораторного стола.
Рис.3. Горизонтальная поверхность – самая простая для перемещения
На горизонтальной поверхности, как казалось, проблем нет. Но камень падал и раскалывался 5 раз. Путь до морского берега – это сплошные горки. В чём опасность? Для ответа на этот вопрос необходимо было решить очередную исследовательскую задачу, надо было изготовить лабораторную модель горки, то есть наклонную плоскость.
Опыты перемещения груза по наклонной плоскости
Перемещение тяжёлого груза по склону горы принципиально отличается от горизонтального движения. Сначала сразу же было отмечено первое отличие как следствие изучения школьного курса механики. На склоне появляется тангенциальная, касательная составляющая силы тяжести, равная . Это дополнительная нагрузка к силе трения, если движение происходит вверх по наклонной плоскости. Эта сила очень большая. Например, даже при наклоне 1 градус, скатывающая составляющая силы тяжести равна
.
Такое дополнительное усилие соответствует 34 тоннам, то есть половине массы нагруженного железнодорожного вагона, или одной трети массы колонны Исаакиевского собора, который будет построен почти через век после создания Памятника Петру Первому. Но не только дополнительные усилия были выявлены в ходе лабораторного моделирования перемещения груза по склону горы. Как оказалось, горка – это не только тяжесть, но и опасность для рабочих. О камне речь уже не идёт. На рис.4 показано скатывание цилиндрических опор с горки после их высвобождения из-под груза. Естественно, на пути скатывания бревна не должен стоять рабочий.
Рис.4. Скатывание цилиндрических опор с горки
Перемещение тяжёлых грузов всегда связано с опасными работами. Но здесь опасными оказались приспособления для работы с тяжестями. В связи с этим появилась следующая, очередная, исследовательская задача: «Как сделать опорный каток безопасным, чтобы он не скатывался с горки?»
Новое предложение – каток Рёло
В процессе лабораторных экспериментов были предложены новые опоры для грузов. Это область тяжёлого машиностроения. Для опоры нужен не шар, потому что точка даст громадное давление, камень треснет. Пять раз трескался! Цилиндр лучше, но тоже опасен, потому что скатывается с горки при освобождении из-под груза. Появилось предложение нового сечения опорного катка – каток Рёло. Если круг скатывается с горки, то треугольник Рёло работает по-другому, не скатывается в свободном положении. Конечно, если уклон не очень большой. На рис.5 показано сечение нового катка в виде треугольника Рёло, изготовленного из сосновой доски толщиной 25 мм.
Рис.5. Сечение нового опорного катка – треугольник Рёло
Треугольник Рёло – это кривая постоянной ширины. Это означает, что движение груза на катках Рёло ничем не будет отличаться от случая обычных цилиндрических катков, то есть груз не будет прыгать вверх-вниз при движении. Конечно, каток Рёло сложнее в изготовлении. Более того, у него нет центра вращения, как у круга. При качении центр треугольника Рёло перемещается вверх-вниз, хотя опорный груз всё время остаётся на одной и той же высоте. Но для перемещения тяжёлого груза на катках, в том числе на катках Рёло, движение геометрического центра фигуры не имеет значения, важно, чтобы опорные поверхности постоянно находились друг от друга на одном и том же постоянном расстоянии, как в случае цилиндрического катка. На рис.6 показана фотография первого опыта с катками Рёло.
Рис.6. Первый опыт с катками Рёло
На катках Рёло движение камня такое же, как и на круглых брёвнах. Катки сложнее по форме. Но зато есть преимущество, которое никто раньше не увидел. До сих пор треугольнику Рёло находили два применения: сверление квадратных отверстий и роторный двигатель. В результате исследований предлагается третье новое практическое применение. Это безопасный опорный каток Рёло в тяжёлом машиностроении или для перемещения тяжёлых грузов. Есть ещё и четвёртое практическое применение, но о нём пока выдвинуты только гипотезы. Это рёлоподшипник и рёлогусеница. И тоже для тяжёлого машиностроения. На рис.7 показано главное преимущество рёлокатка – он не скатывается с горки.
Рис.7. Свободный каток Рёло не скатывается с горки, безопасен
Освободившийся из-под груза каток Рёло не покатится вниз по склону, представляя опасность для рабочих, а останется лежать на склоне горы в том месте, где освободился. Рабочие без опасения могут взять его, поднять краном, перетащить вперёд для следующего размещения под тяжёлым грузом. Такая работа связана только с перемещением катка Рёло, но ни в коем случае не с опасностью попасть под катящийся каток. Рис.8 иллюстрирует законченное и оформленное новое техническое предложение, безопасное в смысле покоя освобождённого из-под груза катка Рёло.
Рис.8. Новое техническое предложение – безопасные катки Рёло
Разработанное новое техническое предложение потребовало решить очередные две задачи. Во-первых, нужно было изготовить не отдельное сечение катка Рёло, а полную модель предлагаемого устройства для перемещения тяжестей. Во-вторых, потребовалось изучить геометрию треугольника Рёло для нового практического применения.
Изготовление действующих моделей катков Рёло
Для подтверждения правильности и работоспособности нового технического предложения были изготовлены первые модели катков Рёло. Это рёлобрёвна. Работают. Можно тяжести перемещать. Даже холодильник на них перемещали. На рис.9 показан технологический процесс изготовления катков Рёло, то есть рёлобрёвен.
Рис.9. Изготовление действующих моделей катков Рёло
Изготовить рёлобревно целиком затруднительно, поэтому электролобзиком из сосновой доски были выпилены 20 треугольников Рёло. Радиусы дуг равны 120 мм. Затем в геометрическом центре каждого треугольника были просверлены отверстия диаметром 8 мм. Сосновые заготовки были стянуты шпилькой и гайками М8. В каждом катке Рёло по пять заготовок. Чтобы крайние заготовки не треснули, под гайки были подложены металлические кузовные шайбы диаметром 20 мм. Затяжка гаек выполнена двумя гаечными ключами по правилу: «Сколько хватит сил, лишь бы резьбу М8 не сорвать!». Выступающие части шпилек отпилены болгаркой. Болгаркой и мощным электролобзиком, как опасными инструментами, пользуются только взрослые, школьникам разрешено применять безопасные электроинструменты, например, настольный сверлильный станок. На рис.10 показаны катки Рёло в действии. Любой желающий может встать на доску и убедиться, что перемещение на катках будет только горизонтальным, подпрыгивания груза вверх-вниз не будет. Также не будет скатывания катка Рёло с наклонной плоскости.
Рис.10. Испытание безопасных катков Рёло
Испытания доказали правильность гипотезы и нового решения.
Геометрия катков Рёло
Хотя форма катков Рёло сложнее обычных традиционных катков, эту сложность можно считать условной. Действительно, для построения треугольника Рёло достаточно одного циркуля. Процесс геометрического построения треугольника Рёло показан на рис.11, связан с делением окружности на шесть одинаковых дуг и выбором нового радиуса по правилу: «Через точку».
Рис.11. Геометрическое построение треугольника Рёло
Изучение треугольника Рёло, как сечения опорного катка, привело к новым исследовательским задачам. В частности, надо изучить, как будет работать опора на дугах увеличенного радиуса и на остриях треугольника. Это перспектива и ближайшие цели работы, как и создание моделей рёлоподшипника и рёлогусеницы.
Выводы
1. Конечно, каток Рёло сложнее обычного цилиндрического катка.
2. В современных условиях сложность не особо большая.
3. Зато в безопасности каток Рёло значительно выигрывает.
4. Перспектива работы заключается в изучении нового применения катка Рёло, например, в рёлоподшипнике и рёлогусенице.
5. Более сложной является задача моделирования движения системы рёлокатков под нагрузкой, особенно прохождения вершины треугольника Рёло под нагрузкой.
Список литературы
1. Кирнева К.Д. Катки Рёло для тяжёлого машиностроения / Сборник тезисов. V Всероссийская с международным участием школа-конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Материалы и технологии XXI века». 30 ноября – 2 декабря 2022 г. - Отв. ред. А.В. Герасимов. [Электронный ресурс] – Казань.: КФУ, 2022. – С.259. - https://kpfu.ru/portal/docs/F2043986325/Book.of.abstracts.MT21_2022._1_.pdf
2. Кирнева К.Д. Катки Рёло. Конкурс «Гении Подмосковья 2022. Осенняя сессия». 20 ноября 2022 г. –Электронный ресурс: https://vk.com/geniemo2022?w=wall-199377489_661%2Fall
3. Кристина Кирнева. Катки Рёло. – 16.11.2022. – Электронный ресурс (видеоролик 3:25): https://youtu.be/tHmfL58c1LU