XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Создание прототипа доступного фотосепаратора

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Котлевский Д.О. 1

---

1МБОУ «Северская гимназия»

Котлевская Т.А. 1

---

1Управление образования Администрации ЗАТО Северск

Работа в формате PDF

1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Проблема импортозамещения на сегодняшний день стоит наиболее остро, за последний год Президент Российской Федерации Владимир Путин неоднократно об этом упоминал, она не обошла и агропромышленную сферу. В Россию фотоэлектронные сепараторы в основном поставляются из Китая и Японии, а отечественных производителей фотосепараторов всего двое, и в своем производстве они используют порядка 60-70% зарубежных компонентов. Цена как зарубежных, так и отечественных фотосепараторов крайне высока для малого фермерства.

Помимо этого, для мелких фермерских хозяйств покупка крупногабаритных фотосепараторов является не рентабельной, а на рынке отсутствуют предложения с малогабаритными фотосепараторами.

Актуальность проекта:

По данным Росстата в России ежегодно растёт общая посевная площадь сельскохозяйственных культур, в 2022 году она составила более 80 млн га. Из них порядка 36% приходится на фермерские угодья и хозяйства населения. [1]

Что касается Томской области, то у нас насчитывается 398 фермерских хозяйств и индивидуальных предпринимателей, их посевные площади составляют более 94 тыс. га. [2]

Чтобы засеять эти площади им необходимо отобрать качественный посевной материал. И здесь начинаются основные проблемы, связанные с наличием доступной агротехники. Имеющиеся на рынке фотосепараторы не доступны, а мелкогабаритные отечественного производства, которые мог бы себе позволить каждый желающий в России отсутствуют. Поэтому на отбор посевного материала вручную людям приходится затрачивать много времени.

И чтобы доказать это, а также обосновать актуальность нашего проекта, мы провели исследование по засоренности приобретённых семян горчицы белой, которое доказало, что:

- все исследованные партии семян горчицы белой не соответствуют требованиям нормативной документации (ГОСТ Р.52325-2005) и требуют качественной очистки семян;

- на обследование (сортировку) 1 пробы в 10 грамм мы в среднем тратили 30 – 60 мин., а если эти данные пересчитать на килограммы, то получится, что человек на сортировку 1 кг семян в среднем должен затратить от 50 до 100 часов, это примерно 2 – 4 суток без отдыха.

Проведённое исследование в полной мере обосновывает актуальность нашего проекта – мелким фермерским хозяйствам, индивидуальным предпринимателям и семеноводам для получения качественного семенного материала, и экономии времени очень необходим мелкогабаритный, доступный по стоимости отечественный фотосепаратор.

Цель проекта: до 1 марта 2023 года создать прототип малогабаритного фотосепаратора стоимостью не более 40 тысяч рублей.

Для достижения которой определены следующие задачи:

1. Изучить литературу по теме и аналогичные разработки;

2. Разработать структурную схему устройства;

3. Создать 3D модель;

4. Создать прототип фотосепаратора;

5. Запрограммировать прототип фотосепаратора;

6. Провести испытания.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Потенциальные заказчики

Потенциальными заказчиками нашего продукта являются: мелкие фермерские хозяйства, индивидуальные предприниматели и семеноводы.

Основными параметрами выбора нашего продукта для них являются: низкая стоимость (36 259,62 руб.), небольшой размер (габариты 35х11х25 см.), маленький вес (628 гр.), российское производство (82% отечественных деталей), высокая степень очистки от нежелательных примесей (97,2%).

Помимо этого, приобретение нашего фотосепаратора позволит потенциальным заказчикам добиться следующих целей:

• Отказ от ручного труда, и как следствие существенное повышение качества отбора семенного материала и снижение его стоимости (за счет экономии финансовых средств);

• Возможность выхода на новые рынки;

• Увеличение прибыли от продажи, либо возможность снижения стоимости продукта (по сравнению с ценами конкурентов).

2. Анализ существующих решений и методов

Были рассмотрены предложения на фотосепараторы как на отечественном, так и на зарубежном рынках, но были найдены только фотосепараторы, которые предназначены для крупного и среднего фермерства, то есть нацеленные на большие объемы производства. Разрабатываемый же фотосепаратор предназначен для семеноводов, малых фермерских хозяйств и индивидуальных предпринимателей, а таких предложений не было найдено, поэтому были рассмотрены наиболее похожие фотосепараторы, но для крупного фермерства.

Как уже было сказано ранее, рынок фирм, производящих фотосепараторы ограничен: в России только 2 производителя, а в основном фотосепараторы поставляют из Китая, гораздо реже из Японии.

Данные по продуктам Японских фирм скрыты от пользователей в общедоступных источниках. Поэтому для анализа существующих решений мы взяли пять фотосепараторов различных производителей России и Китая.

Преимуществом предлагаемого нами решения перед ними является низкая стоимость, компактность и частичное импортозамещение.

Подробная информация по анализу существующих решений представлена в сравнительной таблице аналогов с указанием преимуществ предлагаемого решения (приложение).

Из таблицы сравнения аналогов можно сделать вывод, что разрабатываемое устройство не уступает имеющимся аналогам в качестве продукта. Но оно имеет низкую производительность, хотя так как данный фотосепаратор предназначен для малого фермерства, то это не является проблемой. А низкая стоимость, отечественное производство, компактность являются несомненными преимуществами.

3. Планирование работ

Для достижения поставленной цели был определен план работ, представленный в виде диаграммы Ганта в таблице 1.

План работ

Таблица 1

4. Ресурсное обеспечение проекта

Имеющиеся ресурсы:

1. Команда проекта: исполнитель Котлевский Д.О., наставник Бывшенко А.В., научный руководитель Котлевская Т.А.

2. Оборудование ДТ «Кванториум»;

3. Материалы: картон, трубки, клей, тубус, воронка;

4. Электроника: микрокомпьютер Raspberry Pi 3 Model B, микроконтроллер Arduino UNO, широкоугольная камера для Raspberry Pi, 3 сервопривода GSMIN TowerPro SG90 с рулевым механизмом для среды Arduino.

Необходимые ресурсы: представлены в таблице 2.

Необходимые ресурсы

Таблица 2

Спонсоры и благотворители: АНО ДО «Детский технопарк «Кванториум».

5. Ход работы над проектом:

5.1. Техническое задание

Исходя из поставленной цели, вытекают следующие технические требования к изготавливаемому фотосепаратору: назначение – очистка и сортировка семян горчицы белой; габариты – не более 40х15х25 см.; вес – не более 1 кг.; производительность – не менее 1 кг. очищенного и отсортированного продукта в час; процент засоренности - не более 3%; стоимость – менее 40 тыс.руб.

5 .2. Эскиз

После составления технического задания был нарисован эскиз устройства, представленный на рис. 1.

Рис. 1 - Эскиз устройства

5 .3. Структурная схема устройства

Далее была разработана структурная схема устройства, изображенная на рис. 2.

Рис. 2 - Структурная схема устройства

Н а рис. 3 можно увидеть на примере макета, как выглядит каждая часть устройства.

Рис. 3 - Размещение систем (на примере макета)

Семенной материал загружается в воронку, в которой расположены 2 ситечка. Первое большего размера (на нём остаются крупные примеси), второе меньшего размера, через которое отсеивается мелкий сор.

На уровне второго ситечка расположена трубка, через которую отсортированные семена нужного размера попадают к дверце для поштучной выдачи.

Сервомотор с интервалом в 1 секунду открывает дверцу, и семена по 1 шт. попадают в систему распознавания, которая состоит из камеры, конвейера и желоба.

Если семечко соответствует заданным программой параметрам, то сервомотор отодвигает дверцу и семечко попадает в отсек бака для кондиции (очищенного материала). Если семечко не соответствует параметрам, то сервомотор отодвигает дверцу в другую сторону, и семечко попадает в отсек бака для отходов.

5.4. Подбор компонентов

Для сборки готового продукта были выбраны следующие компоненты: фанера берёзовая шлифованная (3мм), из которой на ЧПУ станке вырезаны следующие детали: бак, основа для системы распознавания, корпус; пластик, из которого на 3D принтере распечатаны дверцы, переходник, 2 ситечка, конвейерная лента, 2 валика для конвейерной ленты; шланг садовый для трубки-переходника от воронки к системе распознавания; тубус из плотного картона и воронка пластиковая; электроника: микрокомпьютер Raspberry Pi 3 Model B, микроконтроллер Arduino UNO, широкоугольная камера для Raspberry Pi, сервопривод GSMIN TowerPro SG90 с рулевым механизмом для среды Arduino (3 шт.).

5.5. 3D-модель устройства

Перед сборкой макета в программе T-FLEX были разработаны 3D-модели деталей устройства. На рис. 4 изображена система просеивания, она состоит из воронки, трубы и двух ситечек. В верхнем ситечке просеивается слишком большой сор, а в нижнем весь мелкий сор.

Рис. 4 - Система просеивания. Рис. 5 - Система распознавания. Рис. 6 - Бак.

На рис. 5 изображена система распознавания семян. Она состоит из желоба, конвейера и камеры, установленной на стойках. Камера предназначена для распознавания по форме и цвету семян горчицы, если семечко не подходит под размер и цвет горчицы, то оно будет распознано как сор.

На рис. 6 изображен бак, в котором с одной стороны будет собираться сор, а с другой отобранный материал.

5.6. Макет устройства

П

осле того, как была готова 3D-модель устройства мы из картона и электроники собрали макет фотосепаратора. На рис. 7 - 11 представлены фотографии макета.

Рис. 7 - Система Рис. 8 - Система Рис. 9 - Устройство в сборке

распознавания сортировки

Рис. 10 - Вид сверху Рис. 11 - Вид сбоку

5.7. Доработка 3D-модели устройства

После того, когда был готов макет фотосепаратора, были внесены необходимые изменение в 3D-модель устройства, детали были доработаны.

5.8. Сборка прототипа фотосепаратора

К
огда 3D-модель устройства была готова, мы приступили к печати деталей на 3D принтере, резке на станке ЧПУ и сборке. На рис. 12 – 17 представлены фотографии данных процессов.

Рис. 12 - Резка на станке ЧПУ Рис. 13 - Печать на 3D принтере

Р
ис. 14 – Процесс сборки Рис. 15 – Собранные бак и основа системы

распознавания

Рис. 16 – Собранные в корпус бак и основа Рис. 17 – Подключение

системы распознавания

электроники

5.9. Программирование устройства

Чтобы запрограммировать устройство была разработана блок-схема работы кода, представленная на рис. 18.

Рис. 18 - Блок-схема работы кода

6. Полученные результаты – созданный прототип фотосепаратора

В

ходе выполнения работы нами был создан прототип малогабаритного фотосепаратора, полностью соответствующий установленному в начале проекта техническому заданию. На рис. 19 – 22 представлены фотографии прототипа фотосепаратора.

Рис. 19 – Прототип малогабаритного Рис. 20 – Вид на устройство сверху

доступного фотосепаратора (вид сбоку)

Р

ис. 21 – Системы распознавания и сортировки Рис. 22 – Исполнитель с

готовым прототипом фотосепаратора

Габариты прототипа фотосепаратора (ДхШхВ): 35х11х25 см., вес: 628 гр. Общая стоимость 36 259,62 руб. Расчёт себестоимости прототипа фотосепаратора представлен в таблице 3.

Себестоимость прототипа фотосепаратора

Таблица 3

Так как в начале проекта мы описывали проблему импортозамещения, одной из наших задач была сборка прототипа фотосепаратора из российских комплектующих, в итоге процент отечественных деталей составил – 82%. Данные с расчетами приведены в таблице 4.

Расчет процента отечественных деталей

Таблица 4

7. Программа и методика испытаний

Объектом испытаний является разработанный прототип фотосепаратора.

Цели испытаний:

- проверка соответствия основных технических характеристик и функциональных возможностей разработанного прототипа фотосепаратора заявленному техническому заданию;

- определение соответствия требованиям нормативной документации (ГОСТ Р. 52325-2005. Семена сельскохозяйственных растений. Сортовые и посевные качества. Общие технические условия) отсортированного разработанным прототипом фотосепаратора материала (предварительно засоренной партии семян горчицы белой).

Область применения: предлагаемый прототип фотосепаратора может использоваться как завершенное изделие на объекте эксплуатации либо являться частью агротехнического комплекса.

Общие требования к условиям проведения испытаний

7.1. Место проведения испытаний

АНО ДО «Детский технопарк «Кванториум», адрес: 634034, г. Томск, пр. Ленина, д.26, 3 этаж.

7.2. Условия проведения испытаний

Испытания производились в условиях окружающей среды производственных помещений:

- температура окружающего воздуха: 20 °С;

- относительная влажность: 45%.

7.3. Подготовка к испытаниям

- разработанный прототип фотосепаратора поставили на ровную поверхность;

- для определения его производительности закупили исходный материал (семена горчицы белой, 1 кг, фирма «Природное bio удобрение», г. Рязань, в данной семенной партии обнаружены семена 14 видов сорных растений с общей численностью 11440 шт/кг или 4,1 % от общей массы семян), образец примеси (семена подсолнечника весом 0,2 кг) в отдельной упаковке.

7.4. Требования безопасности

При проведении испытаний в помещении были приняты меры, обеспечивающие безопасность, как персонала, проводящего испытания, так и окружающих. Ответственность за обеспечение этих мер была возложена на руководителя испытаний объекта – Бывшенко А.В.

7.5. Порядок и ход выполнения работ:

7.5.1 Смешали исходный материал (семена горчицы белой, 1 кг) с образцом примеси (весом 0,2 кг);

7.5.2 Включили разработанный фотосепаратор;

7.5.3 Засыпали исходный материал с примесью в него;

7.5.4 Засекли время сортировки материала;

7.5.5 Провели гербологический анализ отсортированного материала:

С целью определения видового состава и численности семян сорных растений в семенах горчицы мы руководствовались методикой, применяемой сотрудниками Томского филиала ФГБУ «Всероссийский центр карантина растений» с некоторыми изменениями. Из отсортированной прототипом фотосепаратора горчицы белой мы отбирали 5 проб, каждая массой по 10 гр., из которых выделили семена всех видов растений. Данный процесс представлен на рис. 23.

Рис. 23 – Отбор проб и выделение семян всех видов растений

В семенной партии обнаружены семена сорных растений с общей численностью 357 шт./кг или 2,8 % от общей массы семян. Семена подсолнечника не обнаружены.

8.5.6 Заполнили отчет о проведении испытаний, таблицу соответствия основных технических характеристик и функциональных возможностей разработанного прототипа фотосепаратора заявленному техническому заданию (таблица 5);

ОТЧЕТ О ПРОВЕДЕНИИ ИСПЫТАНИЙ - таблица соответствия основных технических характеристик и функциональных возможностей разработанного прототипа фотосепаратора заявленному техническому заданию

Таблица 5

8.5.7 Определили соответствие требованиям нормативной документации (ГОСТ Р. 52325-2005) отсортированного разработанным прототипом фотосепаратора материала (предварительно засоренной партии семян горчицы белой). Полученные данные занесли в таблицу 6.

Соответствие требованиям ГОСТ Р. 52325-2005

отсортированного разработанным прототипом фотосепаратора материала

Таблица 6

7.6. Вывод

По итогам проведённых испытаний можно сделать следующие выводы:

-  основные технические характеристики и функциональные возможности разработанного прототипа фотосепаратора соответствуют заявленному техническому заданию;

- отсортированный разработанным прототипом фотосепаратора материал (предварительно засоренная партия семян горчицы белой) соответствует требованиям нормативной документации (ГОСТ Р. 52325-2005. Семена сельскохозяйственных растений. Сортовые и посевные качества. Общие технические условия).

ВЫВОД

В ходе реализации проекта мы выполнили все поставленные перед собой в начале проекта задачи: 1) изучили литературу по теме и аналогичные разработки; 2) разработали структурную схему устройства; 3) создали 3D модель; 4) создали прототип фотосепаратора; 5) запрограммировали прототип фотосепаратора; 6) провели испытания.

Вывод – считаем, что цель нашего проекта достигнута, мы создали до 1 марта 2023 года прототип малогабаритного фотосепаратора стоимостью не более 40 тыс.руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данный проект направлен на решение проблемы импортозамещения в агропромышленной сфере, а также на создание прототипа малогабаритного доступного фотосепаратора.

В проекте обоснована актуальность не только через анализ литературных источников, но и экспериментальным путём.

В ходе реализации проекта нами был создан прототип малогабаритного доступного фотосепаратора, основные технические характеристики которого и функциональные возможности соответствуют заявленному в начале проекта техническому заданию.

Отсортированный разработанным прототипом фотосепаратора материал соответствует требованиям нормативной документации (ГОСТ Р. 52325-2005).

Данный прототип малогабаритного доступного фотосепаратора можно перепрограммировать, и тогда он сможет сортировать не только семена горчицы белой, но и любые другие семена. Также можно увеличить его производительную мощность если в один корпус объединить несколько малогабаритных фотосепараторов. Производительность будет увеличиваться пропорционально количеству объединённых в один корпус устройств.

Мы в дальнейшем планируем участвовать в различных конкурсах на соискание денежных средств на развитие проекта. В следствии чего прототип будет доработан и усовершенствован. После этого планируется подать заявку на получение патента на изобретение.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

И ЛИТЕРАТУРЫ

1. Растениеводство в России: урожай 2022 года, импортозамещение, статистика по экспорту. – Режим доступа: https://delprof.ru/press-center/open-analytics/rastenievodstvo-v-rossii-urozhay-2022-goda-importozameshchenie-statistika-po-eksportu/ (дата обращения 06.02.2023).

2. Статистика: в Томской области за 5 лет. – Режим доступа: https://news.vtomske.ru/news/191956-statistika-v-tomskoi-oblasti-za-5-let-kolichestvo-fermerov-sokratilos-na-30 (дата обращения 31.10.2022).

3. Мяснянкин К.В. Обоснование применения фотосепаратора для второго цикла обработки зернового вороха гречихи // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. – 2015. – № 3 (46) – С. 126–131.

4. Принцип работы фотосепаратора. – Режим доступа: https://csort.ru/photoseparator/photoseparator-principle/ (дата обращения 30.10.2022).

5. Все, что вы хотели знать о фотосепараторе. – Режим доступа: https://usort.ru/tehnologiya/ (дата обращения 30.10.2022).

6. Как работает фотосепаратор? – Режим доступа: https://fsapsan.ru/tehnologii/ (дата обращения 30.10.2022).

7. Фотосепаратор. – Режим доступа: https://proplast.ru/articles/fotoseparator/ (дата обращения 30.10.2022).

8. Устройства для сортировки продуктов по цвету. – Режим доступа: https://hipzmag.com/tehnologii/hranenie/ustrojstva-dlya-sortirovki-produktov-po-tsvetu/ (дата обращения 31.10.2022).

9. Интеллектуальные оптические сортировщики. – Режим доступа: https://usort.ru/ (дата обращения 31.10.2022).

10. Оптические сепараторы: виды, принцип работы и области применения. – Режим доступа: https://netmus.ru/press-center/articles/opticheskie-separatory-vidy-princip-raboty-i-oblasti-primeneniya/ (дата обращения 31.10.2022).

11. Меженин А.В. Технологии разработки 3D-моделей // Университет ИТМО, г. Санкт-Петербург – 2018. – 104 стр.

12. Тюгашев А.А. Основы программирования (часть I) // Университет ИТМО, г. Санкт-Петербург – 2016. – 164 стр.

13. Волкова Е.М., Данкверт С.А., Маслов М.И., Магомедов У.Ш. Атлас плодов и семян сорных и ядовитых растений, засоряющих подкарантинную продукцию. М.: Товарищество научных изданий КМК, 2007. 301 с.

14. ГОСТ Р. 52325-2005. Семена сельскохозяйственных растений. Сортовые и посевные качества. Общие технические условия.

15. Доброхотов В.Н. Семена сорных растений. М.: Сельхозиздат, 1961. 414 с.

16. Михайлова С.И., Эбель Т.В. В пакетиках с семенами горчицы – опасные сорняки! // Защита и карантин растений. 2019. № 2. С. 33–34.

17. Михайлова С.И., Эбель Т.В., Эбель А.Л. Распространение чужеродных растений путём спейрохории в агроценозах Томской области // Российский журнал биологических инвазий. 2019. Т. 12. № 3. С. 65–73.

18. Михайлова С.И., Эбель Т.В. Возможность заноса сорных растений с семенами редьки масличной // Аграрный научный журнал. 2020. № 11. С. 35–38.

19. Лотковый фотосепаратор Сапсан SE. – Режим доступа: https://fsapsan.ru/catalog/fotoseparatory/lotkovye-fotoseparatory/sapsan-se/ (дата обращения 31.10.2022).

20. Фотосепаратор MiniSort – Режим доступа: https://promportal.su/goods/41041154/minisort.htm (дата обращения 31.10.2022).

21. Фотосепаратор Meyer – Режим доступа: https://promportal.su/goods/25090502/fotoseparator-meyer.htm (дата обращения 30.10.2022).

22. Фотосепаратор Zervi – Режим доступа:https://alterbis.ru/shop/zernoochistitelnye-mashiny/fotoseparatory/zervi/ zervi-2-lotka/ (дата обращения 28.10.2022).

23. Фотосепаратор AMD RC1 – Режим доступа: https://krassagro.ru/zernoochistitelnye-mashiny/fotoseparator-amd-rc1 (дата обращения 29.10.2022).

ПРИЛОЖЕНИЕ

С равнительная таблица аналогов