О чем гудят поезда. на базе конструктора LegoWeDo 2.0

XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

О чем гудят поезда. на базе конструктора LegoWeDo 2.0

Аминов Т.М. 1Даутов Т.Т. 2Сафин А.Р. 1Харисов Т.А. 1
1Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн»
2Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн» г. Уфа
Корнилаева А.А. 1
1Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн» г. Уфа
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Железнодорожный транспорт - вид наземного транспорта, перевозка грузов и пассажиров на котором осуществляется колесными транспортными средствами по рельсовым путям.

Основной вид транспорта в Российской Федерации - железнодорожный. На его долю приходится более 80 и около 40% всего объема соответственно грузовых и пассажирских перевозок, выполняемых транспортом общего пользования. Железные дороги, будучи основной транспортной системы Российской Федерации, имеют чрезвычайно важное государственное, экономическое, социальное и оборонное значение. От них требуется своевременное, качественное и полное удовлетворение потребностей населения, грузоотправителей и грузополучателей в перевозках.

Цель: получить новые знания о поездах, самостоятельно создать проект «Lego-поезд».

Задачи проектной работы:

  1. Узнать историю появления поезда, и его значение в жизни.

  2. Подробно изучить особенности устройства поездов и их виды.

  3. Самостоятельно создать модель локомотива с помощью конструктора LegoWeDo.

  4. Провести демонстрацию модели «Lego-локомотив».

В качестве источников информации мы, в основном, использовали информационные сайты: Википедия (https://ru.wikipedia.org), Популярная механика (https://www.popmech.ru) и другие. При создании проекта мы руководствовались знаниями, полученными на занятиях «Основы робототехники», и «Соревновательная робототехника» в школе интеллектуального развития «Мистер Брейн» в городе Уфа. [1] При оформлении проекта мы использовали идеи из большой книги «LEGO Идеи: новая жизнь старых деталей» [2], при конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах, подробно о зубчатых передачах [1, 3], при создании программ мы руководствовались учебным пособием по образовательной робототехнике.

Глава1. История появления поезда

Первые прообразы древнейших поездов появились еще в конце 15-го века и не имели совершенно никакого отношения к железнодорожному транспорту. В те времена под словом «поезд» понимался просто ряд сцепленных между собой повозок, которых двигала одна тягловая сила, – это могла быть лошадь, или вол, или еще какой-то представитель большого (и иногда рогатого) скота.

Времена шли вперед и прогресс не стоял на месте, железные дороги улучшались, и вот уже в 1804 году английский изобретатель и инженер Ричард Тревитик конструирует первый в мире поезд (уже в его современном понимании) и локомотив («локомотив» означает – сдвигать с места). (Приложение, Рисунок 1.1)

К первому поезду прицепили только один пассажирский вагон и пустили его по кругу  для развлечения благородной лондонской публики. Однако наиболее известен паровоз, который создал в 1814 году Джордж Стефенсон. Первая паровая машина, двигающаяся по рельсам, – по-русски паровоз. Колеса вращались от поршней, поршни двигались при помощи пара, пар получался в котле от кипения воды, нагревание воды шло от топки, в которой горел уголь. На его основе создавались впоследствии все паровозы. Железнодорожные пути, по которым сначала ходили паровозы, а затем дизельные и электропоезда, связали между собой крупные города и небольшие населенные пункты. Появилась возможность путешествовать в совершенно других условиях — быстро и с комфортом. Первой железной дорогой общего пользования в России была Царско-сельская железная дорога протяженностью 26 км, соединявшая Петербург с Царским Селом и Павловском. Поражение в Крымской войне заставило правительство по - другому взглянуть на роль железных дорог. Стало ясно, что мало одной - двух дорог, необходима целая сеть железнодорожных магистралей. Можно сказать, что в России начался железнодорожный бум. Паровозы постепенно были заменены на более современные локомотивы – тепловозы и электровозы. Тяжёлый труд кочегаров остался в прошлом. Пассажирам поездов стало удобно: перестало пахнуть паровозной гарью, скорость движения увеличилась. В тепловозах применяются двигатели внутреннего сгорания. Электровозы движутся при помощи электродвигателей. Для них необходимы электропровода, висящие высоко над железнодорожными путями. Во время Великой Отечественной войны железнодорожный транспорт сыграл огромную роль в обеспечении победы Советского Союза над фашистской Германией. С первых дней военных действий от железнодорожников потребовалось обеспечить быструю и бесперебойную доставку к фронту огромного количества войск, боевой техники, вооружения. За последние 40 лет спрос на высокоскоростные железнодорожные сообщения значительно вырос. Сейчас РЖД - это крупнейшая компания. Общая длина железнодорожных линий, принадлежащих РЖД, оставляет 85,2 тыс. км.

Глава 2. Значение поездов в жизни человека

Поезда являются одним из величайших открытий в истории. В те дни, когда машин и самолетов не существовало, поезда были единственным средством передвижения на большие расстояния. Несмотря на то, что сейчас существуют более быстрые транспортные средства, путешествие поездом считается одним из наиболее безопасных.

Железнодорожный транспорт разделяется на:

-транспорт общего пользования (перевозки грузов и пассажиров);

-магистральный, или внешний транспорт (экономические перевозки между производителями и потребителями продукции и перевозит пассажиров);

-ведомственный транспорт (транспорт, выполняющий перевозки своего ведомств или предприятия);

-внутрихозяйственный транспорт (удовлетворяет в основном технологические нужды производства в пределах отдельных предприятий).

Железнодорожному транспорту принадлежит первостепенная роль в осуществлении перевозок. Железные дороги связывают все области и районы нашей огромной страны, обеспечивают потребности населения в перевозках и нормальное обращение продукции промышленности и сельского хозяйства.

Особая роль железных дорог определяется большими расстояниями перевозок, отсутствием внутренних водных путей в главных сообщениях Восток - Запад, прекращением навигации на реках в зимний период, удаленностью размещения основных промышленных и аграрных центров от морских путей. В связи с этим на их долю приходится почти 50% грузооборота и более 46% пассажирооборота всех видов транспорта страны.

Основной сферой применения железнодорожного транспорта являются массовые перевозки грузов и пассажиров в межрайонном, междугородном и пригородном сообщениях, при этом преобладают грузовые перевозки. В перевозках пассажиров по железным дорогам преобладают перевозки в пригородном и местном сообщениях (около 90% общего количества пассажиров).

Технико-экономические особенности и преимущества железнодорожного транспорта заключаются в следующем:

1. Возможность сооружения на любой сухопутной территории, с помощью мостов, тоннелей и паромов - осуществления железнодорожной связи и с разделенными, в том числе островными, территориями (как, например, между материком и островом Сахалин);

2. Массовость перевозок и высокая провозная способность железных дорог;

3. Универсальность использования для перевозок различных грузов и возможность массовых перевозок грузов и пассажиров с большой скоростью;

4. Регулярность перевозок независимо от времени года, времени суток и погоды;

5.Возможность создания прямой связи между крупными предприятиями по подъездным путям и обеспечение доставки грузов по схеме «от двери до двери» без дорогостоящих перевалок;

6. По сравнению с водным транспортом, как правило, более короткий путь перевозки грузов;

7. Сравнительно невысокая себестоимость перевозок по сравнению с другими видами транспорта.

Глава 3. Виды поездов

Локомотивы делятся на электровозы и тепловозы. Электровозы работают на постоянном или переменном токе. Нужны и важны как электровозы, так и тепловозы.

Электропо́езд (разг. электричка) — разновидность неавтономного моторовагонного подвижного состава, получающего энергию, как правило, от внешней контактной сети с помощью специальных токоприёмников верхнего токосъёма. В отличие от других типов тягоподвижного состава, они способны быстро разгоняться и тормозить на коротких перегонах между станциями.

Парово́з — автономный локомотив с паросиловой установкой, использующий в качестве двигателя паровые машины. Паровозы были первыми передвигающимися по рельсам транспортными средствами.

Метрополите́н, ме́тро  — городская внеуличная железная дорога, имеющая собственный габарит, инженерно отделённая от любого другого вида общественного транспорта и пешеходного движения и предназначенная для пассажирского движения. Может быть подземным, наземным и надземным.

Фуникулёр — рельсовое транспортное средство с канатной тягой для перевозки людей или грузов в вагонах на небольшое расстояние по крутой трассе. Фуникулёр является специализированным транспортом, применяемым в условиях тяжёлого рельефа местности.

«Сапсан» — высокоскоростные электропоезда из семейства электропоездов

Трамва́й — вид рельсового транспорта (уличного и внеуличного), обычно являющийся общественным городским электротранспортом. Трамвай является одним из старейших видов городского пассажирского общественного транспорта из существующих в начале XXI века и возник в первой половине XIX века — первоначально на конной тяге. (Приложение, Рисунок 3.1).

Глава 4. Как устроен локомотив

Локомоти́в — железнодорожный тяговый подвижной состав, предназначенный для ведения по железнодорожным путям поездов и отдельных вагонов.

Локомотивы могут быть автономными и неавтономными.

  • Автономные локомотивы имеют первичный двигатель, который так или иначе преобразует энергию запасённого топлива в механическую работу.

  • Неавтономные локомотивы получаются энергию для работы от внешнего источника — электрической контактной сети.

Основные конструктивные части локомотива:

  • коробка кузова локомотив с кабинами машинистов;

  • рамы локомотивных тележек;

  • рессорное подвешивание;

  • система передачи сил тяги;

  • колёсные пары;

  • элементы тягового привода. (Приложение, Рисунок 4.1)

Кузов локомотива- это верхнее строение локомотива (т.е. расположенное выше тележки)

Кузов предназначен для:

- размещения внутри оборудования и персонала;

- защиты оборудования и персонала от атмосферных воздействий;

- защиты оборудования и персонала от внешних механических воздействий. (Приложение, Рисунок 4.2)

В основных элементах кузова делают проемы: двери, окна и технологические для  монтажа и демонтажа внутрикузовного оборудования

Локомотивная тележка — служит для обеспечения движения локомотива по рельсовому пути, восприятия горизонтальных и боковых продольных нагрузок от массы локомотива и передачи их на путь.

Локомотивные тележки строят несочленёнными и сочленёнными. В первом случае автосцепка расположена на раме кузова, во втором — на раме тележки.

Основные узлы локомотивных тележек:

  1. Рама

  2. Колёсные пары с буксами

  3. Буксовое подвешивание

На локомотивные тележки устанавливают тяговые электродвигатели с тяговыми передачами и тормозное оборудование (тормозные цилиндры, тормозные рычажные передачи, колодки и др.), гасители колебаний, опоры кузова.(Приложение, Рисунок 4.3)

Рессорным (упругим) подвешиванием называется совокупность упругих элементов, связанных с передачей вертикальных нагрузок в конструкции экипажной части тепловоза. (Приложение, Рисунок 4.4)

При движении локомотива по рельсовой колее рессорное подвешивание выполняет следующие функции:

  • передает силы тяжести (вес) кузова и оборудования тепловоза на оси колесных пар;

  • смягчает (снижает) динамическое воздействие сил, действующих на локомотив со стороны пути, и гасит вертикальные колебания его экипажа;

  • более равномерно распределяет вес оборудования локомотива между осями колесных пар тележки при сбалансированном подвешивании.

Тяговые устройства локомотивов предназначены для передачи от тележки к кузову продольных (тяговых и тормозных) и поперечных сил. (Приложение, Рисунок 4.5)

Существует два типа подвески тяговых электродвигателей (ТЭД) в тележках:

  • первый тип – опорно-осевое подвешивание

  • второй тип – опорно-рамное.

Колесная пара — состоит из оси, соединенной с колесным центром и зубчатыми колесами тяговой передачи, которые вращаются как единое целое.

На колесные центры закреплены бандажи, которые на локомотивах сменные, а на вагонах, как правило колеса цельнолитые. Такая конструкция позволяет выдерживать пробег в несколько сотен тысяч километров при условии своевременной замены бандажей, профилактике зубчатой тяги и нужного типа рельс.

Функции и роль колесных пар:

  • Колесные пары передают силу от локомотива или поезда к рельсам, обеспечивая движение поезда.

  • Колесные пары распределяют вес транспортного средства на рельсы, равномерно распределяя нагрузку.

  • Колесные пары обеспечивают сцепление с рельсами, что позволяет поезду передвигаться без проскальзывания.

Любая колёсная пара как сборочная единица теоретически состоит как минимум из трёх деталей:

  • два колёса

  • ось.

Фактическое реальное исполнение обычно предполагает сложносоставное колесо, имеющее как минимум бандаж. Другой конструктивной особенностью колёсной пары является то, что она зачастую соединяется с тележкой рельсового подвижного состава через наружные буксы, так как только при такой схеме контроль износа подшипников и их замена относительно просты и доступны.

Глава 5. Создание проекта «Lego-локомотив» из LegoWeDo 2.0

В первый день подготовки к соревнованиям мы нарисовали схему нашего будущего локомотива и приступили к сборке.

При конструкции мы столкнулись с проблемой, наш локомотив не двигался. Мы вместе разобрались почему это происходит. Для того, чтобы конструкция начала двигаться, нам следовало изменить механическую передачу. Мы использовали угловую коронную зубчатую передачу. (Приложение, Рисунок 5.1) С её помощью начинали крутиться задние колеса, соединенные осью. Передние четыре колеса двигались накатом.

В конструкцию мы также добавили датчик расстояния (Приложение, Рисунок 5.2), когда подходишь к поезду, он останавливается.

После создания конструкции локомотива в целом (Приложение, Рисунок 5.3) мы приступили к программированию. Наша программа запускалась с клавиши. В ней есть блоки движения вперед, ожидания работы датчика и остановки мотора.(Приложение, Рисунок 5.4)

Заключение

В процессе нашей работы мы узнали об истории поездов, какие виды бывают.

Узнали об особенностях строения локомотива и создали Lego-модели со сложными механическими передачами, моторами и датчиком, чтобы повторить движение поезда. Мы постарались сохранить внешнее сходство с настоящим локомотивом. Как только к локомотиву подходил человек, наша модель останавливалась. Играть с Lego-локомотивом очень интересно!

Наша работа может быть использована на уроках робототехники и внеклассных мероприятиях.

Список используемой литературы

  1. Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;

  2. LEGO Книга идей: новая жизнь старых деталей: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. А. Аревшатян]. – Москва, Издательство «Эсмо», 2015. - 200 с.;

  3. 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

  4. Корягин А.В, Образовательная робототехника Lego WeDo. Сборник методических рекомендаций и практикумов – ДМК-Пресс, 2016. – 252 с.;

  5. Большая книга транспорта для мальчиков Вячеслав Ликсо.  СПб.:ИД « ВЕСЬ», 2001-316с.,

  6. Большая энциклопедия. Транспорт. Андрей Мерников. –М.:ЗАО Центрполиграф,2006.156с.

Интернет источники

  1. https://studfile.net/

  2. https://studfile.net/preview/1582578/page:31/

  3. https://dvizhenie24.ru/railway/tyagovye-privody-loco/

  4. https://artforintrovert.ru/materials/tpost/kcc6g6ya41-kto-izobrel-poezda

  5. https://artforintrovert.ru/materials/tpost/kcc6g6ya41-kto-izobrel-poezda

  6. https://ru.wikipedia.org/wiki/Поезд

Приложение

Рисунок 1. Локомотив Третвика

Рисунок 1.2 Виды поездов

Рисунок 4.1 Укрупненные схемы тепловозов и электровозов

Рисунок 4.2 Основные элементы кузова.1- рама кузова, 2- боковые стенки, 3 -торцевые стенки, 4-крыша

Рисунок 4.3 Конструкция локомотивной тележки: а — тепловоза 2ТЭ116; 6 — 8-осных электровозов всех серий; 1 — рама; 2 — тормозной цилиндр; 3 — фрикционный гаситель колебаний; 4 —  букса с комплектом пружин 5 — колёсная пара; 6 — листовая рессора

Рисунок 4.4 Рессорное подвешивание

Рисунок 4.5 Тяговое устройство

Рисунок 5.1 Угловая коронная зубчатая передача

Рисунок 5.2 Датчик расстояния

Рисунок 5.3 Готова конструкция локомотива

Рисунок 5.4 Программа

Фото команды

Просмотров работы: 11