Механизированный защитный комплекс. Проведение эксперимента

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

Личный портфель

Механизированный защитный комплекс. Проведение эксперимента

Якобюк Д.Е. 1Ермошкин И.В. 1Попов А.С. 1
1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни
Чуклина И.А. 1Попова Е.Е. 1
1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

 

Роботы все чаще заменяют человеческий труд, однако ещё существует необходимость работы человека в опасных условиях, где робот не сможет полностью заменить человека, в том числе при добыче полезных ископаемых в шахтах. Наш проект актуален, так как с помощью него можно решить масштабную проблему – подверженность рабочих рискам и нагрузкам при работе в шахтах.

Цель: разработать механизированный защитный комплекс, который поможет людям при работе в шахтах

Задачи:

  • изучить проблемы, связанные с добычей, транспортировкой и хранением полезных ископаемых;

  • выбрать проблему для дальнейшего подробного исследования;

  • посетить экскурсию в Тюменском Индустриальном Университете;

  • изучить теорию по поставленной проблеме;

  • подойти к отбору идей комплексно;

  • сформулировать идею Механизированного Защитного Комплекса (МЗК);

  • создать 3D модель МЗК;

  • рассмотреть преимущества и недостатки МЗК;

  • презентовать проект экспертам;

  • провести итоговую презентацию и сделать выводы

Мы перед собой поставили большое количество задач. Благодаря тому, что нас в команде 6 человек, мы успешно справились со всеми задачами. Мы разделились на две команды по 3 человека и подробно изучили проблемы , связанные с добычей полезных ископаемых, выделили одну проблему и подробно её исследовали, сгенерировали несколько идей по решению проблемы, разработали инновационное решение, представили свой проект в виде 3D модели, провели эксперимент, и презентовали свой проект экспертам и судейской коллегии на региональном чемпионате по робототехнике. Разработку 3D модели и её описание можно посмотреть в проекте других ребят из нашей команды - «Механизированный защитный комплекс. 3D модель». Эта работа также представлена в секции «Техническое творчество и изобретательство» на XX Международном конкурсе научно-исследовательских и творческих работ учащихся «Старт в науке» Российской Академии Естествознания.

Глава 1 Теоретические аспекты

1.1 Выбор проблемы

Изучая процесс добычи ископаемых, мы определили несколько проблем для дальнейшего рассмотрения.

Проблема 1. Утечки токсичных газов

Углубляясь в земную кору, горняки часто натыкаются на карманы, заполненные ядовитым газом, который может серьезно угрожать их здоровью. Типичным примером такого газа является сероводород, так как он оказывает разрушительное действие на нервную систему.

Проблема 2. Взрывы

В подземных угольных шахтах может образовываться скопление метана, образующего при соединении с мелкими частицами угля взрывоопасную смесь. Кроме того, травмы, связанные со взрывами, могут возникнуть во время контролируемых взрывов, используемых для расширения зоны добычи.

Проблема 3. Обрушение шахтных стволов

Обрушение шахтных стволов может серьезно угрожать горнякам, будь то из-за человеческих ошибок, стихийных бедствий или сейсмической активности.

Проблема 4. Наводнения

Многие шахты создаются в труднодоступных местах, где атмосферные осадки и состояние воды недостаточно изучены. Риск наводнения также увеличивается, потому что добыча полезных ископаемых постоянно меняет форму окружающего рельефа.

Таким образом, мы остановились на одной проблеме для дальнейшего её подробного изучения и поиска решения и сформулировали её так: при работе в шахтах люди подвергаются большим нагрузкам и рискам для здоровья.

1.2 Изучение проблемы в интернет-источниках

Научные исследования подземного пространства рудников и шахт открывают множество опасностей, таящихся в его глубинах. Важнейшими из них являются присутствие взрывоопасных и токсичных газов, вероятность внезапного затопления подземными водами, вероятность обрушения горных пород, возникновение силикоза и рака легких из-за пыли, повышенная радиация и высокие температуры, характерные для глубинных рудников.[1]

Также, среди наиболее распространенных причин смертельных травм, можно выделить камнепады, пожары, взрывы и аварии, связанные с подвижным оборудованием. Менее частые, но не менее опасные факторы включают выбросы влажного заполнителя при обрушении переборок и взрывные явления. [2]

Помимо этого, работа в угольных шахтах может привести к проблемам с опорно-двигательной системой, таким как боли в спине, шее и конечностях, связанные с длительным нахождением в неудобных положениях. А тесные, темные и опасные условия работы могут привести к проблемам с психическим здоровьем, таким как бессонница, головные боли, пониженное настроение и ухудшение психического состояния. [3]

1.3 Экскурсия: Тюменский нефтегазовый университет, кафедра нефте- и газодобычи

Мы посетили Тюменский нефтегазовый университет, кафедру нефте- и газодобычи для более подробного изучения выбранной нами проблемы (Рисунок 1.3.1 Приложения). Экскурсию провели Евгений Петрович Козлов - Доцент кафедры геологии месторождений нефти и газа, Заватский Михаил Дмитриевич - Кандидат геолого-минералогических наук, заведующей кафедрой

Институт геологии и нефтегазодобычи — один из крупнейших среди шести институтов опорного университета, расположенный в г. Тюмени.

Преподаватели и учёные из института рассказывали о разных металлах минералах и их видах, а также о том, что раньше добывали породу с высоким содержанием, примерно в 20%, руды в ней, однако сейчас такой породы стало мало. Поэтому начали добывать породу с малым содержанием руды и найти хотя бы 1 – 2% руды на куб. метр - это уже редкость.

Глава 2 Практические аспекты

2.1 Комплексный отбор идей

В результате нашего исследования мы изучили проблему проекта и рассмотрели возможность использования отдельных видов экзоскелетов в условиях промышленной работы и при добыче полезных ископаемых в шахтах.

  • Военный экзоскелет

Включает в себя бронированные элементы, которые обеспечивают защиту солдата от пуль и осколков, а также может включать в себя дополнительные функции (Рисунок 2.1.1 Приложения).

Плюсы: повышенная защита, улучшенная мобильность, экономическая выгода.

Минусы: сложность обслуживания, ограниченная доступность, риск отказа оборудования, малый объем источника электроэнергии (аккумулятора).

  • Промышленный экзоскелет

Может быть использован для выполнения различных видов работ, таких как строительство, ремонт, обслуживание оборудования (Рисунок 2.1.2 Приложения).

Плюсы: экономия энергии, долговечность, простота использования.

Минусы: высокая стоимость, дискомфорт или неудобства при использовании, малый объем источника электроэнергии (аккумулятора).

  • Экзоскелет для людей с ОВЗ

Может помочь людям с параличом, травмами спинного мозга, рассеянным склерозом и другими заболеваниями, которые ограничивают движение и способность ходить. (Рисунок 2.1.3 Приложения).

Плюсы: улучшение мобильности.

Минусы: высокая стоимость, необходимость специального обучения для использования, малый объем источника электроэнергии (аккумулятора).

2.2 Наша идея – «Механизированный защитный комплекс»

Нашим решением проблемы стало создание на основе экзоскелетов Механизированного Защитного Комплекса (МЗК) для снижения рисков в сфере добычи ископаемых, а также снижения нагрузки на рабочих и обеспечения их безопасность. Главным отличием от большинства остальных экзоскелетов используемых, а также разрабатываемых на данный момент, является регулируемые пневматические приводы, и использование гидразина в качестве топлива для пневмосистемы и источника энергии.

Гидрази́н (диамин, диамид) H2N—NH2 — неорганическое вещество, бесцветная, чрезвычайно токсичная, сильно гигроскопичная жидкость с неприятным запахом. Реакция получения гидразина представлена на Рисунке 2.2.1 Приложения. Гидразин используется в качестве резервного топлива для космических кораблей. При химической реакции при получении гидразина выделяется огромное количество газа под большим давлением, этот газ и будет обеспечивать работу клапанов, генерировать энергию и очищать воздух в системе вентиляции.

Ещё одной нашей инновацией является использование компактной центрифуги для фильтрации тяжёлых частиц и газов из атмосферы за счёт остаточного давления газа, что позволит минимально использовать коробчатые фильтры.

На Рисунке 2.2.2 Приложения представлена схема работы МЗК. На данной схеме можно видеть пневматическую схему нашего костюма. Сердце схемы и главный её источник питания - бак гидразина, где он находится под давлением. Сразу за его клапаном находится раскаленная железно-никелевая сетка, при попадании на которую топливо распадается на смесь газов, которые затем могут быть использованы либо для генерации энергии в турбине, либо подаются в буферные баки, из которых питаются пневмоприводы костюма. Буферные баки и клапаны на них в данном случае используются для регулировки скорости и степени выдвижения приводов. После первичной переработки газы поступают на турбину циклотронного фильтра, раскручивают его и идут на выход. Помимо основной функции - подачи воздуха, циклотрон создаёт необходимое давление на гидразин. Также, предусмотрен резервный регенеративный патрон из пероксида натрия на случай, если система фильтрации костюма перестанет справляться с загрязнением воздуха.

Основное питание костюма, как электрических, так и пневматических его частей осуществляется с помощью каталитического расщепления гидразина. Вторичный, запасной и одновременно стартовый источник питания - это литий ионная батарея. Пневматические части - это пневматические мышцы антагонисты на месте основных нагрузок, закрепленные на жестком слое костюма.

Таким образом, основные функции МЗК:

  • Фильтрация тяжелых частиц и газов

  • Усиление действий и уменьшение усталости оператора

  • Снижение сенсорной нагрузки на оператора

  • Поддержание жизни в экстренных ситуациях

2.3 Инновации и преимущества нашей идеи

Наш проект является инновационным, это заключается в следующем:

  • Замена сервопривода пневмоцилиндрами;

  • Замена магистральной проводки трубками;

  • Замена ступенчатого фильтра циклотроном

Мы отмечаем следующие преимущества МЗК перед существующими вариантами экзоскелетов:

  • Выработка электричества встроенным генератором;

  • Работа костюма минимизирует использование электроэнергии, все работает за счет энергии газа;

  • Замена энерго-системы позволит увеличить время работы комплекса;

  • Имеет универсальную систему очистки воздуха

2.4 Презентация проекта экспертам

Свою идею мы рассказали экспертам (Рисунок 2.4.1 Приложения): Паукову Алексею Николаевичу (кандидат химических наук, доцент кафедры переработки нефти и газа, эксперт РКЦ) и Маркову Алексею Сергеевичу (старший менеджер отдела инженерной поддержки и контроля работ по ликвидации аварий ООО «Роснефть-Центр экспертной поддержки и технического развития»). Эксперты подтвердили инновационность нашего проекта и посоветовали ряд доработок. Мы выполнили следующие доработки:

  • начертили понятный эскиз после презентации проекта на дружеском матче;

  • отказались от модели из подручных материалов и решили создать 3D-модель;

  • добавили эксперимент после встречи с экспертами;

  • прописали инновационные характеристики и преимущества.

2.5 Проведение демонстрирующего эксперимента

Чтобы продемонстрировать, как газ может действовать на поршень, мы провели эксперимент (Рисунок 2.5.1 Приложения), используя марганцовку, растворённую в воде, и перекись водорода (KMnO4+H2O2=KOH+MNO2+O2). В результате реакции выделяется кислород, который толкает шприц. На примере такого эксперимента можно увидеть предполагаемую работу клапанов под действием энергии газа.

Заключение

В ходе проекта мы изучили много различных материалов, используя интернет. Также нам была интересна экскурсия в Институте геологии и нефтегазодобычи Тюменского Индустриального Университета, где мы смогли получить более практические и наглядные знания от специалистов в области геологии.

В рамках нашего проекта мы разработали решение проблемы: при работе в шахтах люди подвергаются большим нагрузкам и рискам для здоровья.

Для решения поставленной проблемы нами было выдвинуто множество идей, но после консультаций и получений новых знания мы провели полный отбор и выбрали лучшую - механизированный защитный комплекс. После этого, мы нарисовали схемы и создали 3D модель будущего МЗК, а также провели эксперимент, демонстрирующий работу поршней за счет энергии газа, выделяемого в результате химической рекции.

МЗК поможет сохранить здоровье рабочим, увеличит силу человека при работе, снизит риски получения травм, заболеваний органов дыхания

Улучшение экипировки рабочих повысит производительность труда и объем добытых полезных ископаемых.

Наш проект является инновационным, это заключается в следующем:

  • замена сервопривода пневмоцилиндрами;

  • замена магистральной проводки трубками;

  • замена ступенчатого фильтра циклотроном.

Используемые инновации в МЗК позволят сэкономить традиционные источники энергии, отказаться от аккумуляторных батарей, таким образом снизить негативное влияние на экологию планеты.

Список интернет-источников

  1. https://en.wikipedia.org/wiki/Mine_safety#References

  2. https://research-journal.org/archive/5-131-2023-may/10.23670/IRJ.2023.131.17

  3. https://dzen.ru/a/ZBbYG2i13B5TcAkt

Приложение

Рисунок 1.3.1 Экскурсия

Рисунок 2.1.1 Военный экзоскелет

Рисунок 2.1.2 Промышленный экзоскелет

Рисунок 2.1.3 Экзоскелет для людей с ОВЗ

Рисунок 2.2.1 Реакция получения гидразина

Рисунок 2.2.2 Схема работы Механизированного защитного комплекса

Рисунок 2.4.1 Встреча с экспертами

Рисунок 2.5.1 Проведение демонстрирующего эксперимента

Просмотров работы: 9