XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Energy-экскаватор для добычи полезных ископаемых на базе конструктора Lego Wedo 2.0

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Китаев Д.П. 1Бикин Р.Р. 1Земсков З.Д. 1Евстафьев Г.С. 1

---

1Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни»

Охоткина К.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни»

Работа в формате PDF

2.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Тюменская область обладает значительными запасами природных ископаемых, таких как песок, глина, щебень. Поэтому в нашем регионе активно происходит строительство и обновления жилого фонда, дорожного строительства, происходит реализация проектов на Тюменской строительной площадке. Увеличение добычи этих ископаемых постоянно растет, скорость при добыче полезных ископаемых низкая, а время добычи этих ископаемых в Тюменском регионе ограничено погодными условиями.

Поэтому мы решили разработать специализированную технику, которая увеличит скорость добычи полезных ископаемых в активный теплый сезон.

Цель исследования: изучение информации о видах полезных ископаемых Тюменского региона, разработка специализированной техники для увеличения добычи полезных ископаемых с помощью конструктора LeGo WeDo 2.0.

Задачи исследования:

1. Найти информацию о видах полезных ископаемых в Тюменском регионе;

2. Рассмотреть способы и специальное оборудование для добычи полезных ископаемых;

3. Узнать о проблемах, возникающих во время добычи полезных ископаемых в Тюменском регионе;

4. Создать модель energy-экскаватор для увеличения скорости добычи полезных ископаемых в активный теплый сезон;

5. Создать программу, которая позволит наглядно продемонстрировать работу нашего проекта.

В качестве источников информации мы использовали различные сайты. При конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах [2, 3], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике [3].

Глава 1. Общие сведения

1. 1. Полезные ископаемые в Тюменском регионе

Полезные ископаемые - это природные богатства, спрятанные в земле. Там ждут своего часа песок, уголь, нефть, газ, глина, торф, железная руда. Все полезные ископаемые создает сама природа.

Открытием и добычей полезных ископаемых занимаются специальные люди – геологи. Они знают много способов, как поднять природные богатства на поверхность. Например, для добычи нефти в земле делают буровую скважину, глину и песок добывают в карьерах с помощью бульдозеров и экскаваторов, а сапропель намывают со дна озер [4].

Говоря о полезных ископаемых Тюменской области, первое, что приходит на ум - это нефтяные и газовые месторождения. Но это не совсем верно - привычных образов нефтяных вышек и газовых факелов в самой Тюменской области практически нет. Нефть и газ - это ресурсы Ханты-Мансийского и Ямало-Ненецкого автономных округов.

А чем же богата Тюмень?

В Тюменской области осваиваются три основные группы полезных ископаемых. Это, прежде всего,

• строительные материалы — пески, глины, супеси;

• агрохимическое сырье — торф и сапропель;

• углеводородное сырье — нефть и попутный газ [5].

Рассмотрим подробнее виды полезных ископаемых.

Западносибирская равнина богата в первую очередь отличными строительными материалами: песком и глиной. Добыча строительного сырья постоянно увеличивается. Это происходит ввиду активного строительства домов в регионе и дорожного строительства (Рисунок 1.1.1, Приложение).

Если посмотреть Тюменскую область из самолета, то первое что бросается в глаза - обилие озер и болот. И именно озера и болота - настоящая кладовая торфа и сапропеля - очень важного агрохимического сырья. Применение торфа и сапропеля в качестве удобрения улучшает механическую структуру почв, активирует почвенные процессы. Сапропель, богатый солями кальция, железа, фосфора, добавляют в рационы сельскохозяйственным животным в качестве минеральной подкормки (Рисунок 1.1.2, Приложение).

Но было бы не справедливо не упомянуть углеводородные ископаемые! Все-таки в Тюменской области есть нефть, хотя и не так много, как у соседних Автономных Округов. Например, Уватские нефтяные месторождения не только дают нефть, но и требуют для себя очень большого количества песка и глины, поскольку там необходимо постоянно отсыпать и дороги, и кусты скважин. Вообще в регионе достаточно много разведанных запасов нефти и газа, но добыча в настоящий момент не ведется.

Объемы прироста новых запасов сырья в регионе в последние годы значительно превышают объемы добычи. Это связано с тем, что не все месторождения легкодоступны, нет подъездных путей. Для освоения некоторых нужна специальная сложная техника [5].

1. 2. Способы добычи полезных ископаемых

Все минеральные ресурсы на нашей планете располагаются неравномерно и находятся либо на поверхности, либо глубоко под землей, и в зависимости от их мест размещения и залегания для их добычи используют тот или иной способ.

Самими распространенными способами добычи природных ресурсов можно считать:

• карьерный способ;

• шахтный способ;

• комбинированный способ;

• скважинный способ;

• дражный способ [6].

В любом из способов обязательно используется целый комплекс оборудования, позволяющего автоматизировать сложнейшие процессы вскрытия подземных месторождений, добычи, обогащения и их транспортировки.

Например, для измельчения больших фракций горных пород применяется дробильное оборудование. В зависимости от метода дробления выделяют конусные, роторные, щековые, молотковые дробилки (Рисунок 1.2.1, Приложение).

Для проведения открытых горных работ, а именно погрузки, перемещения и разгрузки добытой руды, применяется горно-транспортное оборудование. Оно включает в себя разнообразные экскаваторы, самосвалы, бульдозеры, лебедки, вагонетки, конвейеры и прочие машины (Рисунок 1.2.2, Приложение).

Горно-шахтное оснащение применяется при осуществлении подземных работ, включает аппараты для бурения и укрепления горных выработок. Данный вид оборудования является самым технологически сложным. От него требуется высокая износостойкость и надежность (Рисунок 1.2.3, Приложение).

Обогатительное оснащение — агрегаты для отделения от материала отложений и лишних частиц (Рисунок 1.2.4, Приложение).

Вспомогательное оснащение – технологическое оборудование, которое применяется при осуществлении любых производственных операций (Рисунок 1.2.5, Приложение) [7].

Все виды оборудования важны для осуществления трудоемких работ при добыче полезных ископаемых. Но многие из них имеют, как преимущества, так и недостатки. Поэтому человек с каждым годом совершенствует способы добычи, придумывает все лучшую и лучшую технику.

1. 3. Проблемы добычи полезных ископаемых в Тюменском регионе

Горнодобывающая промышленность России – это отрасль производства, занятая разведкой месторождений и добычей полезных ископаемых из недр Земли. Наша страна славится большими природными запасами, которые способны удовлетворить потребности государства.

Горнодобывающие предприятия России являются основной базой, формирующей бюджет страны. Вклад в ВВП составляет 60-70%, наращивание экспорта сырья и готовой продукции обеспечивает наполнение стабилизационного фонда экономики и резервов государства [8].

Горнодобывающая промышленность, которую часто считают основой современной цивилизации, играет ключевую роль в развитии экономики и обеспечении сырьем, необходимым для технического прогресса. Со времен ручного труда и кирки до эпохи современного оборудования и цифровых технологий горнодобывающая отрасль претерпела значительные изменения. Однако в условиях постоянно меняющегося ландшафта основой отрасли остается рабочая сила. Люди, добывающие минералы и металлы из недр Земли, являются не только основой отрасли, но и движущей силой ее преобразований.

В Тюменской области осуществляется добыча нефти и попутного нефтяного газа, строительных песков и глин, суглинков, супесей, торфа и сапропеля. Достижения по каждому из видов полезного ископаемого различны. К примеру, за короткий период времени фактически с нуля была создана новая отрасль – нефтедобыча.

Мы являемся одними из лидеров в стране по использованию и добыче строительных песков и глин, что закономерно: в регионе активно развивается жилищное и дорожное строительство, вводятся новые социальные и промышленные объекты.

Несмотря на это мы с командой выявили ряд проблем в вопросе добычи полезных ископаемых на территории Тюменской области.

Основная проблема, это:

• суровые климатические условия при добыче полезных ископаемых.

Суровый климат и залегание многолетнемерзлых пород характеризуют почти 2/3 территории России. Значительная амплитуда колебаний температуры атмосферного воздуха, составляющая 70-100С, определяет знакопеременный характер тепло и массообменных процессов в горных выработках. Эти процессы оказывают влияние на многие аспекты безопасности и эффективности добычи полезных ископаемых [9] (Рисунок 1.3.1, Приложение).

Из-за основной проблемы (климатические условия) вытекают другие:

• короткий сезон активной добычи ископаемых;

• низкая скорость добычи;

• человеческий фактор.

А также бывают технические проблемы транспортировки добытых материалов.

Мы с командой придумали решение для основной проблемы, создали «Energy-экскаватор». У нашего экскаватора 2 больших ковша. Они позволяют увеличить объем добытого материала. Также у экскаватора есть конвейерная лента. Сразу после подачи материала она без промедления доставляет добытый материал в самосвал. Данная разработка несомненно увеличит скорость добычи и транспортировки полезных ископаемых (Рисунок 1.3.2, Приложение).

Глава 2. Экскурсии в музей имени Менделеева и институт геологии и нефтедобычи

Тему полезных ископаемых мы начали изучать еще в ноябре 2023 года. Чтобы придумать свое инновационное решение по добыче полезных ископаемых, мы первым делом отправились на экскурсию в Музей истории науки и техники Зауралья имени Д.И. Менделеева (Рисунок 2.1, Приложение).

Музея состоял из 10 экспозиционных залов. Мы посетили геолого-минералогический зал, узнали о слоях почвы, которые содержат глину, песок, узнали о породах разного вещественного состава, изучили минералы и их составы. Посмотрели под микроскопом минералы. Побывали в зале примышленного освоения Зауралья 16-19 вв, изучили историю открытия и освоения нефтегазовых месторождений Западной Сибири. Нам подробно рассказали о видах полезных ископаемых и способах их добычи.

Нам захотелось с ребятами подробно узнать о видах полезных ископаемых, способах их добычи, поэтому мы отправились дополнительно на экскурсию в институт геологии и нефтегаздобычи.

На экскурсии мы узнали много интересного о таких полезных ископаемых как: алмазы, железо, золото, нефть, графиты. (Рисунок 2.2, Приложение).

Глава 3. Создание проекта energy-экскаватор для добычи полезных ископаемых на базе конструктора Lego Wedo 2.0

3.1 Внешний вид проекта

После ознакомления с темой полезных ископаемых, выявления проблем во время их добычи и придумав решение, мы с командой перешли к созданию проекта.

Проект мы создавали с помощью конструктора LeGo City и LeGo Mindstorms, а также для его автоматизации мы использовали механические передачи, датчики и моторы из наборов LeGo WeDo 2.0.

Для успешной и продуктивной работы мы разделили наш проект на 2 большие части.

Первая часть – место, где добывают полезные ископаемые. Оно представлено в виде карьеров песка, щебня и глины. Там же находится вся специализированная техника: самосвалы, обычный экскаватор и наша разработка energy-экскаватор (Рисунок 3.1.1, Приложение).

Вторая часть – это стройплощадка. На ней расположены башенный кран, строящийся дом и детская площадка (Рисунок 3.1.2, Приложение).

После того, как экскаваторы загрузят самосвалы полезными ископаемыми, машины отправятся на завод по производству строительного материала: кирпичи. Его мы тоже сконструировали и расположили между двумя главными локациями. Добытые щебень или песок машины везут сразу на стройку.

Наша разработка energy-экскаватор направлена на то, чтобы выполнять свою работу в активный теплый сезон в два раза быстрее. Для увеличения объема добытого материала мы сконструировали экскаватор с двумя большими ковшами, которые одновременно загребают полезное ископаемое (Рисунок 3.1.3, Приложение).

После этого ковши разворачиваются и опускают глину на специальный конвейер, который мы также сконструировали прям на экскаваторе. По конвейерной ленте ископаемое поступает прямо в самосвал. На данном этапе работы, мы минимизировали труд человека и увеличили скорость погрузки (Рисунок 3.1., Приложение).

Таким образом, наша модель energy-экскаватор помогает добывать больше и быстрее полезных ископаемых в короткий теплый сезон. Благодаря этому появляется больше строительного материала, быстрее происходит стройка, и люди быстрее обретают свои дома (Рисунок 3.1.5, Приложение).

3.2 Механические передачи в проекте

Чтобы наш проект был автоматизированным, мы добавили механические передачи, 2 смартхаба, 2 мотора и 2 датчика (датчик наклона и датчик расстояния).

Первый мотор в проекте отвечает за работу energy-экскаватора. Он запускает огромную цепочку механических передач.

Первая передача, это червячная – ее мы выбрали первой, потому что она очень сильная. Далее она передает движения в два направления:

• червячная шестерня передает движение средней шестерне, средняя шестерня с помощью осевой передачи, передает движение коронной шестерне. Коронная шестерня зацепляется зубчиками с огромной конической шестерней (зубчатая передача), на которой расположен рычаг (первый ковш). Далее огромная коническая шестерня передает движение второй огромной конической шестерне (зубчатая передача), на которой также расположен рычаг (второй ковш) (Рисунок 3.2.1, Приложение).

Таким образом, ковши поднимают полезное ископаемое и поворачиваются в разные стороны для его разгрузки

• червячная шестерня с помощью осевой передачи вращает два маленьких шкива. Они с помощью двух ремней передают движение на большие шкивы (ременная передача). Большие шкивы с помощью осевой передачи вращают маленькую коническую шестерню. Она зацепляется зубчиками с большой конической шестерней (зубчатая передача). Большая коническая шестерня с помощью осевой передачи передает движение на конвейерную ленту (Рисунок 3.2.2, Приложение).

С помощью данных механических передач конвейер вращается в сторону бульдозера и выгружает полезные ископаемые.

Управление energy-экскаватором происходит с помощью датчика наклона. Меняя положение носа, экскаватор запускает поворот ковшей и работу конвейерной ленты (носом вверх), возвращение ковшей в исходную позицию (носом вниз), остановка работы экскаватора (носом ровно).

Датчик расстояния установлен на строительной площадке. Как только самосвал привозит материал на стройку, датчик его видит и передает сигнал второму мотору.

Второй мотор отвечает за движение башенного крана. После получения сигнала она начинает поднимать и опускать строительный материал с помощью механизма – лебедка. И совсем скоро новый дом будет построен (Рисунок 3.2.3, Приложение).

3.3 Программа для запуска моделей

После того, как мы завершили строительство нашего проекта, мы приступили к созданию программы. Обсуждая работу наших моделей в проекте, мы поняли, что они должны иметь возможность работать одновременно. Именно поэтому в программе мы использовали одновременный запуск с помощью одной клавиши и функцию «передача сообщений», сразу для всех программ.

Первая программа в нашем проекте настраивает мощность первого мотора (экскаватор) и передает письмо «номер 1» всем последующим программам, тем самым запуская их в работу.

Вторая, третья и четвертая программы после получения письма ожидают сигнала от датчика наклона.

Как только датчик наклона поднимет нос вверх, запустится первый мотор. Ковши и конвейерная лента у экскаватора начнут свою работу.

Если нос у датчика наклона опустится вниз, то первый мотор начнет вращаться в другую сторону. Тем самым возвращая ковши в исходное положение.

Если датчик наклона встанет ровно – первый мотор прекратит свою работу. А значит, ковши и конвейерная лента остановятся.

Пятая программа после получения письма также ожидает сигнала, но только уже от датчика расстояния. Как только к датчику приблизится самосвал, второй мотор запустит работу башенного крана, лебедка заработает в левую сторону 4 секунды, затем в правую сторону 2 секунды, после остановится.

Все модели, выполнив написанную программу, вновь ожидают сигнала от датчиков. Как только датчики сработают, модели вновь оживут (Рисунок 3.3.1, Приложение).

Заключение

В результате нашей работы над проектом мы успешно выполнили следующие задачи:

1. Нашли информацию о видах полезных ископаемых в Тюменском регионе;

2. Рассмотрели способы и специальное оборудование для добычи полезных ископаемых;

3. Узнали о проблемах, которые возникают во время добычи полезных ископаемых в Тюменском регионе;

4. Создали модель energy-экскаватор для увеличения скорости добычи полезных ископаемых в активный теплый сезон;

5. Создали программу, которая позволила наглядно продемонстрировать работу нашего проекта.

Для нашего проекта мы использовали конструктор из наборов Lego WeDo 2.0, LeGo Mindstorms и Lego City. В нашей работе были простые механизмы: ось, малая, средняя, большая конические шестерни, шкивы, рычаг. А также сложные механические передачи: червячная передача, понижающие зубчатые передачи, осевая передача, понижающие ременные передачи, конвейер, лебедка. Для запуска проекты мы создали программу в среде LegoWeDo 2.0, одновременно подключая к компьютеру 2 смартхаба, 2 мотора, 1 датчик наклона и 1 датчик расстояния.

Мы считаем, что наш проект «Energy-экскаватор для добычи полезных ископаемых на базе конструктора Lego Wedo 2.0» действительно увеличит скорость добычи полезных ископаемых в активный теплый сезон. Тем самым ускорит строительство и обновления жилого фонда В Тюменском регионе.

Список используемой литературы

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

2. 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

3. Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей, - СПб.: Наука, 2013. 319с;

Интернет источники

4. https://iqsha.ru/ilove/post/children-of-minerals

5. https://tumen.mk.ru/social/2019/04/17/bogatstvo-tyumenskoy-oblasti-eto-peski-gliny-torf-i-neft.html

6. https://bytrina11.ru/kladovaya-zemli/sposobyi-dobyichi-poleznyih-iskopaemyih-v-okruzhayushhey-nas-prirodnoy-srede.html

7. https://atf.ru/articles/materialy_dlya_promyshlennogo_oborudovaniya/gornoe-oborudovanie-kakie-mashiny-primenyayutsya-pri-dobyche-poleznykh-iskopaemykh/

8. https://www.informio.ru/publications/id4877/Problemy-gornodobyvayushei-promyshlennosti

9. https://www.gortehinvest.com/dobicha-poleznikh-iskopaemikh/trudovie-resursi-promishlennosti/

Приложение

Рисунок 3.3.1 Итоговая программа нашего проекта