XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

«Автомобиль-обогреватель» на базе конструктора LEGO® Education «Первые механизмы»

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Зимнев С.В. 1Кин С.Д. 1Незнамов А.Е. 1Донгаев П.С. 1

---

1Мистер Брейни, школа интеллектуального развития

Куликова М.О. 1

---

1Мистер Брейни, школа интеллектуального развития

Работа в формате PDF

2.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Глины – это осадочные горные породы с размерами зерен менее 0,005 мм. Глины огнеупорные и тугоплавкие поставляются керамическим заводам специализированными предприятиями, занимающимися добычей этого сырья. Легкоплавкие глины чаще всего являются местным сырьем. Их добывают сами керамические предприятия, поэтому в их состав входит горный цех, называемый обычно карьером. Операции добычи и доставки глины на завод называются карьерными работами. Они включают вскрышные работы, добычу, транспортировку и хранение промежуточных запасов глины (Рисунок 1, Приложение).

При добыче глин в зимнее время поступление в производство мерзлой глины недопустимо. Это вызывает в изделиях разные пороки и брак, повышает нагрузку на глиноперерабатывающие машины, из-за чего учащаются их поломки. Поэтому в зимнее время должна подаваться в производство только талая глина, что вызывает необходимость утепления карьеров одним из способов.

Мягкое утепление производится после удаления верхнего поверхностного слоя на возможно большую глубину. Затем на поверхность глины завозят утеплитель – чаще всего опилки. С наступлением первых заморозков опилки расстилают по поверхности участка, предохраняя толщу глины от промерзания. Преждевременная укладка опилок, особенно в дождливый период, приводит к их сильному намоканию и резкому снижению теплозащитных свойств. Достоинствами этого способа являются невысокие первоначальные затраты на утепление карьера. Недостатки: работа людей в зимнее время на открытом воздухе затруднена, при сильных морозах повышается хрупкость металла, глина намерзает на ковши экскаватора, поэтому часты поломки. Этот способ оправдан в районах с мягким климатом.

Жесткое утепление применяется в районах с суровой зимой (Урал, Сибирь, Дальний Восток), при разработке карьера закрытым способом. Простым, хотя и примитивным утеплением является устройство деревянных настилов. В летнее время с участка, предназначенного для зимней добычи глины, удаляют вскрышной слой и вокруг участка устраивают водоотводные каналы. Этот способ обеспечивает надежную добычу талой глины в любых климатических условиях, приемлемые условия работы людей и оборудования. Недостатки: большой расход лесоматериалов, которые повторно не используются, трудоемкость устройства утепления.

Цель проекта: разработка и конструирование модели автомобиля-обогревателя, который сократит время оттаивания глины в карьере, а также сохранит её первоначальные свойства, на базе конструктора LEGO® Education «Первые механизмы».

Задачи проекта:

1. Изучить подробно характеристики горной породы «Глина»;

2. Изучить технологию добычи, транспортировки глины зимой;

3. Рассмотреть отрасли применения глины;

4. Создать проект «Автомобиль-обогреватель», который сократит время оттаивания глины в карьере, а также сохранит её первоначальные свойства на базе конструктора LEGO® Education «Первые механизмы»;

5. Презентовать проект.

В данной научной работе мы пользовались информационными сайтами. При конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах [2, 3].

Глава 1 Общие сведения

1. 1. Глина. Происхождение. Виды

Глина— это очень интересный и разнообразный по своим свойствам материал. Найти ее можно под верхним слоем земли - для этого достаточно выкопать небольшую яму, хотя иногда она залегает и гораздо глубже. В сухом состоянии глина легко крошится в руках, но стоит только ее только намочить, как она становится пластичной, вязкой и из нее можно лепить различные вещи, как из пластилина. А после высыхания она твердеет и сохраняет свою форму [4].

Глина — один из первых материалов, с которым человек начал работать в процессе своего развития. Первые доказательства мастерства изготовления глиняных изделий находятся примерно 10 000 лет назад. Ключ для появления глины — это измельчение горных пород. Процесс, который очень медленно, но непрерывно стирает поверхность Земли в пыль, именуется выветриванием или эрозией. Глина является итоговым результатом выветривания пород. В конце своего путешествия, мельчайшие частицы нашей планеты оседают в тихих частях рек, реже накапливаются в горной местности. Так появляются месторождения глины. Один известный факт: скорость образования глины превышает скорость её использования человеком. Этим и объясняется неистощимость запасов глины (Рисунок 1.1.1, Приложение).

Цвет у глины очень разнообразен. Она может быть белой, голубой, серой, красной и зеленой. Существует несколько видов глины (Рисунок 1.1.2, Приложение). Вот некоторые из них:

1. Каолин – знаменитая белая глина, которую используют для производства красивейшего фарфора и огнеупорных изделий;

2. Строительная глина – используется для приготовления растворов, которые применяются в процессе возведения сооружения различного назначения;

3. Глинистый сланец – применяется в процессе производства цемента;

4. Огнеупорная глина – подходит для изготовления огнеупорных кирпичей и других жаропрочных изделий;

5. Голубая глина – натуральное лекарство из толщи природных земных недр. Лечение голубой глиной применяется в медицине;

6. Красная глина имеет зеленовато-коричневую окраску, при обжиге в зависимости от температуры или типа печи глина приобретает красную или белесую окраску.

1.2 Способы добычи глины. Транспортировка

Способ добычи сырьевых материалов определяется факторами, климатических условий и геологических особенностей расположения месторождения.

Разработка месторождения (карьера) включает в себя два вида работ:

Добычу глин осуществляют главным образом открытым способом, т. е. удаляют вскрышную породу и далее выбирают полезные сырьевые материалы. Добыча этим способом может быть полностью механизирована. Вскрышные породы удаляют с помощью типового оборудования по нескольким вариантам. Например, одноковшовый экскаватор — автосамосвал — бульдозер или многоковшовый экскаватор — ленточный конвейер и др. Таким же образом выбирают и транспортируют полезное сырье [5].

В зимнее время глину добывают, применяя различные способы утепления: укрытие фронта разработки толстым слоем утепляющего материала (торф, солома, опилки), сжигание дешевых сортов угля, торфа на поверхности разрабатываемого участка карьера и сжиганием его. В районах с суровыми климатическими условиями и при наличии большой мощности добываемого пласта используют передвижные или постоянные закрытые помещения — тепляки, оборудованные калориферами, которые обогревают закрытый участок добычи.

При добыче плотных и прочных пород применяют предварительное их разрыхление буровзрывными операциями.

Разработка экскаваторами считается наиболее широко применяемым способом (Рисунок 1.2.1, Приложение).

Взрывной способ находит применение при разработке плотных глин, аргиллитов, глинистых сланцев, при разработке мощных залежей глинистого сырья, для предварительного рыхления глин в месторождении с целью их подготовки для производства (Рисунок 1.2.2, Приложение).

Разработка средствами малой механизации. В карьерных работах (отвалочных, планировочных, очистных и т. п.) находят применение также рыхлители, бульдозеры и другие средства малой механизации (Рисунок 1.2.3, Приложение).

Транспортировка глины чаще осуществляется двумя способами: наземным рельсовым транспортом в опрокидных вагонетках с электровозной тягой и автосамосвалами. Более надежным является рельсовый транспорт. Его недостатки – большие трудозатраты на ремонт и обслуживание вагонеток, невозможность использования на пересеченной местности и в городской черте. Автотранспорт является более маневренным и требует сравнительно небольших трудозатрат. При дальних расстояниях транспортировки более выгодным является автотранспорт, в то время как для узкоколейного рельсового транспорта стоимость перевозок возрастает. Поэтому автотранспорт на глиняных карьерах в последнее время практически вытеснил рельсовый (Рисунок 1.2.4, Приложение).

1.3 Свойства глины

Свойства глины, добываемой в карьере, неоднородны. По толщине залегания обычно меняются пластичность, засоренность, влажность и химический состав сырья. Поэтому глины, залегаемые в карьерах в их естественном состоянии, без предварительной подготовки непригодны для изготовления кирпича и керамических камней [6].

Для того чтобы получить из имеющегося сырья высококачественные изделия, необходимо в первую очередь сделать глиняную массу однородной, т.е. усреднить ее. Это производят в процессе добычи глины в карьере, а также путем перевалки ее в открытые глинозапасники, так называемые «конусы», или же в стационарные глинохранилища закрытого типа.

Одним из важных моментов хранения глины, является создание складных помещений. Они нужны для защиты сырья от затопления дождевыми или талыми водами и поддерживать в надлежащем состоянии подъезды из них к формовочному отделению.

К качеству сырья для производства изделий художественной керамики предъявляются повышенные требования. Поэтому хранить сырье следует на складах, предотвращая его загрязнение.

Складские помещения для сырьевых материалов, где, как правило, осуществляется первичная переработка и обогащение сырья, проектируют исходя из установленных нормативов его запаса.

Все виды сырья, поступающие в производство, принимает и контролирует заводская лаборатория. При отсутствии складских помещений для хранения сырья не следует выгружать его на землю, так как это приводит к загрязнению и потерям сырьевых материалов. В этом случае устраивают специальные забетонированные, предварительно очищенные площадки, на которые выгружают лишь один вид сырья.

1.4 Применение глины в различных отраслях

Глина была одним из первых строительных материалов, который начали использовать люди. На Ближнем Востоке и в Азии было мало камней и лесов, зато в избытке – глинистых грунтов. Поэтому местные жители научились применять их для возведения стен. Материал быстро высыхал в жарком климате, внутри таких домов сохранялась прохлада [7]. В некоторых регионах глиняные постройки есть и сейчас (Рисунок 1.4.1, Приложение).

1. Строительство:

— Кирпичи;

— Черепица;

— Керамогранит;

2. Производство керамики (благодаря пластичности материала, из него можно слепить фигуры разной формы, после обжечь, благодаря огнеупорности глины, изделия становятся прочными и твердыми):

— Фарфор;

— Керамическая посуда;

— Сантехника;

3. Огнеупорные материалы (технология состоит в обжиге глины и песка при высоких температурах, материал плавится, и в итоге получается прочный как камень стройматериал):

— Огнеупорные кирпич, бетон, плиты;

4. Медицина и фармацевтика (в медицине глину используют в качестве биодобавки, компонента некоторых лекарств):

— Лекарственные препараты (например, каолин);

— Маски и средства для ухода за кожей;

— Стоматологические материалы;

5. Бумажная промышленность:

— Меловой картон;

— Клей для бумаги;

— Бумагоделательное сырье;

6. Косметика:

— Глиняные маски;

— Минеральная пудра;

— Очищающие средства;

7. Сельское хозяйство:

— Удобрения;

— Корм для животных;

— Фильтры для очистки воды;

8. Другие применения:

— Изготовление красок и пигментов;

— Производство стекла;

— Декоративные изделия.

Глава 2 Созданиепроекта «Автомобиль-обогреватель»

2.1 Обсуждение и решение проблемы. Функционал модели

Для эффективности работы мы с командой поставили себе следующие цели:

1. Составить последовательный образ наших конструкций;

2. Создать механические передачи для каждой конструкции;

3. Усовершенствовать нашу модель проекта.

Чтобы подробно разобраться в проблеме обогрева глины зимой, для сохранения ее физических свойств, наша команда обратилась к интернет-источникам (Рисунок 2.1.1, Приложение).

В данном вопросе могли помочь только согревательные меры для карьера, но это было бы времязатратные способы. Нам данные методы не подходили. В результате наших обсуждений, мы с командой, придумали передвижной автомобиль-обогреватель. Данная машина может одновременно и обогревать глиняные замершие кубы, и доставлять ее сразу на завод. Тем самым мы сократили время работы и отогревали глину, сохранив ее первозданный вид.

Первым делом мы с командой подготовили макет будущей работы. Также обсудили, какие конструкции будут присутствовать в проекте, и от каких механизмов они будут работать.

В нашем проекте все начитается с глиняного карьера, специальная установка разрезает мерзлые слои сырья и экскаватор укладывает их в самосвал. Данная установка будет иметь длинный рычаг-руку с двумя острыми лезвиями. Далее глиняные кубы загружаются в автомобиль-обогреватель при помощи автокрана. Как только мерзлая глина загружена, в машине включаются паровые вентиляторы, которые деликатно будут обогревать сырье, пока автомобиль находится в пути на завод. После, готовую для производства глину распределяют по областям применения уже на заводе.

После окончания планирования, мы приступили к улучшению конструкций (Рисунок 2.1.2, Приложение).

2.2 Механические передачи проекта

У каждой модели, присутствующей в нашем проекте, есть свой механизм [1]. Разберем каждую модель по отдельности.

Чтобы добыть глину из замершего карьера, мы использовали специальную установку, которая помогает разрезать промёрзшую глину на небольшие кусочки. В этом нам помогал механизм: рычаг (Рисунок 2.2.1, Приложение).

Потом наш кран перемещает кубы глины из карьера в автомобиль-обогреватель при помощи простого механизма - лебедки (Рисунок 2.2.2, Приложение).

Как только загрузили глину в автомобиль-обогреватель, мы плотно закрываем двери, при помощи зубчатой передачи, чтобы создать обогрев (Рисунок 2.2.3, Приложение).

Поступив на завод, глину превращают в строительную смесь, с помощью перемешивания, в этом помогает зубчатая передача. После готовая смесь попадает в печь, где глина обжигается и становиться прочными кирпичами. Работает печь от ременной передачи (Рисунок 2.2.4, Приложение).

Таблица 1- Описание механических передач.

2.3 Презентация проекта

28 и 29 февраля проходил Региональный отборочный чемпионат по робототехнике. В направлении «Лиги открытий» мы презентовали свой проект: «Автомобиль-обогреватель». За все это время мы проделали большую работу: искали информацию, изучали каждое занятие новые темы и понятия, готовили творческие подделки, и инженерные решения (Рисунок 2.3.1, Приложение).

Таблица 2 - Защитное слово к проекту:

Заключение

Для реализации нашего проекта, мы изучили много полезной информации о глине, её добыче как летом, так и в зимний период. Актуальные способы разработки карьеров зимой.

Данная проблема важна для человечества в настоящее время, так как в России, особенно в крайне северных районах активно строятся дома, заводы по производству глиняных изделий. Запасы быстро расходуются. Поэтому перед нами, юными робототехниками, стаяла важная задача найти решение использования глины в зимнее время года. И предоставив наш проект, мы верим, что он поможет в будущем. Для нашего проекта мы использовали конструктор из набора LEGO® Education «Первые механизмы». В нашей проекте присутствовали следующие механизмы: ось, ременная передача, зубчатая передача, рычаг.

Список используемой литературы

1. Курс «Машины и механизмы», курс «Основыробототехники», Школа интеллектуального развития «МистерБрейн», - 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 доступаhttps://elibrary.ru/item.asp?id=30700400

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

Интернет-источники

4. https://poznayka.org/s83440t1.html

5. https://kazedu.com/referat/180070/1

6. https://poznayka.org/s88459t2.html

7. https://ru.wikipedia.org/wiki/Лебёдка

Приложение

Рисунок 2.3.1 Презентация проекта