XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

«Автомобиль-измельчитель» для дробления известнякового камня на базе конструктора LEGO® Education «Первые механизмы»

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Задоев М.А. 1Мельниченко Г.Д. 1Корякин М.А. 1Дайнеко Л.А. 1

---

1Мистер Брейни, школа интеллектуального развития

Куликова М.О. 1

---

1Мистер Брейни, школа интеллектуального развития

Работа в формате PDF

1.8 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Строительная техника в настоящее время неотъемлемая часть в любой сфере, особенно в строительстве. Она позволяет улучшить и проконтролировать качество строительства. Ускорить его сроки. Облегчить труд человека, а также частично, и в целом автоматизировать процесс производства в некоторых отраслях.

Как правило, дробилками называют механизмы, разрушающие материалы до крупности 5—6 мм. Разрушение до более мелких размеров называют измельчением.

В народном хозяйстве технология дробления и измельчения твердых материалов - одна из наиболее дорогостоящих операций. Ежегодно дроблению и измельчению подвергается боле 3 млрд. т известкового камня. На эти цели затрачивается более 70 млрд. кВт/ч электроэнергии. Также на транспортировку извести будет расходоваться топливо и время в пути. Поэтому дальнейшее совершенствование этих процессов и оборудования, использование наиболее эффективных и экономичных способов измельчения и транспортировки, оптимизация процессов дробления и измельчения имеют важное народнохозяйственное значение.

Действительно, перед тем как из известняка сделать кирпичи, его необходимо добыть из карьера, раздробить, транспортировать до завода обжечь, измельчить и сделать специальную строительную смесь.

Таким образом, для изготовления строительных материалов из известняка, потребуется много затрат на топливно-энергетические ресурсы строительной техники, именно дробилок и автосамосвалов. А также не экономно распределяется время работы данных машин.

Нам стала интересна данная тема, связанная с производством извести, и мы решили разработать автомобиль-измельчитесь, который будет производить два дела одновременно: транспортировать известняк на завод, дробить его в пути.

Цель проекта: разработка и конструирование модели автомобиля-измельчителя, который поможет оптимизировать работы, на базе конструктора LEGO® Education «Первые механизмы».

Задачи проекта:

1. Изучить подробно характеристики горной породы «Известняк»;

2. Изучить технологию добычи, транспортировки и дробления известняка;

3. Рассмотреть отрасли применения известняка.

4. Создать проект автомобиля-измельчителя, который поможет оптимизировать работы 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. Известняк. Происхождение. Виды

Известняк — камень, чаще белого или светло-серого цвета, состоит из мелких частичек, скреплённых между собой (Рисунок 1.1.1, Приложение). Он плотный, тяжелее воды. Известняк, популярный в строительстве камень, подходящий для возведения стен, отделки фасадов, создания декоративных элементов и малых архитектурных форм [5].

Образовался известняк примерно 300 млн. лет назад в мелководных морских водах. Иногда образования залежей камня находят и в озерах, реках. Накапливаясь, органические остатки под действием природных сил и при сопутствующем процессе осаждения кальцита, со временем превратились в залежи этого многообразного камня. Люди, которые добывают известняк в карьере, работают как бы на дне моря. Конечно, моря нет, но оно было в далеком прошлом, много миллионов лет назад. Морские организмы погибали и оседали на дно. Из их скелетов и раковин - образовались постепенно толщи известняка (Рисунок 1.1.2, Приложение).

Виды известняка (Рисунок 1.1.3, Приложение):

1. Натечный;

2. Ракушечный;

3. Мраморный;

4. Обломочно-кристаллический.

Натечный (известковый туф) вид известняка формируется в стоячих и проточных подземных водоемах из нерастворимой соли, которая под давлением уплотняется. Камень из стоячих водоемов более плотный, из проточных – пористый и хрупкий. Ракушечный вид известняка состоит из остатков морских организмов, хорошо обрабатывается (пилится, обтесывается), имеет большую пористость. К этому виду также относят рифовый известняк, крайне богатый на остатки морской фауны, и обычный мел – слабосцементированную карбонатную породу (фактически, затвердевший ил теплых морей). Мраморный вид известняка является плотным минералом, по своей структуре близкий к мрамору, хорошо полируется за счет мелких пор, морозоустойчив. Обломочно-кристаллический – органогенный детрит, образованный из фрагментов растений, раковин и скелетов животных. Несмотря на мелкие поры, имеет малую прочность и высокую степень водопоглощения [8].

1.2 Способы добычи известняка. Транспортировка

Чаще всего известняковые породы залегают близко к поверхности, поэтому их разрабатывают открытым карьерным способом.

Добыча известняка в карьере может производиться тремя основными способами:

1. Взрывным;

2. Экскаваторным;

3. Комбайновым.

Взрывной способ подразумевает бурение ряда шпуров вдоль кромки пласта, закладку в него промышленной взрывчатки и подрыв с задержкой в несколько десятков микросекунд между соседними зарядами для минимизации негативного воздействия ударной волны на окружающую среду. После взрыва обломки экскаватором грузят в карьерные самосвалы и отправляют на дробильно-обогатительную фабрику. Достоинства данного способа, это ускорение добычи известняка и повышение производительности. Недостатки проявляются в большой опасности и вреду экологии. Тем не менее известняк для бутового камня, щебня и флюса добывают чаще всего (на больших месторождениях) именно так (Рисунок 1.2.1, Приложение).

В экскаваторном способе добычи используется смена навесного рабочего инструмента: вначале используется разрыхляющее оборудование, выпиливающее блоки в пласте; а затем оно меняется на ковш, которым добытые блоки грузят в самосвалы. Главное достоинство данного способа является экологичность, аккуратность и безопасность. Но есть и недостаток, гораздо более медленный. Наиболее ценные породы известняка для отделочных плит и декоративных элементов предпочитают добывать таким образом (Рисунок 1.2.2, Приложение).

Комбайновый способ связан с применением фрезерного комбайна. Он дает возможность не только извлекать фрагменты известняка, но и на месте дробить их на более мелкие части. Разработка этим методом характеризуется наибольшей технологичностью и экономичностью. Готовый продукт (щебень) получается прямо на месте добычи известняка и для его производства не нужна дробильная фабрика (Рисунок 1.2.3, Приложение).

Известняк добывают повсеместно. Поэтому перевозка огромных глыб на большие расстояния практикуется редко. Если только порода не ценится за особые качества, как например владимирский известняк. Перевозят камни грузовыми автомобилями, грузовыми поездами (самый выгодный вид транспорта) либо баржами (плоскодонными судами), если место добычи находится неподалеку от порта. Но чаще всего глыбы грузятся на самосвалы и отправляются в близлежащий цех, где из них делают плитку, предметы декора или камень для фасада [7].

1.3 Свойства известняка

Основа известняка – карбонат кальция. Остальное – это кварц, доломит, полевой шпат и другие минералы. Именно из-за наличия в составе минералов камень имеет различные оттенки. Цвет известняка преимущественно белый, но в природе в обилии встречаются породы светло-серого, светло-желтого, красноватого, зеленого, бурого оттенка. Существует даже черный известняк – в его составе в обилии присутствуют нефтепродукты.

Известняк на первый взгляд кажется довольно слабым камнем: ведь его можно скоблить ножом, вырезать на нем орнаменты или барельефы. Он легко пилится обычной пилой и колется. Он растворяется в воде (пусть и медленно), поэтому при использовании камня в отделочных работах он обрабатывается водоотталкивающими составами. Особенно уязвим минерал к воздействию кислот (в частности, уксусной, серной, соляной), причем реакция протекает бурно и быстро, с образованием углекислого газа. В природных условиях это чревато образованием карстовых пустот, зачастую внушительных размеров. Вместе с тем в зданиях и сооружениях известняк достаточно прочен и выдерживает нагрузку стен, карнизов и колонн. Но надежность известняка в здании будет максимальной в том случае, если каменный материал выбран в соответствии с теми условиями, в которых он будет служить [6]. 

1.4 Применение известняка в различных отраслях

Известняк широко применялся в качестве строительного материала, мелкозернистые разновидности использовали для создания скульптур.

Обжиг известняка даёт негашёную известь — древний вяжущий материал, до сего времени применяемый в строительстве (Рисунок 1.4.1, Приложение). Одним из основных строительных материалов, получаемых из известняка, является известняковый щебень, который широко используется в дорожном строительстве и в производстве бетонов (Рисунок 1.4.2, Приложение).

Известняк используют при строительстве зданий. Из него получают известь, которую применяют для приготовления строительных растворов (ими скрепляют кирпичи, штукатурят стены). (Рисунок 1.4.3, Приложение).

Особая разновидность известняка - мел. Он менее прочен, чем обычный известняк. Мелом мы пишем на доске, зубной порошок. Разведённая с водой известь используется для побелки стен, бордюров, деревьев и чего угодно ещё. Её яркий белый цвет придаёт помещению чистый и опрятный вид, она долго держится и отпугивает насекомых, а также в умеренной степени дезинфицирует.

Много извести вносится в почву, чтобы повысить её плодородие для выращивания высоких урожаев пшеницы, ржи, овса, ячменя, а также огородных культур (Рисунок 1.4.4, Приложение). Это помогает сбалансировать кислотность, удобрить грунт и отпугнуть вредителей.

Животноводство, где известь применяется в качестве добавки к кормам для животных и птиц [4].

В наше время, он применен при реставрации стен московского Кремля, крымских дворцов - Ливадийского, Алупкинского и Ласточкина Гнезда, монастырей и соборов - Владимирского, Александра Невского и Свято-Успенского.

Глава 2 Созданиепроекта «Автомобиль-измельчитель» для дробления известнякового камня

2.1 Обсуждение и решение проблемы. Функционал модели

На первых встречах, мы с командой обсуждали проблемы, связанные с транспортировкой и дроблением известняка (Рисунок 2.1.1, Приложение). Именно, о затратности времени и топливно-энергетических ресурсов при перевозке известняка и его измельчение. Нашим решением было создать автомобиль-измельчитель, который во время транспортировки горной породы, мог дробить её на ходу. В результате чего, известняк поступил бы на завод уже в готовом, для производства строительного материала, состоянии.

Чтобы преступить к созданию нашего проекта, первым делом мы с командой подготовили макет будущей работы (Рисунок 2.1.2, Приложение). Также обсудили, какие конструкции будут присутствовать в проекте, и от каких механизмов они будут работать.

Первая идея возникла о создании конвейера, который будет перемешать кубы известняка из глубины карьера в автосамосвал. Далее, мы преобразовали экскаватор, для перемещения природного камня в Автомобиль-измельчитель, чтобы он отправился в путь на завод. По пути данный автомобиль совершал дробление. По итогу, на производство поступал бы готовый порошок, который оставалось лишь распределить для создания кирпичей, плит, удобрений, кормов, мела и т.д.

В процессе разработки проекта, мы столкнулись еще с одни вопросом. Что делать с большим объемом извести? Где ее хранить, чтобы не нарушить ее физические и химические свойства. Для решения этого вопроса, мы с ребятами включили в наш проект склад, где были установлены 2 вентилятора для поддерживания определенной температуры и влажности.

После окончания планирования, мы приступили к улучшению конструкций (Рисунок 2.1.3, Приложение).

2.2 Механические передачи проекта

На последующих занятиях мы приступили к созданию проекта и механических передач [1]. У каждой модели, присутствующей в нашем проекте, есть свой механизм. Разберем каждую модель по отдельности.

Закрытый конвейер, который может работать в плохую погоду так, чтобы не попадал дождь и сильный ветер, производит движение при помощи ременной передачи, зубчатой передачи и рычага (Рисунок 2.2.1, Приложение).

Автомобиль-измельчитель, начинав свой путь к заводу производил дробление известняка, при помощи 3 механизмов, двух зубчатых передач и червячной передачи (Рисунок 2.2.2, Приложение).

Поступив на завод, готовую к производству, осадочную горную породу, преобразовывали в строительный материал. Для этого мы установили угловую зубчатую передачу и ременную передачу (Рисунок 2.2.3, Приложение).

В специальный склад для хранения извести мы установили зубчатые передачи и угловую зубчатую передачу, от которых работали два вентилятора (Рисунок 2.2.4, Приложение).

Таблица 1- Описание механических передач.

2.3 Презентация проекта

Узнать, как добываются, хранятся и транспортируются полезные ископаемые, насколько они важны для человечества и как они используются человеком– такая задача стояла перед юными робототехниками Тюменского района. Так как Тюменская область богата известняковыми залежными, и имеет завод по производству кирпичей из извести, поэтому эта тема была выбрана для соревнований Регионального отборочного чемпионата по робототехнике, которые проходили 28 и 29 февраля в колледже цифровых и педагогических технологий в Тюмени. В направлении «Лиги открытий» мы презентовали свой проект: «Автомобиль-измельчитель» – исследовали, готовили инженерную документацию, выполняли командное задание (Рисунок 2.3.1, Приложение).

Таблица 2 - Защитное слово к проекту:

Заключение

Наша команда подробно изучила тему известняка и проблемы, связанные с ее добычей, транспортировкой и дроблением. Поэтому представленное решение будет снижать экологический вред и улучшать окружающий мир за счет уменьшения работы дробильных установок и самосвалов. В результате будут экономится топливно-энергетические ресурсы. Для нашего проекта мы использовали конструктор из набора LEGO® Education «Первые механизмы». В нашей работе были использованы следующие механизмы: ось, ременная передача, зубчатая передача, рычаг, червячная передача и угловая передача. Наш проект «Автомобиль -измельчитель» — это отличный вариант для экономии времени в производстве с сохранением экологической среды.

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://cyberleninka.ru/article/n/primenenie-tsentrobezhno-udarnyh

5. https://www.dometechnology.com/ru/Приложения/известняк/

6. https://kamnemir.ru/articles/about_limestone/

7. https://domof.ru/articles/kak-osushchestvlyaetsya-postavka-kamnya-dlyafasada-i-otdelki-interera/#glava_2_2

8. https://studwood.net/576993/tovarovedenie/meropriyatiya_ohrane

Приложение