XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

«Обогреватели для песчаных карьеров» на базе конструктора LEGO® Education «Первые механизмы»

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Чалков Д.В. 1Долгов М.А. 1Таловиков В.В. 1

---

1Мистер Брейни, школа интеллектуального развития

Куликова М.О. 1

---

1Мистер Брейни, школа интеллектуального развития

Работа в формате PDF

2.7 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Песок — рыхлая горная порода, которая используется в строительстве для приготовления бетона, кирпича, смесей для строительных и отделочных работ, выравнивания основания, создания насыпей и подушек. Чаще всего песок добывается открытым способом в летний период, из-за этого появляется актуальная проблема разработки карьеров с наступлением холодов (Рисунок 1, Приложение).

Добыча песка зимой сопряжена с уникальными трудностями из-за низких температур и снежного покрова. Тем не менее, существуют методы, позволяющие эффективно выполнять добычу песка даже в суровых зимних условиях.

Виды трудностей при добыче песка в зимний период:

1. Замерзание воды: Вода в карьерах и на складах может замерзнуть, что затрудняет добычу, транспортировку и переработку песка.

2. Снежный покров: Снег может накапливаться в карьерах, ухудшая доступ к запасам песка.

3. Низкие температуры: Холодные температуры могут повлиять на работоспособность оборудования и комфорт сотрудников.

4. Скользкие поверхности: Лед и снег могут сделать поверхности скользкими, создавая опасность для рабочих.

Оптимальные методы добычи песка зимой:

Присыпка песка реагентами: на песок можно рассыпать реагенты, такие как хлорид натрия или кальция, чтобы предотвратить его замерзание. Использование снегоуборочной техники: Снегоуборочные машины и бульдозеры можно использовать для удаления снега с площадок добычи. Прогревание оборудования: Оборудование для добычи должно быть защищено от обледенения и прогрето перед использованием.

Также важно соблюдать правила безопасности и избегать добычи во время сильных снегопадов. Рассмотреть возможность хранения запасов песка в крытых помещениях или под навесами для защиты от непогоды. Регулярно проводить техническое обслуживание оборудования для обеспечения его исправной работы в условиях низких температур.

Цель проекта: разработка и конструирование моделей обогревателей для песчаных карьеров, которые помогут оптимизировать работы в зимний период времени, на базе конструктора LEGO® Education «Первые механизмы».

Задачи проекта:

1. Изучить подробно характеристики горной породы «Песок»;

2. Изучить технологию добычи, транспортировки песка зимой;

3. Рассмотреть отрасли песка;

4. Создать проект «Обогреватели для песчаных карьеров», которые помогут оптимизировать работы в зимний период времени 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. Песок. Происхождение. Виды

Песок - мелкообломочная рыхлая осадочная горная порода, состоящая из зёрен минералов разрушенных горных пород.

Когда-то давным-давно, когда планета Земля была совсем новой, песка на ней ещё не было. Тогда к небу вздымались одни острые скалы. Но постепенно вода, ветер и чередование нагрева и охлаждения стали эти скалы разрушать. От скал откалывались крупные куски, потом эти крупные куски раскалывались на ещё более мелкие, те — на ещё более мелкие и так далее. Пока кусочки горных пород не превращались практически в пыль — в песчинки. Таким образом и появился в результате распавшихся на мелкие частички горные породы наш песок (Рисунок 1.1.1, Приложение).

Виды природного песка (Рисунок 1.1.2, Приложение):

1. Аллювиальные. Это отложения в руслах рек, возникающие при перемещении мелких частиц по воде;

2. Делювиальные. Это отложения у подножий гор, образовавшиеся в результате выветривания горных пород;

3. Морские. Постоянные приливы и отливы приводят к постепенному разрушению прибрежных скал, разрушенная порода рассыпается на мелкие частицы, которые и образуют морской песок;

4. Озерные. Частицы грунта попадают в воды озера и оседают на его дне.

5. Эоловые. Отложения, образованные частицами, переносимыми ветром. Такой тип отложений более характерен для полупустынной и пустынной местности.

6. Флювиогляциальные. Талые ледниковые воды переносят с собой крупные и мелкие частицы, которые оседают у подножий гор.

7. Искусственный (дробленый) песок. Несмотря на название, этот материал тоже представляет собой крупицы горных пород. Разница лишь в том, что для его получения не нужно ждать естественного разрушения породы. Достаточно раздробить ее, чтобы получился песок.

Виды песка делятся по виду добычи (Рисунок 1.1.3, Приложение):

1.Речной;

2.Карьерный (открытый);

3.Намывной (из искусственных водоемов);

4.Эфельный (отходы при добыче ценных металлов).

1.2 Способы добычи песка. Транспортировка

Существуют два основных метода добычи песка: открытый (механический) — песок добывают с поверхности земли. Производят такие работы скреперы, бульдозеры, экскаваторы. А также гидромеханический — намыв грунта с помощью потока воды (Рисунок 1.2.1, Приложение).

Сухой способ добычи позволяет получать песок следующими двумя стандартными способами: верховая выемка, когда при помощи экскаватора с верхней площадки зачерпывается снизу материал, поднимается наверх и погружается в транспорт; нижняя выемка, когда погрузчики или экскаваторы располагаются внизу карьера и грузят материал сразу в транспорт, который спустился по кольцевой дороге [5].

Открытым способ происходит добыча полезных ископаемых непосредственно с земной поверхности. С помощью экскаваторов снимается верхний слой земли. Затем ведётся добыча полезного ископаемого в образовавшемся карьере. Открытый способ дешевле подземного, но ведёт к нарушению природной среды. В карьерах обычно добывают уголь, железные руды, строительные полезные ископаемые (глина, песок и др.), (Рисунок 1.2.2, Приложение).

Гидромеханизированная добыча песка осуществляется двумя методами: гидромониторным и землесосным. В первом случае используется мощная струя воды, под воздействием которой массив материала разрушается. Жидкость в процессе отстаивания уходит (Рисунок 1.1.3, Приложение).

Для добычи строительных песков в песчаных карьерах может использоваться сухой метод, но материал, добытый с помощью воды, очищен от примесей и ценится гораздо выше [7].

Человек должен думать о том, как пользоваться полезными ископаемыми намного дольше, ведь их залежи на земле не безграничны.

Методы транспортировки песка из карьера:

1. Автотранспорт. Используются самосвалы на короткие и средние расстояния. Бортовые автомобили для перевозки небольших объемов песка или на строительные площадки.

2. Железнодорожный транспорт. Чаще используются вагоны-хопперы, для транспортировки больших объемов песка на дальние расстояния (Рисунок 1.1.4, Приложение).

1.3 Свойства песка

Песок обычно состоит из кварца, полевых шпатов, магнетита или карбоната кальция [4].

Песчинки песка имеют разные размеры, поэтому их разделают еще и по величине зерен на три фракции (Рисунок 1.3.1, Приложение):

1. мелкий;

2. средний;

3. крупный.

Хорошие дренажные свойства песка позволяют воде быстро стекать и проходить через него. Может истирать или царапать другие поверхности. Содержать примеси, такие как глина. При увлажнении может быть скользким.

1.4 Применение песка в различных отраслях

Основные способы использования песка являются (Рисунок 1.4.1, Приложение), [6]:

1. Строительные работы:

— Для фундамента;

— Для бетона и смеси;

— Для обратной засыпки;

— Для штукатурки и внутренней отделки;

— Для дренажа;

— Для кладки кирпича;

2. Дорожные работы:

— Для асфальта;

— Для создания насыпей;

— Для оформления обочин;

3. Сельское хозяйство:

— Для разрыхления почвы (улучшение дренажа);

— Для создания плодородного грунта (удобрения);

4. Производство:

— Для производства плитки, кирпича, искусственного камня;

— Для стекла (является основным сырьем).

Глава 2 Созданиепроекта «Обогреватели для песчаных карьеров», которые помогут оптимизировать работы в зимний период времени

2.1 Обсуждение и решение проблемы. Функционал модели

На первых этапах конструирования мы поставили следующие задачи:

1. Сконструировать предварительные постройки;

2. Распределить последовательность действий в проекте;

3. Установить нужные механизмы для работы конструкций;

4. Преобразовать все в единый усовершенствованный вид.

Для обсуждения проблемы о добыче песка зимой мы с командой начали искать информацию в интернет-источниках (Рисунок 2.1.1, 2.1.2, Приложение). Определили, что легким способом, отогреть карьер в заморозки, будет поставить мощные батареи на глубину карьера, чтобы прогрев шел изнутри. Но, для эффективности, предусмотрели и отопление верхней его части.

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

Для обогревателя первого вида, мы предусмотрели две опоры на которых были закреплены прочные тросы, для создания подвижности батарей (вверх-вниз). Данное изобретение должно погружаться на глубину, для прогревания подошвы карьера. Второго вида батарей было предусмотрено 2шт, для того чтобы создать эффект «Закрытия дверей». Батареи устанавливаются над карьером и закрывают большую его часть, технике при таких условиях будет работать сложно. Поэтому, как только нужно будет производить карьерные работы, батареи будут отключаться и открываться как двери. Боковые части этих батарей, в открытом состоянии, будут препятствовать сильным ветрам и снегопадам.

Далее, мы преступили к конструированию фракционной установки, для распределения частиц по фракциям. После, готовый просеянный песок отвозят на заводы и отдают на производства (стекла, строительной смеси, и д.р.).

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

2.2 Механические передачи проекта

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

Батареи первого вида, которые погружаются на глубину карьера, чтобы прогреть его подошву, будут работать от ременной передачи. (Рисунок 2.2.1, Приложение).

Во второй вид обогревателей, чтобы прогреть верхнюю часть карьера, будет установлена зубчатая передача. Она помогает открывать карьер, когда понадобится песок, и закрывать, когда карьер просто стоит. (Рисунок 2.2.2, Приложение).

Для деления на мелкую, среднюю и крупную фракции мы используем червячную передачу и рычаг (Рисунок 2.2.3, Приложение).

Для изготовления стекла, а также строительной смеси мы предусмотрели в нашем проекте завод. У него есть 2 блока, в первом изготавливают стекло, где используется зубчатая передача. Во втором изготавливают цементные растворы, с добавлением песка. В этой конструкции помогает угловая зубчатая передача. (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: «Обогреватели для песчаных карьеров». 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 поиска решений задач, мы изучили много полезной информации о песке, его добыче как летом, так и в зимний период. Актуальные способы разработки карьеров зимой.

Данная проблема важна для человечества в настоящее время, так как в Сибири и на Севере России активно строятся дома, буровые установки, дороги и многое другое. Запасы быстро расходуются. Поэтому перед нами, юными робототехниками Сибири, стаяла важная задача найти решение использования песка 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, червячная передача и угловая передача.

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://www.youtube.com/watch?v=TKHPBw0-2g0

5. https://tsk-sistema.ru/company/stati/vidy-stroitelnogo-peska/

6. https://72taktika.ru/articles/dobycha-peska-dlya-stroitelstva-dorog-i-sooruzheniy/

7. http://gidrotechnology.ru/blog/razrabotana-tekhnologiya-dobychi-peska-zimoy

Приложение