XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Зернобаланс. Исследования и генерация идей

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Большаков А.В. 1Антонов Д.И. 1Вахитов С.А. 1Куркина П.С. 1

---

1Школы интеллектуального развития «Мистер Брейн»

Филинова А.В. 1

---

1Школы интеллектуального развития «Мистер Брейн»

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Проблема плохих дорог в нашем регионе является одной из ключевых причин, влияющих на эффективность транспортировки сельскохозяйственной продукции, в частности, зерна. Неровности и дефекты дорожного покрытия приводят к значительным колебаниям кузова транспортного средства, что, в свою очередь, может негативно сказаться на качестве груза. В частности, механические воздействия во время движения могут вызвать повреждение зерна, его поломку или даже потерю. Это не только снижает экономическую эффективность перевозки, но и может привести к значительным потерям для сельскохозяйственных производителей.

Кроме того, негативное влияние кузова на зерно может быть связано с неправильной конструкцией подвески. Стандартные системы подвески не всегда способны эффективно компенсировать вибрации и колебания, возникающие при движении по плохим дорогам. В результате зерно может подвергаться чрезмерному механическому воздействию, что приводит к ухудшению его качества и увеличению отходов.

Цель: Создание демонстрационной модели гидропневматической подвески для решения проблемы негативного влияния кузова на зерно.

Задачи:

1. Изучить, условия транспортировки зерна.

2.Рассмотреть виды грузовых автомобилей

3.Посещение экскурсий

4.Встреча с экспертами

5. Сгенерировать ряд идей по решению проблемы

6. Разработать модель инновационного кузова

7.Запрограммировать модель с применением датчиков

8. Презентация проекта

Глава 1. Условия транспортировки

Правила перевозки зерновых

1. Требования к подготовке и обработке транспортных средств.

Прежде всего, транспортные средства, предназначенные для перевозки зерна, должны быть тщательно подготовлены и обработаны. Это касается как специализированных зерновозов, так и обычных грузовых автомобилей и полуприцепов.

Обязательная предварительная подготовка включает:

очистку кузова от посторонних предметов, пыли и остатков предыдущих грузов;

дезинфекцию и обработку внутренних поверхностей специальными средствами для уничтожения вредителей;

проверку герметичности кузова и исправности запорных механизмов.

Только после тщательной подготовки транспортное средство может быть допущено к перевозке зерновых культур.(Рисунок 1.1, Приложения)

2. Особые условия перевозки в зависимости от вида зерновых культур.

Зерновые культуры имеют свои особенности, которые необходимо учитывать при организации их транспортировки.

Пшеница, рожь, ячмень требуют поддержания определенного температурного режима и влажности.

Кукуруза более чувствительна к механическим повреждениям, поэтому требует бережной погрузки/разгрузки.

Рис нуждается в особом подходе к размещению и креплению груза в кузове.

Гречиха более подвержена загрязнению посторонними примесями.

Игнорирование этих особенностей может привести к частичной или полной порче ценного зернового урожая.

Таким образом, ответственный подход к соблюдению правил перевозки зерновых культур является ключевым фактором сохранения качества и количества собранного урожая. Строгий контроль на всех этапах транспортировки позволяет максимально обезопасить этот незаменимый продукт.

Специфика процесса перевозки зерновых

1. Выбор подходящего транспортного средства.

Для перевозки зерна используются различные типы транспортных средств: автотранспорт, речной, морской, железнодорожный. Наиболее популярным способом наземной транспортировки является использование специальной автотехники. Например:

• Зерновозы — специализированные грузовые автомобили с герметичным кузовом-самосвалом. Они обеспечивают наиболее оптимальные условия для транспортировки за счет специальных систем контроля за влажностью и температурой. Обладают высокой вместимостью — до 30–40 тонн. Но менее маневренные из-за больших размеров.

• Самосвалы позволяют быстро и эффективно загружать/разгружать сыпучие грузы, но требуют дополнительной герметизации кузова и установки оборудования для климат-контроля. Обладают довольно высокими показателями маневрирования, но средней вместимостью (15–25 тонн).

• Полуприцепы — универсальный вариант для перевозки, но требует особого внимания к размещению и креплению груза. Кроме того, для загрузки и разгрузки требуется специальная техника. 

Выбор конкретного типа транспорта зависит от объема, вида перевозимых зерновых культур, а также маршрута и условий доставки.(рисунок 1.2, Приложения)

2. Особенности загрузки, размещения и крепления зерновых грузов.

Погрузка и размещение зерна в кузове требуют особого подхода. Зерно должно быть равномерно распределено по объему, чтобы избежать смещения груза во время движения. Также необходимо тщательно закреплять груз.

Важно правильно выбирать места забора и выгрузки зерна, учитывая состояние подъездных путей и наличие специальной техники для перемещения сыпучих грузов.(Рисунок 1.3, Приложения)

3. Соблюдение температурного режима и влажности.

Для сохранения качества зерна во время транспортировки необходимо поддерживать оптимальные условия.

• Температура в кузове не должна превышать 25 °C.

• Влажность воздуха не должна превышать 75 %.

Несоблюдение температурного режима и влажности может привести к порче, самосогреванию, плесневению зерна и, как следствие, к значительным потерям.

Для обеспечения необходимых условий в кузове могут применяться различные системы вентиляции, кондиционирования, осушения воздуха.

Современные тенденции в перевозке зерновых

1. Использование цифровых технологий.

Цифровизация становится неотъемлемой частью организации перевозок зерна. Все чаще применяются такие решения, как:

• онлайн-мониторинг местоположения и состояния транспортных средств;

• автоматизированные системы планирования и оптимизации маршрутов;

• электронный документооборот и интеграция с базами данных;

• использование концепции IoT (Интернет вещей) для удаленного контроля температуры и влажности в кузове.

Такие технологии позволяют повысить эффективность логистических процессов, сократить время доставки и снизить потери зерна во время транспортировки.(Рисунок 1.4, Приложения)

Глава 2. Виды грузовых автомобилей для перевозки зерна и типы кузовов

Зерновозы бывают различных типов в условии от предназначенных им задач и бюджета. В основном среди них выделяют следующие четыре типа:

Бортовые зерновозы. Представляют собой кузовные автомобили с герметичными бортами, верхняя часть которых закрывается непромокаемым брезентом. Среди преимуществ можно выделить то-что борта можно наращивать, в зависимости от массы перевозимого зерна и дешевизну конструкции. Недостатком является сложность разгрузочных работ, так как кузов не поднимается. (Рисунок 2.1, Приложения)

Зерновозы типа автопоезд. По конструкции аналогичны бортовым зерновозам, к которым крепится прицеп с аналогичной конструкцией кузова. Позволяют за один раз перевозить большие объёмы грузов, чем в первом случае. К недостаткам первого варианта прибавляется низкая манёвренность (Рисунок 2.2, Приложения)

Зерновозы-самосвалы. Предназначены для перевозки грузов от 30 до 40 тонн. Разгрузка производится путём наклона кузова за счёт установленных гидроприводов. Возможен наклон кузова назад или в одну из боковых сторон. Для удобства нижние части бортов могут раскрываться при снятии фиксации рычагом. Недостатком является дороговизна конструкции (Рисунок 2.3, Приложения)

Зерновозы-цистерны. Способ реализуется достаточно редко и только для дальних транспортировок. Обеспечивается максимальная защита зерна от негативных внешних влияний, однако существуют проблемы с выгрузкой зерна и малой распространённостью в России. (Рисунок 2.4, Приложения)

Глава 3. Генерация идей

3.1 Пневматические подушки

Пневматические подушки – это устройства, использующие сжатый воздух для изменения формы или обеспечения поддержки. Они находят широкое применение в различных сферах, включая транспорт, строительство, спорт, медицину и даже в быту.(Рисунок 3.1.1, Приложения)

Основные принципы работы

Пневматические подушки работают на основе изменений давления воздуха внутри них. При подаче сжатого воздуха подушка надувается, приобретая нужную форму и обеспечивая поддерживающую или амортизирующую функцию. После сброса давления подушка может вернуться в исходное состояние.(Рисунок 3.1.2, Приложения)

Применение

Транспорт: Пневматические подушки используются в системах подвески автомобилей, вагонов, автобусах и грузовиках для улучшения комфорта поездки и повышения устойчивости на дороге.

Строительство: В строительстве пневматические подушки могут быть применены для подъемных механизмов или в качестве временных опор при монтаже конструкций.

Спорт: В спортивном инвентаре (например, в некоторых моделях дартс-снарядов) пневматические подушки помогают предотвращать травмы за счет амортизации удара.

Медицина: В медицинской области они могут использоваться для перемещения пациентов, снижения нагрузки на определенные части тела, а также в некоторых реабилитационных устройствах.

Быт: Пневматические подушки также могут быть использованы в мебели, например, для создания удобных и регулируемых по жесткости диванов или кресел.

Преимущества

Амортизация: Пневматические подушки эффективно распределяют нагрузку и уменьшают удары.

Регулируемость: Можно легко изменять уровень жесткости или высоту подушки.

Легкость: Обычно они легче традиционных наполнителей, что упрощает транспортировку и установку.

Недостатки

Зависимость от компрессора: Для работы подушек зачастую требуется сжатый воздух, что может ограничивать их использование в некоторых условиях.

Износ: С течением времени пневматические подушки могут терять воздух или повреждаться, что требует замены или ремонта.

В целом, пневматические подушки являются универсальным и надежным решением для различных нужд, они обеспечивают комфорт и безопасность в самых разных ситуациях.

3.2. Гидропневматическая подвеска

Гидропневматическая подвеска – это система, использующая сжатый воздух и гидравлику для регулировки высоты и жёсткости подвески автомобиля. ( Рисунок 3.2.1, Приложения )

Принцип работы: основан на взаимодействии жидкостного и газового компонентов, что позволяет эффективно гасить колебания и минимизировать влияние неровностей дороги на кузов автомобиля.

Преимущества подвески:

1. Выдерживание больших нагрузок

2. Высокая плавность хода

3. Регулировка положения кузова в разных точках

4. Эффективное гашение колебаний

Недостатки подвески:

1. Высокая цена для приобретения

2. Сложность обслуживания

https://dzen.ru/a/ZsXcsss6Kg2e-JDm?ysclid=m9nwopokut791467517

Применение гидропневматической подвески:

-Автомобили. Гидропневматическая подвеска обеспечивает чувствительную, динамичную и мощную подвеску, которая улучшает качество езды по различным поверхностям. Она позволяет регулировать дорожный просвет, что повышает устойчивость и безопасность автомобиля на шоссе, а также облегчает езду по бездорожью.

-Боевые машины. Гидропневматическая подвеска используется на танках и других крупных военных машинах. Изменение положения корпуса таких машин позволяет в 2–3 раза уменьшить видимую площадь поражения. Адаптивность подвески к дорожной поверхности и повышенная плавность хода помогают эффективнее применять вооружение при стрельбе, а также обеспечивают комфортные условия работы экипажа. (Рисунок 3.2.2, Приложение)

-Авиационные системы. Принципы гидропневматической подвески используются в авиационных олео-стойках и газонаполненных автомобильных амортизаторах.

3.3 Планетарная зубчатая передача

Планетарная передача — это зубчатая (реже фрикционная) механическая система, которая передаёт вращение между двумя параллельными или пересекающимися осями или воспроизводит сложное плоскопараллельное движение рабочего органа. (Рисунок 3.3.1,Приложения) (Рисунок 3.3.2, Приложения)

Планетарные передачи обладают множеством преимуществ, поэтому широко применяются в промышленности и машиностроении. К достоинствам относят:

Компактные размеры, небольшой вес

Достаточно тихие в эксплуатации

Передаточное число (у планетарных передач оно больше)

Некоторые недостатки планетарных зубчатых передач:

• Повышенные требования к точности изготовления и монтажа передачи.

• Большое количество деталей, в том числе подшипников, и более сложная сборка. 

• Дисбаланс. Если одна планетарная передача расположена ближе к солнечной, чем остальные, может возникнуть дисбаланс, приводящий к преждевременному износу и поломке. 

• Затруднённый отвод тепла. Компактность планетарных передач может требовать охлаждения для работы на очень высокой скорости или в режиме непрерывной работы. 

Глава 4. Практическая часть

4.1. Движение грузовика

Передняя часть кузова грузовика оснащена мотором, который является основным источником энергии для всего транспортного средства. Этот двигатель, который обеспечивает необходимую мощность для движения грузовика и выполнения его функций.

Мотор передает свою мощность через зубчатую передачу. Зубчатая передача состоит из нескольких шестерен, которые соединены между собой и позволяют передавать вращение от мотора к колесам. Это обеспечивает эффективное преобразование мощности двигателя в движение.

Зубчатая передача также позволяет изменять крутящий момент, что особенно важно при движении с тяжелыми грузами или на сложных участках дороги.

Таким образом, передняя часть кузова, оснащенная мотором и зубчатой передачей, является важным элементом конструкции грузовика, обеспечивая его мощность, маневренность в транспортировке грузов.

Мотор, в свою очередь, подсоединен к блоку EV3.Работет от загруженной программы. (Рисунок 4.1.1, Приложения)

4.2. Пневматическая подвеска кузова

После успешного создания модели грузовика мы перешли к разработке пневматической подвески кузова, которая играет ключевую роль в обеспечении безопасности и устойчивости кузова. Эта система была сконструирована с использованием двух пневматических компрессоров, которые приводятся в движение средними моторами.

Нагнетаемый воздух от компрессоров поступает в специальный переключатель, который регулируется в зависимости от направления вращения мотора. Это позволяет точно контролировать поток воздуха, который затем направляется в один из двух разъёмов на пневматическом поршне. В зависимости от того, в какой разъём поступает воздух, поршень либо задвигается, либо выдвигается, что позволяет изменять наклон кузова и адаптироваться к различным дорожным условиям.

Внутренний кузов, представляющий собой половину цилиндра, был напечатан на 3D-принтере(Рисунок 4.2.2, Приложения). Он надежно закреплён к двум поршням с помощью гравитационной оси, что обеспечивает стабильный наклон кузова по оси X(Рисунок 4.2.3, Приложения). Также к нему с низу прикреплён гироскопический датчик, измеряющий наклон кузова по оси Y. Эта конструкция позволяет кузову сохранять горизонтальное положение, что критически важно для поддержания равновесия и предотвращения переворачивания и повреждения зерна.

4.3. Создание программы в ПО Mindstorms

После разработки модели мы приступили к созданию программы в по “Lego Mindstorms”.

В начале программа сбрасывает значение гироскопического датчика и запускает движение робота по прямой с помощью блока рулевого управления в режиме включить с направлением 0 и 50 процентами скорости, после чего запускает бесконечный цикл.

В цикле измеряется наклон грузовика по оси Y с помощью гироскопического датчика и проверяется не превосходит ли оно пороговое значение. Затем в зависимости от результата запускаются средние моторы в противоположных направлениях со 100 процентной скоростью до момента, когда наклон окажется ниже порогового значения, или повторяется проверка, но с отрицательным пороговым значением.

В зависимости от неё, или моторы запускаются в противоположные со скоростью -100 процентов сторону также до момента, когда наклон окажется выше порогового значения, или не происходит ничего. (Рисунок 4.3.1, Приложения)

Вывод

Мы изучили, как кузов влияет на зерно. Выделили некоторые факторы негативного влияния: потери через негерметизированные швыВывод

В ходе исследования была детально проанализирована проблема, связанная с транспортировкой зерна по плохим дорогам, и ее негативное влияние на качество груза. Мы выявили, что неровности дорожного покрытия приводят к механическим воздействиям на зерно, что может вызвать его повреждение и, как следствие, экономические потери для сельскохозяйственных производителей. Это обосновало необходимость разработки эффективной системы подвески, способной минимизировать колебания и вибрации кузова.

Целью нашей работы стало создание демонстрационной модели гидропневматической подвески, которая была успешно реализована в виде грузовика «Зернобаланс». Мы уделили особое внимание разработке пневматической подвески кузова, которая была сконструирована с использованием двух пневматических компрессоров, приводимых в движение средними моторами, что позволяет эффективно регулировать уровень подвески в зависимости от дорожных условий. Система управления подвеской была интегрирована с гироскопическим датчиком, что обеспечило стабильность и безопасность при движении.

В процессе работы были выполнены все поставленные задачи: изучены условия транспортировки зерна, рассмотрены различные виды грузовых автомобилей, проведены экскурсии и встречи с экспертами, что способствовало генерации идей по решению проблемы. Разработанная модель была успешно запрограммирована с применением датчиков, что позволило продемонстрировать ее функциональность и эффективность.

Таким образом, результаты нашего исследования показывают, что внедрение гидропневматической подвески может существенно повысить качество транспортировки зерна, снизив механические воздействия на груз и минимизировав потери. Мы уверены, что данная модель может стать основой для дальнейших разработок и внедрения инновационных решений в области сельскохозяйственного транспорта, что, в свою очередь, будет способствовать повышению экономической эффективности и конкурентоспособности аграрного сектора.

Список используемых источников

1. https://verumlogistics.ru/novosti/perevozka-zerna-v-rossii-vybor-transporta-pravila-i-usloviya/

2. https://perevozka24.ru/pages/vidy-gruzovyh-avtomobiley-dlya-transportirovki-zerna-

3. https://chatgpt.org/chat

4. https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.a80ecf5a-680359b1-ac71649b-74722d776562/https/en.wikipedia.org/wiki/Hydropneumatic_suspension

5. https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.a80ecf5a-680359b1-ac71649b-74722d776562/https/en.wikipedia.org/wiki/Hydropneumatic_suspension

6. https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.a80ecf5a-680359b1-ac71649b-74722d776562/https/en.wikipedia.org/wiki/Hydropneumatic_suspension

https://www.ttaars.ru/news/planetarnaya-peredacha/

7. https://old.bigenc.ru/technology_and_technique/text/3143240

8. https://irbis.amursu.ru/DigitalLibrary/AmurSU_Edition/11397.pdf

9. https://k-a-t.ru/detali_mashin/24-dm_zubchatye12/index.shtml

10. https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.0e871ff8-6815bcec-18efff8a-74722d776562/https/www.motioncontroltips.com/what-are-the-drawbacks-to-using-a-planetary-gearbox/

11. https://darxton.ru/wiki-article/mir-planetarnykh-peredach/?ysclid=ma7v7eumi34545337

Приложения