XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Картошечные мечты. Практические исследования и генерация идей

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Косачева К.К. 1Цыбина У.В. 1Кудрявцев С.С. 1Симонов Ф.А. 1

---

1Школы интеллектуального развития «Мистер Брейн»

Филинова А.В. 1

---

1Школы интеллектуального развития «Мистер Брейн»

Работа в формате PDF

1.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Картофель является одной из важнейших сельскохозяйственных культур, играющей ключевую роль в обеспечении продовольственной безопасности. Однако, значительные потери урожая происходят на этапе послеуборочной обработки, в частности, при выгрузке картофеля, хранящегося навалом. Механические повреждения клубней, возникающие в процессе неравномерной выгрузки, приводят к снижению товарного качества, увеличению потерь при хранении и, как следствие, к уменьшению прибыли сельхозпроизводителей.

Актуальность данной работы обусловлена возрастающими требованиями к качеству картофеля, поступающего на рынок, а также необходимостью снижения потерь при его хранении и транспортировке. Существующие способы и оборудование для выгрузки картофеля навалом зачастую не обеспечивают равномерность потока и приводят к травмированию клубней, что особенно критично для сортов, предназначенных для длительного хранения.

В связи с этим, разработка и создание демонстрационной установки для равномерной выгрузки картофеля навалом является актуальной и востребованной задачей, направленной на повышение эффективности производства и улучшение качества конечной продукции. Решение этой проблемы позволит снизить механические повреждения клубней, увеличить срок их хранения, а также повысить экономическую эффективность картофелеводческих хозяйств.

Цель: создания демонстрационной остановки для равномерной выгрузки картофеля навалом

В рамках данной работы были поставлены следующие задачи:

1. Изучение существующего оборудования для выгрузки картофеля, анализ его достоинств и недостатков.

2. Проведение встреч с экспертами в области картофелеводства и сельскохозяйственного машиностроения (Николай Николаевич (директор технического института), Геннадий Александрович Рязанов (директор «Агрофирмы КРиММ»)), для получения консультаций и экспертных оценок.

3. Посещение экскурсий в передовые сельскохозяйственные предприятия (НПЦ Росток (эксперт Ироида Васильевна), «Агрофирма КРиММ» (эксперт Геннадий Александрович Рязанов)), для ознакомления с современными технологиями и подходами к выгрузке картофеля.

4. Спроектировать и создать систему для выгрузки картофеля навалом

5. Запрограммировать систему с помощью ПО Mindstorms

Результаты проведенного исследования послужат основой для разработки и создания демонстрационной установки, обеспечивающей равномерную и бережную выгрузку картофеля навалом, что позволит повысить качество продукции и снизить потери на этапе послеуборочной обработки.

Глава 1. Практические исследования

1.1 Экскурсия в НПЦ «Росток»

В рамках нашего исследовательского этапа, вторым важным шагом стало проведение детальной и познавательной экскурсии в Научно-производственный центр «Росток» (НПЦ Росток). В ходе этого визита мы имели возможность пообщаться с квалифицированным экспертом - Ираидой Васильевной, которая подтвердила актуальность и наличие обозначенной нами проблемы в реальной сельскохозяйственной практике. Однако, как выяснилось из ее пояснений, разработанное на их фабрике удобрение, хотя и является эффективным инструментом в борьбе с определенными агрономическими задачами, такими как, например, болезнь картофеля, не способно решить проблему, которая лежит в плоскости механизации и оптимизации процесса выгрузки. Это наблюдение и вывод, подкрепленный мнением специалиста, окончательно укрепили наше понимание того, что наиболее оптимальным и эффективным путем решения данной конкретной проблемы будет применение специализированных технических средств или устройств.

1.2 Экскурсия в «Агрофирму КРиИМ».

Вслед за визитом в НПЦ Росток, наше третье исследование представляло собой экскурсию в «Агрофирму КРиИМ». Эта поездка предоставила нам уникальную и бесценную возможность непосредственно увидеть весь технологический процесс выгрузки картофеля своими глазами, в условиях реального производства. Прямое визуальное наблюдение за рабочими операциями позволило окончательно и убедительно подтвердить правдивость и остроту нашей проблемы, сформулированной ранее на основе теоретических данных и предварительных консультаций. Помимо этого, в процессе данной экскурсии мы также смогли собрать значительный объем полезной информации, имеющей прямое отношение к нашей теме проекта, включая практические нюансы и особенности эксплуатации оборудования. (Рисунок 1.2.1, Приложения)

1.3 Встреча со студентами университета «Сириус»

Наш исследовательский путь продолжился продуктивным общением со студентами университета «Сириус», что стало четвертым этапом нашего изыскания. Услышав о сути нашей проблемы, они проявили интерес и готовность поделиться своим опытом и наработками, продемонстрировав нам свое устройство, предназначенное для сбора клубники. (Рисунок 1.3.1, Приложения)

Роботизированный манипулятор для сбора клубники — оснащен мягкими захватами, специально разработанными для аккуратного снятия ягод без повреждений. Сенсоры и камеры — позволяют точно определять созревшие ягоды по цвету и форме, а также ориентироваться в пространстве.

Транспортировочная лента или корзина — для аккуратного сбора и хранения собранных ягод.Дисплей и управление-для настройки режима работы, мониторинга состояния устройства и программирования маршрутов.
Автоматическая система навигации — использует GPS и датчики препятствий для передвижения по плантации.
Принцип работы
1. Обнаружение ягод: Сенсоры и камеры сканируют участок, выявляя зрелые ягоды.
2. Обработка и сбор: Манипулятор аккуратно захватывает ягоду, отделяет её от растения и помещает в корзину.
3.Перемещение: Устройство самостоятельно перемещается по грядкам, избегая препятствий.
4. Завершение работы: После завершения сбора или по команде, устройство возвращается к стартовой точке, где можно выгрузить собранный урожай.
Преимущества использования
Высокая производительность — возможность сбора большого количества ягод за короткое время. Минимизация повреждений — мягкие захваты и точное определение зрелых ягод.
- Автоматизация процессов — снижение трудозатрат и необходимость в ручном труде.
- Повышение качества урожая — своевременный сбор без повреждений и потерь. Особенностью этого устройства была его конструктивная реализация, основанная на использовании принципов манипулятора и кран-балки. Визуальное знакомство с этим оригинальным механизмом оказалось крайне продуктивным и натолкнуло нас на несколько перспективных и инновационных идей для дальнейшей разработки собственного решения.

1.4 Консультация со специалистом

С целью получения максимально достоверной, подробной и полной информации о специфике процесса выгрузки картофеля, особенно в части применения специализированной техники, мы дополнительно провели обстоятельную консультацию со специалистом — Николаем Николаевичем, который занимает значимую должность директора технического института. Благодаря его обширным знаниям и богатому практическому опыту в данной сфере, он исчерпывающе и в деталях рассказал нам о работе телескопического транспортера, предоставив ключевые технические характеристики, принципы действия и особенности его эффективной эксплуатации при работе с сельскохозяйственной продукцией, что стало ценным дополнением к нашим исследованиям и помогло сформировать более полное понимание технических возможностей и ограничений существующего оборудования.

Глава 2. Генерация идей

Перед тем, как преступить к реализации системы, мы сгенерировали ряд идей.

Мы разработали Идею №1 это «Выдвижная платформа для телескопического транспортера».

Она включает в себя эти элементы:

1.Картофельного бака

2.Конвейерной ленты

3.Выдвижной платформы

4.Шарнира

5.Колеса

Телескопический транспортер высыпает картофель, а выдвижная платформа его слегка прижимает, чтобы картофель не скатывался с картофельной горы. Платформа двигается вместе с транспортером с помощью датчиков движения. Мотор привязанный к датчикам реагирует и двигаются колеса. Датчики реагируют на расстояние 15 метров. (Рисунок 2.1, Приложения)

Идея № 2. «Конвейерная установка с выгрузкой картофеля»

Она включает в себя эти элементы:

1,2. Контейнеров
3. Конвейер

4,5. Складных воронок

Выгрузка картофеля будет происходить с помощью устройства для равномерной выгрузки по секциям.

По конвейерной ленте картошка поступает в две первые секции высыпается и переходит в другие секции высыпает картофель, после снова переходит в другие две секции и проделывает те же самые действия.

Устройство «Равномерный распределитель» опускается вниз равномерно распределяет картофель, когда один слой засыпан, он поднимается и засыпает новый слой.(Рисунок 2.2,Приложения)

Мы разработали последнюю идею № 3 «Выгрузка картофеля с потолка»

Она включает в себя эти элементы:

1.Рамы для установки транспортера
2.Бак-транспортер для загрузки картофеля
3.Балки
4.Смягчающей резины

Выгрузка картофеля с потолка, предполагает минимизировать процент испорченности картофеля, путем перемещения специального транспортера по балке и выгрузке картофеля через длинную воронку, которая смягчена специальным материалом.

Картошка в транспортёр будет поступать по транспортеру в определённой точке. В эту точку транспортёр будет ехать по определенной программе. (Рисунок 2.3, Приложения)

Глава 3. Практическая часть

3.1. Создание системы для выгрузки картофеля на базе конструктора Lego Mindstorms

Каркас проекта

Каркас нашего проекта представляет собой прочную и надежную конструкцию, выполненную из деревянных балок, фанеры и крепежных элементов. Эти материалы обеспечивают необходимую устойчивость и долговечность, что особенно важно для функционирования всего механизма. (Рисунок 4.1.1, Приложения)

Внешняя часть каркаса была оформлена в стиле картофелехранилища. Мы использовали картон, который был аккуратно покрашен в серый цвет, что придает конструкции эстетичный и завершенный вид.

Для имитации картофеля мы приклеили к картонной основе керамзит, который выполняет роль «картофельного наполнителя», добавляя реалистичности нашему проекту.

В качестве соединительных элементов мы использовали мебельные гайки и болты, которые обеспечивают надежное скрепление всех частей конструкции.

Механизм

Механизм нашего проекта обладает возможностью движения по двум осям — X и Y. Он оснащён воронкой, выполненной из мягкого материала, которая может выдвигаться и задвигаться. Благодаря конструкции воронки картофель плавно спускается вниз, избегая повреждений и равномерно укладываясь в навал.

В нашем механизме мы применили несколько ключевых элементов:

Червячная передача. Эта передача обеспечивает перемещение воронки с одной стороны на другую, благодаря своей силе и надежности. Мотор, через ось, передает движение на червяк, который, в свою очередь, вращает шестерёнку. (Рисунок 3.1.2, Приложения)

Зубчатая передача. Мы использовали зубчатую передачу для перемещения по оси X. Она передает вращение от мотора на одну шестерёнку, затем на следующую, и так далее, до колёс, обеспечивая плавное движение. (Рисунок 3.1.3, Приложения)

Ременная передача. Для подъема и опускания воронки мы использовали нитки, которые наматываются на лебёдку. Мотор, наматывая нитку, поднимает воронку, позволяя ей адаптироваться к различным условиям работы.

Мы выбрали мощные моторы для перемещения механизма вперёд и назад, так как они обеспечивают большую силу и позволяют удобно установить конструкцию с воронкой. Средние моторы были задействованы для подъема и опускания воронки с помощью ременной передачи.

Воронка с гасителями для выгрузки картофеля

Идея воронки была вдохновлена устройством укладчика картофеля, который аккуратно распределяет картофель по контейнерам. Воронка поднимается и опускается при помощи тросика, что обеспечивает её гибкость и функциональность. (Рисунок 3.1.4, Приложения)

Для смягчения удара картофеля мы использовали фоамиран — материал, который отличается мягкостью, легкой плотностью и тонкостью. Это позволяет воронке эффективно защищать картофель от повреждений во время укладки, обеспечивая высокое качество работы нашего механизма.

3.2. Описание программы

Мы создали программу "Картошечные мечты", которая управляет воронкой и кран-балкой с использованием циклов и многоуровневой системы. Состоит программа из двух частей:

• Управление воронкой.

• Перемещение кран-балки

Воронка с гасителями падения для выгрузки картофеля

Программа используется цикл для постоянной работы. Для выполнения разных действий при разных условиях мы используем многоуровневую систему. В блоке переключателе настроенного на сравнение ультразвукового датчика, при условии, если меньше 15 сантиметров, но больше 4, то воронка опускается, если больше 4 см, то поднимается с помощью среднего мотора на скорости +10 вверх, если меньше 4 см – мотор выключен, воронка не движется.

Перемещение кран-балки

Для перемещения кран-балки мы создали два блока forward и back. Блок forward отвечает за перемещение вперёд, а блок back за перемещение назад.

Блок forward.

Программа в цикле и повторяется 2 раза. Средний мотор двигается по направляющей со скоростью -100 8 секунд. Затем большие моторы едут со скоростью -40 1 секунду. В следующем блоке средний мотор движется со скоростью 100 9 секунд. Потом большие моторы со скорость -40 едут 1.

Блок back

Программа в цикле и повторяется 2 раза. Блок среднего мотора работает 8 секунд на мощности -100. Блок рулевого управления большие моторы движутся 1 секунду на мощности 40. Блок среднего мотора работает 9 секунд на мощности 100. Блок рулевого управления движется 1 секунду га мощности 40. (Рисунок 3.2.1, 3.2.2, Приложения)

Заключение

Проведённое исследование подтвердило высокую актуальность задачи оптимизации процесса выгрузки картофеля, хранящегося навалом, с целью минимизации потерь урожая и сохранения качества клубней на всех этапах послеуборочной обработки. Анализ существующего оборудования, а также консультации с ведущими экспертами в области картофелеводства и сельскохозяйственного машиностроения, позволили выявить основные недостатки применяемых технологий и наметить направления их совершенствования.

В результате работы был осуществлён всесторонний подход к решению проблемы: проведены встречи с профильными специалистами, организованы экскурсии на современные аграрные предприятия и проанализированы актуальные методы и механизмы выгрузки картофеля. Это позволило обосновать проектирование собственной системы для равномерной и бережной выгрузки картофеля навалом, разработанной с учётом требований отрасли и рекомендаций экспертов. Создание и программирование данной демонстрационной установки с использованием ПО Mindstorms обеспечило автоматизацию процессов и максимальную защиту клубней от повреждений.

Практическая реализация предложенного решения способствует снижению потерь при хранении и транспортировке, а также улучшению товарного вида продукции за счёт уменьшения механических повреждений. Разработанная система может быть использована в качестве инновационной основы для дальнейшего внедрения эффективных решений в картофелеводческих хозяйствах, направленных на повышение экономической рентабельности и обеспечение высокого качества продукции на продовольственном рынке.

Приложения