Агро-машина очиститель для сборки пшеницы на базе конструктора LeGo WeDo 2.0

XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Агро-машина очиститель для сборки пшеницы на базе конструктора LeGo WeDo 2.0

Корякин М.А. 1Муратов М.И. 1Донгаев П.С. 1Хмелев И.Е. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"
Корякина П.В. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Сельское хозяйство играет важную роль в жизни людей, обеспечивая нас продуктами питания. Сбор урожая пшеницы – это трудоемкий процесс, требующий много времени и усилий. Современные технологии предлагают различные решения для автоматизации сельскохозяйственных работ, однако они часто являются дорогостоящими и недоступными для небольших фермерских хозяйств.

Мы узнали, что современном мире существует несколько глобальных проблем при сборке, транспортировке и хранении урожая. Засорение пшеницы при уборке – серьезная проблема в Тюменской области, снижающая качество зерна и затрудняющая дальнейшую обработку. Чаще всего это сорняки, камни, остатки соломы, листья, зерна других культур, пыль и мусор.

Поэтому мы решили разработать модель агро-машины очистителя, которая поможет фермерам собирать пшеницу быстрее и эффективнее, при этом очищая её от лишнего мусора.

Цель исследования: изучение информации о перевозке и очистки пшеницы и разработка функциональной агро-машины очистителя для очистки и повышения качества пшеницы, а также облегчения процесс обработки с помощью конструктора LeGo WeDo 2.0.

Задачи исследования:

1. Найти информацию о пшенице, как об основной культуре Тюменской области;

2. Рассмотреть современные способы сбора и транспортировки пшеницы в Тюменской области;

3. Рассмотреть особенности процесса очистки в Тюменской области;

4. Создать модель агро-машины очистителя для качественной сборки и очистки пшеницы;

5. Создать программу, которая позволит наглядно продемонстрировать работу нашего проекта.

В качестве источников информации мы использовали различные сайты. При конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах, при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике.

Глава 1. Общие сведения

    1. Пшеница как основная зерновая культура Тюменской области

Пшеница является одной из важнейших сельскохозяйственных культур в мире и играет ключевую роль в обеспечении продовольственной безопасности (Рисунок 1.1.1, Приложение). В Тюменской области, расположенной в Западно-Сибирском регионе, пшеница занимает значительную долю в структуре посевных площадей.

Климатические условия Тюменской области характеризуются коротким вегетационным периодом, холодной зимой и относительно теплым летом. Это накладывает определенные ограничения на выбор сортов пшеницы и технологии её выращивания. Наиболее распространены в регионе сорта яровой пшеницы, отличающиеся устойчивостью к неблагоприятным погодным условиям и способностью формировать урожай в короткие сроки.

Агротехника выращивания пшеницы в Тюменской области включает следующие основные этапы:

Подготовка почвы: вспашка, культивация, боронование для создания оптимальных условий для прорастания семян.

Посев: выбор оптимального срока и нормы высева семян с учетом климатических условий и особенностей сорта.

Уход за посевами: борьба с сорняками, вредителями и болезнями, внесение удобрений.

Уборка урожая: своевременное и качественное проведение уборки урожая с минимальными потерями зерна.

    1. Современные технологии сбора урожая пшеницы

Сбор урожая пшеницы является одним из самых ответственных и трудоемких этапов в технологическом цикле. От своевременности и качества проведения уборки урожая напрямую зависят объем и качество получаемого зерна.

В Тюменской области для уборки пшеницы используются преимущественно комбайны, которые выполняют несколько операций одновременно (Рисунок 1.2.1, Приложение):

Скашивание колосьев: С помощью жатки комбайн скашивает колосья пшеницы и подает их в молотильный аппарат.

Обмолот: В молотильном аппарате происходит отделение зерна от колосьев.

Сепарация: Зерно отделяется от соломы и мякины.

Очистка: Зерно очищается от примесей сорняков и других загрязнений.

Выгрузка зерна: Очищенное зерно выгружается в бункер комбайна.

Современные комбайны оснащаются различными датчиками и системами автоматического управления, позволяющими оптимизировать процесс уборки урожая и снизить потери зерна.

    1. Транспортировка зерна в Тюменской области

Транспортировка зерна пшеницы является важным этапом в цепочке поставок от поля до потребителя. От эффективности организации транспортировки зависит сохранность зерна, своевременность его доставки и конечная стоимость продукции.

В Тюменской области для транспортировки зерна используются различные виды транспорта:

Автомобильный транспорт. Это наиболее распространенный и гибкий вид транспорта для перевозки зерна, особенно на короткие и средние расстояния. Автомобили позволяют оперативно доставлять зерно от полей к элеваторам, зернохранилищам и перерабатывающим предприятиям. Используются специализированные зерновозы - самосвалы с кузовом, обеспечивающим сохранность зерна и возможность механизированной разгрузки (Рисунок 1.3.1, Приложение).

Железнодорожный транспорт. Железнодорожные перевозки используются для транспортировки больших объемов зерна на значительные расстояния, например, на экспорт или на крупные перерабатывающие предприятия, расположенные в других регионах. Для этого применяются специализированные вагоны-зерновозы. Железнодорожный транспорт обеспечивает более низкую стоимость перевозки на большие расстояния по сравнению с автомобильным, но требует наличия подъездных путей и развитой железнодорожной инфраструктуры (Рисунок 1.3.2, Приложение).

Водный транспорт. В Тюменской области, с её разветвленной речной сетью, водный транспорт (речные баржи и суда) может использоваться для перевозки зерна, особенно в районы, где развита речная инфраструктура. Однако, водный транспорт имеет сезонный характер и зависимость от навигационных условий (Рисунок 1.3.3, Приложение).

Транспортировка зерна осуществляется в специализированных зерновозах, обеспечивающих сохранность зерна от воздействия внешних факторов (влаги, загрязнений, механических повреждений).

Оптимизация логистических процессов и применение современных технологий мониторинга и управления транспортом позволяют сократить затраты на транспортировку зерна и повысить его доступность для потребителей.

    1. Особенности процесса очистки пшеницы в Тюменской области

Процесс очистки пшеницы в Тюменской области, как и в любом другом регионе, имеет свои особенности, обусловленные климатическими условиями, сортами выращиваемой пшеницы, применяемыми технологиями и технической оснащенностью предприятий.

1. Засоренность зерна:

Природно-климатические условия. Тюменская область характеризуется коротким вегетационным периодом и переменчивой погодой, что может способствовать повышенной засоренности зерна сорняками и остатками растений.

Сорта пшеницы. Различные сорта пшеницы имеют разную устойчивость к полеганию и осыпанию, что также влияет на засоренность зерна.

Технологии уборки. Качество уборки урожая напрямую влияет на засоренность зерна. Использование современной техники и соблюдение агротехнических требований позволяют снизить количество примесей.

2. Технологии очистки:

В Тюменской области для очистки пшеницы применяются различные технологии и оборудование:

Предварительная очистка: на этом этапе удаляются крупные примеси, такие как солома, камни и сорняки. Используются решетные сепараторы, воздушно-решетные сепараторы и магнитные сепараторы.

Основная очистка: на этом этапе удаляются мелкие примеси, такие как семена сорняков, битые зерна и пыль. Используются решетные сепараторы, триеры, пневмосортировальные столы и фотосепараторы.

Специальная очистка: на этом этапе удаляются трудноотделимые примеси, такие как зерна, пораженные болезнями или вредителями. Используются фотосепараторы и другие специализированные оборудование.

3. Оборудование:

В Тюменской области используются различные типы оборудования для очистки пшеницы, как отечественного, так и зарубежного производства.

Решетные сепараторы (скальператоры). Используются для удаления крупных примесей, таких как солома, стебли растений, камни и другие крупные объекты. Они состоят из нескольких решет с разными размерами ячеек, через которые просеивается зерно (Рисунок 1.4.1, Приложение).

Воздушно-решетные сепараторы. Сочетают в себе решетную очистку и воздушную сепарацию. Воздушный поток удаляет легкие примеси, такие как пыль, шелуха и легкие семена сорняков, а решета отделяют крупные и мелкие примеси (Рисунок 1.4.2, Приложение).

Магнитные сепараторы. Используются для удаления металлических примесей, таких как гвозди, болты и другие металлические предметы, которые могут попасть в зерно в процессе уборки или транспортировки (Рисунок 1.4.3, Приложение).

4. Требования к качеству зерна:

Качество зерна пшеницы, предназначенной для различных целей (продовольственные, кормовые, семенные), регламентируется соответствующими стандартами (ГОСТ). В Тюменской области, как и в других регионах России, действуют требования к влажности, засоренности, содержанию примесей и другим показателям качества зерна.

В целом, процесс очистки пшеницы в Тюменской области представляет собой сложный и многогранный процесс, требующий применения современных технологий и оборудования, а также квалифицированного персонала. Оптимизация этого процесса позволяет повысить качество зерна, снизить потери и повысить рентабельность.

Глава 2. Экскурсия на агрофирму КРиММ в с. Упорово Тюменской области

В рамках работы над проектом "Агро-машина очиститель для сборки пшеницы на базе конструктора LEGO WeDo 2.0", было организовано посещение агрофирмы КРиММ, расположенной в селе Упорово, Тюменской области (Рисунок 2.1, Приложение). Целью экскурсии являлось углубленное изучение процесса выращивания, сбора и хранения зерновых культур, а также знакомство с современной сельскохозяйственной техникой и технологиями, применяемыми в регионе.

Нам представилась возможность познакомиться с основными зерновыми культурами, выращиваемыми в Тюменской области (Рисунок 2.2, Приложение). Специалисты агрофирмы рассказали об особенностях каждого вида, а также о требованиях к почве и климату для их успешного выращивания. Основными культурами, с которыми мы познакомились, были:

Яровая пшеница – является наиболее распространенной зерновой культурой в регионе. Нам показали различные сорта яровой пшеницы, адаптированные к местным климатическим условиям, и рассказали об их устойчивости к засухе и болезням.

Ячмень – еще одна важная зерновая культура, используемая как для кормовых целей, так и для производства пива.

Овес – используется преимущественно в качестве корма для животных.

Рожь – выращивается в меньших объемах, чем пшеница, но также имеет значение в сельском хозяйстве области.

Важной частью экскурсии было посещение зернохранилищ. Нам показали различные типы хранилищ, используемые на агрофирме:

Напольные хранилища. Простое и доступное решение для хранения зерна.

Силосные хранилища. Современные хранилища, обеспечивающие оптимальные условия для хранения зерна. Нам рассказали о системах вентиляции, контроля температуры и влажности, предотвращающих порчу зерна.

Ангары. Металлические ангары, используемые для временного хранения зерна перед его отправкой на переработку или продажу.

Нам объяснили, что правильное хранение зерна имеет решающее значение для сохранения его качества и предотвращения потерь. В зернохранилищах поддерживается оптимальная температура и влажность, регулярно проводится контроль за состоянием зерна и принимаются меры по борьбе с вредителями.

Посещение агрофирмы позволило нам увидеть реальный процесс производства зерна от посева до хранения и познакомиться с современными технологиями и оборудованием, используемыми в сельском хозяйстве (Рисунок 2.3, Приложение). Полученные знания и впечатления будут учтены при дальнейшем проектировании и конструировании модели агро-машины на базе LEGO WeDo 2.0.

Глава 3. Модель агро-машины очистителя для сборки пшеницы на базе конструктора LEGO WeDo 2.0

3.1. Конструкция, функционал и механические передачи проекта на базе конструктора LEGO WeDo 2.0

После ознакомления с общими сведения по теме, мы с командой перешли к созданию проекта. Наш проект включает в себя: фрагмент поля пшеницы, комбайн для сборки урожая, агро-машину очиститель, склады хранения пшеницы, трактор с прицепом и мельницу (Рисунок 3.1.1, Приложение).

Работа нашего проекта начинается с движения комбайна, который собирает урожай (Рисунок 3.1.2, Приложение). У комбайна есть выгрузной шнек, по которому собранный урожай поступает в агро-машину очиститель. Выгрузной шнек работает от одного мотора и запускает сразу три сложных механизма: угловую зубчатую повышающую передачу, червячную передачу и рычаг (Рисунок 3.1.3, Приложение). Управление выгрузным шнеком осуществляется с помощью датчика наклона. Положение вниз – опускает шнек, положение вверх – поднимает, положение прямо- останавливает работу.

Движение агро-машины очистителя начинается по сигналу датчика расстояния (Рисунок 3.1.4, Приложение). Он замечает комбайн, включается мотор, запускающий 4 сложных механизма: ременная передача обеспечивает движение машины вперед, зубчатая повышающая передача, зубчатая угловая передача, осевая передача и длинная зубчатая угловая обеспечивают работу очистительной системы (Рисунок 3.1.5, Приложение).

Агро-очиститель подъезжает к комбайну, получает пшеницу. После сборки и выгрузки зерна в агро-машину комбайн прекращает свою работу. Положением датчика наклона вверх агро-машина запускается и везет зерно в места хранения, совместно с доставкой – очищает и обеспыливает.

Остановка агро-машины очистителя происходит по сигналу датчика расстояния. После успешной доставки и очищения пшеницы на экране появляется изображение. Пшеницы собрана и доставлена в места хранения с минимальными засорениями, не требующая тщательных очисток.

Далее пшеница отправляется на склад, а затем с помощью трактора перевозится в места реализации – например, на мельницу для получения мука, из которой потом мы можем приготовить огромное множество продуктов.

3.2. Управление моделью при помощи программного обеспечения LEGO WeDo 2.0

После завершения строительства нашего проекта, мы приступили к созданию программы в приложении WEDO 2.0 (Рисунок 3.2.1, Приложение). Наш проект начинает работать после нажатия клавиши «цифра 1», запускает сразу 4 программы, отвечающие за работу комбайна и агро-машины очистителя. Так же в нашей программе есть блок передать и получить письмо, он прекращает работу агро-машины по датчику наклона комбайна.

Таблица 1 – Программы для управления моделями проекта

Модель

Описание программы

Комбайн

1 программа запускается нажатием клавиши «цифра 1». Программа ждет, когда датчик наклона примет положение «носом вверх», затем запускается мотор с мощностью 3 по часовой стрелке (выгрузной шнек поднимается).

Блок цикл обеспечивает бесперебойную работу программы.

2 программа запускается одновременно с первой – нажатием клавиши «цифра 1». Программа ждет, когда датчик наклона примет положение «носом вниз», затем запускается мотор с мощностью 3 против часовой стрелки (выгрузной шнек опускается) Блок цикл обеспечивает бесперебойную работу программы

3 программа запускается одновременно с первой и второй программами – нажатием клавиши «цифра 1». Программа ждет, когда датчик наклона примет положение «носом прямо», затем мотор останавливается (выгрузной шнек опускается). Блок цикл обеспечивает бесперебойную работу программы.

Агро-машина очиститель

1 программа запускается нажатием клавиши «цифра 1». Программа ждет, когда датчик расстояния заметит комбайн, затем мотор запускается на 2 секунды (машина без груза проезжает вперед к комбайну) и после этого отправляет письмо следующей программе.

2 программа запускается после получения письма, затем ждет, когда датчика наклона на комбайне примет положение «носом вверх», после запускается мотор (машина получила груз и везет его в места хранения) до того, как датчик расстояния заметит поле, мотор останавливается и появляется картинка.

Заключение

В результате нашей работы над проектом мы успешно выполнили следующие задачи:

1. Нашли информацию о пшенице, как об основной культуре Тюменской области;

2. Рассмотрели современные способы сбора и транспортировки пшеницы в Тюменской области;

3. Рассмотрели особенности процесса очистки в Тюменской области;

4. Создали модель агро-машины очистителя для качественной сборки и очистки пшеницы;

5. Создали программу, которая позволила наглядно продемонстрировать работу нашего проекта.

Для нашего проекта мы использовали конструктор из наборов Lego WeDo 2.0 и Lego City. В нашей работе были простые механизмы: ось, малая и большая конические шестерни, шкив, рычаг. А также сложные механические передачи: червячная передача, зубчатая угловая передача, ременная передача, зубчатая передача. Запуск проект осуществляется с помощью программного обеспечения WeDo 2.0, одновременно подключается к компьютеру 2 смартхаба, 2 мотора, 1 датчик наклона и 2 датчика расстояния.

Мы считаем, что наш проект с агро-машиной очистителем помогает решить проблему засорения пшеницы, повышает ее качество, облегчает процесс обработки за счет очищения пшеницы в пути.

Список используемой литературы и интернет-источники

1. Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;

2. «LEGOудивительные творения»; Сара Дис [пер. с англ. М. Карманова].- Эксмодетство, 2020 г.

3. «LEGO Гаджеты. Полный гид по строительству необычных механизмов»; [пер. с англ. Позина И. В., ред. Волченко Ю. С.].- Эксмодетство, 2019 г.

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

Интернет-источники:

  1. https://krimm.ru/

  2. https://t-l.ru/352543.html

  3. https://lindpack.ru/info/articles/sypuchie-gruzy/perevozka-zerna-transportirovka-transport-dlya-perevozki-zerna/

 

Приложение

Рисунок 1.1.1 Пшеница, выращиваемая в Тюменской области

Рисунок 1.2.1 Комбайн ял уборки пшеницы

Рисунок 1.3.1 Автомобильный транспорт для перевозки пшеницы

Рисунок 1.3.2 Железнодорожный транспорт для перевозки пшеницы

Рисунок 1.3.3 Водный транспорт для перевозки пшеницы

Рисунок 1.4.1 Решетные сепараторы

Рисунок 1.4.2 Воздушно-решетные сепараторы

Рисунок 1.4.3 Магнитные сепараторы

Рисунок 2.1 Команда на экскурсии на агрофирме КРиММ

Рисунок 2.2 Зерновые культуры, выращиваемые в Тюменской области

Рисунок 2.3 Команда на экскурсии на агрофирме КРиММ

Рисунок 3.1.1 Проект с агро-машиной очистителем

Рисунок 3.1.2 Комбайн

Рисунок 3.1.3 Механизмы: угловая зубчатая повышающая передача, червячная передача и рычаг

Рисунок 3.1.4 Машина очиститель

Рисунок 3.1.5 Механизмы: зубчатая повышающая передача, зубчатая угловая передача и осевая передача

Рисунок 3.2.1 Программа для управления проектом

Просмотров работы: 19