XXIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Тоннельный эвакуатор

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Немцев М.М. 1Зеленский И.А. 1

---

1ГАОУ "Многопрофильная гимназия федеральной территории "Сириус"

Попова Е.Е. 1

---

1ГАОУ "Многопрофильная гимназия федеральной территории "Сириус"

Работа в формате PDF

1.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение.

Актуальность проекта

В Сочи много узких горных тоннелей (высота всего 5 метров). Если там случается авария или ломается машина, обычный большой эвакуатор не может заехать внутрь, чтобы забрать транспорт. Из-за этого в тоннеле быстро образуется пробка, а выбраться или помочь пострадавшим невозможно.

Цель проекта — создать компактный и маневренный эвакуатор, который сможет свободно проезжать в низких тоннелях Сочи и быстро убирать сломавшиеся машины, чтобы не мешать движению.

Задачи:

• изучить, сколько тоннелей в Сочи и какие у них размеры.

• понять, почему аварии в тоннелях опаснее, чем на обычной дороге.

• придумать конструкцию маленькой машины, которая впишется в узкий проезд.

• выбрать способ погрузки (лебедку вместо крана), чтобы эвакуатор оставался низким.

• нарисовать схему или собрать модель такого эвакуатора.;

• презентовать проект.

Глава 1 Инфраструктура тоннелей города Сочи

В Сочи насчитывается 27 автомобильных тоннелей. Они являются ключевыми артериями города: обеспечивают скоростное сообщение с горным кластером (дорога на Красную Поляну) и позволяют объезжать центр по Дублеру Курортного проспекта. Общая протяженность этих сооружений составляет более 19 километров.

Главная проблема этих тоннелей заключается в их экстремально стесненных габаритах. Их высота составляет всего 5 метров, а ширина проезжей части ограничена 7,5–8,5 метрами. Из-за таких размеров обычная большая спецтехника просто не может туда заехать. Кроме того, в тоннелях категорически запрещен разворот, а движение задним ходом крайне затруднено и опасно.

Сложность заключается не только в размерах, но и в геологии. Кавказские горы в районе Сочи — это «слоеное тесто» из мягкой глины и песчаника, которое постоянно движется, образуя пустоты. Мы рассмотрели несколько изображений, где представлены особенности конструкций дорог в городе Сочи, Рисунок 1.1 Приложения.

В тоннелях часто случаются оползни, а высокая сейсмическая активность (землетрясения до 9 баллов) требует от конструкций особой эластичности. Чтобы своды не рухнули, их укрепили тысячами тонн бетона, глубокими анкерами в склонах и специальными гибкими сейсмошвами. Также инженеры вынуждены постоянно бороться с выделением взрывоопасных газов (метана) из горных пород.

Самый показательный пример — тоннель №3 на дороге Адлер — Красная Поляна. Его длина составляет 3200 метра. Его пробивали огромным 13-метровым щитом сквозь сплошные водопады и карстовые пустоты.

Из-за такой тесноты, сейсмических рисков и отсутствия места для маневра любая авария в тоннеле становится критической проблемой: проезд мгновенно блокируется, а стандартные эвакуаторы не могут пробраться к месту происшествия, чтобы спасти людей и убрать транспорт.

Глава 2 Анализ опасного дорожного движения в тоннелях

Тоннель — это зона повышенного риска, так как человек и транспорт оказываются в узком замкнутом пространстве под землей. Аварии здесь всегда протекают тяжелее, чем на открытых участках дорог. Если на шоссе есть обочина, поле или встречная полоса для маневра, то в тоннеле путь только один — вперед или назад. Любое ДТП здесь неизбежно создает глухой затор, блокируя доступ спасательных служб к месту происшествия (Рисунок 2.1 Приложения).

Основные опасности в тоннелях делятся на несколько групп:

Транспортные аварии. Из-за плохой видимости, резкого торможения или ослепления светом фар здесь часто происходят цепные столкновения. Машины бьются одна за другой, быстро перекрывая всю проезжую часть. В тесном пространстве сложно избежать наезда на пешеходов или рабочих, которые могут находиться в тоннеле при ремонте. Особую угрозу представляют ДТП с автомобилями, перевозящими опасные грузы (например, бензовозы), так как даже небольшая искра может привести к разливу топлива и взрыву.

Пожары и задымление. Это самая опасная угроза. Температура при возгорании автомобиля в замкнутом пространстве поднимается до 800–1000 °C всего за 3–5 минут. В отличие от открытой дороги, где дым уносит ветром, в тоннеле он скапливается под сводом и стремительно заполняет всё пространство, спускаясь вниз. Видимость падает до нуля уже через 30–60 секунд. Дым содержит угарный газ, и смертельная концентрация в закрытом объеме достигается в 3–5 раз быстрее, чем на улице. Люди мгновенно теряют ориентацию и начинают задыхаться.

Инфраструктурные аварии. Тоннель уязвим сам по себе. Возможны обрушения конструкций из-за старения или пучения грунта, а также внезапное затопление из-за прорыва ливневых вод или грунтовых вод. Критически опасен отказ вентиляции: мощные вентиляторы останавливаются, кислород быстро падает, а выхлопные газы от стоящих в пробке машин накапливаются до смертельных доз.

Специфика эвакуации. Эвакуация из тоннеля значительно сложнее, чем с открытого шоссе, из-за физических и психологических факторов:

Отсутствие связи: Сотовая связь под землей часто пропадает. Водители не могут вызвать помощь по телефону.

Паника и дезориентация. В тоннеле нет неба, деревьев или домов. В дыму люди не понимают, где находится выход, и часто бегут вглубь тоннеля, а не к аварийным выходам.

Блокировка пути. Дорогу преграждают брошенные владельцами автомобили. Спасатели вынуждены идти пешком с тяжелым оборудованием через плотный строй машин.

Сложность работы эвакуатора. На открытой дороге эвакуатор просто цепляет машину и уезжает. В тоннеле развернуться невозможно. Чтобы вытащить автомобиль, технику приходится тащить задним ходом или использовать специальные лебедки и ролики, закрепленные на стенах. Это требует особых навыков и специального компактного оборудования.

Таким образом, тоннель превращает рядовую поломку или аварию в экстремальную ситуацию. Ограниченное пространство, мгновенное задымление, высокая температура и невозможность маневра тяжелой техники делают стандартные методы спасения дорог бесполезными. Именно поэтому для работы в таких условиях требуется не просто эвакуатор, а специализированная компактная машина, способная работать в условиях нулевой видимости и абсолютной тесноты.

Глава 3 Разработка и создание инновационного решения —машина «Тоннельный эвакуатор»

3.1 Варианты решения проблемы. Выбор инновационного решения

Для решения проблемы оперативной эвакуации транспорта из узких тоннелей города Сочи мы рассмотрели три основных подхода, проанализировав их сильные и слабые стороны применительно к условиям замкнутого пространства.

1. Использование стандартных тяжелых эвакуаторов и спецтехники

Суть: применение классических шоссейных тягачей с длинными стрелами и кранами.

Почему это не подходит? Стандартная техника имеет высоту более 3,5–4 метров и большую длину. При высоте тоннеля в 5 метров и ширине до 8,5 метров такой эвакуатор занимает почти всё пространство проезжей части. Он не может безопасно маневрировать на поворотах, а развернуться внутри тоннеля для него физически невозможно. Доставка тяжелой техники к порталу тоннеля в условиях горного серпантина занимает много времени, что критично при пожаре.

2. Применение роботизированных дронов или тросовых систем

Суть: использование беспилотных летательных аппаратов для разведки или систем тросов, спускаемых с потолка тоннеля для вытягивания машин.

Почему это не подходит? Сильные потоки воздуха от штатной вентиляции тоннеля и сквозняки делают управление дронами крайне нестабильным. Тросовые системы требуют наличия мощных стационарных креплений в своде, которых нет в большинстве транспортных тоннелей, а их монтаж в условиях задымления невозможен.

3. Механическое устройство «Тоннельный эвакуатор» (наше решение!)

Это специализированный компактный двухмодульный автомобиль, созданный специально для работы в стесненных условиях горных тоннелей.

Инновационность и преимущества нашего решения:

Геометрическая проходимость (низкий по высоте). В отличие от стандартных машин, наш эвакуатор имеет заниженный центр тяжести и уменьшенную высоту кабины. Это позволяет ему уверенно проходить под сводами высотой 5 метров, оставляя безопасный зазор для систем пожаротушения, закрепленных на потолке.

Двухмодульная шарнирная конструкция. Машина состоит из тягача и полуприцепа, соединенных подвижным шарниром. В обычном эвакуаторе платформа жестко закреплена, что требует огромного радиуса для поворота. Шарнир позволяет нашему «Тоннельному эвакуатору» буквально «складываться» при маневрировании, обеспечивая ювелирную точность управления в узких «карманах» и на крутых поворотах внутри тоннеля.

Гусеничная база тягача. В отличие от обычных машин на больших колесах, тягач нашего эвакуатора оснащен компактной гусеничной базой (как у снегохода или танка, но меньшего размера). Тоннели в Сочи часто имеют наклонный спуск и подъем или участки со сложным профилем. Гусеницы дают машине три огромных преимущества:

• Сцепление: на мокром или обледеневшем полу тоннеля (что часто бывает из-за конденсата и протечек) обычные колеса будут буксовать. Гусеницы надежно «вгрызаются» в поверхность.

• Давление на грунт: гусеничная база распределяет вес тяжелой машины по большой площади. Это защищает хрупкое дорожное покрытие и гидроизоляцию внутри тоннеля от повреждений.

• Устойчивость: широкая гусеничная база делает высокую машину очень устойчивой, исключая риск опрокидывания при работе тяжелой лебедки на неровном полу.

Лебедочная система погрузки. Вместо громоздкого гидравлического крана, который уперся бы в потолок тоннеля, мы используем мощную низкорасположенную лебедку. Она аккуратно затягивает аварийный автомобиль на платформу по специальным роликам. Это позволяет эвакуатору сохранять свою минимальную высоту и не деформировать свод тоннеля при работе.

Специализированная система освещения и проблесковые маячки. В условиях тоннеля обычный белый свет от фар может создавать опасные блики от бетонных стен и рассеиваться в густом дыме, ослепляя водителя. Наш «Тоннельный эвакуатор» оснащен проблесковыми желтыми маячками. В отличие от красно-синих полицейских сигналов, желтый маяк в дорожном движении официально обозначает «нестандартное транспортное средство, выполняющее работы». Маячки предупреждают поток: «Внимание, техника работает, проезд затруднен, соблюдайте дистанцию», что помогает избежать вторичных столкновений в условиях плохой видимости.

Мы выбрали именно «Тоннельный эвакуатор», так как существующие методы либо создают новые препятствия (тяжелая техника блокирует проезд), либо технически невыполнимы под землей. Наша машина объединяет компактность, маневренность и силу, позволяя не ждать помощи часами, а расчищать тоннель в первые минуты после происшествия, спасая жизни людей и предотвращая крупные транспортные коллапсы.

3.2 Конструкция: задачи, выбор механизмов

Мы реализовали свою идею на базе конструктора Lego Duplo, образовательных наборов Первые механизмы 9656, Лига Открытий +, Аврора.

Проект «Тоннельный эвакуатор» представлен на Рисунке 3.2.1 Приложения.

В рамках разработки проекта «Туннельный эвакуатор» перед нами стояла задача создания компактной, надежной и маневренной модели, способной эффективно выполнять работы в стесненных условиях подземных и горных трасс.

Для обеспечения независимой и эффективной работы всех функциональных узлов в конструкции модели используется три мотора, каждый из которых отвечает за свою группу механизмов.

Ниже приведено описание основных узлов и выбранных для них механизмов:

1. Ходовая часть и привод тягача (Рисунок 3.2.2 Приложения).

В качестве движителя тягача выбрана гусеничная база, обеспечивающая максимальное сцепление с поверхностью и высокую проходимость в ограниченном пространстве тоннеля.

Движение гусеничной базы запускается от первого мотора через понижающую зубчатую передачу с промежуточной шестерней. Данное решение позволяет оптимально передавать крутящий момент и увеличивать тяговое усилие модели для преодоления уклонов.

2. Механизм погрузки и сцепки (Рисунок 3.2.3 Приложения).

Конструктивно модель состоит из двух частей — основного тягача и полуприцепа, соединенных между собой подвижным шарниром для обеспечения высокой маневренности.

От второго мотора запускается червячная передача, на которой смонтирована лебедка. Использование червячного механизма обеспечивает компактность, увеличенное усилие и эффект самоторможения (что исключает случайное разматывание троса под весом автомобиля).

Лебедка является ключевым рабочим инструментом эвакуатора. С ее помощью аварийный автомобиль аккуратно и безопасно затягивается из тоннеля на платформу полуприцепа.

3. Система световой сигнализации (Рисунок 3.2.4 Приложения).

Для обеспечения безопасности дорожного движения и обозначения спецтехники на крыше тягача размещены большие желтые проблесковые маячки (желтые шестерни).

От третьего мотора приводится в движение система индикации. Крутящий момент передается с помощью комбинации ременной и угловой зубчатой передач, которые обеспечивают передачу усилия на крышу и изменение направления вращения для работы больших проблесковых маячков.

Вывод Использование трех независимых моторов и грамотное сочетание механических передач (зубчатых, червячных, ременных) позволили создать надежную, сбалансированную и функциональную модель туннельного эвакуатора, которая эффективно решает задачу безопасной эвакуации транспорта в экстремальных условиях.

3.3 Демонстрация проекта

Мы представили проект нашим друзьям и родителям на итоговом занятии (Рисунок 3.3.1 Приложения):

«В длинном темном тоннеле произошла авария. Дорога перекрыта, образовался огромный затор. Машины гудят, водители не могут проехать, а развернуться или сдать назад в тоннеле невозможно. С каждой минутой в воздухе становится всё больше дыма.

И вот к порталу подъезжает наш «Тоннельный эвакуатор». Благодаря своей низкой крыше он легко проезжает под сводами, а гусеницы уверенно цепляются за мокрый пол. Машина не блокирует дорогу, потому что она узкая и компактная.

Тягач подъезжает к сломавшемуся автомобилю. Слышится тихий гул второго мотора — заработала червячная передача. Лебедка плавно разматывает трос, цепляет аварийную машину и аккуратно затягивает ее на платформу полуприцепа. Благодаря самоторможению механизма трос не дергается и никого не задевает.

Первый мотор запускает гусеничный привод. Эвакуатор медленно и уверенно везет машину к выходу. Наверху ярко вспыхивают желтые проблесковые маячки от третьего мотора, предупреждая водителей.

За несколько минут путь свободен. Затор исчезает, спасатели могут проехать к месту происшествия, а люди наконец могут покинуть темный тоннель. Наш «Тоннельный эвакуатор» спас ситуацию!

Заключение

В ходе работы над проектом мы полностью решили поставленные задачи.

Мы изучили инфраструктуру города Сочи и выяснили, что в нем насчитывается 27 тоннелей с экстремально стесненными габаритами (высота 5 метров, ширина 7,5–8,5 метров). Мы поняли, почему аварии в них опаснее, чем на обычной дороге: из-за мгновенного задымления, высокой температуры (до 1000 °C), отсутствия связи и невозможности развернуть технику.

Чтобы решить проблему, мы придумали конструкцию компактной машины, которая впишется в узкий проезд. Наш «Тоннельный эвакуатор» имеет низкую крышу, гусеничную базу тягача для лучшего сцепления на мокром полу и двухмодульную шарнирную конструкцию для маневрирования в тесных «карманах». Вместо высокого крана мы выбрали способ погрузки с помощью лебедки, работающей от червячной передачи, что позволяет машине оставаться низкой.

Мы собрали рабочую модель из конструктора «Lego Duplo», «Лига Открытий +», «Аврора». В ней используются три независимых мотора: первый через понижающую зубчатую передачу крутит гусеницы, второй через червячную передачу управляет лебедкой с эффектом самоторможения, а третий через ременную и угловую зубчатую передачи вращает желтые проблесковые маячки.

Проект был успешно презентован друзьям и родителям. Созданная модель показала, что наше решение позволяет быстро убирать сломанные машины из тоннелей, не мешая движению и спасая жизни людей.

Список литературы и интернет-источников

Список литературы

1. Исогава, Й. Большая книга идей LEGO Technic. Техника и изобретения: Йошихито Исогава. / Й. Исогава // Эксмо. – 2021.

2. Филиппов, С.А. Уроки робототехники. Конструкция. Движение. Управление. / С.А. Филиппов // Лаборатория знаний. – 2017.

Интернет-источники

3. https://profstroy.spb.ru/projects/tunnels-of-kurortny-avenue-tunnel-no-3-3-a-no-7-7-a-no-8-8-a/

4. https://privetsochi.ru/blog/photo/9806.html

5. https://www.btsmost.ru/object/sochi-tk3

6. https://sdelanounas.ru/blogs/2871/

7. https://undergroundexpert.info/issledovaniya-i-tehnologii/nauchnye-stati/avarij-pri-stroitelstve-tonnelej/?ysclid=mp8286bm28915582239

8. https://autogoda.ru/autonews/ezda-v-tonnelyakh-po-pravilam-i-bezopasno/?ysclid=mp82e0kyp6687042783

9. https://realty.ria.ru/20190409/1552503014.html?ysclid=mp834obn2i949489045

10. https://auto.rambler.ru/roadaccidents/40265103-pravila-povedeniya-v-tonnele-o-kotoryh-bolshinstvo-voditeley-i-ne-podozrevayut/?ysclid=mp838s3qdh927539627

Приложение