Монорельсовая транспортная система на базе конструктора Lego Wedo

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

Монорельсовая транспортная система на базе конструктора Lego Wedo

Евдокимов М.И. 1Косачеа К.К. 1Липихин Л.А. 1Щербич М.К. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"
Филинова А.В. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Почти каждый день в средствах массой информации, интернете можно слышать и наблюдать очень острую проблему – проблему автомобильных пробок. Люди тратят массу времени, чтобы попасть на работу или домой, порой задерживаясь в пробках на несколько часов. Уже на протяжении нескольких лет все серьезнее встает проблема большого количества автотранспорта в городе, крупных пробок на дорогах и, как следствие, серьезных экономических и временных затрат.

Монорельсовая транспортная система – решение пробок. Монорельс на данный момент является самым перспективным транспортом, так как не занимает места на автодорогах, бесшумен, экологичен, и имеет высокую скорость перевозки пассажиров.

Цель: создание модели монорельсовой транспортной системы на базе конструктора WeDo

Задачи:

- Изучить особенности разных видов монорельсовых дорог, преимущества и недостатки

- Выявить все плюсы и минусы монорельсовых дорог

-Подробно изучить конструкцию монорельсовой транспортной системы

- создать модель монорельсовой транспортной системы на базе конструктора LEGO WeDo 1.0;

-продемонстрировать работу монорельсовой транспортной системы на примере двух станций

В качестве основных источников информации мы, использовали следующие сайты: википедия (https://ru.wikipedia.org) [5], интернет-журнал (https://cyberleninka.ru) [6], справочное руководство железнодорожных отраслей (https://lokomo.ru/). [7]

При оформлении проекта мы использовали идеи из книги «LEGO Идеи: новая жизнь старых деталей». [3] Для создания движущихся частей проекта были использованы методические рекомендации о простых и сложных механических передачах (https://vk.com.mrbrain_tmn). [1] В создании программ мы следовали учебным пособиям по образовательной робототехнике Корягина А.В. [4]

Глава 1. Теоретическое исследование

Моноре́льс (устар. однорельсовая железная дорога) — разновидность рельсового транспорта (Рисунок 1.1, Приложения). Хотя формально под выражением монорельс понимается железная дорога, в которой используется один несущий рельс, в отличие от обычной железной дороги, где их два, в существующей практике под монорельсом понимаются различные формы внедорожного транспорта, где рельса как такового может и не быть вообще. Как правило, монорельсом называется любая форма эстакадного транспорта, где подвеска выполнена нетрадиционным способом — то есть без двух несущих рельсов. [5]

Монорельсовый транспорт — вид транспорта, в котором пассажирские вагоны или грузовые вагонетки перемещаются по балке — монорельсу, установленному на опорах или эстакаде на некотором расстоянии над землёй или под монорельсом.

Виды монорельсового транспорта

В зависимости от способа закрепления монорельса на опорах Монорельсовая система делится по способу подвеса состава на подвесную, опорную и с боковым подвесом

Подвесной монорельс

Вуппертальская подвесная дорога была открыта в 1901 году в городе Вупперталь, Германия. Это одна из старейших монорельсовых дорог в мире, до сих пор действующих и по сей день. Что более интересно, так это то, что Вупперталь больше нигде в мире не копировался, как модель общественного транспорта. Это первая подвесная монорельсовая дорога в мире (Рисунок 1.1.1, Приложения)

Официальное название дороги — Монорельсовая подвесная дорога системы Ойгена Лангена. Система расположена на эстакадах (Рисунок 1.1.2, Приложения), с 20 станциями, общей длиной 13,3 км, 10 километров путей проходят над руслом реки Вуппер на высоте около 12 метров, остальные 3,3 км над улицами города на высоте около 8 метров. Максимальная скорость поездов дороги — 60 км/ч [8].

Подвеска вагонов может быть осуществлена двумя способами: либо симметричным, либо несимметричным. Не так давно в Киеве разработали монорельсовую систему с боковой подвеской. Боковая подвеска вагона дает целый ряд существенных преимуществ:

а) для двухпутного движения можно использовать одну балку;

б) на значительной части пути балка может быть выполнена в виде стенки из железобетонных панелей или монолитного железобетона.

в) благодаря устойчивости вагона при боковой подвеске можно снизить вес ходовых частей.

Опорная монорельсовая система

Монорельсовая система, состоящая из поезда направляющей линии, которая служит опорой для состава. (Рисунок 1.1.3, Приложения) В этой ситеме вагоны опираются на ходовую тележку, расположенную над путевой балкой.

Данная концепция является самой распространённой. Пути, по которым будет двигаться монорельс, могут быть построены над уже существующими дорогами и шоссе, что избавит города от необходимости выделять дополнительную площадь. Так же является легкой и быстровозводимой конструкцией.

1.2. Преимущества и недостатки

Преимущества:

Основнoе преимущество монорельсовой дороги заключается в том, что она, как и традиционный метрополитен, не занимает место на перегруженных магистралях города, но, в отличие от метро, гораздо дешевле в строительстве

Монорельсовый состав может преодолевать более крутые вертикальные уклоны по сравнению с любым железнодорожным двурельсoвым транспортом.

Скорость, развиваемая монорельсом, в теории может значительно превышать скорость традиционных рельсовых составов, так как отсутствует опасность схода состава с рельсов. Кроме того, вероятность столкновения с другими объектами дорожного движения ничтожно мала.

Обзорность шире по всем сторонам движения из-за поднятия транспортных линий на определённую высоту. По этой причине многие виды монорельсов рассматриваются как основной кандидат на обзорно-экскурсионный транспорт в парках развлечений и других рекреационных территориях. В частности, монорельс в  парке Дисней (США) (Рисунок 1.2.1, Приложения) , в зоопарке Ueno Zoo (Япония) и монорельс Wolmido для доступа туристов на популярный одноименный остров в Южной Корее.

Пониженная шумность, в некоторых случаях тише традиционного трамвая из-за использования тихих электродвигателей и прорезиненных колес, ставших практически обязательными почти во всех видах монорельса.

Быстрота строительства и ввода в эксплуатацию по сравнению с подземным метрополитеном без необходимости дорогостоящего выкапывания подземных тоннелей или переноса подземных коммуникаций [5].

Недостатки:

Для удержания и стабилизации на единственном рельсе обычно параллельно используется несколько пар колёс — в отличие от обычной классической системы с двумя рельсами, где пара одна. Соответственно, возрастает расход энергии в результате возрастания сопротивления движению по сравнению с обычной системой с двумя рельсами.

Монорельсовая стрелка — сложное сооружение, время перевода монорельсовой стрелки — 30 с, в отличие от обычных железнодорожных (в том числе трамвайных) стрелок, которые переводятся за долю секунды.

На практике монорельсовый транспорт часто движется с низкой скоростью, а монорельсовые дороги не могут справиться с большими пассажиропотоками

Монорельсовые дороги почти нигде не стандартизированы. Исключением является Япония.

Существует потенциальная опасность падения состава с большой высоты (по сравнению с трамваем, автобусом, троллейбусом, метро, теплоходом, тепловозом и рикшей) — особенно у подвесных систем. [5]

1.3. Особенности строения опорной монорельсовой системы

Балки монорельсовых дорог выполняют из железобетона или металла. Они могут быть как прямыми, так и криволинейными. Вагоны монорельсовых дорог выполняют из алюминия и других легких материалов, а наиболее нагруженные узлы – из высокопрочных низколегированных сталей. Движение вагонов обеспечивается качением металлических колёс с ребордами по рельсам, уложенных на балках эстакады.

Постоянный ток подается по металлическим рельсам по всему пути. Машинист переключает скорость и большие ходовые колеса, расположенные на верхней части балки разгоняют поезд.

Внутри ходовых колёс спрятаны металлические кольца, так что, даже если резина лопнет, вагон просто «сядет» на монорельс, лишь чуть-чуть накренившись, и спокойно на кольцах дойдет до ближайшей станции.

Фиксация монорельса к балке: помимо большого ходового колеса есть стабилизирующие колеса, которые в прямом смысле прочно прижимают вагон и не дают ему отклоняться (Рисунок 1.3.1, Приложения). Так же между днищем поезда и монорельсовой дорогой создано мощное магнитное поле, так называемая магнитная подушка, именно на нее и опирается многотонный состав (Рисунок 1.3.2, Приложения).

Глава 2. Практическая часть

2.1. Монорельс на базе конструктора LEGO WeDo 1.0

Проект «Монорельсовая транспортная система» сконструирован на базе набора Lego Wedo 1.0.

Проект основан на примере двух станций, которые находятся по разные стороны реки, монорельсовому составу необходимо доехать от одной станции до другой.

Первым этапом конструирования была постройка T-образных опор эстакады. Они крепкие и прочные, что гарантирует долговечность постройке. Сверху был проложен мост, на котором располагается монорельс (Рисунок 2.1.1, Приложения)

Следующим этапом был сам подвижный состав. После внимательного изучения устройства была создана похожая модель. «Мотор 1» передает вращение прямозубой средней шестерне, при помощи зубчатой передачи с использованием коронной шестерни запускаются большие ходовые колеса, расположенные на верхней части балки, которые разгоняют поезд (Рисунок 2.1.2, Приложения). Маленькие колеса с обеих сторон обеспечивают прямое ровное движение (Рисунок 2.1.3, Приложения)

Объектами инфраструктуры монорельсовой ТС являются две станции, одна из которых, является автоматизированной (Рисунок 2.1.4, Приложения). На ее примере мы показали, что транспорт может быть беспилотным. Станции оснащена датчиком расстояния, при приближении состава датчик реагирует и состав останавливается (Рисунок 2.1.5, Приложения). Так же станция оборудована лифтом (Рисунок 2.1.6, Приложения). «Мотор 2» вращает лебедку. Лебедка осуществляет подъем и спуск кабины лифта и противовеса (Рисунок 2.1.7, Приложения).

2.3. Управление моделью при помощи программы

Программирование осуществляется в специальном ПО- LegoWeDo.

Запуск “Монорельсовой транспортной системы» осуществляется нажатием клавиши 1. Срабатывает «Мотор 1», который запускает монорельсовый состав.

Монорельсовый состав движется вперед со скоростью «5», вращая мотор по часовой стрелке, до тех пор, пока не сработает датчик движения. Далее мотор работает еще 1 единицу, чтобы поезд приблизился ближе к станции, после чего происходит остановка мотора и состав останавливается.

При нажатии на клавишу 1, так же срабатывает программа, отвечающая за движение лифта. Кабина лифта поднимается, как только сработает датчик движения, то есть, как только подъедет монорельсовый состав. Лебедка закручивает трос против часовой стрелки на протяжении 35 единиц (3,5 секунд) со средней скоростью.(Рисунок 2.3.1, Приложения)

Заключение

Ежегодно крупнейшие города мира и столицы стран становятся все больше, шире, длиннее. Растет число домов, улиц и населения. Растет и число автомобилей, пробок, заторов.

Строительство монорельсовых систем — это не только транспортное решение, но средство предотвращения пробок.

Монорельсовая транспортная система имеет ряд преимуществ. Основнoе преимущество монорельсовой дороги заключается в том, что она, как и традиционный метрополитен, не занимает место на перегруженных магистралях города, но, в отличие от метро, гораздо дешевле в строительстве. Это быстрый, но при этом безопасный транспорт, вероятность столкновения с другими объектами дорожного движения ничтожно мала. Нельзя не отметить, что монорельсовая система является экологически чистым видом транспорта.

Проведя теоретическое исследование монорельсовой транспортной системы, внимательно изучив ее принцип работы, мы создали свою модель из конструктора LEGOWeDo 1.0, дополнив ее функцией беспилотного транспорта. Так же собрали две станции, одна из которых является полностью автоматизированной и оборудована лифтом. Как только монорельсовый состав подъезжает к станции, срабатывает датчик движения, состав останавливается, и кабина лифта поднимается на нужный этаж к самому поезду.

Собранная в ходе создания проекта информация, и наблюдения за нашей моделью, показали, что использование монорельсовой системы имеет больше преимуществ, чем недостатков. Это значит, что его использование будет более эффективным в качестве общественного транспорта.

Данный проект может быть использован на уроках робототехники и физики.

Список литературы

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

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 доступа https://elibrary.ru/item.asp?id=30700400

LEGO Книга идей: новая жизнь старых деталей: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. А. Аревшатян]. – Москва, Издательство «Эсмо», 2015. - 200 с.;

Корягин А.В, Образовательная робототехника Lego WeDo. Сборник методических рекомендаций и практикумов – ДМК-Пресс, 2016. – 252 с.

https://ru.wikipedia.org/wiki/Монорельс

https://cyberleninka.ru/article/n/monorelsovyy-transport-problemy-prioritety-i-innovatsii-reshenie-transportnogo-kollapsa

https://lokomo.ru/podvizhnoy-sostav/monorelsovyy-transport.html

https://masterok.livejournal.com/2185600.html

Приложения

Рисунок 1.1 Монорельсовая транспортная система

Р
исунок 1.1.1 Вуппертальская подвесная дорога

Рисунок 1.1.2 Схемы опор

Р
исунок 1.1.3 Опорная монорельсовая система

Рисунок 1.2.1,
Монорельс в парке Дисней (США)

Рисунок 1.3.1., Ходовые и стабилизирующие колеса монорельсового состава

Рисунок 1.3.2., Магнитная подушка

 

Рисунок 2.1.1, Опоры эстакады

Р
исунок 2.1.2, Ходовые колеса с зубчатой передачей

Рисунок 2.1.3, Монорельсовый состав

Рисунок 2.1.4, Автоматизированная станция

Рисунок 2.1.5, Датчик расстояния

Рисунок 2.1.6, Лифт

Рисунок 2.1.7, Лебедка лифта

Рисунок 2.3.1, Программа

Просмотров работы: 19