Я решил выбрать эту тему, т.к. интересуюсь необычными конструкциями и архитектурой в целом. Мне понравилось это сооружение и я считаю Фолкеркское колесо интересным и оригинальным примером в области дизайна.

Я смоделировал Фолкеркское колесо в программе Компас 3D. После этого, я распечатал детали модели колеса на 3D принтере и собрал двигающуюся (нестатичную) модель, при помощи которой можно объяснить принцип работы Фолкеркского колеса. Также, я нашел места применения конструкции в мире.

Введение

Цель проекта

Смоделировать Фолкеркское колесо.

Исследовать возможность применения конструкции в других местах в мире.

Задачи проекта

Изучить конструкцию Фол керкского колеса.
Построить модель Фолкеркского колеса в программе Компас 3D.
Углубить навыки работы в программе Компас 3D.
Подобрать существующие системы шлюзов, которые можно было бы заменить аналогичной конструкцией.
Распечатать модель Ф олкеркского колеса на 3D принтере.

Актуальность

Конструкция Фолкеркского колеса требует минимум энергии для работы, следовательно, при ее использовании денежные затраты будут значительно меньше, чем в случае с системами шлюзов.

Из-за интересного дизайна конструкция будет привлекать людей, увеличит поток туристов в местах ее расположения, что приведет к дополнительным доходам.

Проблема

В мире существуют большие системы шлюзов, прохождение которых занимает много времени. Их можно было бы заменить на конструкции, подобные Фолкеркскому колесу.

Гипотеза

Возможно, что если заменить большие и громоздкие системы шлюзов судоподъемниками такой конструкции, перемещение кораблей будет происходить быстрее и при меньших энергозатратах.

Основная часть

План работы

Недели	Этапы	Компоненты
0	Поисково-исследовательский	Выбор темы, Подбор информации, План-журнал
1-19	Конструктивно-технический	Построение модели в 3D, Построение модели из фанеры
19-24	Конструктивно-технический	Разработка документации
25-26	Заключительный этап	Сборка и отделка, контроль, определение значимости, репетиция защиты проекта
27	Заключительный этап	Защита проекта

По результатам проделанной работы можно сказать, что план соблюдался неточно.

Так, больше времени у меня занял выбор темы и моделирование модели в программе Компас 3D. Также, не было четкой границы между окончанием работы над 3D моделью и разработкой документации, я совмещал эти два процесса. И главным отклонением от плана можно считать то, что я отказался от постройки модели из фанеры в пользу печати её на 3D принтере.

Но так как все запланированное я выполнил в установленные временные рамки, можно считать, что план выполнен.

Теоретическая часть

Судоподъёмник — комплекс механизмов, позволяющий осуществлять подъём и спуск судов с одного уровня водного пути на другой, например, для пропуска судов через плотины гидроэлектростанций. Различают вертикальные, наклонные и вращательные судоподъёмники.[2]

Шлюз — гидротехническое сооружение на судоходных и водных путях для обеспечения перехода судов из одного водного бассейна (бьефа) в другой с различными уровнями воды в них. С двух сторон ограничен затворами, между которыми располагается смежная камера, позволяющая варьировать уровень воды в её пределах.[3]

Передо мной были две цели: моделирование Фолкеркского колеса и рассмотрение возможностей применения похожей конструкции в других местах в мире.

Про первую цель: Своей задачей я ставил построение модели, при помощи которой можно было бы описать принцип работы Фолкеркского колеса. Время было ограничено, поэтому высокая детализация не была первостепенной целью. Вместе с тем было необходимо создать представление о красоте сооружения. (Ведь это сооружение в 2003 году было названо лучшей оригинальной работой в области дизайна) [4]

По ходу выполнения этой части проекта я сталкивался с некоторыми проблемами и затруднениями:

Первоочередной проблемой было отсутствие каких-либо чертежей колеса. Из различных источников мне удалось найти лишь длины отдельных частей сооружения, к тому же подчас данные разнились. Некоторые размеры приходилось брать примерно, опираясь на пропорцию деталей, на основании фотографий. Например, на одной фотографии, на которой рядом с Фолкеркским колесом был человек, я соотнес отношение длины необходимой детали и высоты человека на мониторе (померил линейкой с монитора) со среднестатистическим ростом человека, я нашел примерную длину детали сооружения.

Также, некоторые затруднения у меня вызвало моделирование некоторых элементов, таких как шестеренки и округлые поверхности. Эти проблемы я решал, консультируясь со своим научным руководителем и просматривая видеоуроки.

И причиной последней возникшей проблемы, была моя невнимательность. Уже в конце работы над 3D моделью после 2 часов, проведенных за моделированием, я выключил компьютер, не сохранив файл. Пришлось переделывать.

Про вторую цель: Я собирался исследовать возможность применения конструкции Фолкеркского колеса в мире. В процессе моего исследования я также столкнулся с проблемой:

О некрупных шлюзах, не находящихся в значимых географических точках (потенциальные места применения конструкции), довольно-таки сложно найти какую-нибудь информацию. Эту проблему я решал, более активно просматривая материал.

Информация о Фолкеркском колесе [1], [4]

В процессе работы над проектом я собрал информацию о Фолкеркском колесе:

Фолкеркское колесо – первый в мире вращающийся судоподъемник, соединяющий каналы Форт-Клайд и Юнион. Местонахождение: г. Фолкерк, Шотландия.

Церемония открытия Фолкеркского колеса состоялась 24 мая 2002 года при участии королевы Елизаветы II.

Перепад высот между каналами составляет 35 метров. Первоначально каналы связывала система из 11 шлюзов, демонтированных и засыпанных в 1930-х годах.

Стоимость создания: 17,5 млн. фунтов стерлингов

Конструкция содержит 1200 тонн стали, 14000 болтов

Емкость каждой гандолы около 500000 литров воды

На 1 поворот используется 1,5 кВт

Принцип работы Фолкеркского колеса: (См. приложение 1)

Корабли заплывают в гондолы. Конструкция поворачивается, в результате чего судна меняются местами.

Весь процесс перемещения кораблей между нижним и верхним каналами занимает всего 4 минуты, причем два судна могут перемещаться одновременно.

Благодаря закону Архимеда, каждая наполненная водой гондола весит одинаково, что помогает экономить электроэнергию. Гондолы поддерживаются в горизонтальном состоянии жесткой шестеренчатой связью. Система работает безотказно и имеет гарантию на 120 лет.

Практическая часть

Моделирование

Здесь приведены модели деталей Фолкеркского колеса и перечислены основные инструменты, использованные при моделировании. Далее в кавычках “…” будут указываться неофициальные названия деталей и инструментов, которые я использовал при работе над проектом.

Первой, я смоделировал “основную деталь”, поддерживающую гондолы. Для этого я применил такие инструменты, как “окружность”, “дуга по трем точкам”, “симметрия” и др. (См. приложение 2)

Также, одной из первых я смоделировал большую шестерню. Получилось не с первого раза, т.к. сначала я не задумывался над формой зубцов, и шестерня получилась неправильной. При построении использовал инструменты: “вырезать выдавливанием”, “массив по концентрической сетке” и др.

Конечный вариант Первый вариант

Другими двумя интересным и деталями были: первая опора акведука, идущего к Фолкеркскому колесу (“большая опора”) и передняя опора, поддерживающая основную ось конструкции (“маленькая опора”). Я моделировал их, опираясь на эскиз уже готовой “основной детали”. Здесь использовались инструменты: “вырезать выдавливанием”, “операция выдавливания” и др. (См. приложение 3 и приложение 4)

Первая опора акведука Передняя опора основой оси (“большая опора”) (“маленькая опора”)

Также я смоделировал такую необычную деталь, как “гондола”. Я использовал инструменты: “операция выдавливания”, “оболочка” и др.

“гондола”

И наиболее сложной для построения деталью, которая потребовала очень точного вымерения размеров, была “маленькая шестерня”. Она является очень важным конструктивным элементом, т.к. именно из-за нее гондолы не опрокидываются и всегда остаются параллельными земле. При моделировании этой детали я использовал такие инструменты, как: “вырезать выдавливанием”, “массив по концентрической сетке”, “окружность”, “операция выдавливания” и др. (См. приложение 5)

“маленькая шестерня”

Так как модель планировалась к распечатке на 3D принтере, было необходимо, чтобы она была не статичной, могла вращаться. Для этого в оригинальную конструкцию были внесены незначительные изменения, позволяющие при помощи реальной модели наглядно показать принцип работы Фолкеркского колеса.

Так, в “основной детали” были предусмотрены сквозные отверстия для крепления двух “маленьких шестерней”. “Затычки” необходимы для крепления “маленьких шестерней” с другой стороны.

Для того, чтобы колесо можно было крутить, в “валу” было предусмотрено отверстие, куда вставляется “ручка”.

“вал” “ручка”

Сборка всех деталей осуществлялась в отдельном файле при помощи инструмента “добавить из файла” и корректировки положения деталей по осям координат. (См. приложение 6)

При конечной сборке предполагалось статичные детали скреплять “секундным” клеем. Между двигающимися деталями предусмотрены зазоры, чтобы движение было свободным. В некоторых местах пришлось дополнительно обшкуривать детали, чтобы они лучше прилегали друг к другу.

фолкерское колесо в сборке

Исследование возможности применения конструкции в мире

Второй целью я поставил себе найти места применения конструкции Фолкеркского колеса в мире. Для этого я находил информацию, фотографии существующих шлюзов разной значимости и размеров и представлял конструкцию, аналогичную Фолкеркскому колесу на их месте. Я выработал список параметров, при выполнении которых, замена существующего шлюза была бы рентабельной.

Место должно располагаться на пути активно использующейся водной артерии. Это обеспечивало бы высокую нагрузку судоподъемника, а значит, окупаемость большой стоимости постройки. В противном случае, строительство было бы нецелесообразным.

Через будущий судоподъемник не смогут ходить суда, расстояние от верхней точки которых (мачта/надстройка) до уровня воды, превышает половину расстояния между уровнями воды до и после шлюза. (Этот параметр обусловлен конструктивными особенностями судоподъемника, он очень ограничивает возможность применения конструкции Фолкеркского колеса.)

Существующий шлюз не должен быть ценным с исторической точки зрения, т.к. это помешало бы его сносу.

Габариты гондолы будущего судоподъемника не должны быть меньше размеров шлюзовой камеры существующего шлюза. (Чтобы все суда, влезавшие в камеру шлюза, могли влезть и в гондолу судоподъемника)

Итак, принимая во внимание эти пункты, мне удалось найти несколько подходящих мест.

Шлюз «Пялли» Сайменский канал Ленинградская обл. Россия Перепад высот -11,7 м. [5]

6 шлюзов на Гёта-канале около поселка Берг Швеция Перепад высот - 20 м

Шлюз «Илистое» Сайменский канал Ленинградская обл. Россия Перепад высот - 11 м [5]

Шлюз №10 Канал им. Москвы Москва Россия Перепад высот – 6 м. [6]

Эльблонгский судоподъемник Эльблонг Польша Перепад высот - 25 м Устаревший судоподъемник можно заменить несколькими «колесами». [7]

Заключение

В результате выполнения проекта мне удалось достичь всех поставленных целей. Я построил модель в программе Компас 3D и распечатал её на 3D принтере. Также я нашел места применения конструкции Фолкеркского колеса в мире.

Свою работу я представил своим родственникам, друзьям и научному руководителю. Все высоко оценили мою работу.

Работая над проектом, я углубил свои навыки работы в программе Компас 3D. Я научился пользоваться такими инструментами, как: “массив по концентрической сетке”, “оболочка” и др. Также, я узнал много нового про такие гидротехнические сооружения, как шлюзы и судоподъемники.

В дальнейшем я планирую развивать проект в сторону более точного расчета габаритов конструкции судоподъемника для определенного места.

Приложение
приложение с чертежами
DOCX / 2.02 Мб

Источники

Литература:

Е.Фролова «100 самых удивительных достижений современной архитектуры», М. Эксмо, Москва 2011 [1]

Интернет источники:

ru.wikepedia.org https://ru.wikipedia.org/wiki/%D1%F3%E4%EE%EF%EE%E4%FA%B8%EC%ED%E8%EA [2]

ru.wikepedia.org

https://ru.wikipedia.org/wiki/Шлюз_(гидротехническое_сооружение) [3]

ru.wikepedia.org

https://ru.wikipedia.org/wiki/Фолкеркское_колесо [4]

http://kvb.railclub.ru/index.php