Конструктивные особенности и пуск мотора Зис 101

Конструктивные особенности и пуск мотора Зис 101

Зис 101- автомобиль особенный. Это не только самый редкий, сложный и дорогой советский автомобиль, но и рубежный этап в развитии автомобильной промышленности СССР. Он- первая и, несмотря на все оговорки, успешная попытка страны, которая местами еще продолжала ходить в лаптях, освоить в производстве высокотехнологичный продукт- автомобиль высшего класса, который использовал все тогдашние достижения мирового автопрома. Задача тем более сложная, потому как эта машина должна быть конвейерной, удовлетворять условиям эксплуатации и иметь определенные перспективы на модернизацию. Зис 101- это тот конструкторский и технологический опыт, без которого бы не было ни 110, ни последующих, уже агрегатно и дизайнерски оригинальных Зилов. Впрочем, довольно лирики- про Зис обстоятельно написано вот тут: yadi.sk/d/752U4QeW80Z0M, а мы перейдем к пуску и конструкции его мотора.
Зис 101 оснащался двигателем, конструктивно идентичным мотору Бьюика до 1935 года. Естественно, что в середине 30х годов, в условиях недостатка времени, отсутствии опыта и технологий разработка собственного мотора это опасная иллюзия. Поэтому заимствование мотора у американского автомобиля это единственно возможный правильный вариант на то время, необходимый, что бы этими технологиями овладеть, опыт получить и произвести конкретный продукт в виде автомобиля. Надо отметить, что на Зисе этот двигатель был испытан настолько основательно, профессионально и досконально, что советские инженеры знали о нем едва ли не больше американских коллег- были сняты даже торсиограммы с коленвала, просчитаны ускорения и профиль кулачков распредвала, полностью исследованы материалы и способы упрочнения. По итогам этой огромной работы в 1936 году, еще до серийного выпуска машины, под авторством Айзенберга и Армандта вышла книга «Зис 101»-
более основательной, научной и написанной, при этом, нормальным русским языком книги про конструкцию конкретного автомобиля я еще не встречал! Вообще, уровень тех. лит-ры в 30-50е годы это отдельная тема. Мотор представлял собой рядную верхнеклапанную «восьмерку» и этот двигатель в настоящее время автомобильными историками считается прорывным на тот момент из-за верхних клапанов и многих решений, характерных для позднего времени, например двухкамерного карбюратора или термостата. Непосредственно поработав с мотором, согласиться с этим мнением не могу- Зис/Бьюик имеет минимум сходств по конкретным конструкторским решениям хотя бы того же термостата, помпы или карбюратора, например с мотором Газ 21, который казалось бы, компоновочно к нему близок и между ними нет уж какой-то огромной временной пропасти(когда мотор газ 21 был уже разработан, Бьюик еще выпускал рядные восьмерки). Почему, поймете по фото и информации ниже. Этот сложный мотор и в американской версии имел определенные недоработки и технологические сложности, которые были видны двигателистам Зиса уже с момента освоения(мотор у нас серьезно модернизировался)- в наших же условиях он осваивался с огромным трудом, имел низкое качество и ресурс и был довольно ненадежным. Поэтому, в 1950м году, уже в эпоху Зис 110, вышел приказ Министерства Транспорта о замене при капремонтах оставшихся машин Зис 101 их «родных» моторов на моторы Зис 120, Студебеккер, Газ 51. Из-за этого оригинальных, советских моторов Зис 101 не сохранилось от слова совсем- даже когда несколько лет назад делали реплику Зис 101Спорт, в него был установлен мотор от 110(родной форсированный мотор на самом деле очень интересен- в воспоминаниях Пульманова-Перенского о нем есть информация). Как же быть? Единственный выход это заказ мотора из Штатов. Надо отметить, что и там двигатели до 1935 года, а именно такой и нужен, очень редки- после 35 встречаются часто, но они не подходят из-за формы картера сцепления и расположения стартера. Стоит такой мотор очень-очень дорого, но что делать! Мотор пришел уже готовым, но без навески, сцепления и карбюратора- все это пришлось делать здесь.
Итак, карбюратор: на этом моторе стоит карбюратор с восходящим потоком типа » Марвелл», с синхронным открытием камер:

Его полностью пришлось восстанавливать. Рассмотрим его схему работы. Она коренным образом отличается от привычных нам карбюратором с падающим потоком и эмульсированием смеси. В данном карбюраторе дроссельная заслонка это всего лишь заслонка в коллекторе, которая связана с карбюратором только тягой экономайзера. По факту она лишь дросселирует мотор. Каким же образом происходит смесеобразование на частичных и полных режимах работы и обеспечивается приспособляемость мотора к изменяющимся нагрузкам? А вот как: в карбюраторе вертикально установлены шесть калиброванных трубок- жиклеров разной высоты. Соответственно, жиклеры малых(он же обеспечивает холостые), средних и полных нагрузок. Питаются жиклеры малой и полной нагрузки не из поплавковой камеры, а из резервуара снизу, сообщаемого с поплавковой камерой. То есть это просто вертикальные калиброванные трубки. Только лишь жиклер средней мощности сообщается с поплавковой камерой через экономжиклер; в этот же канал введен механический экономайзер- его рычаг справа от камеры вы можете видеть на фото:

За счет чего же осуществляется торможение и компенсация топлива? А вот за счет чего:

Эта штука называется регулятор наполнения и без него этот карб не менее чем мертв. Суть его в том что меняя свое положение исходя из скорости потока воздуха, его лопатоподобная заслонка оказывается на срезе последовательно жиклеров малой, средней и полной мощности, создавая у их устья большие разряжения, что последовательно включает их в работу и меняет количество истекаемого бензина и, соответственно, состав смеси в зависимости от нагрузки. А как же резкое открытие дросселя, как же компенсируется обеднение? Да тем же регулятором, без всяких ускорительных насосов, за счет экономайзерного эффекта заслонки регулятора. На фото можно видеть, что «лопата» регулятора связана тягой с латунным винтом- колпачком. В этой пробке расположен подпружиненный поршенек тяги- усилие пружины регулируется завертыванием или отвертыванием колпачкового винта. При резком открытии дросселя сжатая пружина не позволяет регулятору резко открыться, что при увеличении разряжения до заслонки провоцирует активное истечение топлива из малых жиклеров(!). Таким образов ликвидируется провал, а затягиванием винта регулируется степень обогащения смеси. В дальнейшем, регуляторы наполнения ставились во вторые камеры многих современных и совершенных карбюраторов, например Солекс 4а1 или Холли с механическим приводом заслонки вторых камер. Суть такая же- скомпенсировать смесь при резком открытии дросселей. Надо сказать, я очень беспокоился, что этот карб не заработает. Однако он работает очень хорошо и полностью соответствует инертному и тяжелому мотору Зиса
Интересно выполнен привод вспомогательных агрегатов:

На одном валу, приводимым шестеренчатой «гитарой» от шестерни КВ, расположены генератор, водяная помпа и трамблер. На удивление, работает это не шумно.Так же на этом моторе установлен водомасляный теплообменник. Справедливости ради надо отметить, что на большее количество Зисов его не ставили из-за сложности изготовления:

Красный бочонок снизу от него- масляный фильтр. Раз речь зашла об фильтре, надо сказать и о системе смазки. Она на этом моторе прогрессивная- под давлением, но подшипники коленвала и шатунов залиты баббитом с применением регулировочных пластин. Выработался баббит- снял пару пластинок и зазор вошел в допуск. Длинный, как человечий локоть, шатун имеет болтовую стяжку поршневого пальца.
Электрооборудование 6вольт. Вот так изящно сделан прерыватель:

Идея ясна- точно обработать профили четырех больших кулачков гораздо проще, чем восемь маленьких. Этот трамблер уже имеет привычный центробежный автомат, однако все же немного отличается от зисовского- на последнем наши инженеры уже ввели и вакуумный корректор.
Вот такой мотор, который поражает своими габаритами и монументальностью.Это царство чугуна и многодисковых сцеплений, низких оборотов и ровной работы. Это первый мотор, с которым приходилось работать, способный устойчиво держать 300 оборотов на холостом! Я пробовал даже 220-250, он работает настолько тихо, что слышны в основном только шелест шестерней грм и привода навесных агрегатов! у него так же интереснейший привод клапанов через роликовые толкатели с доп.пружинами и отдельными чугунными обоймами. Про этот механизм расскажу потом, когда придет время финишной регулировке на автомобиле. Все-таки я не перестаю удивляться прекрасным и, одновремненно, мрачным и ужасным 30м годам, когда наша страна сделала колоссальный рывок во всем и оказалась способной освоить подобный агрегат!

Пуск асинхронного двигателя

Пусковые свойства двигателей.

При пуске ротор двигателя, преодолевая момент нагрузки и момент инерции, разгоняется от частоты вращения п = 0 до п . Скольжение при этом меняется от s_п = 1 до s. При пуске должны выполняться два основных требования: вращающий момент должен бить больше момента сопротивления (М_вр>М_с) и пусковой ток I_п должен быть по возможности небольшим.

В зависимости от конструкции ротора (короткозамкнутый или фазный), мощности двигателя, характера нагрузки возможны различные способы пуска: прямой пуск, пуск с использованием дополнительных сопротивлений, пуск при пониженном напряжении и др. Ниже различные способы пуска рассматриваются более подробно.

Прямой пуск.

Пуск двигателя непосредственным включением на напряжение сети обмотки статора называется прямым пуском. Схема прямого пуска приведена на рис. 3.22. При включении рубильника в первый момент скольжение s = l, а приведенный ток в роторе и равный ему ток статора

, (3.37)

максимальны (см.п.3.19 при s=1). По мере разгона ротора скольжение уменьшается и поэтому в конце пуска ток значительно меньше, чем в первый момент. В серийных двигателях при прямом пуске кратность пускового тока k_I = I_П / I_1НОМ = ( 5,…,7), причем большее значение относится к двигателям большей мощности.

Значение пускового момента находится из (3.23) при s = 1:

,(3.38)

Из рис. 3.18 видно, что пусковой момент близок к номинальному и значительно меньше критического. Для серийных двигателей кратность пускового момента М_П/ М_НОМ = (1.0,…,1.8).

Приведенные данные показывают, что при прямом пуске в сети, питающей двигатель, возникает бросок тока, который может вызвать настолько значительное падение напряжение, что другие двигатели, питающиеся от этой сети, могут остановиться.

С другой стороны, из-за небольшого пускового момента при пуске под нагрузкой двигатель может не преодолеть момент сопротивления на валу и не тронется с места. В силу указанных недостатков прямой пуск можно применять только у двигателей малой и средней мощности (примерно до 50 кВт).

Пуск двигателей с улучшенными пусковыми свойствами.

Улучшение пусковых свойств асинхронных двигателей достигается использованием эффекта вытеснения тока в роторе за счет специальной конструкции беличьей клетки. Эффект вытеснения тока состоит в следующем: потокосцепление и индуктивное сопротивление X₂ проводников в пазу ротора тем выше, чем ближе ко дну паза они расположены (рис.3.23). Также X₂ прямо пропорционально частоте тока ротора.

Следовательно, при пуске двигателя, когда s=1 и f₂ = f₁ = 50 Гц , индуктивное сопротивление X₂ = max и под влиянием этого ток вытесняется в наружный слой паза. Плотность тока j по координате h распределяется по кривой, показанной на рис.3.24. В результате ток в основном проходит по наружному сечению проводника, т.е. по значительно меньшему сечению стержня, и, следовательно, активное сопротивление обмотки ротора R₂ намного больше, чем при нормальной работе. За счет этого уменьшается пусковой ток и увеличивается пусковой момент М_П (см. (3.37), (3.38) ).

По мере разгона двигателя скольжение и частота тока ротора падает и к концу пуска достигает 1 – 4 Гц. При такой частоте индуктивное сопротивление мало и ток распределяется равномерно по всему сечению проводника. При сильно выраженном эффекте вытеснения тока становится возможным прямой пуск при меньших бросках тока и больших пусковых моментах.

К двигателям с улучшенными пусковыми свойствами относятся двигатели, имеющие роторы с глубоким пазом, с двойной беличьей клеткой и некоторые другие.

Двигатели с глубокими пазами.

Как показано на рис.3.25, паз ротора выполнен в виде узкой щели, глубина которой примерно в 10 раз больше, чем ее ширина. В эти пазы-щели укладывается обмотка в виде узких медных полос. Распределение магнитного потока показывает, что индуктивность и индуктивное сопротивление в нижней части проводника значительно больше, чем в верхней части.

Поэтому при пуске ток вытесняется в верхнюю часть стержня и активное сопротивление значительно увеличивается. По мере разгона двигателя скольжение уменьшается, и плотность тока по сечению становится почти одинаковой.

В целях увеличения эффекта вытеснения тока глубокие пазы выполняются не только в виде щели, но и трапецеидальной формы. В этом случае глубина паза несколько меньше, чем при прямоугольной форме.

Двигатели с двойной клеткой.

В таких двигателях обмотки ротора выполняются в виде двух клеток (рис.3.26): во внешних пазах 1 размещается обмотка из латунных проводников, во внутренних 2 – обмотка из медных проводников.

Таким образом, внешняя обмотка имеет большее активное сопротивление, чем внутренняя. При пуске внешняя обмотка сцепляется с очень слабым магнитным потоком, а внутренняя – сравнительно сильным полем. В результате ток вытесняется во внешнюю клетку, а во внутренней тока почти нет.

По мере разгона двигателя ток из внешней клетки переходит во внутреннюю и при s =s_НОМ протекает в основном по внутренней клетке. Ток во внешней клетке при этом сравнительно небольшой.

Результирующий пусковой момент, складывающийся из моментов от двух клеток, значительно больше, чем у двигателей нормальной конструкции, и несколько больше, чем у двигателей с глубоким пазом. Однако следует иметь в виду, что стоимость двигателей с двойной клеткой ротора выше.

Пуск переключением обмотки статора.

Если при нормальной работе двигателя фазы статора соединены в треугольник, то, как показано на рис.3.27, при пуске первоначально они соединяются в звезду.

Для этого сначала включается выключатель Q, а затем переключатель S ставится в нижнее положение Пуск. В таком положении концы фаз Х, Y, Z соединены между собой, т.е. фазы соединены звездой. При этом напряжение на фазе в √3 раз меньше линейного.

В результате линейный ток при пуске в 3 раза меньше, чем при соединении треугольником. При разгоне ротора в конце пуска переключатель S переводится в верхнее положение и, как видно из рис. 3.27, фазы статора пересоединяются в треугольник.

Недостатком этого способа является то, что пусковой момент также уменьшается в 3 раза, так как момент пропорционален квадрату фазного напряжения, которое в √3 раз меньше при соединении фаз звездой. Поэтому такой способ применим при небольшом нагрузочном моменте и только для двигателей, нормально работающих при соединении обмоток статора в треугольник.

Пуск при включении добавочных резисторов в цепь статора.(рис. 3.28)

Перед пуском выключатель (пускатель) находится в разомкнутом состоянии и замыкается выключатель Q₁.

При этом в цепь статора включены добавочные резисторы R_ДОБ. В результате обмотка статора питается пониженным напряжением U_1n = U_1НОМ – I_nR_ДОБ. После разгона двигателя замыкается выключатель Q₂ и обмотка статора включается на номинальное напряжение U_1НОМ. Подбором R_ДОБ можно ограничить пусковой ток до допустимого.

Следует иметь в виду, что момент при пуске, пропорциональный U 2 _1П, будет меньше и составляет (U_1П / U_1НОМ) 2 номинального. Важно отметить, что при этом способе пуска значительны потери в сопротивлении R_ДОБ (R_ДОБI 2 _1n). Можно вместо резисторов R_ДОБ включить катушки с индуктивным сопротивлением Х_ДОБ, близким к R_ДОБ.

Применение катушек позволяет уменьшить потери в пусковом сопротивлении.

Автотрансформаторный пуск.

Кроме указанных способов можно применить так называемый автотрансформаторный пуск.

Соответствующая схема показана на рис.3.29.

Перед пуском переключатель S устанавливается в положение 1, а затем включается автотрансформатор и статор питается пониженным напряжением U_1П. Двигатель разгоняется при пониженном напряжении и в конце разгона переключатель S переводится в положение 2 и статор питается номинальным напряжением U_1ном.

Если коэффициент трансформации понижающего трансформатора n, тогда ток I на его входе будет в n раз меньше. Кроме того, пусковой ток будет также в n раз меньше, т.е. ток при пуске в сети будет в n 2 раз меньше, чем при непосредственном пуске.

Этот способ, хотя и лучше рассмотренных в п.3.14.7, но значительно дороже.

Пуск двигателя с фазным ротором.

Пуск двигателя с фазным ротором осуществляется путем включения пускового реостата в цепь ротора, как это показано на рис.3.30.

Начала фаз обмоток ротора присоединяются к контактным кольцам и через щетки подключаются к пусковому реостату с сопротивлением Rp.

Приведенное к обмотке статора сопротивление пускового реостата Rp рассчитывается так, чтобы пусковой момент был максимальный, т.е. равен критическому. Так как при пуске скольжение s_П = 1, то s_П = 1 = s_К , равенство М_П = М _Пmaх = М_К будет обеспечено. Тогда

.

Пуск двигателя происходит по кривой, показанной на рис.3.31. В момент пуска рабочая точка на механической характеристике находится в положении а, а при разгоне двигателя она перемещается по кривой 1, соответствующей полностью включенному реостату.

При моменте, соответствующем точке е , включается первая ступень реостата и момент скачком увеличивается до точки b – рабочая точка двигателя переходит на кривую 2; в момент времени, соответствующей точке d, выключается вторая ступень реостата, рабочая точка скачком переходит в точку с и двигатель выходит на естественную характеристику 3 и затем в точку f. Реостат закорачивается, обмотка ротора замыкается накоротко, а щетки отводятся от колец.

Таким образом, фазный ротор позволяет пускать в ход асинхронные двигатели большой мощности при ограниченном пусковом токе. Однако этот способ пуска связан со значительными потерями в пусковом реостате.

Кроме того, двигатель с фазным ротором дороже двигателя с короткозамкнутым ротором. Поэтому двигатель с фазным ротором применяется лишь при больших мощностях и высоких требованиях к приводу.

Расчёт сопротивлений в роторной цепи асинхронного двигателя с фазным ротором (Практическое занятие № 4) , страница 2

(см. практическую работу №2)

Из точки А проводят лучи для реостатных механических характеристик, как это показано на рис 1,и через полученные точки проводят ломаную линию abc`cd`de`e.

Отрезки kb, bc, cd и dc используют для расчёта сопротивлений резисторов пускового реостата.

Сопротивления резисторов на ступенях:

Первой ступени

второй ступени

третьей ступени

А. Аналитический метод расчёта

Рассчитать сопротивления резисторов пускового реостата для нормального пуска АД с фазным ротором.

Исходные данные взять из таблицы вариантов.

Тип двигателя 4АНК200М4УЗ

1. Активное сопротивление фазы обмотки ротора.

0,03*360/107,38=0,1Ом;

2. Принимаем значение момента переключений

3. Кратность отношения моментов М₁/М₂

2,4

4. Начальный пусковой момент М₁=М₂λ=583,5Н*м

583,5/833,6=0,7 0,75М_мах. Пуск двигателя форсированный.

Исходные данные взять из задачи А.

1. Требуемое отношение начального пускового момента и момента переключений при форсированном пуске.

2,4

Следовательно, момент переключений

Естественная механическая характеристика двигателя и все необходимые графические построения представлены на рис 1.

2. Сопротивления резисторов на ступенях пускового реостата

r_доб1=

r_доб2= =

r_доб3= =

3. Сопротивление пускового реостата на его ступенях

R_пр1=

R_пр2=

R_пр3=

Контрольные вопросы

1. Какие требования предъявляются к пусковым свойствам двигателей?

2. Что необходимо предпринять, чтобы пусковой момент АД с фазным ротором был равен максимальному значению?

3. В чём стоит реостатного пуска АД с фазным ротором?

4. В чем состоит смысл противоречие требований к пусковым свойствам АД?

5. Что представляют собой пусковые реостаты?

6. Какой момент называют начальным пусковым моментом и как он выбирается?

7. Из каких требований выбирают момент переключений?

8. Сколько ступеней пускового реостата выбирают при нормальном и при форсированном пуске?

9. Объясните аналитический метод расчёта пускового реостата для АД с фазным ротором.

10. Нарисуйте графики изменения пускового момента при реостатном пуске АД с фазным ротором.

11. Какие применяют способы пуска в АД с короткозамкнутым ротором?

12. Какие АД имеют улучшенные пусковые свойства?

Форсированный пуск двигателя

Пиковый (максимальный пусковой момент) Мпик, Н м

Отношение пускового момента к переключающему

где R_а 0 — сопротивление якоря в относительных единицах

где R_а — полное сопротивление якоря, Ом (из практической работы № 3);

R_ном – номинальное сопротивление, Ом

М_пик 0 — пиковый момент в относительных единицах

где М_ном – номинальный момент, Н м (из практической работы № 3);

m – число ступеней пускового реостата, зависит от типа контакторной панели.

Если тип контакторной панели не известен, то число ступеней m принимается ориентировочно, исходя из мощности двигателя:

Р_ном 50 кВт m = 3 – 4

Однако при расчете необходимо далее проверить, чтобы при заданном числе ступеней М_пер > М_ном. Если М_пер получился меньше чем М_ном, следует увеличить число ступеней пускового резистора.

Переключающий (минимальный пусковой момент) Мпер, Н м

Построить пусковую диаграмму (рис.6), используя естественную механическую характеристику из практической работы № 3 (рис. 4).

Пусковые сопротивления ступеней R_i, Ом (для m = 3)

Сопротивления секций r_i, Ом (m = 3)

Форма представления результата:

Решение в тетради, ответы на вопросы:

1. Из каких сопротивлений складывается полное внутреннее сопротивление якоря ДПТ НВ?

2. Перечислите назначения пускового реостата

3. Как изменяются Е, I, М при разгоне двигателя?

4. Что называется номинальным сопротивлением ДПТ?

5. Укажите основные условия пуска двигателя

6. Если двигатель работает по первой искусственной характеристике, чему равно сопротивление пускового реостата?

7. При каком моменте замыкаются контакты, шунтируя следующую секцию пускового реостата?

8. Почему в первый момент коммутации скорость двигателя не увеличивается?

9. С какого момента начинается пуск двигателя?

10. Что произойдет с двигателем, если М_пер станет меньше М_с?

11. Нарисовать схему двигателя с полученным числом ступеней пускового реостата.

Таблица 5 — Исходные данные для расчетов

Продолжение таблицы 5

Тема 1.1 Электрический привод