الشطف ونصف قطر الحافة في قضبان التوزيع

قضيب التوزيع المستطيل يغادر المصنع بزوايا قائمة ويغادر المقص أو اللاكمة بنتوء فوقها. ومعظم المصنّعين يكسرون تلك الحواف. اسأل لماذا فتحصل على مدى من الأجوبة: طلبها أهل العزل، والرسم يقول R3، وهي تمنع المشغّلين من جرح أيديهم. والثلاثة صحيحة، وهي تستدعي أنصاف أقطار مختلفة.

والنطاق العملي عبر الصناعة هو تقريباً R2 إلى R10 mm، يُختار من أبعاد القضيب وفئة الجهد وبيئة التركيب. وذلك وصف لممارسة لا متطلب مُلزِم، والتمييز يهم أكثر مما يبدو.

ماذا تقول المواصفات فعلاً

عدد من صفحات موردي الماكينات وقضبان التوزيع يزعم أن IEC 61439 "تشترط شطف قضبان النحاس"، وبعضها يمضي أبعد فيذكر حدّاً أدنى قدره R3 للأنظمة فوق 800 V، ناسباً ذلك إلى IEC 61439 وUL 891 معاً.

وذلك خاطئ، والصراحة فيه تهم، لأن مهندسين كتبوه في مواصفاتهم الداخلية استناداً إلى منشور مدوّنة لمورّد.

فـ IEC 61439-1 لا تسمّي نصف قطر حافة في أي موضع. وما تفعله هو وضع متطلبات الخلوص والزحف، آخذةً منطقها في التحجيم من تنسيق العزل في IEC 60664-1، ثم اشتراط أن تنجو المجموعة النهائية من اختبار صمود عازلي. ونصف قطر الحافة وسيلة هندسية واحدة لاستيفاء تلك الأحكام. وهو ليس متطلباً مسمّى، ولا وجود لرقم بند يمكن الاستشهاد به من أجله. والأمر نفسه يصحّ في UL 891.

وليست هذه نقطة تنطّع. فإن اعتقدت أن نصف القطر مفروض، فستطبّق R3 شاملاً على كل شيء وتتوقف عن التفكير. وإن فهمته كوسيلة، فستطبّق R2 حيث يكفي R2، وR8 حيث لديك مشكلة مجال، ولا شيء إطلاقاً حيث سيُقصدر القضيب ويُربط مستوياً وعلى جانبيه 25 mm من الهواء.

مشكلة المجال، بعبارات المواصفة نفسها

IEC 60664-1 غير معتادة بين مواصفات السلامة في أنها تعترف بهندسة الأقطاب مباشرة. فالبند 5.1.3 يفتتح بالقول إن شكل الأجزاء الموصلة وترتيبها يؤثران في انتظام المجال ومن ثم في الخلوص اللازم للصمود أمام جهد معطى.

ثم يقسم جداول الخلوص إلى حالتين.

الحالة A هي المجال غير المنتظم. ونموذج المواصفة نفسها لأسوأ حالة له هو قطب نقطي بنصف قطر رأس 30 µm يواجه مستوياً 1 m × 1 m. وخلوصات الحالة A يمكن استخدامها بصرف النظر عن شكل الأجزاء الموصلة، ودون أي اختبار صمود جهد. ولهذا هي أكبر.

والحالة B هي المجال المنتظم، المعرَّف بأنه مجال بتدرّج جهد ثابت أساساً، والمثال التوضيحي كرتان نصف قطر كل منهما أكبر من الفجوة بينهما. وخلوصات الحالة B أصغر. وهي غير مسموحة إلا حيث يكون شكل الأجزاء الموصلة وترتيبها مصمَّمين لتحقيق ذلك التدرّج الثابت، وأي خلوص أصغر من قيمة الحالة A يجب التحقق منه باختبار صمود جهد.

وعند جهد صمود نبضي مقنن قدره 2.5 kV، يكون الفرق بين الحالتين هو الفرق بين نحو 1.5 mm ونحو 0.6 mm من الهواء. وفي مجموعة مدمجة يكون فيها الفصل بين الأوجه هو القيد الملزم على عرض الخزانة، لا يكون ذلك خطأ تقريب.

ثم هناك الملاحظة الملحقة بجدول الخلوص في الحالة المستقرة: التحجيم دون تفريغ جزئي غير ممكن في ظروف المجال غير المنتظم. ففوق نحو 2.5 kV ذروة، تقول المواصفة، قد لا يعطي التحجيم على قيم الانهيار تشغيلاً خالياً من الهالة، وبخاصة في المجالات غير المنتظمة، وعليك إما أن تستخدم خلوصات أكبر أو أن تحسّن توزيع المجال.

وتحسين توزيع المجال هو ما يفعله نصف قطر الحافة. لا كبديل عن الخلوص، بل كالشيء الذي يتيح لك استخدام الرقم الأصغر، وكالشيء الذي يُبقيك خارج التفريغ الجزئي المستمر عند التباعد الهندسي نفسه.

ولاحظ أيضاً أن الزحف لا يعمل بهذه الطريقة. فمسافة الزحف يحددها جهد التشغيل ودرجة التلوث ومجموعة المادة، وتدوير النحاس لا يقصّر مسار الزحف المطلوب. فعند زحف متساوٍ، إذن، يشتري لك نصف القطر مجالاً أكثر انتظاماً وفرصةً في خلوص الحالة B. وهو لا يشتري لك شيئاً على المسار السطحي.

الهالة، ولماذا هي فشل بطيء

الهواء يتأيّن عند نحو 3 kV/mm عند مستوى سطح البحر في مجال منتظم. وزاوية نحاس 90° بكسر حافة اسمي قدره 0.1 mm تركّز المجال بعامل يتوقف على هندسة الفجوة، لكن الجواب النوعي أن المجال الموضعي عند الزاوية يبلغ التأيّن قبل أن يبلغه المجال المتوسط عبر الفجوة بوقت طويل.

والنتيجة تفريغ جزئي: انهيار صغير موضعي ذاتي الانطفاء لا يجسر الفجوة. لا شيء يفصل. والمجموعة تجتاز اختبار صمودها في اليوم الأول. وما يحدث بدلاً من ذلك أن التفريغ يُنتج أوزوناً وأكاسيد نيتروجين، وهي بوجود الرطوبة تهاجم العزل العضوي، والتفريغ نفسه يأكل أسطح البوليمر مباشرة. ويصل الفشل بعد سنوات كعطل تتبّع لا يستطيع أحد تفسيره من سجلات التشغيل التجريبي.

وهذه هي الحجة لنصف القطر في الجهد المتوسط وفي أنظمة 800 V إلى 1500 V DC الأحدث. والأمر لا يتعلق بالاختبار النمطي. بل بما تفعله المجموعة بين اختبار نمطي وآخر.

العزل لا يستطيع الانعطاف حول زاوية حادة

الحجة الميكانيكية أكثر ملموسية من الكهربائية، وهي بالنسبة لمعظم ورش لوحات الجهد المنخفض أوثق صلةً على الفور.

فكل طريقة عزل شائعة لقضبان التوزيع تفشل عند الزاوية القائمة بطريقتها الخاصة.

الأكمام الحرارية تنكمش شعاعياً ولا تتوافق مع انتقال داخلي بزاوية 90°. بل تجسر الزاوية. وتحت الجسر فجوة هوائية تمتد على امتداد طول القضيب، تجلس بالضبط عند نقطة أعلى مجال. كما أن أكمام قضبان التوزيع ثخينة الجدار سميكة بما يكفي لأن تقطعها حافة حادة أو تُرقّقها أثناء الانكماش.

والتغليف بمسحوق الإيبوكسي، المطبَّق كهروستاتياً أو بالسرير المميَّع، يعاني انحسار التوتر السطحي نفسه الذي يصيب كل طلاء عضوي على حافة. فيرقّ الغشاء حيث تحتاج السماكة أكثر ما تحتاجها.

وغشاء البولي إيميد الملفوف أو المصفَّح على القضيب يمتدّ فوق الزاوية كخيمة بدل أن يتبعها، والشدّ في الغشاء يتركّز عند الزاوية أثناء الخدمة.

والتغليف بالحقن يترك ظلّ جريان عند الزاوية، وعند التبريد يسحبه انكماش البوليمر بعيداً عن أحدّ معلم أولاً.

وفي الحالات الأربع يكون العيب واحداً: فجوة مملوءة بالغاز عند أعلى نقطة مجال في الهندسة. وذلك أسوأ موضع ممكن لها. ففي فجوة سماحيتها النسبية 1 مطمورة في صلب سماحيته النسبية نحو 4، يكون المجال في الفجوة عدة أضعاف المجال في الصلب المحيط، بينما تكون متانة انهيار الغاز أدنى بكثير من متانة الصلب. فالفجوة تُفرِّغ أولاً، في كل دورة، والتفريغ يأكل جدار الفجوة إلى أن يزول الجدار.

وقد تتبّع العمل على عزل قضبان التوزيع المشبَّع بالإيبوكسي هذا التسلسل بالضبط: فالتفريغ الجزئي داخل عيب فقاعي يفكّك الإيبوكسي، ويرتفع ضغط الغاز، وينكسر جدار الفجوة حين يتجاوز الضغط صلابته. وموضع البدء هو العيب، والعيب هو حيث جعلت الهندسة استلقاء العزل مستحيلاً.

والزاوية المدوّرة لا تجعل العزل أفضل. بل تجعل من الممكن للعزل أن يكون بجودته على المسطّح.

انحسار الطلاء بالمسحوق والدهان عند الحواف

صناعة الطلاءات حسمت هذا الجدل قبل عقود وكتبت رقماً.

فحين يُطبَّق طلاء بوليمري على حافة حادة، مسحوقاً كان أم سائلاً، يسحب التوتر السطحي أثناء الانسياب والمعالجة المادة بعيداً عن الحافة. وسماكة الغشاء الجاف عند الحافة قد تهبط إلى كسر من السماكة على المسطّح المجاور، ولهذا يبدأ التآكل على الفولاذ المدهون من الحواف وينتشر إلى الداخل لا العكس.

وتعرّف ISO 8501-3 ثلاث درجات تحضير للحواف واللحامات وعيوب السطح. والدرجة P3، وهي الأدق، تشترط تدوير كل الحواف بنصف قطر لا يقل عن 2 mm. ثم تجعل ISO 12944-3

الدرجة P3 إلزامية للديمومة العالية والعالية جداً في فئة التآكلية C4 فأعلى، ولفئات الغمر من Im1 إلى Im4.

وذلك الـ 2 mm هو من حيث يأتي فعلاً حدّ أدنى قابل للدفاع لنصف القطر، وهو يأتي من مواصفة طلاءات لا من مواصفة كهربائية. فإن طلب منك عميل تبرير R2، فاستشهد بـ ISO 8501-3، لا بـ IEC 61439.

وتحفّظ واحد، حرصاً على عدم المبالغة في البيع. فدراسة منهجية منشورة في Progress in Organic Coatings قاست سماكة الغشاء الجاف فوق حواف فولاذية مدوّرة على مقاطع ميتالورجية مصقولة ولم تجد أثراً ذا دلالة إحصائية لنصف قطر الحافة على تغطية الطلاء عبر الأنظمة التي اختبرتها. وذلك العمل كان على فولاذ إنشائي لا على قضبان توزيع نحاسية، وهو لا يقلب الآلية، لكنه تذكير بأن عملية التدوير ونظام الطلاء قد يهمّان بقدر ما يهم رقم نصف القطر. فتدوير الحافة ضروري. وهو ليس كافياً بذاته.

شطف أم نصف قطر

هذان ليسا الشيء نفسه والفرق يستحق دقيقتين من التفكير عند مرحلة الرسم.

فالشطف حرف مائل مسطح. وشطف 1 mm × 45° يستبدل زاوية 90° واحدة بزاويتين 135°. وهو يزيل النتوء، ويأخذ الحدّة من مخاطر المناولة، ويساعد الطلاء قليلاً. أما كهربائياً فيساعد أقل بكثير مما يفترض الناس، لأنه ما زال لديك انقطاعان في السطح وما زال المجال يتركّز عندهما، لكن بشدة أقل.

ونصف القطر قوس حقيقي، مماسّ للوجهين، بلا أي انقطاع إطلاقاً. وذلك ما يريده المجال وما تريده الأكمام الحرارية والتغليف بالحقن.

فلسلامة المناولة، ولقضيب سيُربط بالبراغي ويُترك عارياً، يكون الشطف كافياً وهو أسرع إنتاجاً. أما لأي شيء سيُعزل أو يُغلَّف أو يعمل فوق بضع مئات من الفولتات بتباعد أوجه ضيق، فحدّد نصف قطر وقل ذلك على الرسم، لأن "شطف 1 mm" و"R1" سيُنتجان بأدوات مختلفة ولن يؤديا الأداء نفسه.

الكلفة بالنحاس

التدوير يزيل مقطعاً، والمقطع سعة تيار.

والمساحة المزالة عند كل زاوية هي R²(1 − π/4)، أي نحو 0.215 R². وعلى قضيب 100 × 10 mm مساحته 1000 mm²، تزيل أربع زوايا عند R5 نحو 21.5 mm²، أي أكثر قليلاً من 2%. وعند R3 على قضيب 60 × 10 mm يكون ذلك نحو 1.3%. وشطف 1 mm × 45° على القضيب 100 × 10 نفسه يزيل 2 mm²، أي 0.2%.

واثنان بالمئة من الموصل ليسا كارثة، لكنهما ليسا لا شيء أيضاً على قضيب حُجِّم بلا هامش، وهما يتراكمان مع خفض التقنين الذي أخذته أصلاً للغلاف وللتجميع. فإن كنت قريباً من الحدّ، فمرّر الهندسة عبر حاسبة سعة تيار قضبان التوزيع بفقد الزوايا وبدونه قبل أن تلتزم بنصف قطر كبير على قضيب مُحمَّل بشدة.

الأيدي والقفازات والسبب الذي تفعله معظم الورش لأجله فعلاً

حافة نحاس مقصوصة بنتوء 0.2 mm ستفتح قفاز حماية من وميض القوس. وستفتح يداً أيضاً. فقضيب التوزيع ثقيل، ويُناوَل مراراً أثناء التجميع، وكثيراً ما يُدفع إلى موضعه بثقل جسم المركّب خلفه.

وهذا هو سبب تحديد معالجة الحواف على مجموعات لا توجد فيها حجة تركّز مجال إطلاقاً، وهو سبب جيد تماماً. وهو أيضاً السبب الذي يُقاس، لأن استهلاك القفازات وسجلات الإسعافات الأولية أمور يتتبعها مدير المصنع أصلاً.

إنتاجه بشكل قابل للتكرار

سبب معاملة نصف قطر الحافة على قضبان التوزيع كأمر اختياري في ورش كثيرة هو أنه كان عملية يدوية بمبرد أو بمجلخة قالبية، ما جعله غير متسق وبطيئاً وغير محبَّب.

وفئتا ماكينات تعالجانه. فـالشطف يستخدم مغزل تفريز بأداة تشكيل لقطع شطف أو نصف قطر محدد على امتداد حافة القضيب، بما في ذلك حول حواف الثقوب المثقوبة وعلى امتداد الأطراف. وماكينة الشطف EMAC-XT تشغّل مغزل BT40 حتى 6000 rpm بمغيّر أدوات أوتوماتيكي بستة مواضع، وتعالج قضباناً بسماكة 3 إلى 15 mm وعرض 30 إلى 230 mm، وتحافظ على ±0.05 mm في التموضع وقابلية التكرار. ومغيّر الأدوات يهم هنا: فأداة شطف وأداة تشكيل نصف قطر وأداة حافة ثقب على البرنامج نفسه تعني أن المشغّل لا يقف عند الماكينة يبدّل الأطواق بين معلم وآخر.

وإزالة النتوءات عملية مختلفة بغرض مختلف. فهي تزيل النتوء وتضع كسر حافة صغيراً غير مضبوط على كل شيء، بما في ذلك حواف الثقوب، في تمريرة واحدة. وماكينة إزالة النتوءات BND800-2 تأخذ قضباناً بسماكة 0.5 إلى 50 mm وعرض 100 إلى 800 mm بسرعة 5 إلى 30 m/min. وتلك الإنتاجية هي ما يجعل إزالة النتوءات عن كل قضيب ممكنة بدل الاقتصار على ما أشّر عليه أحدهم.

والتمييز الذي ينبغي التمسك به: إزالة النتوءات تجعل القضيب آمن المناولة وتزيل المعدن البارز الذي كان سيجلس لولا ذلك بين وجهين متقابلين في وصلة مربوطة بالبراغي. وهي لا تُنتج نصف قطر مضبوطاً. فإن طلب رسم R3 ومرّر أحدهم القضيب عبر خط إزالة نتوءات وأشّر على الخانة، فمشكلة العزل التي كنت تحاول حلّها ما زالت هناك.