Co decyduje o niezawodności połączenia śrubowego szyn prądowych

Trasa szyn prądowych jest w dużej mierze problemem rozwiązany. Przekrój szyny dobiera się na podstawie prądu, wzrost temperatury jest weryfikowany, a zachowanie metalu jest zgodne z oczekiwaniami. Miejsca, w których tkwi inżynieria, to połączenia – i to one są miejscem, gdzie rozdzielnice ulegają spaleniu. Wiele czynników decydujących o trwałości połączenia jest ustalanych w warsztacie produkcyjnym, zanim szyna dotrze na plac budowy: płaskość powierzchni przylegających, czy usunięto zadziały, sposób wykonania otworów oraz stan powierzchni w miejscu kontaktu dwóch szyn.

Pozorna powierzchnia kontaktu jest fikcją

Dwie szyny o szerokości 50 mm nakładające się na 70 mm zapewniają nominalną powierzchnię kontaktu 3500 mm². Prawie żadna z nich nie przewodzi prądu.

Rzeczywiste powierzchnie nie są idealnie płaskie. Po złączeniu dwie szyny stykają się tylko w szczytach nierówności, a prąd przepływa tylko tam, gdzie szczyty te przebijają filmy powierzchniowe, tworząc kontakt metal-metal. Są to miejsca przewodzenia, powszechnie nazywane plamkami a (ang. a-spots) zgodnie z opisem Holma. Wytyczne Copper Development Association dotyczące szyn prądowych szacują ich powierzchnię na poziomie około 1% powierzchni nakładania.

Pomiary są mniej optymistyczne. Praca Braunovica dotycząca mocy na wysokim poziomie połączonych śrubowo nakładanych opublikowana w IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies w 2002 roku obliczyła stosunek rzeczywistej powierzchni przewodzącej do oczekiwanej powierzchni kontaktu dla połączeń cztero- i sześciośrubowych przekładnika-szyna. Bez przygotowania powierzchni stosunek ten wynosił 0,0003% do 0,0023%. W przypadku obrobionych i nasmarowanych powierzchni najlepszy wynik sięgał około 4%. Nawet w najlepiej przygotowanym połączeniu testowanym, 96% powierzchni kontaktu było nieaktywnych.

Stosunek obciążenia leżący u podstaw tego zjawiska jest prosty: siła kontaktu F wiąże się z pozorną powierzchnią A i twardością H jako F = ξHA, a Holm wykazał, że twardość wiąże się z naprężeniem granicznym jako H ≈ 3σy. Miększy materiał ulega odkształceniu przy mniejszym ciśnieniu i zapewnia większą rzeczywistą powierzchnię kontaktu przy takim samym obciążeniu śruby, dlatego aluminium łatwo tworzy ścisły kontakt, a następnie ma problem z pełzaniem.

Opór zaciskowy

Ponieważ prąd może przepływać tylko przez plamki a, linie prądu w materiale zbliżają się do każdej plamki i rozchodzą się od niej. To zbieżność stanowi sam w sobie opór, niezależny od jakiegokolwiek filmu powierzchniowego, i nazywa się oporem zaciskowym. Dla pojedynczej kołowej plamki o promieniu a między dwoma identycznymi metalami o oporze właściwym ρ:

Rc = ρ / 2a

Między różnymi metalami wzór przyjmuje postać (ρ₁ + ρ₂) / 4a. Całkowity opór kontaktu obejmuje również opór filmu Rf = σ/πa², gdzie σ jest oporem na jednostkę powierzchni jakiegokolwiek tlenku lub zanieczyszczenia, przez które prąd musi przenikać lub przechodzić w procesie spiekania.

Istotna część to mianownik. Opór zaciskowy skaluje się z promienia plamki, a nie z jej powierzchni, więc podwojenie powierzchni plamki zmniejsza jej opór zaciskowy tylko o około 1,4 razy, natomiast podwojenie liczby plamek zmniejsza go o połowę. Dlatego przygotowanie powierzchni jest skuteczniejsze niż moment obrotowy śruby: moment zwiększa istniejące plamki, a przygotowanie tworzy nowe.

Miedź o oporze właściwym 1,724 × 10⁻⁸ Ω·m z jedną plamką a o promieniu 10 µm daje Rc = 862 µΩ tylko dla tej jednej plamki. Tysiąc plamek połączonych równolegle dałoby 0,86 µΩ. Rzeczywiste połączenia mają wyższe wartości, ponieważ blisko rozmieszczone plamki zakłócają wzajemnie swoje pola prądowe i cały zespół zachowuje się częściowo jak jeden większy zacisk, ale rząd wielkości wyjaśnia, dlaczego dobre połączenie wykazuje opór w jednocyfrowych mikroomach.

Docisk kontaktowy — wartości docelowe

Opór kontaktowy gwałtownie maleje wraz ze wzrostem docisku kontaktowego, a następnie przestaje się zmniejszać. Wytyczne CDA są konkretne: powyżej ok. 30 N/mm² dalsza poprawa jest niewielka, poniżej 7 N/mm² w większości przypadków jest niezalecana, a preferowane są ciśnienia powyżej 10 N/mm². Niezależne badania połączeń szyn miedzianych obejmowały zakres od 6 do 36 MPa i wykazały, że opór kontaktowy spadał z ok. 16 µΩ przy 6 MPa do ok. 11 µΩ przy 30 MPa, bez istotnej dalszej poprawy.

Wartość docelowa to przedział, a nie wartość maksymalna: pomiędzy 10 a 30 N/mm² uśredniony na powierzchni nakładki. To przedział, a nie jedna liczba, ponieważ ciśnienie nie jest w żaden sposób jednorodne na całej powierzchni nakładki.

Moment obrotowy jako zamiennik siły dociskowej — i zły zamiennik

Docisku kontaktowego nie można zmierzyć w warunkach terenowych. Wy go wnioskować na podstawie momentu obrotowego śruby za pomocą:

T = K F D

gdzie T to moment obrotowy w Nm, F to siła śruby w N, D to nominalna średnica śruby w m, a K to współczynnik nakrętki, który zależy od tarcia w gwincie, wykończenia powierzchni, powłoki galwanicznej i stanu smarowania. CDA podaje wartości 0,20 do 0,22 na sucho, 0,19 do 0,21 z zastosowaniem pasty kontaktowej oraz 0,15 do 0,16 z smarem granicznym disiarczku molibdenu. Wykonując obliczenia dla własnej, przedstawionej przez CDA konfiguracji szyny o szerokości 50 mm: nakładka 70 mm, powierzchnia połączenia 3500 mm², dwie śruby M12 z momentem 45 Nm.

Ten sam klucz dynamometryczny, to samo ustawienie, ten sam monter. Rozrzut siły dociskowej o 47%, a połączenie ląduje wygodnie w preferowanym przedziale lub poniżej niego, w zależności od tego, czy gwinty zostały przetarte. To jeszcze przed kalibracją klucza lub kolejnością dokręcania śrub. Sterowanie momentem obrotowym nie jest bezużyteczne, ale samo w sobie nie pozwala zagwarantować konkretnej wartości docisku kontaktowego, co jest jedną z głównych przyczyn, dla których zalecany przedział jest tak szeroki.

Podkładki sprężyste Belleville'a · uzasadnione termicznie

Drugą przyczyną, dla której siła dociskowa nie utrzymuje się na zadanym poziomie, jest temperatura.

IEC 61439-1 dopuszcza wzrost temperatury o 105 K dla nagich szyn miedzianych, więc szyna w otoczeniu o temperaturze 35 °C może legalnie osiągnąć 140 °C. Śrubą przechodząca przez nią nie ma tej samej temperatury ani takiego samego współczynnika rozszerzalności cieplnej. Dla miedzi wynosi on ok. 16,5 × 10⁻⁶ na °C, dla stali o wysokiej wytrzymałości 11,1 × 10⁻⁶, a dla brązu glinowego CW307G 16,2 × 10⁻⁶.

Przy śrubie stalowej przechodzącej przez miedziane połączenie miedź rozszerza się szybciej niż śruba, więc napięcie śruby rośnie wraz z nagrzewaniem się połączenia. Brzmi to pomocnie, ale tak nie jest. CDA wymaga, aby maksymalne napięcie śruby w dowolnym zakresie pracy nie przekraczało 95% granicy sprężystości, ponieważ śruba, która przekroczy granicę塑性 deformation (plastycznej deformacji), nie wraca do pierwotnego stanu, a po ostygnięciu połączenie jest luźniejsze niż na początku. Cykliczne obciążanie przez dziesięć lat powoduje, że połączenie całkowicie traci swoją siłę.

Istnieją dwa rozwiązania. Jednym z nich jest zastosowanie śruby, której rozszerzalność termiczna jest zbliżona do miedzi, co stanowi argument za użyciem CW307G o współczynniku 16,2 × 10⁻⁶ w porównaniu z 16,5 dla miedzi – różnica jest na tyle niewielka, że napięcie śruby praktycznie się nie zmienia. Drugim rozwiązaniem jest zachowanie śruby stalowej i umieszczenie w stosie sprężyny talerzowej (podkładki talerzowej), dobranej pod względem wysokości i sztywności sprężystej, tak aby rozszerzanie termiczne sprężało sprężynę zamiast rozciągać śrubę.

Podkładki talerzowe (Belleville) są zazwyczaj sprzedawane jako środek antywibracyjny. Nie jest to jednak ich funkcja w tym zastosowaniu. Są elementem kompensacyjnym, który przeksztyfnia sztywne, o małym skoku połączenie śrubowe w bardziej elastyczne, tak aby kilka setnych milimetra rozszerzalności różnicowej nie powodowało dużej zmiany obciążenia. Połączenia Braunovica stosowały grube, płaskie podkładki o grubości 3 do 4 mm, o średnicy 1,4 razy większej niż średnica sprężyny talerzowej, aby zapobiec wciskaniu się krawędzi sprężyny.

Jakie przygotowanie powierzchni faktycznie przynosi efekty

Branovic mierzył rezystancję kontaktową połączenia na identycznym oprzyrządowaniu, zmieniając tylko wykończenie powierzchni. Połączenia cztero- i sześciośrubowe, moment obrotowy 60 Nm, podkładki talerzowe, prąd stały 150 A, średnia odczytów z godziny.

Są to podkładki łączeniowe z aluminium kontaktujące z szyną prądową z aluminium, więc wartości bezwzględne nie przenoszą się bezpośrednio na połączenie miedziane. Istotne są proporcje. Między powierzchnią oryginalną a frezowaną i smarowaną przy tym samym oprzyrządowaniu rezystancja kontaktowa spadła 24-krotnie w konfiguracji czterośrubowej i 70-krotnie w sześciośrubowej. Żadne działanie przy użyciu klucza dynamometrycznego nie dorównuje temu efektowi.

Powierzchnie frezowane również wykazywały lepsze wyniki niż szlifowane druciakiem, co przypisuje się jednorodnej wysokości i rozmieszczeniu nacięć frezowanych, zapewniających bardziej przewidywalną nośną powierzchnię kontaktową. Kierunek tych zmian jest istotny: celowo zszorstkowana powierzchnia przewyższa gładko wypolerowaną, ponieważ ostre nierówności przebijają filmy tlenkowe przy znacznie mniejszym obciążeniu niż tępe. Polerowanie powierzchni styku na lustro jest niekorzystne.

Wartości takie jak „błyszcząca miedź 3 do 5 µΩ, lekka warstwa utlenienia 15 do 25 µΩ, gruba warstwa tlenkowa 50 do 200 µΩ” są przywoływane w wielu źródłach. Nie udało się prześledzić dla nich pierwotnych pomiarów, a podanie samej wartości rezystancji kontaktowej nie ma znaczenia bez podania geometrii połączenia, liczby śrub i prądu próbnego. Wartości te ilustrują jedynie kolejność wielkości, a nie stanowią danych projektowych.

Pokrywanie: cztery opcje, cztery różne tryby uszkodzeń

Bare copper jest domyślnym rozwiązaniem i lepszym, niż często się przypuszcza. Miedź utlenia się powoli, a tworząca się warstwa jest półprzewodząca, a nie izolująca, ponieważ jony miedzi dyfundują w jej głąb, a przewodnictwo zachodzi w obu kierunkach. CDA nie zaleca pokrywania połączeń miedź-miedź, chyba że środowisko tego wymaga, z powodu, który może zaskakiwać: materiały pokryciowe są miękkie, a miękka warstwa może upłynniać się w wysokiej temperaturze i zmniejszać nacisk kontaktowy. Niepokryta miedź wymaga jednak zastosowania preparatu ułatwiającego kontakt, aby wypełnić pustki między plamkami kontaktowymi (a-spots) i zapobiec przedostawaniu się tlenu i wilgoci. Wazelina techniczna działa, a smar silikonowy do zastosowań próżniowych sprawdza się w wyższych temperaturach.

Cyna jest tania, a jej tlenek łatwo ulega rozerwaniu pod ciśnieniem, ale jest miękka, więc pełza pod stałym obciążeniem i łatwo ulega uszkodzeniu przy frettingu (mikrodrganiach). Cyna czysta tworzy fibrillowce (whiskery), które mogą powodować przejściowe zwarcia, dlatego CDA odradza jej stosowanie, a stopy cyny z ołowiem, które historycznie rozwiązywały ten problem, są obecnie wykluczone ze względu na kwestie środowiskowe. Przestopy miedź-cyna rosną na interfejsie wraz ze wzrostem temperatury i mają wyższy opór niż metale wyjściowe, co sprawia, że cyna ma najniższy dopuszczalny sufit temperaturowy spośród czterech opcji.

Srebro ma najlepsze właściwości elektryczne. Jego tlenek jest przewodniki i wystarczająco cienki, aby zostać wypchnięty pod ciśnieniem kontaktowym, a wytrzymuje najwyższe temperatury. Jest drogie i nie sprawdza się w atmosferach zawierających siarkę, gdzie łatwo tworzy się siarczek srebra: zakłady celulozowo-papiernicze, oczyszczalnie ścieków, wszędzie w pobliżu rafinerii.

Nikiel jest preferowanym ogólnym powłoką CDA, ponieważ jest tani, trwały i wystarczająco twardy, aby wytrzymać obsługę podczas montażu. Kompromis dotyczy właściwości elektrycznych. Tlenek niklu jest twardy i wymaga dużego ciśnienia kontaktowego, aby go przebić, więc połączenie niklowane zmontowane na dolnym końcu przedziału nie będzie działać prawidłowo, a nikiel słabo się sprawdza przy dużej wilgotności.

Powłoki metalowe są cienkie, zazwyczaj 2 do 5 µm, i chronią tylko wtedy, gdy są ciągłe. Dziura w otoczeniu korozyjnym jest gorsza niż brak powłoki, ponieważ koncentruje atak.

Parowanie z aluminium

Miedź i aluminium w bezpośrednim kontakcie z jakimkolwiek obecnym elektrolitem tworzą ogniwo galwaniczne, a aluminium jest połową ofiarną. Standardowe potencjały elektrodowe wynoszą +0,34 V dla miedzi i −1,66 V dla aluminium w stosunku do standardowej elektrody wodorowej. W suchym, uszczelnionym wnętrzu szafy może to być możliwe przez lata, w czymkolwiek wilgotnym lub przybrzeżnym już nie. Rozwiązania, w kolejności rosnących kosztów, to: związek uszczelniający interfejs przed wilgocią, pokrywanie cyną, aby powierzchnie styku były jednakowe, lub spawana tarciowo lub wybuchowo bimetaliczna płyta przejściowa, która przenosi interfejs różnych metali do fabryki. Różnice w obróbce między tymi dwoma metalami wykraczają dalej niż samo połączenie.

Mikropiły i relaksacja: jak dobre połączenia stają się złe

Dwa powolne mechanizmy odpowiadają za większość połączeń, które przechodzą odbiór, a zawodzą po latach.

Mikropiły to uszkodzenie powierzchni spowodowane bardzo małym ruchem oscylacyjnym na interfejsie, a amplitudy są zaskakująco małe. Przemieszczenia mniejsze niż 100 nm wystarczają, aby je rozpocząć, a ponieważ poślizg poniżej około 125 µm nie może wymieść odpadów zrefowanego kontaktu, utlenione cząstki ścieru pozostają na miejscu i budują grubą izolującą trzecią warstwę. Opór kontaktu gwałtownie rośnie w kierunku obwodu otwartego. Oscylacja pochodzi od wibracji, różnicowej rozszerzalności termicznej lub po prostu nagrzewania i chłodzenia połączenia w cyklach obciążenia.

Pełzanie i relaksacja naprężeń to drugi mechanizm. Pełzanie to zmiana wymiarowa przy utrzymywanym obciążeniu; relaksacja naprężeń to utrata ciśnienia kontaktowego bez zmiany wymiarowej, gdy odkształcenie sprężyste przekształca się w plastyczne. Oba zjawiska zależą od czasu, temperatury i naprężenia, a oba są wyraźnie gorsze w przypadku aluminium. Porównanie CDA wyraźnie stwierdza różnicę: wyżarzane aluminium 1080 w 20 °C wykazuje minimalną prędkość pełzania na poziomie 0,022% na 1000 godzin przy 26 N/mm², podczas gdy wyżarzana miedź o wysokiej przewodności osiąga tę prędkość przy tym samym naprężeniu dopiero po ogrzaniu do 150 °C.

To jest problem łączenia aluminium w jednym zdaniu. W temperaturze pokojowej aluminium pod normalnym ciśnieniem kontaktowym szyn prądowych już pełza z prędkością, której miedź nie osiąga dopiero znacznie powyżej swojego zakresu pracy. Połączenia aluminiowe śrubowe wymagają standardowo sprężyn tarczowych, a nie jako ulepszenie, i wymagają harmonogramów dokręcania, których połączenia miedziane nie potrzebują.

Gdzie pojawia się warsztat obróbkowy

Równość przede wszystkim. Braunovic przypisał słabą wydajność połączeń bez rowków niedopasowaniu między sztywnymi prętami: niektóre obszary przenoszą duże naprężenia i ulegają odkształceniu plastycznemu, inne ledwo się stykają, a powierzchnia przenosząca obciążenie jest mała. Pręt z 1 mm skrętu na swojej długości nie leży płasko wobec sąsiada, niezależnie od momentu dokręcenia.

Następnie zadry. Zadra na krawędzi otworu wytłoczonego to wypukły metal stojący ponad powierzchnią przylegania. Utrzymuje on pręty w rozstawie wokół otworu, dokładnie tam, gdzie śruba wywiera swoje ciśnienie, i zamienia kontakt powierzchniowy na kontakt pierścieniowy na zadrze. Zadziarka BND800-2 obsługuje pręty o grubości 0,5 do 50 mm i szerokości 100 do 800 mm z prędkością 5 do 30 m/min, co wystarcza, aby zdzieranie zadry z każdego pręta było decyzją harmonogramową, a wąskim gardłem.

Jakość otworów wynika z tej samej operacji. Wycinanie z prawidłowym luzem pozostawia czystą ścianę otworu i małą, powtarzalną zadrę wylotową; nadmierny luz pozostawia podartą krawędź i dużą zadę. Lokalizacja ma również znaczenie elektryczne: otwory powinny znajdować się w linii wzdłuż połączenia, ponieważ ich przesunięcie zakłóca przepływ prądu, a dominującym składnikiem wydajności połączenia jest przekrój utracony na otworach. DIN 43673-1 określa lokalizacje i rozmiary otworów i jest lepszym punktem wyjścia niż norma wewnętrzna.

Na powierzchniach przylegania pożądana jest jednolita, kontrolowana szorstkość, a nie połysk, oraz kontrolowana krawędź na granicy nakładki, gdzie ostry kąt jest zarówno koncentratorem naprężeń w rozkładzie ciśnienia, jak i punktem koncentracji pola. Ta druga konsekwencja jest tematem fazowania i promienia krawędzi szyn prądowych.

Geometria nakładki to ostatni element. Kara za zniekształcenie prądu w połączeniu nakładanym, efekt strugowy, spada gwałtownie wraz ze wzrostem stosunku nakładki do grubości do wartości około 2, a następnie się wyrównuje. Bardzo długie nakładki nic nie kupują; potrzebna jest wystarczająca długość, aby zmieścić śruby generujące ciśnienie kontaktowe. Dwie zmiany geometrii są wolne na etapie wycinania. Nachylenie końców prętów pod kątem mniejszym niż 45° zmniejsza początkowy opór połączenia o około 15% i spowalnia wzrost oporu podczas cykli prądowych w stosunku 1,3 do 1,5. Podłużna szczelina wycięta w obu prętach zmniejsza opór kontaktowy o 30 do 40%, wyrównując ciśnienie wzdłuż każdej nogi. Oba zabiegi są tańsze do wykonania na linii do wycinania i gięcia niż do wyjaśniania po fakcie.

Połączenie o sprawności poniżej 100% nagrzewa się bardziej niż otaczający je pręt, a w szafie pełnej połączeń to ciepło kumuluje się. Kalkulator nośności prądowej podaje bazę termiczną pręta, czyli budżet, w którym muszą się mieścić połączenia.