Co decyduje o niezawodności połączenia śrubowego szyn prądowych

Trasa szyn prądowych to w większości problem rozwiązany. Przekrój szyny dobiera się z prądu, przyrost temperatury się weryfikuje, a metal robi to, co metal robi. Prawdziwa inżynieria jest w połączeniach i to tam palą się rozdzielnice. Znaczna część tego, co decyduje o trwałości połączenia w eksploatacji, rozstrzyga się w zakładzie produkcyjnym, zanim szyna dotrze na budowę: jak płaskie są powierzchnie przylegania, czy zdjęto zadzior, jak wykonano otwory i jak wygląda powierzchnia tam, gdzie obie szyny się zetkną.

Pozorna powierzchnia styku jest fikcją

Dwie szyny 50 mm z zakładką 70 mm dają nominalną powierzchnię styku 3500 mm². Prąd nie płynie prawie przez żadną jej część.

Rzeczywiste powierzchnie nie są płaskie. Dociśnięte do siebie, dwie szyny stykają się tylko na wierzchołkach nierówności, a prąd przechodzi wyłącznie tam, gdzie te wierzchołki przebiły warstwy powierzchniowe i uzyskały styk metal–metal. To właśnie mikroobszary rzeczywistego styku, powszechnie nazywane a-spotami za pracami Holma. Wytyczne Copper Development Association dotyczące szyn prądowych umieszczają je na poziomie rzędu 1% powierzchni zakładki.

Pomiary są mniej pochlebne. Prace Braunovicia nad zakładkowymi połączeniami śrubowymi dużej mocy, opublikowane w IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies w 2002 roku, wyznaczyły stosunek rzeczywistej powierzchni przewodzącej do spodziewanej powierzchni styku dla połączeń zacisk–szyna na cztery i sześć śrub. Bez przygotowania powierzchni stosunek ten wyniósł od 0,0003% do 0,0023%. Po obróbce skrawaniem i nasmarowaniu najlepszy przypadek sięgnął około 4%. Nawet w najlepiej przygotowanym z badanych połączeń 96% powierzchni styku nie robiło nic.

Zależność nośna, która za tym stoi, jest prosta: siła styku F wiąże się z powierzchnią pozorną A i twardością H jako F = ξHA, a Holm wykazał, że twardość wiąże się z granicą plastyczności jako H ≈ 3σy. Materiał miększy uplastycznia się przy niższym nacisku i daje przy tym samym obciążeniu śruby większą rzeczywistą powierzchnię styku — dlatego aluminium łatwo uzyskuje bliski styk i dlatego aluminium ma potem problem z pełzaniem.

Rezystancja przewężenia

Ponieważ prąd może przejść tylko przez a-spoty, linie prądu w litym metalu zbiegają się do każdego z nich i rozbiegają się z niego. Samo to zbieganie jest rezystancją, niezależną od jakiejkolwiek warstwy powierzchniowej, i nazywa się rezystancją przewężenia. Dla pojedynczego kołowego mikroobszaru o promieniu a między dwoma identycznymi metalami o rezystywności ρ:

Rc = ρ / 2a

Między metalami różnymi przyjmuje postać (ρ₁ + ρ₂) / 4a. Całkowita rezystancja przejścia dokłada do tego rezystancję warstwy Rf = σ/πa², gdzie σ to rezystancja na jednostkę powierzchni warstwy tlenków albo zanieczyszczeń, przez którą prąd musi przetunelować albo ją przebić.

Ważny jest mianownik. Rezystancja przewężenia skaluje się z promieniem mikroobszaru, a nie z jego powierzchnią, więc podwojenie powierzchni jednego mikroobszaru obniża jego rezystancję przewężenia tylko mniej więcej 1,4 raza, podczas gdy podwojenie liczby mikroobszarów zmniejsza ją o połowę. Dlatego przygotowanie powierzchni jest silniejszą dźwignią niż moment dokręcenia śrub: moment powiększa istniejące mikroobszary, przygotowanie tworzy nowe.

Ujmijmy to liczbowo. Miedź o rezystywności 1,724 × 10⁻⁸ Ω·m z jednym a-spotem o promieniu 10 µm daje Rc = 862 µΩ dla samego tego mikroobszaru. Tysiąc równolegle dałby 0,86 µΩ. Rzeczywiste połączenia leżą powyżej tej wartości, bo blisko siebie położone mikroobszary zakłócają wzajemnie swoje pola prądowe i skupisko zachowuje się częściowo jak jedno większe przewężenie — ale rząd wielkości wyjaśnia, dlaczego dobre połączenie mierzy się w pojedynczych mikroomach.

Docelowy nacisk styku

Rezystancja przejścia spada stromo wraz z naciskiem styku, a potem przestaje spadać. Wytyczne CDA są konkretne: powyżej mniej więcej 30 N/mm² poprawa jest już niewielka, poniżej 7 N/mm² w większości przypadków nie jest wskazane, a preferowane są naciski powyżej 10 N/mm². Niezależne prace nad połączeniami szyn miedzianych badały zakres od 6 do 36 MPa i wykazały spadek rezystancji przejścia z około 16 µΩ przy 6 MPa do około 11 µΩ przy 30 MPa, bez istotnego zysku powyżej.

Celem projektowym jest więc pasmo, a nie maksimum: gdzieś między 10 a 30 N/mm² uśrednione po zakładce. Jest to pasmo, a nie jedna liczba, bo nacisk nie jest na zakładce ani w przybliżeniu równomierny.

Moment dokręcenia zastępuje siłę wstępną, i to źle

Nacisku styku nie da się zmierzyć w warunkach montażu. Wnioskuje się o nim z momentu dokręcenia śruby przez zależność:

T = K F D

gdzie T to moment w Nm, F to siła w śrubie w N, D to nominalna średnica śruby w m, a K to współczynnik dokręcania, zależny od tarcia na gwincie, chropowatości powierzchni, powłoki i stanu nasmarowania. CDA podaje 0,20 do 0,22 na sucho, 0,19 do 0,21 ze środkiem poprawiającym styk i 0,15 do 0,16 ze smarem granicznym na bazie dwusiarczku molibdenu. Przeliczmy to na tablicowym układzie CDA dla szyny 50 mm: zakładka 70 mm, powierzchnia połączenia 3500 mm², dwie śruby M12 dokręcone momentem 45 Nm.

Ten sam klucz dynamometryczny, to samo nastawienie, ten sam monter. Rozrzut siły wstępnej 47% i połączenie, które trafia albo wygodnie w preferowane pasmo, albo nieco poniżej, w zależności od tego, czy ktoś przetarł gwinty. A to jeszcze przed uwzględnieniem kalibracji klucza i kolejności dokręcania. Kontrola momentem nie jest bezużyteczna, ale sama w sobie daje połączenie, dla którego nie możesz zadeklarować nacisku styku — i w dużej mierze stąd bierze się szerokość zalecanego pasma.

Podkładki talerzowe zarabiają na siebie cieplnie

Drugim powodem, dla którego siła wstępna nie zostaje tam, gdzie ją ustawiono, jest temperatura.

IEC 61439-1 dopuszcza przyrost temperatury 105 K na gołych szynach miedzianych, więc szyna przy temperaturze otoczenia 35 °C może zgodnie z normą pracować przy 140 °C. Przechodząca przez nią śruba nie ma ani tej samej temperatury, ani tego samego współczynnika rozszerzalności. Miedź ma około 16,5 × 10⁻⁶ na °C, stal o wysokiej wytrzymałości 11,1 × 10⁻⁶, a brąz aluminiowy CW307G 16,2 × 10⁻⁶.

Przy stalowej śrubie w połączeniu miedzianym miedź rośnie szybciej niż śruba, więc wraz z nagrzewaniem połączenia rośnie napięcie śruby. Brzmi to pomocnie, a pomocne nie jest. CDA wymaga, aby maksymalne napięcie śruby w całym zakresie pracy pozostawało poniżej 95% granicy sprężystości, bo śruba przeciągnięta poza granicę plastyczności już nie wraca, a po ostygnięciu połączenie jest luźniejsze niż na początku. Powtarzaj ten cykl codziennie przez dziesięć lat, a połączenie rozluźni się do zera.

Dwa wyjścia. Użyć śruby o rozszerzalności dopasowanej do miedzi — to argument za CW307G z 16,2 × 10⁻⁶ wobec 16,5 dla miedzi, przy różnicy na tyle małej, że napięcie prawie się nie zmienia. Albo zostawić śrubę stalową i wstawić w pakiet podkładkę sprężystą talerzową, dobraną wysokością i sztywnością tak, żeby przyrost cieplny ściskał sprężynę zamiast rozciągać śrubę.

Podkładki talerzowe sprzedaje się zwykle jako zabezpieczenie przed odkręcaniem od drgań. Nie to tutaj robią. Są elementem podatnym, który zamienia sztywne połączenie śrubowe o małym skoku w bardziej miękkie, żeby kilka setnych milimetra różnicy rozszerzalności nie stawało się dużą zmianą obciążenia. Połączenia Braunovicia miały grube podkładki płaskie 3 do 4 mm o średnicy 1,4 raza większej niż podkładka talerzowa, żeby jej krawędź się nie wgryzała.

Ile naprawdę warte jest przygotowanie powierzchni

Braunović zmierzył rezystancję przejścia połączenia na identycznym osprzęcie, zmieniając wyłącznie obróbkę powierzchni. Połączenia na cztery i sześć śrub, 60 Nm, podkładki talerzowe, 150 A prądu stałego, średnia z odczytów w ciągu godziny.

To aluminiowe pola zaciskowe na aluminiowej szynie, więc nie przenoś tych wartości bezwzględnych na połączenie miedziane. Chodzi o proporcje. Między powierzchnią w stanie dostawy a obrobioną skrawaniem i nasmarowaną, na tym samym osprzęcie, rezystancja przejścia spadła 24-krotnie przy czterech śrubach i 70-krotnie przy sześciu. Nic, co zrobisz kluczem dynamometrycznym, nawet się do tego nie zbliża.

Powierzchnie obrobione skrawaniem wypadły też lepiej niż szczotkowane drucianą szczotką, co przypisano równomiernej wysokości i podziałce śladów obróbki, dających lepiej kontrolowaną powierzchnię nośną. Zwróć uwagę na kierunek tej zależności: powierzchnia celowo rozwinięta wygrywa z gładko wypolerowaną, bo ostre nierówności przebijają warstwy tlenków przy znacznie mniejszym obciążeniu niż tępe. Polerowanie powierzchni styku do lustra przynosi skutek odwrotny do zamierzonego.

Natrafisz też w kilku miejscach na liczby „miedź świeża 3 do 5 µΩ, lekki nalot 15 do 25 µΩ, gruba warstwa tlenków 50 do 200 µΩ". Nie udało nam się doprowadzić ich do pierwotnego pomiaru, a wartość rezystancji przejścia nic nie znaczy bez podanej obok geometrii połączenia, liczby śrub i prądu pomiarowego. Traktuj je jako ilustrację kolejności, a nie jako dane projektowe.

Powłoki: cztery opcje, cztery różne mechanizmy uszkodzenia

Goła miedź jest rozwiązaniem domyślnym i lepszym, niż większość ludzi zakłada. Miedź utlenia się powoli, a powstająca warstwa jest półprzewodząca, a nie izolacyjna, bo dyfundują w nią jony miedzi i przewodzenie zachodzi w obu kierunkach. CDA nie zaleca pokrywania galwanicznie połączeń miedź–miedź, o ile nie wymaga tego środowisko, a powód bywa zaskakujący: materiały powłok są miękkie, a miękka warstwa może w wysokiej temperaturze popłynąć i zmniejszyć nacisk styku. Goła miedź wymaga natomiast środka poprawiającego styk, który wypełni pustki między a-spotami i odetnie tlen oraz wilgoć. Wazelina techniczna działa, a smar silikonowy do próżni działa w wyższych temperaturach.

Cyna jest tania, a jej tlenek łatwo rozrywa się pod naciskiem, ale jest miękka, więc pełza przy długotrwałym nacisku i łatwo ulega uszkodzeniu przy fretingu. Czysta cyna wypuszcza wiskersy, które mogą powodować przejściowe zwarcia, więc CDA jej odradza, a stopy cyny z ołowiem, które historycznie ten problem rozwiązywały, są dziś wykluczone ze względów środowiskowych. Na styku rosną wraz z temperaturą fazy międzymetaliczne miedź–cyna, bardziej rezystancyjne niż każdy z metali wyjściowych, przez co cyna ma z tej czwórki najniższy pułap temperaturowy.

Srebro jest najlepsze elektrycznie. Jego tlenek jest przewodzący i na tyle cienki, że nacisk styku go usuwa, a materiał wytrzymuje najwyższe temperatury. Jest drogie i jest wyborem błędnym w atmosferach zawierających siarkę, gdzie łatwo powstaje siarczek srebra: w papierniach, oczyszczalniach ścieków, wszędzie w pobliżu rafinerii.

Nikiel to preferowana przez CDA powłoka uniwersalna — tania, trwała i na tyle twarda, że przetrwa obchodzenie się z materiałem przy montażu. Kompromis jest elektryczny. Tlenek niklu jest wytrzymały i wymaga wysokiego nacisku styku, żeby go przebić, więc połączenie niklowane zmontowane przy dolnej granicy pasma nie zadziała, a nikiel wypada słabo przy dużej wilgotności.

Powłoki metalowe są cienkie, zwykle 2 do 5 µm, i chronią tylko wtedy, gdy są ciągłe. Pojedynczy prześwit w środowisku korozyjnym jest gorszy niż brak powłoki, bo koncentruje atak.

Współpraca z aluminium

Miedź i aluminium w bezpośrednim styku, przy obecności jakiegokolwiek elektrolitu, tworzą ogniwo galwaniczne, w którym aluminium jest półogniwem poświęcanym. Standardowe potencjały elektrodowe wynoszą +0,34 V dla miedzi i −1,66 V dla aluminium względem standardowej elektrody wodorowej. W suchej, szczelnej szafie wnętrzowej może to uchodzić latami; w warunkach wilgotnych albo nadmorskich nie ujdzie. Środki zaradcze, rosnąco według kosztu, to pasta łącząca uszczelniająca styk przed wilgocią, cynowanie tak, żeby stykały się powierzchnie jednakowe, albo bimetalowa płytka przejściowa zgrzewana tarciowo lub platerowana wybuchowo, która przenosi styk metali różnych do fabryki. Różnice w obróbce obu metali sięgają dalej niż samo połączenie.

Freting i relaksacja: jak dobre połączenia się psują

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

Freting to uszkodzenie powierzchni od bardzo małych ruchów oscylacyjnych na styku, a amplitudy są zaskakująco małe. Do jego zapoczątkowania wystarczają przemieszczenia poniżej 100 nm, a ponieważ poślizg poniżej mniej więcej 125 µm nie jest w stanie wymieść produktów zużycia poza strefę styku, utlenione cząstki zostają na miejscu i narastają w grubą, izolującą warstwę pośrednią. Rezystancja przejścia rośnie wtedy stromo w stronę obwodu otwartego. Oscylacja bierze się z drgań, z różnicy rozszerzalności cieplnej albo po prostu z nagrzewania i stygnięcia połączenia przy zmiennym obciążeniu.

Drugim mechanizmem są pełzanie i relaksacja naprężeń. Pełzanie to zmiana wymiarów przy długotrwałym obciążeniu; relaksacja naprężeń to utrata nacisku styku bez zmiany wymiarów, gdy odkształcenie sprężyste przechodzi w plastyczne. Oba zależą od czasu, temperatury i naprężenia i oba są wyraźnie gorsze w aluminium. Porównanie CDA ujmuje różnicę czysto: wyżarzone aluminium 1080 przy 20 °C wykazuje minimalną prędkość pełzania 0,022% na 1000 godzin przy 26 N/mm², podczas gdy wyżarzona miedź wysokiej przewodności osiąga tę prędkość przy tym samym naprężeniu dopiero po nagrzaniu do 150 °C.

To jest problem połączeń aluminiowych w jednym zdaniu. W temperaturze pokojowej aluminium pod zwykłym naciskiem styku szyn prądowych już pełza z prędkością, której miedź nie osiąga aż daleko powyżej swojego zakresu eksploatacyjnego. Śrubowe połączenia aluminiowe wymagają podkładek talerzowych jako praktyki standardowej, a nie jako ulepszenia, i wymagają harmonogramów dokręcania, których połączenia miedziane nie potrzebują.

Gdzie wchodzi zakład produkcyjny

Najpierw płaskość. Braunović przypisał słabe wyniki połączeń bez wycięć niewspółosiowości między sztywnymi szynami: część obszarów przenosi wysokie naprężenie i uplastycznia się, inne ledwie się dotykają, a powierzchnia nośna wychodzi mała. Szyna z 1 mm skręcenia na swojej długości nie przylegnie płasko do sąsiedniej, niezależnie od tego, jakim momentem ją dokręcisz.

Potem zadziory. Zadzior na krawędzi wykrawanego otworu to wyniesiony metal wystający ponad powierzchnię przylegania. Rozpiera szyny wokół otworu, dokładnie tam, gdzie śruba wywiera nacisk, i zamienia styk powierzchniowy w styk pierścieniowy na zadziorze. Maszyna do gratowania BND800-2 obsługuje szyny o grubości 0,5 do 50 mm i szerokości 100 do 800 mm przy 5 do 30 m/min — na tyle szybko, że gratowanie każdej szyny jest decyzją harmonogramową, a nie wąskim gardłem.

Jakość otworu wynika z tej samej operacji. Wykrawanie przy poprawnym luzie zostawia czystą ściankę otworu i mały, powtarzalny zadzior na wyjściu; nadmierny luz zostawia rwaną krawędź i zadzior duży. Elektrycznie znaczenie ma też rozmieszczenie: otwory powinny leżeć w jednej linii wzdłuż połączenia, bo ich przesunięcie dodatkowo zaburza rozpływ prądu, a dominującym składnikiem sprawności połączenia jest przekrój utracony na otwory. DIN 43673-1 ustala położenia i wymiary otworów i jest lepszym punktem wyjścia niż norma zakładowa.

Na powierzchniach przylegania chcesz mieć równomierną, kontrolowaną chropowatość zamiast połysku oraz kontrolowaną krawędź na obrzeżu zakładki, gdzie ostry narożnik jest zarówno karbem w rozkładzie nacisku, jak i punktem koncentracji pola. Ta druga konsekwencja jest tematem artykułu o fazowaniu i promieniu krawędzi szyn prądowych.

Ostatnia jest geometria zakładki. Kara za zniekształcenie rozpływu prądu na połączeniu zakładkowym, czyli efekt linii prądu, maleje szybko, gdy stosunek długości zakładki do grubości rośnie do mniej więcej 2, a potem się wypłaszcza. Bardzo długie zakładki nic nie dają; potrzebujesz tyle długości, żeby zmieścić śruby wytwarzające nacisk styku. Dwie zmiany geometrii nic nie kosztują na etapie wykrawania. Ścięcie końców szyny pod kątem mniejszym niż 45° obniża początkową rezystancję połączenia o mniej więcej 15% i spowalnia jej narastanie przy cyklicznym obciążeniu prądem 1,3 do 1,5 raza. Podłużne wycięcie w obu szynach obniża rezystancję przejścia o 30 do 40%, wyrównując nacisk na każdej odnodze. Jedno i drugie taniej jest wykonać na linii do wykrawania i cięcia niż potem tłumaczyć.

Połączenie o sprawności poniżej 100% pracuje cieplej niż otaczająca je szyna, a w szafie pełnej połączeń to ciepło się sumuje. Kalkulator obciążalności prądowej podaje bazę cieplną samej szyny, czyli budżet, w którym muszą się zmieścić połączenia.