Układy otworów w szynach prądowych i co naprawdę określa DIN 43673-1

Wyszukaj DIN 43673, a każdy wynik na pierwszej stronie chce Ci sprzedać ten dokument. Nikt go nie wyjaśnia. Norma to cztery strony po niemiecku z lutego 1982 roku, a numer pojawia się na rysunkach klientów bez przerwy, zwykle jako samo odniesienie, bez żadnych wymiarów.

Co obejmuje ta norma

DIN 43673-1

, Stromschienen-Bohrungen und -Verschraubungen; Stromschienen mit Rechteck-Querschnitt, wydana w tłumaczeniu angielskim jako norma o otworach i połączeniach śrubowych szyn prądowych o przekroju prostokątnym. Cztery strony. Określa położenie i wymiary otworów oraz podaje dane wyjściowe do projektowania i wykonania połączeń śrubowych. Dotyczy prądu stałego oraz prądu przemiennego do 60 Hz.

Jej zakres jest związany z dwoma innymi dokumentami DIN: dotyczy szyn prostokątnych, których obciążalności prądowe długotrwałe podano w DIN 43670 (aluminium, 1975-12, dziesięć stron) i DIN 43671 (miedź, 1975-12, dziewięć stron). Rodzina dzieli się czysto. DIN 43671 mówi, ile prądu przeniesie dany przekrój szyny; DIN 43673-1 mówi, gdzie zrobić w niej otwory. Obie są u DIN Media nadal wykazywane jako aktualne, co przy dokumentach z tamtego okresu jest nietypowe.

Z brzmienia zakresu wynikają dwie rzeczy. Norma dotyczy połączenia, a nie tylko wiercenia, a „dane wyjściowe do projektowania połączeń śrubowych" to ta połowa, o której się zapomina. I górna granica 60 Hz jest realna: powyżej niej zjawiska naskórkowości i zbliżenia w strefie połączenia rozkładają prąd wokół otworów na tyle inaczej, że układ przestaje być właściwy.

DIN 46433 nie jest normą układów otworów w szynach

Ta poprawka dostaje własny nagłówek, bo błędne powołanie jest wszędzie, także w dokumentach przetargowych i na rysunkach dostawców przepisywanych latami.

DIN 46433

nosi tytuł Flachdrähte und Flachstangen, gezogen, mit gerundeten Kanten — Maße, czyli dotyczy drutów i prętów płaskich ciągnionych o zaokrąglonych krawędziach — wymiary. Osiem stron. Jest to norma wymiarowa dla ciągnionego drutu i pręta płaskiego: szerokość, grubość, promień krawędzi, tolerancje. Nie mówi nic o położeniach otworów, ich średnicach ani o połączeniach śrubowych. Została też wycofana i jest zastąpiona przez DIN EN 13601.

Jeśli otrzymany rysunek mówi „otwory według DIN 46433", rysunek jest błędny. Powołania, o które chodziło jego autorowi, to DIN 43673-1 dla układu otworów i DIN 43671 dla obciążalności prądowej, a jeśli sięgał po specyfikację materiałową, to jest nią EN 13601 — ten sam dokument, który zastąpił DIN 46433. Zgłoś to, zanim potniesz metal, bo rysunek błędnie powołujący jedną normę zwykle błędnie podaje też stan umocnienia.

Gdzie układ otworów spotyka się z weryfikacją zestawu

Układy otworów wyglądają na szczegół produkcyjny. Nie są nim, bo powstające z nich połączenie mieści się w zakresie normy zestawu, wobec której gotowa rozdzielnica jest weryfikowana.

IEC 61439-1 mówi to wprost. W badaniu przyrostu temperatury punkt 10.10.2.3.3 wymaga, aby szczególną uwagę zwrócić na połączenia w przewodach i na zaciski w obwodach głównych. Połączenia są wskazanymi punktami pomiarowymi. Punkt 10.10.2.3.7 a) wymaga, aby przy osobnym badaniu szyn głównych badana długość wynosiła co najmniej 2 m i obejmowała jedno złącze tam, gdzie szyny są przedłużalne, a punkt zwarciowy 10.11.5.3.3 ustala tę długość na (2 ± 0,4) m przy tym samym warunku.

Dalej kryterium odbioru. Po badaniu zwarciowym punkt 10.11.5.5 stwierdza, że nie może dojść do poluzowania części służących do przyłączania przewodów. Połączenie, które przetrwa cieplnie, ale odpuści pod działaniem sił elektrodynamicznych, oblewa badanie zestawu — a o tym decydują odległość od krawędzi i dobór śrub.

Odległość od krawędzi

Norma ustala położenie środków otworów względem krawędzi szyny. Równoważone są tu dwie niezależne rzeczy.

Mechanicznie mostek między otworem a krawędzią szyny przenosi podczas zwarcia nacisk od śruby. Prąd szczytowy wytrzymywany rozpycha sąsiednie szyny albo je przyciąga siłami, które ostatecznie przechodzą przez grupę śrub. Za mało materiału przy krawędzi i mostek się uplastycznia, otwór się wydłuża, siła wstępna spada, a połączenie się luzuje. Całkowite wyrwanie jest w miedzi o rozsądnej grubości rzadkie; prawdziwym uszkodzeniem jest postępujące wydłużanie otworu, a po nim utrata nacisku styku — i to gorsze, bo pozostaje niewidoczne, dopóki nie wychwyci go badanie termowizyjne.

Elektrycznie mostek jest przewężeniem. Prąd musi ominąć otwór, więc materiał między otworem a krawędzią przenosi większą gęstość niż reszta szyny. Umieść otwór zbyt blisko krawędzi, a wbudujesz miejscowy punkt gorący w najbardziej wytężoną część połączenia.

Produkcja dokłada trzecie ograniczenie. Przy wykrawaniu zamiast wiercenia matryca potrzebuje wokół siebie materiału, o który się oprze. Wykrawaj przy zbyt małej odległości od krawędzi w miedzi w stanie twardym, a krawędź wybrzuszy się na zewnątrz, mostek umocni się zgniotem, a szyna przestanie przylegać płasko do swojej pary. Jako praktyka warsztatowa, a nie wartość normatywna: utrzymuj odległość w świetle od krawędzi otworu do krawędzi szyny co najmniej równą grubości szyny, a w stanie twardym 1,5 raza większą. Stronę narzędziową tego samego ograniczenia omawia nasza strona procesu wykrawania.

Podziałka i zagęszczenie prądu wokół otworów

Publikacja Copper Development Association Copper for Busbars (Publication 22) daje najjaśniejsze publikowane ujęcie tego, co otwory robią z połączeniem. Rezystancja połączenia ma dwie części: rezystancję rozpływu, wynikającą z konieczności obejścia przez prąd zakładki, oraz rezystancję przejścia na samym styku. Otwory pod śruby pogarszają tę pierwszą, a oszacowanie podawane przez CDA zależy od średnicy otworu i od n, liczby otworów mierzonej w poprzek szerokości szyny.

Ta jedna zmienna rozstrzyga spór, który zakłady toczą regularnie. Otwory powinny leżeć w jednej linii wzdłuż długości połączenia. Rozstawienie ich w poprzek szerokości podnosi rezystancję, bo każdy dodatkowy otwór w poprzek jest kolejną przeszkodą na tej samej drodze prądu. Dwa otwory w linii na szynie 60 mm dają lepsze połączenie niż dwa otwory przesunięte po przekątnej, choć drugi układ wygląda, jakby równomierniej rozkładał docisk.

Tym samym zjawiskiem rządzona jest długość zakładki. Kara rozpływu spada bardzo stromo, gdy stosunek długości zakładki do grubości rośnie do mniej więcej 2, a potem poprawia się już powoli aż do stosunku 10. Powyżej nie ma czego zyskiwać. Wniosek CDA: zakładka musi być tylko na tyle długa, żeby zmieścić dość śrub do uzyskania wymaganego nacisku styku. Długie zakładki marnują miedź i dokładają masy, nie kupując przewodności.

Dwa uzupełnienia z tego samego źródła są tanie we wdrożeniu i rzadko stosowane. Wycięcie podłużnego rowka w obu szynach w obrębie zakładki obniża rezystancję przejścia o 30 do 40%, bo wyrównuje nacisk styku w każdej odnodze połączenia. Ścięcie końców szyn pod kątem mniejszym niż 45° obniża początkową rezystancję połączenia o mniej więcej 15% i spowalnia tempo jej narastania przy cyklicznym obciążeniu 1,3 do 1,5 raza.

Średnica otworu

Średnica otworu wymienia luz dla śruby na sumowanie tolerancji i na powierzchnię styku, którą usuwasz.

Luz jest hojniejszy, niż ludzie się spodziewają. Wieloletnie wytyczne CDA łączą śrubę M10 z otworem 11,5 mm, a M12 z otworem 14 mm, rosnącym do 15 mm na szerszych szynach. To 1,5 do 3 mm luzu i jest on celowy: pochłania skumulowany błąd podziałki w układzie pięcio- albo sześciośrubowym w dwóch szynach wykonanych w różnych dniach, być może na różnych maszynach. Zaciśnij luz, a kupisz sobie połączenia, których nie da się zmontować.

Kosztem jest powierzchnia styku. Każdy otwór zabiera miedź z zakładki, i to konkretnie z obszaru, gdzie docisk jest największy. Otwór 14 mm w szynie 100 mm wyjmuje w tym miejscu 14% szerokości przekroju. Dlatego odpowiedzią na połączenie na granicy jest więcej śrub umiarkowanego rozmiaru, a nie mniej dużych. Liczba śrub kupuje równomierność nacisku; średnica śruby kupuje ubytek przekroju.

Średnica otworu wchodzi też w interakcję z narzędziem. Wykrawanie otworu mniejszego niż grubość materiału jest w miedzi ciężkie dla oprzyrządowania, a jakość otworu na tym cierpi. Rzadko dotyczy to M10 i większych w szynie 5 do 12 mm, ale dotyczy cienkiej szyny sterowniczej z małymi otworami mocującymi. Kalkulator siły wykrawania powie Ci, ile dana średnica kosztuje w sile nacisku, zanim zwiążesz się układem.

Rozmiar śruby, moment i pakiet podkładek

Tablica 22 z CDA jest roboczym punktem odniesienia od dziesięcioleci. Układ wygląda mniej więcej tak: szyna 25 do 30 mm bierze dwie śruby M8 przy 17 N·m; 40 mm bierze dwie M10 przy 28 N·m; 50 do 80 mm przechodzi na M12 przy 45 N·m, dwie śruby przy 50 mm i cztery przy 80 mm; szyna 100 i 120 mm bierze pięć M12; szyna 160 i 200 mm bierze sześć do ośmiu M16 przy 91 N·m. W eksploatacji rozmiary sięgają od M6 do M20, a częstym przypadkiem są cztery albo sześć śrub.

Moment jest namiastką i to kiepską. Nacisku styku nie da się zmierzyć na budowie, więc wnioskuje się o nim z T = K·F·D, gdzie K to współczynnik dokręcania. CDA podaje K jako 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. Czytaj to tak: to samo nastawienie klucza na nasmarowanym gwincie daje mniej więcej 30% większą siłę wstępną niż na suchym. Jeśli Twoja wartość momentu pochodzi z tablicy, a instrukcja montażu każe posmarować gwinty, te dwie rzeczy do siebie nie pasują.

Celujesz w nacisk styku na zakładce. Liczby CDA: poniżej mniej więcej 7 N/mm² nie jest wskazane, powyżej 10 N/mm² jest preferowane, a powyżej mniej więcej 30 N/mm² zysk jest już niewielki. Prąd przewodzi tylko około 1% pozornej powierzchni zakładki, a obciążenie przechodzi przez pojedyncze styki na wierzchołkach nierówności — dlatego stan powierzchni znaczy tyle samo co liczba śrub i dlatego szyny mają być przy montażu płaskie i świeżo oczyszczone.

Pakiet podkładek wykonuje realną pracę. Duże, grube podkładki rozprowadzają obciążenie śruby z dala od otworu i poszerzają obszar użytecznego nacisku; CDA łączy M10 z podkładką 24 mm o grubości 2,2 mm, a M12 z podkładką 28 mm o grubości 2,7 mm. Tam, gdzie stosuje się śruby ze stali o wysokiej wytrzymałości, problemem staje się różnica rozszerzalności. Stal rozszerza się o około 11,1 × 10⁻⁶/°C wobec 16,5 × 10⁻⁶/°C dla miedzi, więc wraz z nagrzewaniem połączenia rośnie napięcie śruby i może zostać przekroczona granica 95% granicy sprężystości, którą CDA stawia jako pułap. Podkładki talerzowe (Belleville) pochłaniają ten przyrost; śruby z brązu aluminiowego CW307G o współczynniku 16,2 × 10⁻⁶/°C unikają go, bo niemal dorównują miedzi.

Jedna uwaga wbrew intuicji. CDA nie zaleca pokrywania galwanicznie powierzchni styku w połączeniach miedź–miedź, o ile nie wymaga tego środowisko, bo miękka powłoka może w podwyższonej temperaturze popłynąć i rozluźnić nacisk styku, który z takim trudem uzyskałeś.

Kiedy na rysunku jest „według DIN 43673" i nic więcej

To przypadek częsty i jest problemem handlowym, zanim stanie się technicznym.

Zapytaj, do której szyny należy ten układ. Norma indeksuje położenie i wymiary otworów do przekrojów szyn prostokątnych, których obciążalności podano w DIN 43670 i DIN 43671. Jeśli podana szerokość i grubość nie jest jednym z tych przekrojów, odniesienie się nie rozstrzyga i klient musi podać Ci wymiary.

Zapytaj, czy chodzi o układ, czy o połączenie. Wiele rysunków powołujących DIN 43673-1 chce wyłącznie standardowego układu śrub, dla zamienności z istniejącą rozdzielnicą. Część chce też danych połączenia śrubowego, co wciąga w Twój zakres dostawy klasę śrub, układ podkładek i moment dokręcenia. To dwie różne oferty.

Zdobądź jedno odniesienie fizyczne. Wzorcowa szyna, opisany szkic albo zdjęcie współpracującego urządzenia rozstrzygają w pięć minut więcej niejasności niż tydzień korespondencji. Otwory przyłączeniowe w rozdzielnicy klienta są rzeczywistą specyfikacją, cokolwiek mówi rysunek.

Umieść swoją interpretację na rysunku, który odsyłasz, i uzyskaj podpis. Podaj średnicę otworu, podziałkę i odległość od krawędzi, które zamierzasz wykonać. Jeśli klient ma normę, a Ty nie, sprawdzi to u źródła w minutę.

Kup te cztery strony, jeśli układ się powtarza. Dokument kosztuje mniej niż złomowana partia szyny 200 mm. Zamów go w DIN Media albo w krajowej jednostce normalizacyjnej, a nie u pośrednika agregującego normy.

Jak przenieść układ na maszynę

Po rozstrzygnięciu układ staje się pytaniem o oprzyrządowanie. Powtarzający się układ DIN na kilku szerokościach szyn oznacza kilka średnic otworów, a ograniczeniem jest to, ile z nich mieści się jednocześnie w głowicy rewolwerowej. Linia do wykrawania i cięcia taka jak EMAC-BP-60 dobrze radzi sobie ze stałym kompletem narzędzi. Tam, gdzie asortyment jest szeroki, centrum obróbcze takie jak IMAC-CENTER 60 z 24 gniazdami narzędziowymi, rozszerzalnymi do 36, wyjmuje przezbrojenie z równania i utrzymuje pozycjonowanie ±0,05 mm, co utrzymuje sumowanie błędu podziałki wewnątrz luzu, który założyłeś.

Strona obciążalnościowa tego samego zadania należy do DIN 43671, której tablice odniesiono do 35 °C temperatury otoczenia i 65 °C temperatury szyny, ze współczynnikami korekcyjnymi dla innych warunków. Połączenia cieplnie granicznego, bo szynę dobrano bez tych poprawek, dobry układ otworów nie uratuje. Nasz kalkulator obciążalności prądowej stosuje je, zamiast je ukrywać, a artykuł o połączeniach śrubowych wchodzi w przygotowanie powierzchni głębiej, niż jest tu na to miejsce.