Что делает болтовое соединение шин надёжным

Шинообразующий участок — это в значительной степени решённая задача. Сечение шины рассчитывается по току, проверяется температурный подъём, и металл ведёт себя предсказуемо. Инженерия сосредоточена в соединениях — именно они являются причиной выхода из строя распределительных щитов. Многие факторы, определяющие срок службы соединения, закладываются в сборочном цеху до того, как шина попадает на объект: плоскость соприкасающихся поверхностей, удаление заусенцев, способ изготовления отверстий и состояние поверхности в зоне контакта двух шин.

Кажущаяся площадь контакта — это иллюзия

Две шины шириной 50 мм с перекрытием 70 мм дают номинальную площадь контакта 3500 мм². Практически вся она не несёт тока.

Реальные поверхности не плоские. При сжатии две шины соприкасаются только на вершинах неровностей, и ток проходит лишь там, где эти вершины проникают через поверхностные плёнки, обеспечивая металлический контакт. Эти точки контакта называются α-пятнами (по Хольму). Руководство по шинным соединениям Copper Development Association оценивает их площадь примерно в 1% от площади перекрытия.

Измерения дают менее оптимистичные результаты. В работе Брауновича о высокомощных болтовых соединениях с перекрытием, опубликованной в IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies в 2002 г., рассчитывалась отношение реальной проводящей площади к расчётной площади контакта для соединителей с четырьмя и шестью болтами. Без подготовки поверхности отношение составляло от 0,0003% до 0,0023%. При обработке и смазке лучший случай достигал примерно 4%. Даже в наиболее подготовленном испытанном соединении 96% площади контакта оставались неактивными.

Физика этого процесса проста: контактная сила F связана с кажущейся площадью A и твёрдостью H соотношением F = ξHA, а Хольм показал, что твёрдость связана с пределом текучести как H ≈ 3σy. Мягкий материал деформируется при меньшем давлении и обеспечивает бо́льшую реальную площадь контакта при той же силе затяжки болта. Поэтому алюминий легко обеспечивает плотный контакт, но затем имеет проблему ползучести.

Сопротивление сжатия

Поскольку ток может проходить только через α-пятна, силовые линии тока в объёмном металле сходятся к каждому пятну и расходятся от него. Это схождение само по себе является сопротивлением, независимым от какой-либо поверхностной плёнки, и называется сопротивлением сжатия. Для единичного круглого пятна радиуса a между двумя одинаковыми металлами с удельным сопротивлением ρ:

Rc = ρ / 2a

Для разнородных металлов формула принимает вид (ρ₁ + ρ₂) / 4a. Полное контактное сопротивление складывается из сопротивления плёнки Rf = σ/πa², где σ — сопротивление на единицу площади любой оксидной или загрязняющей плёнки, которую ток должен пройти туннельным эффектом или спеканием.

Знаменатель здесь важен. Сопротивление сжатия масштабируется с радиусом пятна, а не с его площадью. Поэтому удвоение площади пятна снижает его сопротивление сжатия лишь примерно в 1,4 раза, тогда как удвоение количества пятен снижает его вдвое. Именно поэтому подготовка поверхности является более эффективным рычагом, чем крутящий момент болта: момент увеличивает существующие пятна, а подготовка создаёт новые.

Для меди (1.724 × 10⁻⁸ Ом·м) одно α-пятно радиусом 10 мкм даёт Rc = 862 мкОм. Тысяча таких пятен параллельно дала бы 0,86 мкОм. Реальные соединения имеют бо́льшие значения, поскольку пятна, расположенные близко друг к другу, взаимно искажают поля тока, и группа работает частично как одно большое сопротивление сжатия. Однако порядок величины объясняет, почему хорошее соединение измерается единичными микроомами.

Целевые значения контактного давления

Контактное сопротивление резко снижается с ростом давления, после чего уменьшение прекращается. Руководство CDA приводит конкретные цифры: выше примерно 30 Н/мм² дальнейшее улучшение незначительно, ниже 7 Н/мм² в большинстве случаев не рекомендуется, а предпочтительным является давление выше 10 Н/мм². Независимые исследования соединений медных шин с нагрузкой от 6 до 36 МПа показали снижение контактного сопротивления примерно с 16 мкОм при 6 МПа до 11 мкОм при 30 МПа, без существенного дальнейшего улучшения.

Проектная цель задается диапазоном, а не максимальным значением: от 10 до 30 Н/мм², усредненным по площади перекрытия. Это диапазон, а не фиксированное число, поскольку давление распределяется далеко не равномерно по всей площади контакта.

Крутящий момент как косвенное значение предварительной затяжки, и не самое точное

Контактное давление невозможно измерить в полевых условиях. Оно опосредованно определяется через крутящий момент затяжки болта по формуле:

T = K F D

где T — крутящий момент в Нм, F — усилие затяжки болта в Н, D — номинальный диаметр болта в м, а K — коэффициент гайки, зависящий от трения в резьбе, состояния поверхности, покрытия и наличия смазки. CDA приводит значения 0,20–0,22 для сухой резьбы, 0,19–0,21 с контактной пастой и 0,15–0,16 с граничной смазкой на основе дисульфида молибдена. Расчет для собственной табличной конструкции CDA для шины 50 мм: перекрытие 70 мм, площадь стыка 3500 мм², два болта M12 с моментом 45 Нм.

Тот же динамометрический ключ, тот же момент, тот же монтажник. Разброс предварительной затяжки составляет 47%, а стык попадает либо в комфортную часть целевого диапазона, либо оказывается немного ниже его — в зависимости от того, протерли ли резьбу. Это еще до учета калибровки ключа и последовательности затяжки болтов. Контроль крутящего момента не бесполезен, но сам по себе не гарантирует определенного контактного давления, что является одной из причин, по которой рекомендуемый диапазон столь широк.

Шайбы Бельвиля оправдывают свою стоимость за счет компенсации температурных расширений

Вторая причина, по которой предварительная затяжка не остается неизменной, — это температура.

IEC 61439-1 допускает повышение температуры на 105 К для неизолированных медных шин, поэтому шина в окружающей среде при 35 °C может законно нагреваться до 140 °C. Проходящий через нее болт оказывается ни при той же температуре, ни с одинаковым коэффициентом теплового расширения. У меди он составляет около 16,5 × 10⁻⁶ на °C, у высокопрочной стали — 11,1 × 10⁻⁶, у алюминиевой бронзы CW307G — 16,2 × 10⁻⁶.

Стальной болт в медном соединении — медь расширяется быстрее болта, поэтому натяжение болта растёт при нагреве соединения. Это кажется полезным, но таковым не является. CDA требует, чтобы максимальное натяжение болта в рабочем диапазоне не превышало 95% предела текучести, поскольку болт, деформированный за предел текучести, не восстанавливается, и при охлаждении соединение оказывается более свободным, чем в начале. Повторяя это ежедневно в течение десяти лет, соединение расслабляется полностью.

Существуют два решения. Первое — использовать болт с коэффициентом теплового расширения, близким к меди, что и обосновывает применение CW307G с показателем 16,2 × 10⁻⁶ против 16,5 для меди; разница настолько мала, что натяжение практически не меняется. Второе — сохранить стальной болт и установить в стек шайбу волнистой пружины (Belleville), рассчитанную по высоте и жёсткости таким образом, чтобы тепловое расширение сжимало пружину вместо растяжения болта.

Шайбы волнистой пружины (Belleville) обычно продаются как средство против вибрации. В данном случае их функция иная. Они являются элементом податливости, который превращает жёсткое болтовое соединение с малым ходом в более мягкое, так что дифференциальное расширение на несколько сотых миллиметра не приводит к значительному изменению нагрузки. В соединениях Braunovic использовались толстые плоские шайбы толщиной 3–4 мм и диаметром в 1,4 раза больше диаметра диска пружины, чтобы кромка пружины не врезалась.

Какая подготовка поверхности действительно эффективна

Braunovic измерял контактное сопротивление соединения на идентичном оборудовании при неизменных условиях, за исключением обработки поверхности. Четырёх- и шестiboltовые соединения, крутящий момент 60 Нм, шайбы волнистой пружины, ток 150 А постоянного тока, среднее значение показаний за один час.

Это алюминиевые соединительные площадки на алюминиевой шине, поэтому абсолютные значения не переносятся на медное соединение. Суть — в соотношениях. Между поверхностью без обработки и механически обработанной и смазанной на том же оборудовании контактное сопротивление уменьшилось в 24 раза для четырёхboltовой конфигурации и в 70 раз для шестiboltовой. Ни одно действие с моментным ключом не приближается к такому результату.

Механически обработанные поверхности также превосшли поверхности, обработанные металлической щеткой, что объясняется равномерной высотой и шагом резьбы механической обработки, обеспечивающей более контролируемую несущую площадь. Направление этого эффекта примечательно: целенаправленно шероховатая поверхность лучше гладко отполированной, поскольку острые выступы проникают через оксидные плёнки при гораздо меньшей нагрузке, чем тупые. Полировка соединительной поверхности до зеркального блеска контрпродуктивна.

Цифры вроде «чистая медь 3–5 мкОм, лёгкая тусклость 15–25 мкОм, тяжёлый оксид 50–200 мкОм» приводятся в нескольких источниках. Первичное измерение для них не может быть отслежено, а величина контактного сопротивления не имеет значения без указания геометрии соединения, количества болтов и силы тока испытания. Они иллюстрируют порядок значений, а не являются проектными данными.

Покрытие: четыре варианта, четыре разных режима отказа

Немедное покрытие является вариантом по умолчанию и лучшим, чем часто предполагается. Медь окисляется медленно, и образующаяся плёнка является полупроводящей, а не изолирующей, поскольку ионы меди диффундируют в неё, и проводимость осуществляется в обоих направлениях. CDA не рекомендует покрытие для медно-медных соединений, если того не требует окружающая среда, по причине, которая может показаться удивительной: материалы покрытия мягкие, и мягкий слой может течь при нагреве и снижать контактное давление. Немедь действительно требует контактной пасты для заполнения пустот между точками контакта (a-spots) и предотвращения проникновения кислорода и влаги. Вазелин подходит, а силиконовая вакуумная смазка работает при более высокой температуре.

Олово дёшево, и его оксид легко разрушается под давлением, но оно мягкое, поэтому даёт ползучесть при постоянном давлении и легко повреждается при fretting-коррозии. Чистое олово образует усы, которые могут вызвать кратковременные замыкания, поэтому CDA не рекомендует его, а оловянно-свинцовые сплавы, которые исторически решали эту проблему, теперь запрещены по экологическим причинам. Медь-оловянные интерметаллические соединения растут на границе раздела при нагреве и обладают большей проводимостью, чем исходные металлы, что делает олово наименее пригодным из четырёх вариантов для эксплуатации.

Серебро является лучшим по электрическим характеристикам металлом. Его окислительная пленка проводит ток и достаточно тонкая, чтобы разрушаться под давлением контакта, а также выдерживает наиболее высокие температуры. Серебро дорого и непригодно в средах с содержанием серы, где сернистое серебро образуется легко: бумажные макулатурные комбинаты, очистные сооружения, любое предприятие вблизи нефтеперерабатывающего завода.

Никель является предпочтительным универсальным покрытием по версии CDA, будучи дешёвым, износостойким и достаточно твёрдым для выдерживания монтажных нагрузок. Компромисс — электрические свойства. Оксид никеля прочен и требует высокого контактного давления для разрушения, поэтому соединение с никелевым покрытием, собранное на нижней границе допустимого диапазона давлений, будет работать неудовлетворительно, а никель плохо себя ведёт при высокой влажности.

Металлические покрытия тонкие, обычно от 2 до 5 мкм, и защищают только при сплошном нанесении. Дыра в покрытии в агрессивной среде хуже, чем его отсутствие, поскольку она концентрирует коррозионную атаку.

Сочетание с алюминием

Медь и алюминий в прямом контакте с любым присутствующим электролитом образуют гальванический элемент, где алюминий является жертвенным электродом. Стандартные электродные потенциалы составляют +0,34 В для меди и −1,66 В для алюминия относительно стандартного водородного электрода. В сухом герметичном внутреннем шкафу это может быть допустимо на протяжении многих лет; во влажном или прибрежном климате — нет. Решения, в порядке возрастания стоимости: контактный состав, изолирующий interface от влаги; оловянное покрытие, чтобы контактирующие поверхности были одинаковыми; или термитно-сваренная или взрывная металлическая переходная пластина, которая переносит стык разнородных металлов в условия производства. Различия в обработке двух металлов выходят за рамки самого соединения.

Фреттинг и релаксация: почему хорошие соединения выходят из строя

Два медленных механизма объясняют большинство случаев, когда соединения, прошедшие испытания, выходят из строя через годы.

Фреттинг — это поверхностное повреждение от очень малых колебательных движений на границе раздела, причём амплитуды удивительно малы. Смещения менее 100 нм достаточно для его начала, а поскольку проскальзывание примерно менее 125 мкм не может вывести продукты износа из зоны контакта, окисленные частицы остаются на месте и накапливаются, образуя толстый изолирующий третий тело. Контактное сопротивление затем резко возрастает в сторону обрыва цепи. Колебания вызываются вибрацией, разницей в тепловом расширении или просто нагревом и охлаждением соединения при циклах нагрузки.

Другой механизм — ползучесть и релаксация напряжений. Ползучесть — это изменение размеров при постоянной нагрузке; релаксация напряжений — потеря контактного давления без изменения размеров, когда упругая деформация переходит в пластическую. Оба явления зависят от времени, температуры и напряжения, и оба значительно сильнее проявляются в алюминии. Сравнение CDA четко показывает разницу: отожжённый алюминий марки 1080 при 20 °C демонстрирует минимальную скорость ползучести 0,022% за 1000 часов при напряжении 26 Н/мм², тогда как отожжённая высоко проводящая медь достигает такой же скорости при том же напряжении только при нагреве до 150 °C.

В этом и заключается проблема алюминиевых соединений в одной строке. При комнатной температуре алюминий при обычном давлении в шинном соединении уже ползёт с такой скоростью, которую медь достигает только хорошо выше своего рабочего диапазона. Болтовые алюминиевые соединения требуютleanup дисковых пружин как стандартное оснащение, а не как опцию, и они нуждаются в графике повторной затяжки, который медным соединениям не требуется.

Где подключается цех обработки

В первую очередь — плоскостность. Браунович объяснял неудовлетворительную работу несквозных соединений несоосностью жёстких шин: одни участки несут высокую нагрузку и деформируются, другие едва соприкасаются, и площадь нагруженной поверхности получается малой. Шина с перекрутом 1 мм по длине не ляжет ровно к соседней шине независимо от прилагаемого крутящего момента.

Затем — заусенцы. Заусенец на краю пробивного отверстия — это выступающий металл, возвышающийся над поверхностью соединения. Он не даёт стыкуваться плоскостям вокруг отверстия — именно там, где болт прилагает давление, — и превращает контакт по площади в контакт по кольцу заусенца. Станок для зачистки шин BND800-2 обрабатывает шины толщиной от 0,5 до 50 мм и шириной от 100 до 800 мм со скоростью от 5 до 30 м/мин — достаточно быстро, чтобы зачистка каждой шины была вопросом планирования, а не узким местом в производстве.

Качество отверстий определяется той же операцией. Пробивка с правильным зазором обеспечивает чистую стенку отверстия и небольшой, одинаковый заусенец на выходе; чрезмерный зазор приводит к рваному краю и крупному заусенцу. Расположение важно и с электрической точки зрения: отверстия должны располагаться в линию вдоль стыка, так как смещение нарушает течение тока, а основной вклад в сопротивление стыка вносит потеря сечения на отверстия. Стандарт DIN 43673-1 определяет locations и размеры отверстий и является лучшей отправной точкой, чем внутренний стандарт предприятия.

На соприкасающихся поверхностях требуется равномерная, контролируемая шероховатость, а не полировка, а также контролируемый край на границе перекрытия, где острая кромка является одновременно концентратором напряжений в распределении давления и концентрационным полем. Второе последствие описывается в разделе фаски и радиусы кромок шин.

Последний фактор — геометрия перекрытия. Штраф за искажение тока в стыке с перекрытием (эффект потоковых линий) быстро снижается с ростом отношения перекрытия к толщине примерно до значения 2, а затем меняется мало. Очень длинные перекрытия ничего не дают; достаточно длины для размещения болтов, создающих контактное давление. На этапе пробивки доступны два изменения геометрии без дополнительных затрат. Наклон торцов шин под углом менее 45° снижает начальное сопротивление стыка примерно на 15% и замедляет рост сопротивления при циклическом нагреве в 1,3–1,5 раза. Продольный паз, вырезанный на обеих шинах, снижает контактное сопротивление на 30–40%, выравнивая давление по каждой ветви. Обе операции дешевле выполнить на линии пробивки и резки шин, чем потом объяснять их необходимость.

Стык с эффективностью ниже 100% нагревается сильнее окружающей шины, а в шкафу, полном стыков, это тепло накапливается. Калькулятор токовой нагрузки шин определяет тепловую базовую линию для шины — это бюджет, в пределах которого должны работать все стыки.