Что делает болтовое соединение шин надёжным

Шинная трасса — задача в основном решённая. Сечение шины подбирают по току, превышение температуры проверяют, а металл ведёт себя так, как ведёт себя металл. Инженерия сосредоточена в стыках, и горят щиты именно по стыкам. Значительная часть того, что определяет срок службы стыка, решается в цехе обработки ещё до того, как шина попадёт на объект: насколько плоскими вышли сопрягаемые поверхности, снят ли заусенец, как выполнены отверстия и как выглядит поверхность там, где две шины соприкоснутся.

Видимая площадь контакта — фикция

Две шины шириной 50 mm с нахлёстом 70 mm дают номинальную площадь контакта 3500 mm². Ток не проводит почти ничего из неё.

Реальные поверхности не плоские. Прижатые друг к другу, две шины соприкасаются только вершинами микронеровностей, и ток переходит лишь там, где эти вершины продавили поверхностные плёнки до контакта металл — металл. Это и есть проводящие пятна, повсеместно называемые а-пятнами по работе Хольма. Руководство Copper Development Association по шинам оценивает их суммарно порядка 1 % площади нахлёста.

Измерения выглядят менее лестно. Работа Брауновича по сильноточным болтовым соединениям внахлёст, опубликованная в IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies в 2002 году, дала отношение действительной проводящей площади к ожидаемой площади контакта для соединений «наконечник — шина» на четырёх и шести болтах. Без подготовки поверхности отношение составило от 0,0003 % до 0,0023 %. После механической обработки и смазки лучший случай достиг примерно 4 %. Даже в наиболее тщательно подготовленном из испытанных соединений 96 % площади контакта не работали.

Стоящее за этим соотношение несущей способности простое: контактное усилие F связано с видимой площадью A и твёрдостью H как F = ξHA, а Хольм показал, что твёрдость связана с пределом текучести как H ≈ 3σy. Более мягкий материал течёт при меньшем давлении и даёт большую действительную площадь контакта при той же нагрузке от болта — поэтому алюминий легко образует плотный контакт и поэтому же у алюминия возникает проблема ползучести.

Сопротивление стягивания

Поскольку ток может переходить только через а-пятна, линии тока в объёме металла сходятся к каждому пятну и расходятся из него. Само это схождение представляет собой сопротивление, не зависящее ни от какой поверхностной плёнки, и называется сопротивлением стягивания. Для одиночного круглого пятна радиусом a между двумя одинаковыми металлами с удельным сопротивлением ρ:

Rc = ρ / 2a

Для разнородных металлов оно принимает вид (ρ₁ + ρ₂) / 4a. К полному переходному сопротивлению добавляется сопротивление плёнки Rf = σ/πa², где σ — сопротивление на единицу площади оксидной или загрязняющей плёнки, сквозь которую ток должен пройти туннелированием или фриттингом.

Важен знаменатель. Сопротивление стягивания зависит от радиуса пятна, а не от его площади, поэтому удвоение площади пятна снижает его сопротивление стягивания лишь примерно в 1,4 раза, тогда как удвоение числа пятен снижает его вдвое. Именно поэтому подготовка поверхности как рычаг сильнее момента затяжки болтов: момент увеличивает уже имеющиеся пятна, подготовка создаёт новые.

Подставим числа. Медь с удельным сопротивлением 1,724 × 10⁻⁸ Ω·m и одно а-пятно радиусом 10 µm дают Rc = 862 µΩ на одно это пятно. Тысяча пятен параллельно дала бы 0,86 µΩ. Реальные соединения лежат выше, потому что близко расположенные пятна взаимно возмущают поля тока и их группа отчасти ведёт себя как одно более крупное стягивание, но порядок величины объясняет, почему хорошее соединение измеряется единицами микроом.

Целевое контактное давление

Переходное сопротивление резко падает с ростом контактного давления, а затем падать перестаёт. Руководство CDA формулирует это конкретно: выше примерно 30 N/mm² дальнейшего заметного улучшения нет, ниже 7 N/mm² в большинстве случаев не рекомендуется, а давления выше 10 N/mm² предпочтительны. Независимая работа по соединениям медных шин охватила диапазон от 6 до 36 MPa и показала падение переходного сопротивления примерно с 16 µΩ при 6 MPa до примерно 11 µΩ при 30 MPa, без значимого выигрыша дальше.

Поэтому расчётная цель — полоса, а не максимум: где-то между 10 и 30 N/mm² в среднем по нахлёсту. Это полоса, а не одно число, потому что давление по нахлёсту распределено далеко не равномерно.

Момент затяжки — замена усилию затяжки, и притом плохая

Контактное давление на объекте измерить нельзя. Его выводят из момента затяжки болта через:

T = K F D

где T — момент затяжки в Nm, F — усилие в болте в N, D — номинальный диаметр болта в m, а K — коэффициент затяжки, зависящий от трения в резьбе, чистоты поверхности, покрытия и состояния смазки. CDA приводит от 0,20 до 0,22 всухую, от 0,19 до 0,21 с контактной пастой и от 0,15 до 0,16 с граничной смазкой на дисульфиде молибдена. Посчитаем это для табличной схемы самого CDA для шины 50 mm: нахлёст 70 mm, площадь стыка 3500 mm², два болта M12 с моментом 45 Nm.

Тот же динамометрический ключ, та же настройка, тот же слесарь. Разброс усилия затяжки 47 %, и соединение оказывается либо уверенно внутри предпочтительной полосы, либо чуть ниже неё — в зависимости от того, протёр ли кто-то резьбу. И это ещё до поверки ключа и до порядка затяжки болтов. Контроль по моменту не бесполезен, но сам по себе он даёт соединение, для которого вы не можете заявить контактное давление, и во многом поэтому рекомендуемая полоса так широка.

Тарельчатые шайбы оправдывают себя по тепловой части

Вторая причина, по которой усилие затяжки не остаётся там, где вы его выставили, — температура.

IEC 61439-1 допускает превышение температуры 105 K на неизолированных медных шинах, поэтому шина при температуре окружающего воздуха 35 °C вправе находиться при 140 °C. Болт, проходящий сквозь неё, не имеет ни той же температуры, ни того же коэффициента расширения. У меди он около 16,5 × 10⁻⁶ на °C, у высокопрочной стали 11,1 × 10⁻⁶, у алюминиевой бронзы CW307G 16,2 × 10⁻⁶.

Со стальным болтом в медном соединении медь растёт быстрее болта, поэтому при нагреве стыка натяжение болта возрастает. Звучит как польза, но это не она. CDA требует, чтобы максимальное натяжение болта в любой точке рабочего диапазона оставалось ниже 95 % напряжения от пробной нагрузки, потому что болт, выведенный за предел текучести, обратно не возвращается, и при остывании соединение оказывается слабее, чем было изначально. Повторяйте этот цикл ежедневно десять лет — и соединение ослабнет до нуля.

Выходов два. Взять болт, расширение которого совпадает с медью: это и есть довод в пользу CW307G с 16,2 × 10⁻⁶ против 16,5 у меди, разница настолько мала, что натяжение почти не меняется. Либо оставить стальной болт и включить в пакет тарельчатую пружинную шайбу, подобранную по высоте и жёсткости так, чтобы тепловое удлинение сжимало пружину, а не растягивало болт.

Тарельчатые шайбы обычно продают как средство против вибрации. Здесь они работают не этим. Это податливый элемент, который превращает жёсткое болтовое соединение с малым ходом в более мягкое, так что несколько сотых долей миллиметра разницы в тепловом расширении не оборачиваются большим изменением нагрузки. В соединениях Брауновича применялись толстые плоские шайбы 3–4 mm, в 1,4 раза больше диаметра тарельчатой пружины, чтобы кромка пружины не врезалась в металл.

Чего на самом деле стоит подготовка поверхности

Браунович измерял переходное сопротивление стыка на одинаковом крепеже, меняя только обработку поверхности. Соединения на четырёх и шести болтах, 60 Nm, тарельчатые пружинные шайбы, 150 A постоянного тока, среднее по показаниям за час.

Это алюминиевые контактные площадки наконечников на алюминиевой шине, поэтому не переносите абсолютные значения на медное соединение. Значение имеют отношения. Между поверхностью в состоянии поставки и механически обработанной со смазкой на одном и том же крепеже переходное сопротивление упало в 24 раза в исполнении на четырёх болтах и в 70 раз на шести. Ничто из того, что можно сделать динамометрическим ключом, к этому и близко не подходит.

Механически обработанные поверхности также превзошли зачищенные металлической щёткой; это связывают с тем, что равномерная высота и шаг рисок от обработки дают более управляемую несущую площадь. Обратите внимание на направление этого вывода: намеренно огрублённая поверхность выигрывает у гладко отполированной, потому что острые микронеровности продавливают оксидные плёнки при существенно меньшей нагрузке, чем притупленные. Полировать поверхность стыка до зеркала контрпродуктивно.

В нескольких источниках вам встретятся ещё и цифры «блестящая медь от 3 до 5 µΩ, лёгкое потускнение от 15 до 25 µΩ, плотный оксид от 50 до 200 µΩ». Нам не удалось проследить их до первичного измерения, а величина переходного сопротивления ничего не значит без геометрии стыка, числа болтов и тока испытания рядом с ней. Принимайте их как иллюстрацию порядка величин, а не как расчётные данные.

Покрытия: четыре варианта, четыре разных механизма отказа

Медь без покрытия — вариант по умолчанию, и он лучше, чем принято считать. Медь окисляется медленно, а образующаяся плёнка не изолирующая, а полупроводящая, потому что ионы меди диффундируют в неё и проводимость идёт в обе стороны. CDA не рекомендует наносить покрытие на соединения «медь — медь», если этого не требует среда, по причине, которая многих удивляет: материалы покрытий мягкие, а мягкий слой при нагреве может течь и снижать контактное давление. Меди без покрытия действительно нужна контактная паста, чтобы заполнить пустоты между а-пятнами и не пропускать кислород и влагу. Вазелин работает, а силиконовая вакуумная смазка работает при более высокой температуре.

Олово дёшево, и его оксид легко разрушается под давлением, но само олово мягкое: под длительной нагрузкой оно ползёт и легко повреждается при фреттинге. Чистое олово растит усы (вискеры), способные вызывать кратковременные короткие замыкания, поэтому CDA его не советует, а оловянно-свинцовые сплавы, которые исторически эту проблему решали, теперь исключены по экологическим причинам. На границе раздела с ростом температуры растут интерметаллиды медь — олово, и они более резистивны, чем любой из исходных металлов; из-за этого у олова самый низкий рабочий потолок из четырёх.

По электрическим показателям лучше всех серебро. Его оксид проводящий и достаточно тонкий, чтобы вытесняться под контактным давлением, и оно держится при самых высоких температурах. Оно дорого и неуместно в атмосферах, содержащих серу, где легко образуется сульфид серебра: целлюлозно-бумажные комбинаты, очистные сооружения, любая площадка рядом с нефтеперерабатывающим заводом.

Никель — предпочтительное для CDA покрытие общего назначения: дешёвое, стойкое и достаточно твёрдое, чтобы пережить обращение при монтаже. Расплачиваться приходится электрическими показателями. Оксид никеля прочен, и для его пробоя нужно высокое контактное давление, поэтому соединение с никелевым покрытием, собранное по нижней границе полосы, работать не будет; кроме того, никель плохо себя ведёт при высокой влажности.

Металлические покрытия тонкие, как правило от 2 до 5 µm, и защищают, только если сплошные. Пора в покрытии в коррозионной среде хуже, чем отсутствие покрытия вообще, потому что она концентрирует поражение.

Сопряжение с алюминием

Медь и алюминий в непосредственном контакте при наличии любого электролита образуют гальваническую пару, и жертвенной половиной оказывается алюминий. Стандартные электродные потенциалы относительно стандартного водородного электрода: +0,34 V у меди и −1,66 V у алюминия. В сухом герметичном шкафу внутри помещения это может сходить с рук годами; во влажной или приморской среде — нет. Решения, в порядке возрастания стоимости: соединительная паста, изолирующая стык от влаги; лужение, чтобы сопрягаемые поверхности стали однородными; либо биметаллическая переходная пластина, полученная сваркой трением или сваркой взрывом, которая переносит границу разнородных металлов на завод. Различия в обработке этих двух металлов не ограничиваются стыком.

Фреттинг и релаксация: как хорошие соединения приходят в негодность

На два медленных механизма приходится большинство соединений, которые проходят ввод в эксплуатацию и отказывают спустя годы.

Фреттинг — это повреждение поверхности от очень малых колебательных перемещений на границе раздела, и амплитуды здесь поразительно малы. Перемещений меньше 100 nm достаточно, чтобы его запустить, а поскольку проскальзывание меньше примерно 125 µm не способно вынести продукты износа из зоны контакта, окисленные частицы износа остаются на месте и нарастают в толстое изолирующее третье тело. Переходное сопротивление после этого резко растёт в сторону обрыва цепи. Колебания возникают от вибрации, от разницы теплового расширения или просто от нагрева и остывания соединения при циклах нагрузки.

Второй механизм — ползучесть и релаксация напряжений. Ползучесть — это изменение размеров под длительной нагрузкой; релаксация напряжений — потеря контактного давления без изменения размеров, по мере перехода упругой деформации в пластическую. Оба зависят от времени, температуры и напряжения, и оба заметно сильнее у алюминия. Сопоставление CDA формулирует разницу чётко: отожжённый алюминий 1080 при 20 °C показывает минимальную скорость ползучести 0,022 % за 1000 часов при 26 N/mm², тогда как отожжённая медь высокой проводимости выходит на ту же скорость при том же напряжении только при нагреве до 150 °C.

В одной строке это и есть проблема алюминиевых соединений. При комнатной температуре алюминий под обычным контактным давлением шины уже ползёт со скоростью, до которой медь доходит только заметно выше своего рабочего диапазона. Болтовым алюминиевым соединениям тарельчатые пружины нужны как стандартная практика, а не как опция, и им нужны графики повторной затяжки, которых медным соединениям не требуется.

Где вступает цех обработки

Сначала плоскостность. Браунович связывал слабые показатели соединений без прорези с несовпадением жёстких шин: одни участки несут высокое напряжение и текут, другие едва соприкасаются, и несущая площадь в итоге оказывается малой. Шина с винтообразностью 1 mm по длине не ляжет плотно на соседнюю, какой момент затяжки вы ни прикладывайте.

Дальше заусенцы. Заусенец на кромке пробитого отверстия — это металл, выступающий над сопрягаемой поверхностью. Он раздвигает шины вокруг отверстия, ровно там, где болт создаёт давление, и превращает контакт по плоскости в кольцевой контакт по заусенцу. Станок для снятия заусенцев BND800-2 обрабатывает шину толщиной от 0,5 до 50 mm и шириной от 100 до 800 mm со скоростью от 5 до 30 m/min — достаточно быстро, чтобы снятие заусенцев с каждой шины было вопросом планирования, а не узким местом.

Качество отверстия следует из той же операции. Пробивка с правильным зазором оставляет чистую стенку отверстия и небольшой стабильный выходной заусенец; избыточный зазор оставляет рваную кромку и крупный заусенец. Расположение тоже имеет электрическое значение: отверстия следует размещать в линию вдоль стыка, поскольку их смещение сильнее возмущает течение тока, а главный член в КПД стыка — сечение, потерянное на отверстиях. DIN 43673-1 фиксирует положения и размеры отверстий и как отправная точка лучше внутризаводского стандарта.

На сопрягаемых поверхностях нужна равномерная управляемая шероховатость, а не полировка, и управляемая кромка на границе нахлёста, где острый угол является одновременно концентратором напряжений в распределении давления и точкой сгущения поля. Второе следствие разбирается в материале «Снятие фаски и радиус кромки шины».

Последнее — геометрия нахлёста. Потеря на искажение тока в соединении внахлёст, эффект искривления линий тока, быстро падает при росте отношения длины нахлёста к толщине примерно до 2, а затем выходит на полку. Очень длинный нахлёст не даёт ничего; длины нужно ровно столько, чтобы разместить болты, создающие контактное давление. Два изменения геометрии на этапе пробивки достаются бесплатно. Скос торцов шины под углом менее 45° снижает начальное сопротивление стыка примерно на 15 % и замедляет рост сопротивления при циклировании тока в 1,3–1,5 раза. Продольная прорезь в обеих шинах снижает переходное сопротивление на 30–40 % за счёт выравнивания давления по каждой полке. И то и другое дешевле выполнить на линии пробивки и резки, чем объяснять потом.

Соединение с КПД ниже 100 % греется сильнее окружающей его шины, а в шкафу, полном стыков, это тепло суммируется. Калькулятор допустимого тока даёт тепловую базовую линию шины — тот бюджет, в который стыки обязаны уложиться.