Схемы отверстий в шине и что на самом деле устанавливает DIN 43673-1

DIN 43673 постоянно появляется на чертежах заказчиков, обычно в виде голой ссылки без указания размеров. Результаты поиска по стандарту в основном касаются его приобретения. Сам документ — четырёхстраничный стандарт на немецком языке от февраля 1982 года.

Что охватывает стандарт

DIN 43673-1

, Stromschienen-Bohrungen und -Verschraubungen; Stromschienen mit Rechteck-Querschnitt, опубликованный в английском переводе как "Drilled holes and screw connections for busbars; rectangular cross-section busbars", состоит из четырёх страниц. В нём указаны расположение и размеры отверстий, а также提供的ы базовые данные для проектирования и изготовления болтовых соединений. Он распространяется на постоянный и переменный ток частотой до 60 Гц.

Область применения привязана к двум другим документам DIN: он применяется к прямоугольным шинам, номинальные токи которых приведены в DIN 43670 (алюминий, 1975-12, десять страниц) и DIN 43671 (медь, 1975-12, девять страниц). Семейство чётко разделено. DIN 43671 определяет ток, который будет проводить данный участок шины; DIN 43673-1 определяет, куда в ней ставить отверстия. Оба стандарта всё ещё перечислены как действующие в каталоге DIN Media, что является нетипичным для документов такого возраста.

Формулировка области применения указывает, что стандарт касается соединения, а не только сверления, и "базовые данные для проектирования болтовых соединений" — это часто упускаемый компонент. Порог в 60 Гц является установленным пределом: при его превышении эффекты скина и близости в зоне соединения перераспределяют ток вокруг отверстий в достаточной степени, чтобы стандартная схема переставала быть правильной.

DIN 46433 — это не стандарт для отверстий в шинах

Это разграничение необходимо, поскольку неверные ссылки повсеместны, включая тендерную документацию и чертежи поставщиков, которые копируются из года в год.

DIN 46433

озаглавлен Flachdrähte und Flachstangen, gezogen, mit gerundeten Kanten — Maße: "Rectangular wires and rectangular bars, drawn, with radiused edges; dimensions". Он состоит из восьми страниц и является размерным стандартом для вытянутых прямоугольных проводов и шин: ширина, толщина, радиус кромок, допуски. Он не содержит информации о расположении отверстий, диаметрах отверстий или болтовых соединениях. Он отменён и заменён DIN EN 13601.

Чертеж с указанием "отверстия по DIN 46433" является ошибочным. Предполагаемые ссылки — DIN 43673-1 для схемы отверстий и DIN 43671 для номинального тока. Если предполагалась спецификация материала, то это документ EN 13601, тот самый документ, который заменил DIN 46433. Необходима проверка до начала резки металла, поскольку чертеж с неверной ссылкой на один стандарт часто содержит ошибки и в указании марки материала.

Где схема отверстий встречается с проверкой сборки

Схемы отверстий приводятся как деталь изготовления. Однако产生的ное ими соединение попадает в область действия стандарта на сборку, по которому проверяется готовая панель.

IEC 61439-1 содержит прямое указание. В испытании на нагрев пункт 10.10.2.3.3 требует, чтобы "особое внимание уделялось соединениям проводников и клемм в основных цепях". Соединения обозначаются как точки измерения. Пункт 10.10.2.3.7 a) требует, чтобы при испытании основных шин по отдельности проверяемая длина составляла не менее 2 м и включала одно соединение в случае, если шины являются наращиваемыми, а пункт о токе короткого замыкания 10.11.5.3.3 фиксирует эту длину на уровне (2 ± 0,4) м при том же условии.

Критерий приемки следующий. После испытания на короткое замыкание пункт 10.11.5.5 гласит: «не допускается ослабление элементов, используемых для соединения проводников». Соединение, выдерживающее тепловую нагрузку, но ослабляющееся под действием электромагнитной силы, считается дефектным; результат определяется расстоянием от края и размерами болтов.

Расстояние от края

Стандарт устанавливает положение центров отверстий относительно края шины. Балансируются два независимых фактора.

Механически перемычка между отверстием и краем шины воспринимает нагрузку на сжатие от болта при коротком замыкании. Пиковый ток withstand разводит или сближает соседние шины с силами, воспринимаемыми группой болтов. Недостаточная ширина перемычки приводит к её пластической деформации, вытягиванию отверстия, падению предварительного натяга и ослаблению соединения. Сквозной разрыв меди приемлемой толщины встречается редко; основной режим отказа — постепенное вытягивание с последующей потерей контактного давления, что более опасно, поскольку обнаруживается только при тепловизионном обследовании.

Электрически перемычка является зоной сужения тока. Току приходится отклоняться вокруг отверстия, поэтому материал между отверстием и краем несет бо́льшую плотность тока, чем основное тело шины. Размещение отверстия слишком близко к краю создает локальный перегрев в наиболее нагруженной части соединения.

Производство вводит третье ограничение. При пробивке, а не сверлении, матрица требует окружающего материала для реакции. Пробивка с недостаточным расстоянием от края в меди повышенной твердости вызывает выпучивание края, наклеп перемычки и отсутствие плотного прилегания шины к ответной детали. Как производственная практика, а не нормативная величина, зазор между краем отверстия и краем шины принимается не менее толщины шины и 1,5 толщины для твердого состояния. Подробнее об аспекте оснастки рассказано на странице процесса пробивки.

Шаг и с crowdsing тока вокруг отверстий

Публикация Copper Development Association «Copper for Busbars» (Публикация 22) содержит наиболее четкое описание влияния отверстий на соединение. Сопротивление соединения состоит из двух частей: сопротивления распределения тока, вызванного его отклонением в зоне перекрытия, и контактного сопротивления на самой поверхности контакта. Отверстия увеличивают первую составляющую, и оценка CDA зависит от диаметра отверстия и от n — количества отверстий, отсчитываемых поперек ширины шины.

Эта переменная решает типичный производственный спор. Отверстия должны располагаться в одну линию вдоль длины соединения. Смещение их поперек ширины увеличивает сопротивление, поскольку каждое дополнительное отверстие поперек ширины создает дополнительное препятствие в том же токовом пути. Два отверстия в линию вдоль шины шириной 60 мм дают лучшее соединение, чем два отверстия, смещенных по диагонали, хотя второй вариант кажется более равномерным по распределению зажимного усилия.

Длина перекрытия определяется тем же эффектом. Штраф за распределение тока резко снижается при увеличении отношения длины перекрытия к толщине до примерно 2, затем улучшается лишь медленно вплоть до отношения 10. За этим пределом дальнейшего выигрыша нет. Вывод CDA состоит в том, что перекрытие должно быть достаточно длинным для размещения необходимого количества болтов, обеспечивающих требуемое контактное давление. Избыточно длинные перекрытия расходуют медь и увеличивают вес без улучшения проводимости.

Два усовершенствования из того же источника просты в реализации, но применяются редко. Продольный паз через обе шины в зоне перекрытия снижает контактное сопротивление на 30–40 % за счет выравнивания контактного давления в каждой ветви соединения. Срез концов шины под углом менее 45° снижает начальное сопротивление соединения примерно на 15 % и замедляет рост сопротивления соединения при циклической нагрузке в 1,3–1,5 раза.

Диаметр отверстия

Выбор диаметра отверстия — это компромисс между зазором для болта, суммарным допуском и площадью контакта, которая удаляется.

Зазор больше, чем обычно предполагается. Руководство CDA на протяжении многих лет связывает болт M10 с отверстием 11.5 мм, M12 — с 14 мм, увеличивая его до 15 мм для более широких шин. Это зазор 1.5–3 мм, и он намеренный: он компенсирует суммарную ошибку шага по крепёжной схеме из пяти-шести болтов в двух шинах, которые были изготовлены в разные дни, возможно, на разных станках. Уменьшение зазора приводит к невозможности сборки соединения.

Цена — это площадь контакта. Каждое отверстие удаляет медь из перекрытия, а точнее из области, где давление прижима максимально. Отверстие диаметром 14 мм в шине шириной 100 мм удаляет 14 % ширины в этом сечении. Поэтому для пограничного соединения лучшим решением является увеличение числа болтов среднего размера, а не уменьшение их количества с увеличением диаметра. Количество болтов обеспечивает равномерность давления; диаметр болта приводит к потере сечения.

Диаметр отверстия также взаимодействует с инструментом. Пробивка отверстия диаметром меньше толщины материала затруднена для медных заготовок и ухудшает качество отверстия. Для болтов M10 и выше в шинах толщиной 5–12 мм это редко становится проблемой, однако встречается для тонких шин управления с малыми крепёжными отверстиями. Калькулятор силы пробивки позволяет определить необходимый тоннаж для заданного диаметра до начала изготовления схемы.

Размер болта, крутящий момент и комплект шайб

Таблица 22 CDA является стандартным справочником на протяжении десятилетий. Типичная схема следующая: шина 25–30 мм — два болта M8 с моментом 17 Н·м; шина 40 мм — два M10 с 28 Н·м; шина 50–80 мм — M12 с 45 Н·м, два болта для 50 мм и четыре для 80 мм; шины 100 и 120 мм — пять болтов M12; шины 160 и 200 мм — шесть-восемь болтов M16 с моментом 91 Н·м. В сервисе используются болты размером от M6 до M20, чаще всего с четырьмя или шестью болтами.

Крутящий момент является косвенной и неточной мерой. Давление контакта невозможно измерить в полевых условиях, поэтому оно опосредуется по формуле T = K·F·D, где K — коэффициент гайки. CDA указывает K как 0.20–0.22 для сухих соединений, 0.19–0.21 — при использовании контактной пасты, и 0.15–0.16 — при применении граничной смазки на основе дисульфида молибдена. Это означает: одинаковая настройка динамометрического ключа на смазанной резьбе обеспечивает примерно на 30 % больше предварительного натяга, чем на сухой. Величина крутящего момента из таблицы и указание смазать резьбу при сборке являются взаимоисключающими.

Цель — обеспечить давление контакта по всей площади перекрытия. Данные CDA: давление ниже 7 Н/мм² недопустимо, выше 10 Н/мм² предпочтительно, а выше примерно 30 Н/мм² дальнейший выигрыш незначителен. Только около 1 % видимой площади перекрытия проводит ток, нагрузка передается через дискретные контакты возвышений, поэтому состояние поверхности столь же критично, как и количество болтов, и шины должны быть плоскими и свежеабразивными при сборке.

Комплект шайб выполняет определенную функцию. Крупные толстые шайбы распределяют нагрузку от болта, удаляя её от края отверстия и расширяя область полезного давления; CDA рекомендует для M10 шайбу диаметром 24 мм и толщиной 2.2 мм, для M12 — диаметром 28 мм и толщиной 2.7 мм. При использовании болтов из высокопрочной стали возникает проблема разности теплового расширения. Сталь расширяется примерно при 11.1 × 10⁻⁶/°C против 16.5 × 10⁻⁶/°C для меди, поэтому натяг болта увеличивается при нагреве соединения и может превысить 95 % от усилия текучести, установленного CDA как предельное значение. Тарельчатые (Бельвилля) шайбы компенсируют этот рост; болты из алюминиевой бронзы CW307G с коэффициентом 16.2 × 10⁻⁶/°C практически исключают проблему, благодаря близости к медному расширению.

Существует контринтуитивный момент: CDA не рекомендует покрывать контактные поверхности медных соединений, если того не требует окружающая среда, поскольку мягкое покрытие может течь при повышенной температуре и снижать давление контакта, установленное при сборке.

Когда на чертеже указано «по DIN 43673» и больше ничего

Это типичная ситуация, и это коммерческая проблема до того, как стать технической.

Принадлежность рисунка к конкретной полосе должна быть определена. Стандарт привязывает расположение и размеры отверстий к прямоугольным сечениям шин, указанным в DIN 43670 и DIN 43671. Если заданная ширина и толщина не соответствует одному из этих сечений, ссылка не работает, и заказчик должен предоставить размеры.

Необходимо уточнить цель: рисунок или соединение? Многие чертежи, ссылающиеся на DIN 43673-1, требуют только стандартного рисунка отверстий для совместимости с существующим щитовым оборудованием. Другие требуют также данных о винтовом соединении, что включает в область поставки класс болтов, arrangement шайб и крутящий момент. Это разные коммерческие предложения.

Необходим единый физический образец. Эталонная полоса, размеченный эскиз или фотография сопрягаемого оборудования устраняют больше неясностей за пять минут, чем недельная переписка. Отверстия на самом щитовом оборудовании заказчика являются фактическим техническим заданием, вне зависимости от чертежа.

Интерпретация чертежа должна быть зафиксирована и согласована. Диаметр отверстия, шаг и крайнее расстояние, предназначенные для производства, должны быть объявлены. Если заказчик располагает стандартом, а поставщик нет, проверка по первоисточнику занимает одну минуту.

Документ следует приобрести, если рисунок повторяется. Стоимость четырех страниц меньше, чем стоимость списанной партии шин сечением 200 мм. Заказывать следует через DIN Media или соответствующий национальный орган по стандартам, а не через агрегатор-посредник.

Перенос рисунка на станок

После уточнения рисунок становится вопросом оснастки. Повторяющийся стандартный рисунок DIN для нескольких ширин полос требует нескольких диаметров отверстий, и ограничением является количество рабочих инструментов в револьверной головке. Пробивно-отрезной станок, такой как EMAC-BP-60, хорошо работает с фиксированным набором инструмента. Там, где ассортимент шире, шиннообрабатывающий центр, такой как IMAC-CENTER 60 с 24 инструментальными позициями, расширяемыми до 36, устраняет проблему переналадки и обеспечивает позиционирование ±0,05 мм, что сохраняет суммарную погрешность шага в пределах допустимого зазора.

Номинальные параметры для той же задачи определяются стандартом DIN 43671, таблицы которого приведены при температуре окружающей среды 35 °C и температуре шины 65 °C с поправочными коэффициентами для других условий. Соединение, которое является термически пограничным из-за номинала шины без учета этих поправок, не будет спасено хорошим рисунком отверстий. Калькулятор токовой нагрузки применяет эти поправки, а не опускает их, а статья о болтовых соединениях содержит дополнительные сведения о подготовке поверхности, которые невозможно здесь разместить.