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

Поищите DIN 43673 — и каждый результат на первой странице выдачи будет пытаться продать вам документ. Никто его не объясняет. Стандарт — это четыре страницы на немецком от февраля 1982 года, и его номер постоянно всплывает на чертежах заказчика, обычно как голая ссылка без единого размера.

Что охватывает стандарт

DIN 43673-1

, Stromschienen-Bohrungen und -Verschraubungen; Stromschienen mit Rechteck-Querschnitt, изданный в английском переводе под названием «Drilled holes and screw connections for busbars; rectangular cross-section busbars». Четыре страницы. Он устанавливает расположение и размер сверлёных отверстий и даёт исходные данные для проектирования и конструирования винтовых соединений. Он распространяется на постоянный ток и на переменный ток частотой до 60 Hz.

Его область действия привязана к двум другим документам DIN: он распространяется на шины прямоугольного сечения, длительно допустимые токи которых заданы в DIN 43670 (алюминий, 1975-12, десять страниц) и DIN 43671 (медь, 1975-12, девять страниц). Семейство делится чисто. DIN 43671 говорит, какой ток понесёт данное сечение шины; DIN 43673-1 говорит, где в ней разместить отверстия. Оба до сих пор числятся действующими у DIN Media, что для документов такого возраста необычно.

Из формулировки области действия следуют две вещи. Стандарт — о соединении, а не только о сверлении, и «исходные данные для проектирования винтовых соединений» — это та половина, о которой забывают. И потолок 60 Hz реален: выше него поверхностный эффект и эффект близости в зоне стыка перераспределяют ток вокруг отверстий настолько, что схема перестаёт быть правильной.

DIN 46433 — не стандарт на отверстия в шине

Эта поправка вынесена в отдельный заголовок, потому что ошибочная ссылка встречается повсюду, в том числе в тендерной документации и в чертежах поставщиков, которые копируются дальше годами.

DIN 46433

носит название Flachdrähte und Flachstangen, gezogen, mit gerundeten Kanten — Maße: «Проволока прямоугольного сечения и прутки прямоугольного сечения, тянутые, со скруглёнными кромками; размеры». Восемь страниц. Это размерный стандарт на тянутые проволоку и прутки прямоугольного сечения: ширина, толщина, радиус кромки, допуски. В нём ничего не сказано о положениях отверстий, диаметрах отверстий или болтовых соединениях. Он к тому же отменён и заменён документом DIN EN 13601.

Если полученный вами чертёж говорит «отверстия по DIN 46433», чертёж неверен. Ссылки, которые имел в виду его автор, — это DIN 43673-1 на схему отверстий и DIN 43671 на длительно допустимый ток, а если он тянулся к требованиям на материал, то это EN 13601 — тот самый документ, который заменил DIN 46433. Поднимите вопрос до того, как резать металл, потому что чертёж, ошибочно ссылающийся на один стандарт, обычно так же ошибается и в состоянии поставки.

Где схема отверстий встречается с проверкой конструкции НКУ

Схемы отверстий выглядят как деталь производства. Это не так, потому что получаемое ими соединение попадает в область действия стандарта на НКУ, по которому проверяют готовый щит.

IEC 61439-1 высказывается прямо. В испытании на превышение температуры пункт 10.10.2.3.3 требует, чтобы «особое внимание было уделено соединениям в проводниках и выводах внутри главных цепей». Соединения названы точками измерения. Пункт 10.10.2.3.7 a) требует, чтобы при раздельном испытании главных шин испытуемая длина составляла не менее 2 m и включала одно соединение там, где шины допускают наращивание, а пункт 10.11.5.3.3 о коротком замыкании фиксирует эту длину как (2 ± 0,4) m при том же условии.

Далее — критерий приёмки. После испытания на короткое замыкание пункт 10.11.5.5 устанавливает, что «не должно быть ослабления деталей, применённых для присоединения проводников». Соединение, которое выдерживает термически, но ослабевает под действием электродинамических усилий, проваливает испытание НКУ, и решают это расстояние до кромки и подбор болтов.

Расстояние до кромки

Стандарт фиксирует положение центров отверстий относительно кромки шины. Уравновешиваются две независимые вещи.

Механически перемычка между отверстием и кромкой шины несёт нагрузку смятия от болта во время аварийного режима. Ударный ток стойкости разводит соседние шины в стороны или сводит их вместе с усилиями, которые в итоге воспринимаются группой болтов. Мало материала до кромки — перемычка течёт, отверстие вытягивается, усилие затяжки падает и соединение ослабевает. Прямой вырыв в меди разумной толщины редок; настоящий отказ — это постепенное вытягивание с последующей потерей контактного давления, и оно хуже, потому что остаётся невидимым, пока его не поймает тепловизионное обследование.

Электрически перемычка — это горловина. Току приходится обходить отверстие, поэтому материал между отверстием и кромкой несёт более высокую плотность тока, чем основной объём шины. Поставьте отверстие слишком близко к кромке — и вы встроили местную горячую точку в самую нагруженную часть соединения.

Производство добавляет третье ограничение. Когда вы пробиваете, а не сверлите, матрице нужен материал вокруг, чтобы было на что опереться. Пробейте с малым расстоянием до кромки в меди твёрдого состояния — и кромка выпучится наружу, перемычка нагартуется, а шина перестанет ложиться плоско на ответную. Как цеховая практика, а не как нормативная величина: держите чистое расстояние от кромки отверстия до кромки шины не меньше толщины шины, а в твёрдом состоянии — в 1,5 раза больше. Наша страница о процессе пробивки разбирает инструментальную сторону того же ограничения.

Шаг и сгущение тока вокруг отверстий

Наиболее ясный из опубликованных разборов того, что отверстия делают с соединением, даёт Copper for Busbars (Publication 22) Copper Development Association. Сопротивление соединения состоит из двух частей: сопротивления искривления линий тока, или растекания, вызванного тем, что току приходится отклоняться через нахлёст, и переходного сопротивления на самой границе раздела. Болтовые отверстия ухудшают первое, и приводимая CDA оценка зависит от диаметра отверстия и от n — числа отверстий, отсчитываемого поперёк ширины шины.

Одна эта переменная снимает вопрос, о котором спорят изготовители. Отверстия следует размещать в линию вдоль длины соединения. Их разбежка поперёк ширины повышает сопротивление, потому что каждое дополнительное отверстие поперёк ширины — ещё одно препятствие на том же пути тока. Два отверстия в линию на шине 60 mm дают лучшее соединение, чем два отверстия, смещённые по диагонали, хотя второе расположение выглядит так, будто равномернее распределяет прижимающую нагрузку.

Длина нахлёста подчиняется тому же эффекту. Потеря на искривление линий тока падает очень круто, пока отношение длины нахлёста к толщине растёт примерно до 2, а затем улучшается лишь медленно вплоть до отношения 10. Дальше выигрывать уже нечего. Вывод CDA: нахлёст должен быть лишь настолько длинным, чтобы вместить столько болтов, сколько нужно для достижения требуемого контактного давления. Длинные нахлёсты расходуют медь и добавляют массу, не покупая проводимости.

Два уточнения из того же источника дёшевы в исполнении и применяются редко. Продольная прорезь, прорезанная сквозь обе шины в зоне нахлёста, снижает переходное сопротивление на 30–40 %, потому что выравнивает контактное давление в каждой полке соединения. Скос торцов шины под углом менее 45° снижает начальное сопротивление соединения примерно на 15 % и замедляет рост сопротивления соединения при циклировании нагрузки в 1,3–1,5 раза.

Диаметр отверстия

Диаметр отверстия разменивает зазор под болт на накопление допусков и на площадь контакта, которую вы удаляете.

Зазор щедрее, чем ожидают. Давняя рекомендация CDA сочетает болт M10 с отверстием 11,5 mm, а M12 — с отверстием 14 mm, вырастающим до 15 mm на более широких шинах. Это от 1,5 до 3 mm люфта, и он намеренный: он поглощает накопленную погрешность шага по схеме на пять или шесть болтов в двух шинах, изготовленных в разные дни, возможно, на разных станках. Ужмите зазор — и вы купите себе соединения, которые не соберутся.

Расплата — площадь контакта. Каждое отверстие убирает медь из нахлёста, и именно из той области, где прижимающее давление максимально. Отверстие 14 mm в шине 100 mm забирает 14 % ширины из сечения в этом месте. Именно поэтому ответ на предельное соединение — больше болтов умеренного размера, а не меньше крупных. Число болтов покупает равномерность давления; диаметр болта покупает потерю сечения.

Диаметр отверстия взаимодействует и с инструментом. Пробивать в меди отверстие меньше толщины материала тяжело для оснастки, и качество отверстия страдает. На M10 и выше в шине от 5 до 12 mm это редко сказывается, но сказывается на тонкой шине цепей управления с мелкими крепёжными отверстиями. Калькулятор усилия пробивки скажет вам, во что данный диаметр обходится по усилию пресса, прежде чем вы закрепите схему.

Размер болта, момент затяжки и пакет шайб

Таблица 22 CDA десятилетиями служит рабочим справочником. Схема примерно такая: шина от 25 до 30 mm берёт два M8 при 17 N·m; 40 mm берёт два M10 при 28 N·m; от 50 до 80 mm переходит на M12 при 45 N·m — два болта при 50 mm и четыре при 80 mm; шина 100 и 120 mm берёт пять M12; шина 160 и 200 mm берёт от шести до восьми M16 при 91 N·m. Применяемые в эксплуатации размеры лежат от M6 до M20, причём обычный случай — четыре или шесть болтов.

Момент затяжки — косвенный показатель, и притом плохой. Контактное давление на объекте измерить нельзя, поэтому его выводят через T = K·F·D, где K — коэффициент затяжки. CDA даёт K 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. Читайте это так: та же настройка ключа на смазанной резьбе даёт примерно на 30 % большее усилие затяжки, чем на сухой. Если ваша цифра момента взята из таблицы, а ваша инструкция по сборке предписывает смазывать резьбу, эти двое друг к другу не относятся.

То, к чему вы стремитесь, — контактное давление по нахлёсту. Числа CDA: ниже примерно 7 N/mm² не рекомендуется, выше 10 N/mm² предпочтительно, а выше примерно 30 N/mm² дальнейшего выигрыша почти нет. Реально проводит лишь около 1 % видимой площади нахлёста, а нагрузка проходит через дискретные контакты микронеровностей — поэтому состояние поверхности значит не меньше числа болтов и поэтому шины при сборке должны быть плоскими и свежезачищенными.

Пакет шайб делает настоящую работу. Крупные толстые шайбы распределяют нагрузку болта в стороны от отверстия и расширяют область полезного давления; CDA сочетает M10 с шайбой 24 mm толщиной 2,2 mm, а M12 — с шайбой 28 mm толщиной 2,7 mm. Там, где применяют высокопрочные стальные болты, проблемой становится разница расширения. Сталь расширяется примерно на 11,1 × 10⁻⁶/°C против 16,5 × 10⁻⁶/°C у меди, поэтому натяжение болта растёт по мере нагрева соединения и может быть выведено за 95 % напряжения от пробной нагрузки, которые CDA задаёт как потолок. Тарельчатые пружинные шайбы этот прирост поглощают; болты из алюминиевой бронзы CW307G с 16,2 × 10⁻⁶/°C его избегают, почти совпадая с медью.

Один контринтуитивный момент. CDA не рекомендует наносить покрытие на поверхности соединения «медь — медь», если этого не требует среда, потому что мягкое покрытие при повышенной температуре может течь и ослаблять контактное давление, которое вы старались создать.

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

Это распространённый случай, и это коммерческая задача раньше, чем техническая.

Спросите, какой шине принадлежит схема. Стандарт привязывает расположение и размер отверстий к сечениям шин прямоугольного профиля, токи которых нормированы в DIN 43670 и DIN 43671. Если заданные ширина и толщина не входят в число этих сечений, ссылка не раскрывается и заказчик обязан дать вам размеры.

Спросите, имеют ли они в виду схему или соединение. Многие чертежи, ссылающиеся на DIN 43673-1, хотят только стандартную схему болтов — ради взаимозаменяемости с существующим распределительным устройством. Некоторые хотят и данные по винтовому соединению, а это втягивает в ваш объём поставки класс прочности болтов, состав пакета шайб и момент затяжки. Это разные коммерческие предложения.

Получите один физический ориентир. Образец шины, размеченный эскиз или фотография ответного оборудования снимают за пять минут больше неоднозначности, чем неделя переписки. Отверстия интерфейса на собственном распределительном устройстве заказчика и есть настоящее требование, что бы ни было написано на чертеже.

Внесите своё толкование в чертёж, который вы возвращаете, и получите подпись. Укажите диаметр отверстия, шаг и расстояние до кромки, которые вы намерены выполнять. Если стандарт есть у заказчика, а у вас его нет, он сможет сверить это с первоисточником за минуту.

Купите эти четыре страницы, если схема повторяется. Документ стоит меньше, чем забракованная партия шины 200 mm. Заказывайте его в DIN Media или в вашем национальном органе по стандартизации, а не у перепродавца-агрегатора.

Как перенести схему на станок

После того как вопрос решён, схема превращается в вопрос оснастки. Повторяющаяся схема DIN на нескольких ширинах шины означает несколько диаметров отверстий, а ограничением служит то, сколько их одновременно живёт в револьверной головке. Линия пробивки и резки вроде EMAC-BP-60 хорошо справляется с фиксированным набором инструмента. Там, где номенклатура широка, обрабатывающий центр вроде IMAC-CENTER 60 с 24 инструментальными позициями, расширяемыми до 36, убирает переналадку из уравнения и держит позиционирование ±0,05 mm — а именно это удерживает накопление погрешности шага внутри зазора, который вы заложили.

Токовая сторона той же работы принадлежит DIN 43671, таблицы которого отнесены к температуре окружающего воздуха 35 °C и температуре шины 65 °C с поправочными коэффициентами на другие условия. Соединение, термически предельное из-за того, что шину подобрали по току без этих поправок, хорошей схемой отверстий не спасти. Наш калькулятор допустимого тока их применяет, а не прячет, а статья о болтовых соединениях уходит в подготовку поверхности глубже, чем здесь есть место.