Основные принципы и характеристики метода монтажа накруткой

Структура соединения

Метод монтажа накруткой представляет собой способ постоянного соединения однопроволочного (одножильного) провода со штыревым выводом схемы путем накрутки под натягом определенного числа витков провода вокруг вывода, имеющего два или более острых края.

В международной практике соединением накруткой называется электрическое соединение между проводом и выводом с острыми краями, при котором провод наматывается непосредственно на вывод с контролируемым усилием, причем несколько витков провода, врезаясь, запираются на углах вывода.

На рис. 1 показан общий вид навитого соединения со штырем разъема, а на рис. 2 — его разрез.


Рис. 1. Внешний вид соединения накруткой провода со штырем разъема.

Рис. 2. Продольный (а) и поперечный (б) разрезы соединения накруткой.

Рис. 3. Фотоупругая модель провода и вывода, показывающая области высокого давления.

Соединение «провод-вывод» удерживается вместе благодаря упругим напряжениям, возникающим в этих двух элементах. Острые края вывода образуют точки высокого давления (рис. 3), которые приводят к  появлению выемок как на проводе, так и на выводе. Результирующее газонепроницаемое соединение двух металлов с большим натягом обеспечивает электрическую непрерывность и механическую стабильность.

На развитой части провода (рис. 1) хорошо видны своеобразные белые «точки», представляющие собой следы контактирующих поверхностей провода со штырем. Именно эти контактные поверхности газонепроницаемы, что обеспечивает высокую надежность соединений в сложных климатических условиях и при механических воздействиях.

Многожильный провод непосредственно не накручивают, а залуживают, и только после этого используется так называемое «бандажирование». Под соединением бандажированием понимается электрическое соединение между каким-либо проводом и выводом с острыми кромками, при котором провод располагается параллельно выводу вдоль его широкой поверхности и затем прикрепляется к выводу с помощью нескольких витков бандажной проволоки, которая наматывается вокруг вывода и провода с контролируемым усилием. Каждый виток бандажной проволоки контактирует с бандажируемым проводом, деформируя его, и запирается по крайней мере на двух углах вывода (рис. 4). Соединение двух выводов бандажированием представляет собой смешанный вид соединения, образованного двумя выводами прямоугольного сечения, имеющими острые кромки. Эти выводы соприкасаются своими широкими поверхностями и закрепляются бандажной проволокой. Такое соединение используется и для подсоединения шин к выводам (рис. 4, справа).

соединение бандажированием
Рис. 4. Соединение бандажированием.



Когда провод накручивается на вывод, оба они слегка деформируются. Среднее давление между проводом и выводом в точках контакта составляет около 1 800 кГ/см2, что значительно превосходит требования для газонепроницаемого соединения. Поскольку при комнатной температуре соединение «стареет», оно благодаря диффузии в месте стыка становится механически более прочным, исключая в конце концов зазор между проводом и выводом в точках контакта. Навитые соединения могут в течение 3 ч выдерживать температуру до 175° С, что снижает напряжение примерно наполовину и соответствует сроку службы около 40 лет при температуре около 57° С.

Минимальные физические требования, которым должно отвечать соединение накруткой, следующие:
1)     плотный контакт между проволокой и выводом;
2)     точки контакта должны быть газонепроницаемыми для исключения коррозии;
3)     минимальный размер газонепроницаемой площади должен быть достаточно большим с тем, чтобы предупредить при эксплуатации заметное ее уменьшение, вызванное коррозией или ослаблением внутреннего напряжения в проволоке или выводе;
4)     сумма площадей в месте тесного контакта должна быть равна или больше поперечного сечения провода с тем, чтобы исключить местный нагрев;
5)     соединение должно быть механически стабильным, чтобы силы, действующие на него при нагрузках, транспортировке, установке, монтаже или последующем обслуживании, не смещали проволоку и не разрушали точки частного контакта;
6)     та часть провода, которая не участвует в соединении, не должна повреждаться при накрутке, так как это влечет за собой последующие повреждения от вибрации, переноски или раскрутки.

Первоначальное натяжение для провода диаметром 0,5 мм обычно составляет около 1,5—2 кГ и начальное напряжение составляет около 500 кГ/см2. Концентрация напряжения в контактных точках превышает эту цифру и оценивается средним давлением около 1 700 кГ/см2, а максимальное начальное давление может достигать 60 000 кГ/см2. Рекомендуемое напряжение составляет около 35% номинального напряжения провода, что обеспечивает начальное напряжение сдавливания около 20% номинального напряжения провода.

Концентрация напряжения на углах вывода достаточно велика для обеспечения диффузии олова в вывод после определенного периода времени. Было установлено, что для луженого медного провода, навитого на покрытый серебром вывод, напряжение изменяется с течением времени при изменениях температуры. Напряжение в проводе постепенно снижается, что могло бы привести к ослаблению соединения, однако металлическая диффузия развивается в большей степени, что приводит к увеличению прочности соединения.

Натяжение провода при накрутке достаточно велико для того, чтобы, во-первых, разрушить оксидную пленку на выводе и на навиваемом проводе и, во-вторых, вдавить провод в грань вывода, на котором при этом образуются газонепроницаемые контактные поверхности. При выполнении соединения с шестью витками провода образуется газонепроницаемая поверхность, равная поперечному сечению навитого провода. Два первых и два последних угла на крутки могут не давать контактного соединения, поэтому количество эффективных соединений провода со штырем определяют как сумму всех точек соприкосновения навитого провода с выводом за вычетом четырех. В зарубежной практике принято навивать в аппаратуре общепромышленного назначения четыре витка провода, а в аппаратуре специального назначения — шесть витков.

Таким образом, соединение провода с выводом в общепромышленной аппаратуре обеспечивается 12, а в специальной аппаратуре 20 контактными поверхностями. Для увеличения газонепроницаемой поверхности и величины усилия снятия навитого соединения на выводе иногда делают насечки.

Кроме того, необходимо, чтобы витки плотно прилегали друг к другу и конец («хвост») последнего витка был как можно плотнее прижат к выводу, чтобы не повредить изоляцию других проводов при укладке их во время монтажа. Кроме того, если конец последнего витка плотно прижат к выводу, уменьшается возможность случайной развивки последних витков соединения. Конец последнего витка не должен выступать за уровень соединения более чем на четверть диаметра навиваемого провода.


Рис. 5. Внешний вид обычного (а) и модифицированного (б) соединений накруткой.

При монтаже накруткой для повышения надежности соединения часто используется так называемое «модифицированное» соединение. На рис. 5 показан внешний вид обычного и модифицированного соединений. Модифицированное соединение отличается от обычного добавлением к виткам из неизолированного провода, создающим контактирующую поверхность, одного-двух витков провода с изоляцией. Это несколько увеличивает объем и высоту соединения, но дает ряд преимуществ. Изоляция уменьшает концентрацию напряжения в точке, где осуществляется касание провода к выводу, и поэтому при модифицированном соединении поломка провода у первого витка соединения при вибрациях и перемещениях вывода менее вероятна, чем при обычном соединении.

Проведенные испытания различных видов соединений на излом при воздействии вибраций показали, что паяное соединение разрушалось в среднем через 8 ч, соединение накруткой — через 12,5 ч, а модифицированное соединение накруткой вообще не разрушалось за 24 ч испытаний, которые проводились в диапазоне частот 10—2 000 гц.

Следует отметить, что добавление витка из изолированного провода несколько уменьшает число соединений на одном и том же штыре и усложняет укладку проводов между навитыми штырями. Однако преимущества модифицированного соединения настолько велики, что его используют в подавляющем большинстве случаев.