Oprócz techniki zaprasowywania, technika połączeń śrubowych posiada wysoką rangę przy połączeniach w liniach kablowych. Za techniką śrubową przemawiają z jednej strony szerokie zakresy przekrojów, które pokrywane są jednym elementem połączeniowym, a z drugie strony prosty i szybki montaż, który wykonywany jest małymi i lekkimi narzędziami.

Kluczowym elementem techniki śrubowej jest śruba stykowa, gdzie wymogi jej stawiane spowodowały powstanie różnorodnych jej typów. Referat ten poświęcony jest istotnym cechom śrub stykowych jak również kryteriom ich doboru.

Zadania stawiane śrubom stykowym

Zasadniczym zadaniem śruby stykowej jest uzyskanie odpowiedniej siły docisku, która pozwala na wytworzenie jak największej efektywnej powierzchni stykowej między dwoma metalowymi elementami stykowymi.

Dzięki odkształceniu plastycznemu tych elementów następuje dodatkowo zniszczenie istniejących warstw obcych jak np. warstwa tlenkowa. Im więcej uzyskanych powierzchni stykowych tym mniejsza rezystancja stykowa.

Następne zadanie polega na zapewnieniu długotrwałego i stabilnego połączenia łączonych elementów (połączenie śrubowe musi wytrzymać ponad 50 lat).

Ponieważ śruba stykowa bezpośrednio styka się z elementem przewodzącym prąd elektryczny, dochodzi do zmieniających się w czasie oddziaływań prowadzących do chemicznego lub mechanicznego uszkodzenia przewodzących powierzchni stykowych.

Z tego względu wybór właściwej śruby stykowej jest warunkiem koniecznym zapewnienia długotrwale dobrego połączenia elektrycznego.

Jaka śruba stykowa jest właściwa ?

 Aby dobrać właściwą śrubę stykową do połączenia przewodów kablowych należy rozważyć kilka kryteriów.

W pierwszym rzędzie należy rozróżnić przewody gołe oraz izolowane.

Dla przewodów gołych wystarczy wykorzystać zwykłą śrubę dociskową, podczas gdy dla przewodów izolowanych konieczne jest wykorzystanie śruby frezującej, której zadaniem jest najpierw wyfrezowanie warstwy izolacyjnej przewodu a następnie zapewnienie właściwej siły docisku. Następnie należy rozważyć, czy śruba ma mieć prosty sztyft gwintowy, czy też ma posiadać łeb urywalny. Jeżeli część śruby stykowej może wystawać po montażu poza powierzchnię złączki stykowej oraz gdy monter potrafi zapewnić właściwy moment dokręcenia śruby (za pomocą klucza dynamometrycznego lub na podstawie swojego doświadczenia), to można bez problemu wykorzystać zwykłą śrubę stykową bez łba urywalnego. Wybór śruby stykowej z łbem urywalnym będzie właściwy, gdy po montażu śruba nie może zbytnio wystawać poza powierzchnię zewnętrzną złączki kablowej lub, gdy monter nie jest w stanie zapewnić właściwego momentu dokręcania śruby.

W przypadku śrub z łbem urywalnym należy jeszcze określić ilość miejsc urwania śruby, która zależy od zakresu przekrojów przewodów w kablu jak również od dopuszczalnej wysokości wystawania śruby po urwaniu łba. Następna możliwość doboru śrub stykowych z łbem urywalnym polega na wyborze pomiędzy śrubą  odkręcalną i nie odkręcalną.

Z jednej strony śruba odkręcalna wykazuje zaletę w postaci możliwości jej odkręcenia po błędnym montażu. Z drugiej strony jej niewątpliwą wadą jest fakt, że po jej wykręceniu i ponownym dokręceniu osadza się ona na tym samym zdeformowanym już miejscu. W takim przypadku uzyskane połączenie będzie gorsze od połączenia z miejscem nie zdeformowanym, ponieważ na plastycznie zdeformowanej powierzchni przewodu nie uda się już zapewnić takiej powierzchni stykowej, jaką można uzyskać przy pierwszym dokręceniu śruby stykowej.

Poza tym, śruby odkręcalne dają monterom możliwość „dociągania“ śruby po dokręceniu, co np. w przypadku wielodrutowych przewodów aluminiowych może doprowadzać do przerywania poszczególnych drutów przewodu. W przypadku śrub stykowych z więcej niż jednym punktem urywania łba należy rozróżnić czy urwanie łba śruby jest określone narzędziem dokręcającym, czy też geometrią samej śruby. Jeżeli miejsce urwania łba jest określone wybranym narzędziem dokręcającym, to monter musi mieć do dyspozycji więcej niż jedno narzędzie. Następną wada polega na tym, że po urwaniu na powierzchni pojawiającej się po urwaniu łba pozostaje otwór, co dla zakresu średniego napięcia może prowadzić do powstawania szkodliwych dla izolacji wyładowań niezupełnych. Zaleta tego typu śruby polega na tym, że największy moment dokręcania przyporządkowany jest największemu przekrojowi przewodu, podczas gdy w przypadku, gdy miejsce urwania jest zdeterminowane geometrią śruby największy moment dokręcania odpowiada najmniejszy przekrój przewodu. Oprócz cech geometrycznych śruby stykowej, użyte materiały jak również właściwości jej powłoki są decydujące. W poniżej przedstawionych paragrafach zostaną bliżej wyjaśnione różne  wykonania śrub stykowych.

Łeb śruby

Łeb śruby stykowej wykonuje się w taki sposób  aby do przeniesienia momentu dokręcającego można było użyć powszechnie dostępnych prostych narzędzi. Używa się do tego celu klucze sześciokątne z sześciokątem zewnętrznym lub wewnętrznym.

Dzięki kombinacji różnych sześciokątów na śrubie stykowej można jej nadać różne właściwości. W ten sposób można spowodować selektywne urwanie się śruby w różnych miejscach w zależności od wykorzystania różnych sześciokątów na jej powierzchni.

Można by również osiągnąć możliwość dokręcenia śruby przy użyciu jednego sześciokąta oraz jej odkręcenia przy użyciu drugiego. Już wybór łba śruby determinuje jej zastosowanie i funkcje przez nią spełniane.

Końcówka stykowa śruby

Końcówka stykowa styka się bezpośrednio z przewodem w kablu, co czyni tą część śruby szczególne ważną. Zasadniczo końcówka stykowa powinna stykać się z przewodem na całej swojej powierzchni tak, aby zapewnić możliwie największą efektywną powierzchnię stykową. Oznacza to, że średnica sztyftu gwintowanego śruby stykowej powinna być na tyle duża, aby zapewnić maksymalne wypełnienie szerokości kanału złączki kablowej.

Takie wypełnienie kanału śrubą zapobiega sytuacji, w której pojedyncze druty niedociśnięte końcówką śruby nie będą brały udziału w przekazywaniu energii elektrycznej.

Końcówka śruby stykowej dla przewodów izolowanych musi przebić izolację za pomocą szczelin frezujących, stożka tnącego lub za pomocą ostrza. Śruba nie może jednak być zbyt agresywna, ponieważ mogłaby uszkodzić przewód.

Szczeliny frezujące są wykonywane w taki sposób, aby po wyfrezowaniu zapchały się wyfrezowanym materiałem izolacyjnym tracąc tym samym swoją zdolność frezowania. Stożki tnące można wykonać w taki sposób, aby po przebiciu się przez izolację następowało ich stępienie.

Ostrze na końcu śruby przebija izolację żyły kablowej stosunkowo łatwo. Nie nadaje się jednak do zagęszczenia żył wielodrutowych, ponieważ ostrze wbija się pomiędzy druty żyły wielodrutowej. Poza tym nie można uzyskać odpowiedniej siły docisku, co oznacza, że ilość rzeczywistych powierzchni stykowych jest niedostateczna do przeniesienia dużych prądów roboczych. Koniec śruby stykowej dla gołych żył kablowych ma postać płaskiej powierzchni lub półkuli stykowej. Dla wielu aplikacji wystarcza płaska powierzchnia stykowa za pomocą, której następuje zagęszczenie żyły i wywarcie odpowiedniej siły docisku.

W pozostałych przypadkach konieczne jest częściowe wniknięcie śruby w żyłę, aby przez plastyczne odkształcenie żyły zapewnić większą efektywną powierzchnię styku. Najlepiej osiąga się to poprzez półkulę stykową. Półkule stykowe o małym promieniu dobrze wchodzą w żyłę, ponieważ ich powierzchnia stykowa powiększa się stopniowo przy każdym obrocie śruby a żyła poddaje się szybciej naciskowi śruby. W przypadku zakładania złączki na grube żyły (o maksymalnym dopuszczalnym przekroju dla kanału złączki) wadą półkul stykowych jest konieczność wykręcenia śruby w takim stopniu, że grozi to jej wypadnięciem i problemami z jej ponownym wkręceniem. W związku z tym należy tak dobrać promień półkuli stykowej, aby można było bezproblemowo wprowadzić żyłę o największym przekroju.

Półkula z większym promieniem nie wnika tak głęboko w żyłę, ponieważ jej powierzchnia stykowa powiększa się stopniowo przy każdym obrocie śruby, a żyła poddaje się wolniej jej  naciskowi.

Koniec śruby stykowej należy tak ukształtować, aby w żadnym przypadku nie doszło do przerwania pojedynczych drutów żyły wielodrutowej. Poza tym wytrzymałość na zerwanie złącza nie może znajdować się poniżej wartości podanych w obowiązującej normie. Takie wartości zostały podane np. w IEC1238-1 z sierpnia 1993.

Zadane miejsce urwania śruby

 Zadanie w procesie produkcyjnym miejsca i momentu siły, przy którym ma nastąpić urwanie łba śruby stykowej gwarantuje, że śruba zostanie dokręcona do momentu jej zerwania bez używania klucza dynamometrycznego. Nieprawidłowo dokręcone śruby urywalne są od razu widoczne gołym okiem, ponieważ wciąż posiadają nie zerwany łeb. Ta właściwość śrub urywalnych znacząco redukuje błędy montażowe. To producent śruby przejmuje gwarancję optymalnej siły docisku śruby. Dzięki nowoczesnym procesom produkcji śrub urywalnych można „zaprogramować“ wartość zadaną momentu z rozdzielczością +/- 1Nm.

Po urwaniu łba śruby pozostają na niej ostre krawędzie. Może to prowadzić do uszkodzenia rur termokurczliwych podczas montażu osprzętu  termokurczliwego .  Aby temu zapobiec skonstruowano śruby z zapadniętą krawędzią miejsca urwania, w której krawędź urwania śruby została umiejscowiona nieco głębiej, dzięki czemu ostre krawędzie po urwaniu śruby nie wystają niebezpiecznie i nie narażają rur termokurczliwych na uszkodzenie.

W śrubach stykowych, które pokrywają szeroki zakres przekrojów żyły i gdzie dopuszczalny stopień wystawania śruby po montażu jest ograniczony, stosuje się kilka miejsc urywania śruby. Z  powodu faktu, że miejsca urywania śrub są oddalone od siebie tylko nieznacznie a gwint między nimi musi być wystarczający dla pewnego dokręcania śruby, zachodzi konieczność jak najmocniejszego zwężenia miejsc urywania śruby. Z tego względu w śrubach z wieloma miejscami urywania nie da się wykonać zapadniętych krawędzi urywania. Aby pomimo tego ograniczenia wykonać śrubę urywalną  nadającą się do montażu termokurczliwego w miejscach urwania wykonuje się specjalne skosy, aby wybieg gwintu nie był ostry.

Następnym powodem stosowania wielu miejsc urywania śruby jest ustalenie określonej kolejności działania śruby.

W przypadku śruby frezującej wyzwolenie pierwszego miejsca urywania nastąpi po wyfrezowaniu izolacji. Przy dalszym dokręcaniu śruby frez zamienia się już w talerzyk dociskowy, zagęszczający druty żyły kablowej. Wyzwolenie następnego miejsca urwania nastąpi po osiągnięciu odpowiedniej siły docisku końcowego.

Materiały wykorzystywane do produkcji śrub stykowych

Ze względu na doskonałe właściwości elektryczne, podatność na obróbkę mechaniczną oraz powszechną dostępność, stopy miedzi znalazły uznanie w przemyśle elektrotechnicznym również do produkcji śrub stykowych.

Pomimo tego, stopy aluminium również stosowane są w technice połączeń elektrycznych. Co prawda przewodność aluminium to około 2/3 przewodności miedzi, ale jest to materiał tańszy, dostępniejszy i bardzo łatwo poddający się obróbce mechanicznej. Decyzja, co do wyboru materiału na śruby stykowe zależy również od innych materiałów używanych do wyprodukowania połączenia elektrycznego oraz ich wzajemnej interakcji. Odgrywają tu również rolę takie aspekty jak korozja pomiędzy miedzią i aluminium oraz mechaniczne zatarcie łączonych elementów aluminiowych podczas dokręcania. Wybór elementów składowych stopu dla osiągnięcia odpowiednich właściwości elektrycznych oraz mechanicznych elementu stykowego to trudne zadanie z dziedziny materiałoznawstwa elektrotechnicznego. Odpowiednia zawartość takich pierwiastków jak magnez, cynk lub ołów jest decydująca o elektrycznych i mechanicznych właściwościach stopu. Obowiązuje tu jednak zasada im lepszy stop pod względem elektrycznym tym gorszy pod względem mechanicznym i odwrotnie. Nie istnieją w związku z tym śruby stykowe ze stopu miedzi o właściwościach mechanicznych śruby ze stali. W zastosowaniach, w których śruba stykowa ma funkcję jedynie mechaniczną nie trzeba brać pod uwagę jej właściwości elektrycznych. W takich zastosowaniach używa się śrub stykowych ze stali, których zadanie polega na wciskaniu żyły w łoże stykowe.

Prąd płynie wtedy bezpośrednio od żyły do łoża stykowego bez pośrednictwa śruby stykowej. Szczególną uwagę kładzie się na powłokę śrub stykowych. Każda powłoka na śrubie stykowej zmienia rezystancję przejścia pomiędzy śrubą  innym elementem. Skład chemiczny jak i grubość powłoki odgrywają tutaj ogromną rolę. Np. błyszcząca powłoka cynowa ma mniejszą przewodność od powłoki matowej,  ponieważ dodatki organiczne powodują pogorszenie właściwości elektrycznych.

Optymalną grubością powłoki cynowej z uwagi na przewodność jest 5-10 µm. Aby zapobiec korozji śrub stalowe produkowane są w wykonaniu nierdzewnym lub są cynowane. Aluminiowe oraz miedziane śruby stykowe są często w celach antykorozyjnych cynowane galwanicznie. Cyna posiada znakomite właściwości elektryczne i biorąc pod uwagę jej niską cenię stanowi dobre zabezpieczenie.  Zaletą cyny jest również jej miękkość. Podczas dokręcania powleczonej nią śruby stykowej jest ona częściowo wypierana budując przez to ścianę zabezpieczającą przed wnikaniem wilgoci oraz tlenu atmosferycznego. Ażeby powstało dobre połączenie elektryczne potrzebny jest odpowiedni docisk śruby stykowej. Tarcie na gwincie śruby stykowej może spowodować, że 90 % momentu siły dokręcającej zostanie utracone a tylko 10 % zostanie rzeczywiście przełożone na siłę dociśnięcia żyły.

Praktyka pokazała, że stałe substancje smarujące na bazie siarczku molibdenu pozwalają na uzyskanie niskiego współczynnika tarcia.

Taka powłoka smarująca jest bardzo cienka, zwarta i gładka, dzięki czemu śruby łatwiej dokręcać a tarcie jest dokładnie zdefiniowane. Podczas doświadczeń okazało się również, że ta substancja smarująca poprawia parametry elektryczne styku elektrycznego w stosunku do śrub stykowych nienasmarowanych w ogóle lub nasmarowanych niewłaściwym smarem. Zakres temperatury dla tej substancji smarującej -180°C do+300°C jest wystarczająco wysoki. Należy również nadmienić, że podczas montażu nie należy dodatkowo smarować śrub stykowych, ponieważ może to pogorszyć właściwości zarówno mechaniczne (tarcie) jak i właściwości elektryczne śruby (np. w wyniku nie przewidywalnej reakcja chemicznej pomiędzy smarem i masą zalewową).

Szczególne właściwości śrub stykowych z łbem urywalnym

 Jak już wspomniano, wielkość siły docisku w znacznym stopniu wpływa na rezystancję styku. Siła docisku pomiędzy śrubą i żyłą kablową zależy od  geometrii śruby, rodzaju powłoki jak również od momentu dokręcającego śruby stykowej.

W związku z tym bardzo ważnym czynnikiem jest prawidłowy montaż śruby, bo od niego zależy poprawność połączenie elektrycznego. Jeżeli podczas montażu przykładany jest oprócz momentu skręcającego dodatkowy moment wygięcia śruby prowadzi to do przedwczesnego urwania łba śruby. Również udarowe przykładanie momentu skręcającego prowadzi do przedwczesnego urwania łba (utrata do 10% momentu dokręcającego). Podczas dobierania śruby stykowej należy pamiętać, aby zakres przekroju dla żył kablowych pasował do momentu urywania śruby. Może to oznaczać, że zakres przekroju dla żył kablowych będzie mniejszy w przypadku użycia śrub z łbem urywalnym niż w przypadku śrub bez łba urywalnego.

Ponadto należy pamiętać, że najnowszych przypadku śruby z wielomiejscowym punktem urwania, że przynajmniej jedno miejsce powinno znajdować się na zakresie nośnym gwintu.

Z tego względu zmniejsza się obciążalność mechaniczna takiej śruby w stosunku do śruby z łbem urywanym, co szczególnie dla krótkiego gwintu np. w cienkościennych złączkach kablowych ma wpływ negatywny.

Bez istotnego wpływu na dokładność momentów urywania śruby stykowej pozostaje  temperatura, w których złączki te mogą pracować.

Z najnowszych badań wynika, że w zakresie -10°C do +45°C urywalne śrub stykowe z różnych stopów miedzi urywają się zgodnie z podawaną przez producenta tolerancją +/- 1Nm.

Jako podsumowanie można powiedzieć, że na końcową postać konstrukcji śruby stykowej ma wpływ wiele różnych parametrów. Decyzja czy stosować śruby stykowe urywalne zależy w głównej mierze od filozofii i doświadczenia użytkownika.