Надежность кабельных изделий

Основные понятия и определения теории надежности

Применяемые в науке и технике термины и определения основных понятий в области надежности регламентированы ГОСТ 13377-75 «Надежность в технике. Термины и определения». В указанном стандарте все термины и определения даны применительно к техническим объектам. Под техническими объектами понимаются изделия, системы и их элементы, в частности сооружения, установки, устройства, машины, аппараты, приборы и их части, агрегаты отдельные детали. Поскольку кабели и провода являются невосстанавливаемыми и неремонтируемыми элементами радиоэлектронной аппаратуры, рассмотрим только те термины и определения, которые непосредственно относятся к этим изделиям.

В соответствии с ГОСТ 13377-75 надежность есть свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным, режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.

Применительно к неремонтируемым элементам аппаратуры надежность можно определить как свойство изделий выполнять заданные функции в течение заданного времени при заданных условиях хранения и эксплуатации. Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения изделий и условий их эксплуатации может включать безотказность, долговечность и сохраняемость.

Безотказность– это свойство изделий непрерывно сохранять работоспособность в течение заданного времени.

Долговечность– это свойство изделий сохранять работоспособность до предельного состояния при заданных условиях эксплуатации.

Сохраняемость– это свойство изделий сохранять исправное и работоспособное состояние в течение и после хранения и транспортирования в заданных условиях.

Важнейшим понятием теории надежности является понятие отказа. Под отказом понимается событие, заключающееся в нарушении работоспособности изделия. Признаки (критерии) отказов устанавливаются НТД на данное изделие.

Однако в зависимости от назначения аппаратуры значимость этих показателей становится неодинаковой. Так, для особо ответственной аппаратуры, предназначенной для кратковременного использования, наибольшее значение имеет обеспечение высоких показателей безотказности, в то время как для изделия бытовой техники экономически целесообразно оперировать показателями долговечности.

Важными являются такие понятия надежности, как наработка, технический ресурс, сроки службы и сохраняемости.

Под наработкой, τн понимается фактическая продолжительность или объем работы изделия. .

Технический ресурс, или, кратко, ресурс, τр– это наработка изделия от начала эксплуатации до предельного состояния.

Под сроком службы, τсл, понимается календарная продолжительность эксплуатации изделий от ее начала до наступления предельного состояния.

Срок сохраняемости, τхр– это календарная продолжительность хранения и (или) транспортирования изделия в заданных условиях, в течение и после которой сохраняются значения заданных показателей в установленных пределах.

Приведенные выше определения требуют следующих пояснений. После изготовления «судьба» любых элементов аппаратуры, в том числе кабелей и проводов, может быть самой различной. Часть из них сразу монтируется в аппаратуру, другая часть может длительно храниться в упаковке поставщика и лишь потом монтироваться. После монтажа провода и кабели могут также храниться в составе аппаратуры или сразу эксплуатироваться в различных режимах.

Условия хранения проводов и кабелей, как правило, бывают менее жесткими, чем условия эксплуатации, однако в общем случае показатели их надежности после хранения могут снизиться. Поэтому после истечения срока сохраняемости, установленного в НТД на изделия, другие показатели их надежности не могут гарантироваться в полной мере.

Эксплуатация проводов и кабелей в составе радиоэлектронной аппаратуры возможна как в рабочих, так и в нерабочих режимах, а суммарная ее продолжительность определяется сроком службы. Учитывая, что эксплуатация аппаратуры в нерабочих режимах может быть приравнена к хранению, под сроком службы проводов и кабелей можно понимать календарную продолжительность их хранения в составе аппаратуры и эксплуатации до предельного состояния. Для наглядности на рис. приведены характерные случаи реализации срока службы кабельного изделия:

 1) хранение в заводской упаковке, в составе аппаратуры или ЗИП в течение предельно допустимого срока сохраняемости. По истечении τхр не может гарантироваться наработка кабельного изделия;

2) эксплуатация в составе аппаратуры в течение всего  допустимого времени τн;

а) непосредственно после изготовления кабельного изделия (в состоянии приемки и поставки);

б) после хранения в течение времени

τ′хр< τхр;

в) то же, что и в п.«б», но при чередовании рабочего и нерабочего состояний аппаратуры;

3) использование частично:

а) либо сроков сохраняемости и службы при полной выработке τн;

б) либо наработки и срока сохраняемости при полной выработке τсл.

Таким образом, срок службы для одного и того же изделия не является постоянным и зависит от степени реализации установленных для этого изделия наработки и срока сохраняемости.

В связи с этим в документации на элементы аппаратуры, в том числе на кабели и провода, срок службы устанавливается равным, как правило, сроку сохраняемости.

Надежность как свойство изделий имеет свои количественные показатели, общая схема которых приведена на рис.  Для обеспечения надежной работы кабельных изделий не должно допускаться превышение ни одного из трех нормируемых в НТД показателей: τн, τсл, τхр. При оценке надежности обмоточных проводов следует учитывать, что по существу они представляют собой не изделие, а материал, полуфабрикат, подлежащий переработке при изготовлении обмоток электрических машин, аппаратов и приборов. Поэтому не все понятия, изложенные в настоящем разделе, применимы к обмоточным проводам. В частности, для обмоточных проводов неприемлемо понятие безотказности, так как оно справедливо не для самих проводов, а для обмоток или катушек, изготовленных с их применением. Кроме того, наработка обмоточных проводов и частично их сохраняемость (в составе изделий) могут определяться только для конкретных типов изделий и конкретных условий изготовления и эксплуатации, и с изменением последних значения ГД наработки и сохраняемости обмоточных проводов также изменяются.

Как указывалось выше, одним из основных понятий теории надежности является понятие отказа. Не вызывает сомнения, что отказ любой аппаратуры или ее элементов является событием случайным, при этом случайным является как количество экземпляров изделия, отказавших за время τ, так и время наступления отказа данного экземпляра. В связи с этим трудно представить аппарат для описания количественных показателей надежности более подходящий, чем аппарат теории вероятностей и математической статистики.

В настоящее время вероятностная теория надежности получила широкое распространение во всех отраслях промышленности, в том числе и в кабельной технике.

Отличия кабельных изделий от других электрорадиоэлементов

Для оценки надежности радиоэлектронной аппаратуры и других сложных систем используется теория вероятностей. В рамках этой теории считалось, что комплектующие элементы обладают практически неизменным уровнем надежности, легко определяемым экспериментально. Обеспечение надежности системы в целом достигалось облегчением режимов работы элементов схемными решениями (упрощением схем, резервированием, созданием схем с ограниченными последствиями отказов и т. д.). По мере усложнения аппаратуры и ужесточения эксплуатационных требований становится все труднее решать задачу указанными методами без резкого повышения надежности самих элементов. Это привело к необходимости создания специальной теории надежности элементов основы которой к настоящему времени уже заложены.

Однако некоторые особенности заметно выделяют кабельные изделия из общего ряда электрорадиоэлементов (ЭРЭ). Прежде всего к ним не вполне применим сам термин «изделие», которым определяют неизменность конструкции изделия на всех стадиях его использования. Кабель или провод, поступающий на монтаж, разрезается на куски, причем длина их может быть различной, затем он прокладывается по трассе, в результате чего он подвергается изгибам, кручениям, смятию и другим механическим воздействиям, и его концы разделываются и припаиваются к выводам других ЭРЭ. Такие кабельные изделия как обмоточные провода подвергаются еще более серьезной технологической переработке: их наматывают на сердечник или каркас катушки, пропитывают лаком или компаундом и сушат при высокой температуре. Таким образом, кабельное изделие, смонтированное в аппаратуре, отличается от выпущенного предприятием-изготовителем, во-первых, своей длиной и, во-вторых, физическим состоянием. Первая из этих особенностей приводит к отсутствию понятия «единицы» кабеля или провода, а это существенно осложняет применение классической теории надежности, основанной на дискретных методах. Технологическая переработка вместе с универсальностью применения кабельных изделий, также приводит к трудностям методического характера. Дело в том, что в большинстве случаев заранее не известны ни условия эксплуатации, ни характер монтажа конкретного отрезка кабеля или провода. Следовательно, при разработке и производстве более или менее достоверная оценка надежности может относиться только к предельным режимам монтажа и эксплуатации, оговоренным в научно-технической документации, а такая оценка всегда является заниженной и не отражает фактической надежности изделия при эксплуатации.

Следующая особенность кабельных изделий также связана с условиями их применения в аппаратуре. Поскольку основной функцией кабелей и проводов является осуществление электрической связи между различными приборами и элементами, многие эксплуатационники рассматривают контактные соединения (выводы, пайки, соединители и т. д.) как их составную часть. Поскольку известно, что эти соединения обычно отказывают в первую очередь, то имеющиеся в технической литературе данные о надежности «кабелей в сборе», «проводов и паек» и т. д., нельзя в полной мере относить к кабельным изделиям. Кроме того, кажущееся отсутствие самостоятельных функций кабельных изделий порождает небрежное отношение к вопросам их надежности при эксплуатации. В результате данные о фактических режимах эксплуатации, наработках и отказах часто оказываются недостоверными, а сами отказы либо относятся к контактным соединениям, либо являются следствием механических повреждений при монтаже и эксплуатации. Экспериментальные данные показывают, что надежность собственно кабельных изделий достаточно высока и это создает дополнительна методические трудности для разработчиков и изготовителей.

Определить классическим вероятностным методом фактические значения таких показателей, как вероятность безотказной работы, интенсивность отказов или средняя наработка на отказ, за ограниченное время разработки практически невозможно. Широко применяемый в электронной промышленности метод проверочных испытаний, основанный на пуассоновском распределении отказов, дает возможность подтвердить достаточно высокие показатели, однако трудоемкость испытаний в этом случае оказывается очень высокой. Так, чтобы подтвердить вероятность безотказной работы, равную 0,99 при достоверности 0,9 и допустимом числе отказов, равном 0, необходим испытать не менее 229 образцов; при вероятности безотказной работы 0,995 количество образцов возрастает до 459, а при 0,999– до 2301. Учитывая значительные габаритные размеры ряда кабельных изделий и сложность испытаний, практически невозможно в широких масштаба осуществить подтверждение вероятности безотказной работы выше 0,99.

Все это привело к существенному изменению номенклатуры показателей надежности для кабельных изделий. Так, показатели безотказности были вообще исключены из числа параметров, нормируемых в НТД, а показателям сохраняемости и долговечности придан несвойственный им характер гарантийных показателей.

Действующая в настоящее время система показателей надежности кабельных изделий включает в себя: минимальную наработку τн; минимальный срок службы τсл и минимальный срок сохраняемости τхр. Эти показатели соответствуют общепринятым γ%-ному ресурсу и срока службы и сохраняемости при значении γ, неопределенно близком к единице. Таким образом, τн, τсл, τхр представляют собой времена, в течение которых отказы проводов и кабелей практически отсутствуют. В дальнейшем текст везде для краткости слова «минимальная», «минимальный» опускаются перед показателями наработки и сроков службы и сохраняемости. Кроме того, в качестве справочных данных могут использоваться и традиционные показатели –γ%-ный ресурс, вероятность безотказной работы и интенсивность отказов.

Такая система показателей отражает высокую надежность кабельных изделий, но, в свою очередь, ставит перед разработчиками, изготовителями и потребителями новые проблемы.

В связи с отсутствием в НТД показателей безотказности создается обманчивая иллюзия абсолютной надежности кабелей и проводов, что снижает внимание потребителей к таким вопросам, как резервирование, облегчение режимов эксплуатации и т. д. Требование практической безотказности приводит к необходимости повышения достоверности испытаний кабелей и проводов на надежность и улучшения организации работ по обеспечению надежности в процессе производства. Последнее обстоятельство в значительной мере отражает особенности кабельных изделий.

Основная доля отказов возникает либо при эксплуатации изделий в недопустимых режимах, либо при наличии производственных дефектов. Эти дефекты могут быть явными или скрытыми. Первые проявляются в начальный период и могут привести к «приработочным» отказам; вторые, незаметные вначале, прогрессируют в процессе эксплуатации и могут вызвать «внезапные» отказы по истечении определенного срока. Обеспечение надежности при изготовлении изделий сводится к такой организации производства и контроля качества, при которой вероятность попадания в эксплуатацию дефектных изделий сведена к минимуму.

Действующая система контроля качества и надежности ЭРЭ предусматривает два основных вида испытаний– приемо-сдаточные и периодические. Приемо-сдаточные испытания, которым подвергается вся выпускаемая продукция, позволяют отбраковывать изделия с явными дефектами.

Периодические, к которым относятся также испытания на долговечность, позволяют контролировать стабильность производства и выявлять наличие скрытых дефектов. Испытания на долговечность имитируют эксплуатацию изделий в течение установленного срока службы. Эти испытания очень продолжительны и трудоемки, но малоэффективны. При массовом производстве, характерном для кабельной промышленности, практически достижимая вероятность выявления партии с долей дефектных изделий не превышает 0,1- 0,2.

Очевидно, что информация, получаемая в результате таких недостоверных испытаний, не может служить основой достаточно эффективной системы обеспечения надежности. Казалось бы, можно повысить достоверность за счет увеличения размеров выборки и сокращения периодичности испытаний. Однако такой путь не только экономически неоправдан, но и технически необоснован в условиях массового производства.

Из-за неудобного для испытаний «нештучного» характера кабельной продукции затрудняется подход к решению проблемы. В отличие от большинства ЭРЭ производство кабельных изделий не требует сборочных и регулировочных операций и основные технологические процессы носят непрерывный характер.

При производстве кабелей и проводов основным видом, скрытых дефектов являются посторонние включения в материале изоляции или оболочки, локальные утонения изоляционного или защитного слоя, микротрещины, внутренние напряжения, случайным образом распределенные по длине изделия. Причинами их возникновения являются нестабильность качества исходных материалов и отклонения в технологических процессах. Эти дефекты приводят к снижению абсолютной величины и увеличению разброса значений ряда характеристик кабелей и проводов, т.е. к уменьшению однородности продукции. Таким образом однородность по длине можно считать одним из критериев надежности кабелей и проводов. Задача повышения однородности, а следовательно, и надежности решается технологическими способами. Очевидно, что для количественной оценки «технологической надежности» лучше всего подходит аппарат математической статистики. Так, в качестве показателей однородности монтажных проводов использованы математическое ожидание и коэффициент вариации распределения значений пробивного напряжения изоляции.

Следует отметить, что «технологическая надежность» в том смысле, что ранее она не учитывала динамики изменения характеристик изделии с течением времени. Поэтому ее можно назвать необходимым, но не всегда достаточным условием обеспечения надежности кабельных изделий. В связи с тем, что все основные характеристики кабелей и проводов проверяются при приемо-сдаточных испытаниях каждой партии, легко осуществить непрерывный контроль однородности в процессе производства. Информационный массив, получаемый при этом контроле, будет отражать свойства практически всей выпускаемой продукции. Поскольку информация поступает непрерывно, любые отклонения от заданной стабильности технологии выявляются достаточно быстро, что позволяет принять оперативные меры по устранению причин этих отклонений.

Таким образом, при правильном выборе показателей эффективность системы обеспечения надежности на основе контроля однородности неизмеримо выше, чем при периодических испытаниях на долговечность. Именно этим объясняется тот факт, что дальнейшее развитие идей «технологической надежности» стало одним из основных направлений развития теории и практики надежности кабельных изделий.

Общие сведения об обеспечении надежности кабельных изделий

Как указывалось выше, на современном этапе развития теории и практики надежности ключевым вопросом является разработка и внедрение системы обеспечения надежности технической продукции.

Эта проблема возникла в результате длительного процесса исследований причин отказов и ясного понимания того непреложного факта, что никакой, самый жесткий контроль не обеспечивает повышения надежности всей совокупности изделий, а позволяет только провести дифференциацию по различным уровням надежности. Повышения надежности можно добиться только путем углубленного подхода к организации производства, к созданию и внедрению четких правил по монтажу, хранению и эксплуатации.

Вместе с там именно работы по созданию методов контроля надежности и, главное, широкое внедрение этих методов в промышленность и явились той главной информационной базой, на основе которой в самые последние годы рождаются новые направления теории и практики надежности технической продукции. В этом смысле система контроля надежности промышленных изделий, безусловно, является одним из составных элементов более общей системы обеспечения надежности.

Однако следует помнить и о том, что объем и периодичность контроля надежности находятся в пропорциональной зависимости от глубины проработки и степени внедрения элементов обеспечения надежности. Кратко это можно сформулировать так: чем в большей степени обеспечена надежность, тем в меньшей степени ее требуется контролировать. В идеальном случае при полном обеспечении надежности необходимость в ее контроле может полностью отпасть. Это обстоятельство является одним из основных стимулов развертывания работ по созданию и внедрению системы обеспечения надежности. Применительно к кабельной продукции создание такой системы является особенно важным и необходимым.

Непрерывность линейных размеров, высокая безотказность и долговечность кабельных изделий приводят к существенным трудностям при организации контроля их надежности. Отождествление понятия однородности для этих изделий с понятием безотказности ставит вопрос об углубленном изучении причин, влияющих на однородность характеристик кабелей и проводов, что по сути дела и является основной задачей работ по обеспечению их надежности. Поэтому именно в кабельной промышленности работы по обеспечению надежности должны иметь первостепенное значение.

Надежность проводов и кабелей существенно зависит от выполнения комплекса организационно-технических мероприятий на стадии разработки, монтажа, хранения и эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры, в составе которой применяются кабельные изделия.

Применяемые в радиоэлектронной аппаратуре провода и кабеля являются в большинстве случаев изделиями универсального назначения, которые могут быть использованы в самых разнообразных по конструкции и условиях эксплуатации аппаратуре. Вместе с тем имеется ряд общих рекомендаций, которые могут быть использованы для всех случаев применения кабельных изделий независимо от конструкции аппаратуры и условий ее эксплуатации.

Тенденция развития современной техники приводит к появлению все новых типов аппаратуры и машин, применяемых в разнообразных и, зачастую, малоизученных условиях эксплуатации. Один из вопросов, с которым приходится сталкиваться конструкторам аппаратуры,– это обоснованный выбор комплектующих элементов (например, кабелей), вписывающихся ,в проектные габаритные размеры и технические характеристики прибора, блока или другого сложного изделия.

В зависимости от требований, предъявляемых к аппаратуре, выбор конкретной марки кабельных изделий производится конструктором по основным параметрам, регламентированным стандартам на провода и кабели, а также по составу и интенсивности климатических, механических и специальных воздействий, допускаемых этими стандартами.

При этом состав и основные параметры кабельных изделий определяют их функциональное назначение в аппаратуре (передача радиочастотной энергии, импульсов напряжения, сигналов управления телеметрии и т. д.), а климатические, механические и другие факторы– эксплуатационные возможности проводов и кабелей, т. е. область их применения (использование в космосе, в странах тропического или арктического климата и т. д.).

Основные факторы, которые должен учитывать конструктор аппаратуры при выборе проводов и кабелей для обеспечения их надежной работы, схематически обобщены на рис.

При выборе кабельного изделия для радиоэлектронной аппаратуры следует иметь в виду следующее.

1. Провод (кабель) должен выбираться по основным параметрам-критериям годности, установленным в стандартах на период хранения и эксплуатации. Недопустимо ориентироваться на нормы, регламентирующие требования к кабельному изделию на период поставки и приемки.

2. В ряде случаев конструкторы аппаратуры выбирают кабельные изделия с несколько лучшими электрическими, климатическими и другими характеристиками по сравнению с теми, которые действительно необходимы для конкретного объекта. Однако при этом необходимо учитывать следующие обстоятельства:

1) любое ужесточение требований к электрическим характеристикам кабелей и проходов, как правило, влечет за собой увеличение их массы и наружных размеров, что в большинстве случаев бывает неприемлемо. Аналогичная закономерность, как правило, существует и при ужесточении требований по стойкости к эксплуатационным воздействиям. Кроме того, ужесточение любых требований к кабелям и проводам связано с увеличением стоимости и дефицитности этих изделий;

2) нельзя механически переносить требования, предъявляемые к аппаратуре, на кабельные изделия, которыми она комплектуется. Это объясняется тем, что реальные условия эксплуатации комплектующих изделий могут значительно отличаться от условий эксплуатации объекта в целом. В частности, максимальное и минимальное значения рабочих температур комплектующих элементов могут существенно отличаться от температуры как внутри, так и вне аппаратуры; кабельные изделия могут монтироваться на амортизированных участках аппаратуры и подвергаться меньшим воздействиям механических нагрузок, чем объект в целом; герметизированный или влагозащищенный корпус объекта может защищать кабельные изделия от воздействия повышенной влажности, морского тумана, плесневых грибов и т. д. Наиболее распространенной ошибкой при установлении максимальной температуры работы проводов и кабелей является отождествление температуры внешней среды с рабочей температурой кабельных изделий. Такое отождествление справедливо только для тех случаев, когда практически не имеет места внутренний перегрев кабельного изделия от токовой нагрузки. Согласно ГОСТ 16962-71 за максимальную температуру проводов и кабелей при эксплуатации принимают максимальную температуру наименее нагревостойких их элементов, устанавливающуюся вследствие нагрева окружающей средой и передаваемой по проводам и кабелям электромагнитной энергии.

Правильный учет этих обстоятельств во многих случаях позволит при сохранении высокой надежности выбирать более дешевые– менее дефицитные провода и кабели.

При выборе кабельных изделий для укомплектования аппаратуры следует учитывать еще два важных фактора;

1) стойкость кабельного изделия к различным эксплуатационным воздействиям оценивается разработчиком кабеля (провода) по методам, являющимся в значительной мере условными и не совсем точно имитирующими реальные условия эксплуатации. И хотя, как правило, условия испытаний выбирают более жесткими, чем требования к кабельным изделиям, однако для полной гарантии высокой надежности этих изделий необходимо проведение их натурных испытаний в составе аппаратуры;

2) проведение натурных испытаний необходимо еще и потому, что в реальных условиях эксплуатации кабельные изделия, как правило, подвергаются не единичным, а комплексным воздействиям различных факторов, все многообразие которых невозможно учесть при проведении испытаний на стадии разработки проводов и кабелей.

Выбор конкретной марки провода или кабеля не вызывает особых затруднений для конструктора аппаратуры, если анализ стандартов на кабельные изделия, нормалей и другой документации показывает, что имеется одна или несколько марок провода (кабеля), удовлетворяющих всем поставленным требованиям. Сложнее, когда отдельные требования, выдвигаемые к элементам разрабатываемой аппаратуры, «не стыкуются» с указанными в НТД на эти элементы условиями и продолжительностью эксплуатации и хранения, степенью жесткости воздействующих факторов и другими характеристиками.

В последнем случае возможны два принципиально различных пути решения вопроса по укомплектованию аппаратуры кабелями и проводами:

а) использование серийных типов кабельных изделий после предварительных испытаний их в требуемых для аппаратуры режимах;

б) усиление этих изделий посредством дополнительной защиты (теплоизоляция, герметизация и пр.).

Второй путь является малоприемлемым и может быть использован только в исключительных случаях.

В большинстве случаев наиболее приемлемым способом реализации выдвигаемых к аппаратуре требований является использование уже существующих серийных типов элементов (кабелей, конденсаторов, резисторов и др.) после проведения необходимых испытаний или расчетов с целью определения возможности расширения сферы или длительности их применения по сравнению с нормами НТД на эти элементы.

Разумеется, что все случаи выбора кабельного изделия для условий эксплуатации и хранения, отличающихся от стандартных, должны быть согласованы конструктором аппаратуры с разработчиком данного кабельного изделия. Такое согласование применения проводят в порядке, изложенном в ГОСТ 2.117-79.

Большое значение для правильного выбора новых типов аппаратуры кабельных изделий имеют также постоянные контакты конструкторов аппаратуры с разработчиками проводов и кабелей.