Tóm tắt thử nghiệm độ tin cậy

Không thể chờ đợi 10 năm để kiểm chứng tuổi thọ 10 năm

Nếu sản phẩm có thời gian bảo hành 3 năm, thử nghiệm trong 3 năm và đưa ra thị trường thì thị trường đã không còn nữa. Do đó, ta tăng cường ứng suất để làm nhanh sự cố, sau đó chuyển kết quả đó thành điều kiện sử dụng. Đó chính là thử nghiệm tuổi thọ tăng tốc (ALT).

Khái niệm cốt lõi chỉ có một.

Hệ số tăng tốc AF = (Tuổi thọ trong điều kiện sử dụng) / (Tuổi thọ trong điều kiện tăng tốc)

Thử nghiệm 1.000 giờ × AF 26 = tương đương 26.000 giờ trong điều kiện sử dụng

Điều kiện tuyệt đối — không được thay đổi cơ chế sự cố

Điều kiện duy nhất để tăng tốc là "chỉ nhanh hơn mà không thay đổi cách chết". Nếu điều này bị phá vỡ thì toàn bộ tính toán sẽ vô hiệu.

> Tiêu chí đánh giá là "chế độ sự cố từ thử nghiệm tăng tốc có giống chế độ sự cố thực tế không". Nếu khác thì hãy giảm điều kiện và làm lại. Nếu thỏa hiệp ở đây thì báo cáo thành tích sẽ ra nhưng không thể ngăn chặn sự cố thực tế.

Mô hình Arrhenius — tăng tốc theo nhiệt độ

Dùng cho suy thoái dựa trên phản ứng hóa học và khuếch tán (oxy hóa, khuếch tán, suy thoái cách điện, phân hủy dầu bôi trơn).

AF = exp[ (Ea / k) × ( 1/T_use  -  1/T_stress ) ]

  Ea : Năng lượng kích hoạt (eV) — khác nhau tùy theo cơ chế sự cố
  k  : Hằng số Boltzmann = 8.617e-5 eV/K
  T  : Nhiệt độ tuyệt đối (K) = Celsius + 273.15     ← Nếu nhập Celsius sẽ hoàn toàn sai

Ví dụ tính toán — sử dụng 40℃, thử nghiệm 85℃, Ea = 0.7 eV

T_use    = 40 + 273.15 = 313.15 K
T_stress = 85 + 273.15 = 358.15 K

1/T_use    = 0.00319336
1/T_stress = 0.00279213
Sự khác biệt = 0.00040123

Ea / k = 0.7 / 8.617e-5 = 8,123.5

Phần số mũ = 8123.5 × 0.00040123 = 3.2594
AF     = exp(3.2594) = 26.0

→ 1.000 giờ thử nghiệm ở 85℃ = tương đương 26.000 giờ ở 40℃
→ Nếu hoạt động hàng năm 8.760 giờ thì khoảng 3.0 năm

Làm thế nào để xác định Ea — đây là điểm nguy hiểm

Nếu chỉ thay đổi Ea trong cùng điều kiện thử nghiệm (40℃ / 85℃), sự khác biệt sẽ ngay lập tức thể hiện ra.

Ea = 0.7 eV :  Ea/k = 8,123.5
               Phần số mũ = 8123.5 × 0.00040123 = 3.2594
               AF = exp(3.2594) = 26.0
               → 1.000 giờ thử nghiệm = 26.000 giờ ÷ 8.760 = khoảng 3.0 năm

Ea = 0.4 eV :  Ea/k = 4,642.0
               Phần số mũ = 4642.0 × 0.00040123 = 1.8625
               AF = exp(1.8625) = 6.4
               → 1.000 giờ thử nghiệm = 6.400 giờ ÷ 8.760 = khoảng 9 tháng

> Cùng 1.000 giờ thử nghiệm có thể tương đương 3 năm hoặc chỉ 9 tháng. Chỉ một giá trị Ea cũng có thể làm kết luận thay đổi 4 lần. > > Giá trị Ea không phải là giá trị được xác định bằng cách "thường dùng 0.7", mà là giá trị được xác định bằng dữ liệu từ thử nghiệm ở ít nhất hai mức nhiệt độ trở lên. Nếu buộc phải dùng giá trị trong tài liệu thì hãy chọn giá trị nhỏ (thận trọng) để giữ AF thấp.

Quy luật 10℃ là quy luật kinh nghiệm

"Khi nhiệt độ tăng 10℃, tuổi thọ giảm một nửa" là ước lượng gần đúng đúng trong khoảng Ea ≈ 0.6~0.7 eV. Catalog tụ điện điện phân là ví dụ tiêu biểu sử dụng quy luật này. Không phải là luật áp dụng cho tất cả vật liệu. Có thể dùng để ước lượng sơ bộ nhưng không được dùng làm cơ sở cho báo cáo thành tích.

Mô hình nghịch đảo — ứng suất không phải là nhiệt độ

Trong trường hợp ứng suất là độ lớn (magnitude) như điện áp, ứng suất cơ học, rung động, tải trọng.

AF = ( S_stress / S_use ) ^ n

  S : Độ lớn ứng suất
  n : Chỉ số ứng suất — xác định theo vật liệu và cơ chế

Ví dụ tính toán — tăng tốc rung động

Điều kiện sử dụng : 3 grms, 1.000 giờ vận chuyển và chạy xe tích lũy
Điều kiện thử nghiệm : 9 grms, giả định n = 4

AF = (9 / 3)^4 = 3^4 = 81

Thời gian thử nghiệm = 1000 / 81 = 12.3 giờ

→ 9 grms trong 12.3 giờ = tương đương 3 grms trong 1.000 giờ

Tùy vào việc chọn n = 4 hay n = 6, thời gian thử nghiệm sẽ thay đổi từ 12.3 giờ xuống còn 1.4 giờ. Hãy luôn ghi lại cơ sở cho n.

Chu kỳ nhiệt độ — Coffin-Manson

Đối với mỏi ít chu kỳ do sự giãn nở nhiệt ở mối hàn, mối hàn, sử dụng lũy thừa của biên độ nhiệt độ (ΔT).

AF = ( ΔT_test / ΔT_use ) ^ n        (n ≈ 2 ~ 2.5 cho mối hàn)

Điều kiện sử dụng : ΔT 40℃, 300 chu kỳ mỗi năm, 10 năm → 3.000 chu kỳ
Điều kiện thử nghiệm : ΔT 100℃, n = 2.5

AF = (100 / 40)^2.5 = 2.5^2.5 = 9.88

Số chu kỳ thử nghiệm = 3000 / 9.88 = 304 chu kỳ

→ Với ΔT 100℃, khoảng 304 chu kỳ sẽ tương đương 10 năm

Ứng suất phức hợp — nhiệt độ + độ ẩm (Mô hình Peck)

AF = ( RH_stress / RH_use )^n × exp[ (Ea/k)(1/T_use - 1/T_stress) ]

  n ≈ 2.7 ~ 3.0 (giá trị thông dụng trong tài liệu)

Lý do tại sao thử nghiệm ở 85℃/85%RH thường được dùng làm tiêu chuẩn là do mô hình này. Nó cho phép tăng tốc cả nhiệt độ và độ ẩm, từ đó tạo ra AF lớn hơn.

Thiết kế số lượng mẫu và thời gian thử nghiệm — thử nghiệm không sự cố

Phương pháp được sử dụng phổ biến nhất trong thực tế là "quay n mẫu trong t giờ, nếu không có mẫu nào hỏng thì đạt". Số lượng mẫu cần thiết được tính như sau.

n = [ ln(1 - C) / ln(R) ] × ( t_target / t_test )^β

  C        : Mức độ tin cậy        (ví dụ: 0.90)
  R        : Độ tin cậy mục tiêu     (ví dụ: 0.90 tại thời điểm mục tiêu)
  t_target : Tuổi thọ mục tiêu (sau khi chuyển đổi theo tăng tốc)
  t_test   : Thời gian thực tế thử nghiệm
  β        : Tham số hình dạng Weibull (lấy từ dữ liệu hiện có)

Ví dụ tính toán

Mục tiêu : Độ tin cậy 90% tại thời điểm 10 năm, mức độ tin cậy 90%
β từ dữ liệu hiện có = 2
Quyết định thử nghiệm trong 1.5 lần thời gian mục tiêu

ln(1-0.90) / ln(0.90) = (-2.3026) / (-0.10536) = 21.85
(1 / 1.5)^2 = 0.4444

n = 21.85 × 0.4444 = 9.71  →  10 mẫu

→ Nếu 10 mẫu vượt qua không sự cố trong 1.5 lần thời gian mục tiêu
   thì có thể tuyên bố "độ tin cậy 90% tại 10 năm, mức độ tin cậy 90%"

> Thử nghiệm càng lâu thì số mẫu càng ít, số mẫu càng nhiều thì thời gian càng ngắn. Với sản phẩm có chi phí mẫu cao (bộ giảm tốc, bộ phận thủy lực), hãy tăng thời gian, với trường hợp chi phí thời gian phòng thí nghiệm cao, hãy tăng số mẫu. Tính toán trước sự cân bằng này và đạt được sự đồng thuận với khách hàng là năng lực thực tế.

Những sai lầm thường gặp và hậu quả

Cách tiếp cận thực tế của đối tác Boohyang

Số lượng đối tác trung nhỏ có thiết bị phòng thí nghiệm và máy thử nghiệm rung riêng là không nhiều. Yêu cầu cơ quan thử nghiệm bên ngoài là điều cơ bản.

• Trước khi yêu cầu, hãy chúng tôi tạo trước AF và điều kiện thử nghiệm. Nếu làm theo yêu cầu của khách hàng thì không thể biết được điều kiện có quá mức hay thiếu sót.
• Báo giá theo đơn vị thời gian chiếm dụng phòng thí nghiệm. Thường thì tăng số mẫu để giảm thời gian sẽ rẻ hơn.
• Hãy xác định trước thời điểm đo giữa chừng trong quá trình thử nghiệm. Nếu không biết thời điểm nào mẫu hỏng thì không thể phân tích Weibull.

Danh sách kiểm tra thiết kế ALT

• Xác định một cơ chế sự cố cụ thể cần ngăn chặn
• Chọn mô hình phù hợp (Arrhenius / nghịch đảo / Coffin-Manson / Peck) theo cơ chế đó
• Ghi lại cơ sở (dữ liệu nội bộ / tài liệu / giả định thận trọng) cho Ea hoặc n
• Chuyển đổi nhiệt độ sang nhiệt độ tuyệt đối (K)
• Điều kiện tăng tốc không vượt quá giới hạn vật liệu (Tg, điểm nóng chảy, định mức)
• Tính toán số mẫu và thời gian thử nghiệm theo công thức thử nghiệm không sự cố
• Xác định thời điểm đo giữa chừng và tiêu chí xác định sự cố
• Cam kết phân tích mẫu hỏng sau thử nghiệm
• Có quy trình kiểm tra xem chế độ sự cố ra có giống chế độ sự cố thực tế không