Metodika laboratorních zkoušek (klimatické odolnosti, životnosti a spolehlivosti) je na obr.1. Cílem těchto zkoušek je ověřování nebo určování technického života, spolehlivosti nebo klimatické odolnosti technických (elektrotechnických) výrobků.

Komplexní model

Prvním krokem při formulaci zkušebního postupu je stanovení rozsahu namáhání. Soubor faktorů působících na výrobek v provozním prostředí si můžeme představit jako matici. Řádky představují faktory (činitelé) které mohou vyvolat degradaci výrobku a sloupce jsou časy po kterou faktory na výrobek působí.

Redukovaný model

Tento soubor faktorů se nazývá komplexní model namáhání. V laboratorních podmínkách ale tento soubor faktorů nelze z řady důvodů namodelovat. Hlavně by byla takováto zkouška časově značně náročná a ekonomicky nákladná. Proto je nutné vybrat jen ty faktory, které vyvolávají rozhodující (dominantní) znehodnocení výrobku. Tento soubor faktorů nazýváme redukovaný model namáhaní.

Dalším krokem při formulaci zkušebního postupu je stanovení stupně (úrovně) jednotlivých faktorů v redukovaném modelu namáhání. Jsou tři možnosti. Pokud zvolíme jmenovité namáhání , zkouška bude probíhat stejně dlouho jako v reálných podmínkách - nebude urychlená.

Abychom zkoušku urychlili je nutné zvýšit úroveň faktorů . Míra zvýšení namáhání musí vycházet z degradační ho procesu. Může to být třeba Montsingerův zákon pro termooxidační stárnutí nebo zvýšení tlaku vodní páry při zkoušce vlhkosti.

Třetí formou je volba mezního namáhání. V tomto případě po určité době zvýšeného namáhání výrazně zvýšíme namáhání . Úroveň mezního namáhání musí být ale stanovena tak nedocházelo ke změně degradačního mechanizmu. Stanovení této hranice je obtížné. Lze to provést empirickým ověřováním zvolené úrovně namáhání.

Posledním krokem při formulaci zkušebního postupu je forma namáhání (působení) faktorů během zkoušky. Pokud modelujeme delší časový úsek (např. několik roků) potom ve zkoušce volíme sloučenou formu.Jednotlivé výskyty faktorů v reálu sloučíme v redukovaném modelu do jednoho časového úseku.

Chceme-li v laboratoři modelovat periodicky se opakující časový úsek (např. rok), potom ve zkoušce urychlené namáhání v příslušných časových intervalech opakujeme. Tato forma namáhání se nazývá forma postupující.

Třetí forma namáhání je forma stresová. V tomto případě po určitém sloučeném nebo postupujícím namáhání vystavíme zkoušený výrobek unikátnímu namáhání (např. tepelnému šoku). Zkušební vzorek, částečně již znehodnocený, by měl vykázat poruchu. Pokud ne ve zkoušce se pokračuje. Tímto způsobem je možné průběh laboratorní zkoušky zkrátit.

Pokud je laboratorní zkouška formulovaná jako zkouška s namáháním sloučeným nebo postupujícím potom se jedná o průběh dlouhodobý. Jestli že se sledovaná veličina během modelového namáhání s časem lineárně mění:

je možné dosažení z uvedeného vztahu odhadnout a zkoušu předčasně ukončit. Potom se jedná o zkrácenou zkoušku. Tato forma průběhu laboratorní zkoušky je ale výjimečná, protože se obtížně hledá veličina, která uvedenou podmínku plní.

Třetí způsob jak zkrátit průběh laboratorní zkoušky je „zesílení degradačního faktoru“. V tomto případě se jedná o zkoušky zrychlené. Předpokládejme, že pro modelovaný degradační mechanizmus víme, jak se při zvoleném namáhání Z mění s časem sledovaná veličina (viz. obr. 2):

Obr 2 Výchozí stav

Při tomto namáhání by k poruchovému stavu - p_k došlo v čase t_k a v časovém intervalu Δt by se výchozí hodnota sledované veličiny p_o změnila na hodnotu p. Jestliže dokážeme zformulovat namáhání Z ^/ tak, aby se za stejný časový interval sledovaná veličina p_o změnila na hodnotu p_k, potom k poruchovému stavu dojde v čase t_k který je kratší než při modelovém namáhání Z.

Obr 3 Průběh při modelovém namáhání Z^/

Provedené úvahy vysvětlují podstatu zrychlených laboratorních zkoušek. Praktická aplikace je ale mnohem složitější. Je málo degradačních mechanizmů na které lze tyto úvahy aplikovat.¹⁾ Vůbec se nedají uplatnit u kombinace degradačních faktorů (např. teplota a mechanické namáhání a pod.).

Posledním krokem při formulaci zkušebního postupu laboratorní zkoušky je organizace zkoušky. Zkouška muže být formulována tak, že porouchané vzorky budou nebo nebudou nahrazovány novými vzorky. Pokud je velký zkušební soubor tak může zkouška probíhat do předepsaného počtu poruch nebo do uplynutí předepsané doby.

Laboratorní zkoušky klimatické odolnosti se provádí bez nahrazování vzorků. Životnostní zkoušky mohou být bez nahrazování nebo s nahrazováním. U spolehlivostních zkoušek organizace jsou možné všechny formy organizace. S volbou organizace zkoušky souvisí způsob vyhodnocování zkoušek.²⁾

Velmi důležitým krokem při realizaci laboratorní zkoušky je volba zkušebního vzorku. Ideální je zvolit reálný výrobek. Z hlediska statistiky musíme volit větší počet vzorků. To může být u reálného výrobku problematické z cenového hlediska. Takový to vzorek může být rozměrově velký, nebo může mít větší hmotnost a soubor vzorků se nevejde do prostoru zkušební komory. V takových to případech volíme modelové vzorky.

Vzorky nemusí přesně modelovat funkční vlastnosti reálného výrobku. Musí ale být zhotoveny tak, aby umožňovali namodelovat degradační procesu, který by byl ekvivalentní s procesem u reálného výrobku. S tímto problémem se setkáváme např. u výrobků silnoproudé elektrotechniky. Chceme-li např. zjistit životnost izolačního systému vinutí asynchronního motoru, musíme volit modelové vzorky. Příklad takovýchto zkušebních vzorků jsou na těchto obrázcích:

Výrobky jako jsou rezistory, tranzistory můžeme např. pro spolehlivostní zkoušky použít ve větších počtech [6]. Musíme ale mít jistotu, že jsou ze stejné výrobní série.

Abychom mohli provést vyhodnocení laboratorní zkoušky, musíme zvolit vhodné kriteriu. Kriterium musí být v souladu s vlastnostmi zkoušeného výrobku a musí prokazovat změny vlastností zkoušeného vzorky vyvolané působením degradačního faktoru.

Kriterium může být destruktivní např. elektrická pevnost. Takovéto kritérium jednoznačně určuje, že zkoušený vzorek ukončil v průběhu zkoušky svou funkci. Nevýhodou tohoto kritéria ale je, že se snižuje velikost zkušebního souboru.

V případech, že není možné (nebo nechceme) destruktivní kritérium, musíme volit takovou vlastnost zkoušeného vzorku která dovoluje určovat změnu vlastnosti vyvolanou působením zkušebního prostředí (kriterium nedestruktivní). Takovým kriteriem může být např. izolační odpor. Abychom mohli vyhodnotit případné změny nedestruktivního kriteria, potřebujeme určité srovnání. K tomu může posloužit vztah:

kde p_ij vlastnost i_tého vzorku v čase j a p_io je vlastnost i_tého vzorku ve výchozím stavu.

V průběhu laboratorní zkoušky se sledovaná veličina vlivem modelovaného degradačního působení mění. Doba kdy dojde ke změně je náhodná veličina. Abychom respektovali tuto skutečnost stanovuje se pravděpodobná dobu do poruchy ze vztahu:

kde i je časový interval o šířce časového intervalu Δt.

Při formulaci zkušebního postupu se vycházelo z požadavku modelovat určitý degradační proces. Mohlo se jednat v zásadě o tyto tři dekradační mechanizmy:

• stárnutí – proces chemických změn projevující se postupnou změnou vnitřních/vnějších parametrů (teplotní stárnutí)
• únava – proces fyzikálních změn vnitřní struktury projevující se postupnou změnou vnitřních parametrů (změna modulu pružnosti)
• opotřebení – proces fyzikálních a chemických změn povrchové struktury (korozní znehodnocování)

Porucha zkušebních vzorků vlivem působení některého z tohoto degradačního procesu musí mít z podstaty náhodný charakter. To nám může pomoc při vyhodnocení zkoušky a může potvrdit správnost volby degradačního mechanizmu. Jestliže doba do poruchy má náhodný charakter, potom z histogramu a variačního koeficientu:

můžeme odhadnout charakter rozdělení doby do poruchy:

Statistického rozdělení doby do poruchy dovoluje odhadnout co bylo důvodem degradace:

Výsledky lze zpracovat výpočetně (v Matlabu pro jednotlivé typy rozdělení), nebo pomoci grafických papíru. Příklad takovéhoto zpracování pro Weibullovo rozdělení je ukázáno v následujícím obrázku:

Při formulaci zrychlených zkoušek se řešil problém jak zesílit namáhání a při tom nezměnit mechanismus degradace. Toto grafické zpracování umožní rozhodnout jak byl tento požadavek splněn. Jsou-li modrá přímka (výchozí modelové namáhání) a červená přímka³⁾ zesílené modelové namáhání „téměř“ rovnoběžné, jednalo se o stejný degradační proces. Hodnota 63,2 se nazývá „charakteristický život“ .