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문제 정의
- 가속 인자별 시험을 실시하고, 그 결과를 기존 가속조건과 변경 가속조건에서의 마모모형을 예측하여 가속시험을 최소화할 수 있는 최적의 가속시험 조건을 도출하고자 한다 참조.
- 컴프레서의 개발에 있어서 신뢰성 평가는 가장 중요한 활동이고 절차이며, 컴프레서 개발기간의 가장 큰 부분을 차지한다. 본 논문에서는 냉장고용 컴프레서의 개발과정에서 필수적인 가속시험의 기간단축을 위해 가속 열화시험 방법에 대해 알아보고, 적절한 가속시험 방법을 도출하여 현장에 적용 가능한 가속 시험법을 제시하는데 그 목적이 있다.
- 더욱이 고객의 요구사항에 맞는 새로운 제품의 출시 시기가 기업의 경영 성과를 좌우하는 현실에서 보다 빠르게 품질확보를 이룬다면 그만큼 앞서 갈 수 있는 기회를 잡는 것이다. 본 논문에서는 컴프레서의 가속 시험 기간을 단축시키기 위해 가속 시험법을 설계하고 분석하는 과정을 구체적으로 제시하였다. 컴프레서의 가속 시험법의 설계, 분석을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구는 전자제품의 수명에 중요한 영향을 가진 컴프레서(Compressor)의 신뢰성평가와 관련된 연구이다. 컴프레서의 개발에 있어서 신뢰성 평가는 가장 중요한 활동이고 절차이며, 컴프레서 개발기간의 가장 큰 부분을 차지한다.
제안 방법
- 1차 가속시험 결과를 검증하기 위하여 현 가속수준과 신 가속수준을 분리하여 2차 가속시험을 실시한다. 가속시험 조건은 운전시간(On-Time)은 20sec와 12sec, 정지시간(Off-Time)은 20sec와 15sec로 선정하였으며, 운전압력(Pressure)은 12kgf/㎠와 20kgf/㎠로 선정하였다.
- 1차 가속시험 결과를 검증하기 위하여 현 가속수준과 신 가속수준을 분리하여 2차 가속시험을 실시한다. 가속시험 조건은 운전시간(On-Time)은 20sec와 12sec, 정지시간(Off-Time)은 20sec와 15sec로 선정하였으며, 운전압력(Pressure)은 12kgf/㎠와 20kgf/㎠로 선정하였다. 운전횟수(Cycle)는 현 가속수준은 150,000 ～ 350,000회까지 3단계로 나누어 시료수 10대로 하여 시험을 하였으며, 신 가속수준은 136,000 ～ 280,000회까지 3단계로 나누어 시료수 20대로 하여 시험을 하였다.
- 기준선에서 마모부 사이의 면적을 계산하고, 이 면적의 평균을 마모량(Wear)으로 평가한다. 가속시험법 설계를 위해 예비인자를 도출하고 이를 기반으로 예비시험을 실시하며 여기서 가속인자를 결정한다. 가속인자가 결정되면 이 인자의 수준이 정해져야 하며 각 수준에서의 가속성을 검증하여 최종 확정된다 LG전자 품질센터 신뢰성팀(1998), LG전자 품질센터 신뢰성팀(2000), 이기화와 윤원영(2009).
- 운전시간(On-Time)을 15 초 이상 증가시키면 기본적으로 시험 기간이 증가되고, 과부하 문제로 시간을 늘리는 것은 불가능하다. 가속조건1은 정지시간(Off-Time)을 10 초로 하여 운전횟수(Cycle)를 가장 최소화할 수 있으나 이 조건은 정상 가동을 위한 압력 도달에 문제가 있어 가속조건 4를 가지고, 컴프레서(Compressor) 단품 실시 가속시험을 설계하여 시험을 실시하였다.
- 기존 시험조건에서의 실험 Data를 Fitting하여 마모모형을 구하였고 변경 시험조건에서의 실험 Data를 Fitting하여 마모모형을 구하였다. <표 5>와 같이 실기 가속시험결과 압력을 12kgf/㎠에서 20kgf/㎠로 변경하여 Rapid 운전횟수(Cycle)를 350,000회에서 280,000회로 단축할 수 있다.
- <표 1>를 보면 운전압력(Pressure)과 운전횟수(Cycle), 운전시간(On-Time)과 정지시간(Off-Time)은 가속 수준 변경이 용이하고, 취급이 쉽기 때문에 본 연구에서는 운전압력(Pressure)과 운전횟수(Cycle), 운전시간(On-Time), 정지시간(Off-Time)을 시험인자로 선정하였다. 특히, 운전압력(Pressure)과 운전횟수(Cycle), 운전시간(On-Time), 정지시간(Off-Time)은 벤치 테스트(Bench Test)장치를 이용하여 쉽고 빠른 시간 내에 경제적으로 시험이 가능하다는 장점도 있다.
- 벤치 테스트(Bench Test) 시험 결과를 바탕으로 실기 가속시험 설계를 실시하여 컴프레서 단품 실기 시험을 진행한다. <표 3>과 같이 동일 마모면적 기준을 설정하고, 운전횟수(Cycle)를 최소화할 수 있는 조건은 가속조건1과 가속조건4가 있다.
- 본 실기 가속 시험설계는 운전시간(On-Time),정지시간(Off-Time)은 압상승 속도와 Balance 압력을 고려하여 각각 12 초와 15 초로 선정하였고, 운전압력(Pressure)은 앞에서 살펴본 바와 같이 가속시험 시간을 단축하여 운영하고 있는 타사의 시험조건을 벤치마크(Benchmark)하여 설계하였다. 운전횟수(Cycle)는 현 가속수준은 120 ~ 500,000회까지 7단계로 나누어 시료수 30대로 하여 시험을 하였으며, 신 가속수준은 120 ~ 250,000회까지 7단계로 나누어 시료수 30대로 시험을 하였다.
- 수명 보증은 기존 가속시험 조건에서 10년을 보증하였다. 본 연구에서도 가속시험시간을 단축하여도 동일하게 10년을 보증할 수 있도록 신 가속시험법을 제시하였다. MTBF(Mean Time Between Failures) 3,625days(약10년) 보증을 위해서는 25대의 시료수로 63일 시험하는 동안 고장이 0이면, 유의수준 10%에서 MTBF를 약 10년간 보증할 수 있다.
- 예비 시험인자로 선정된 인자로 가속 가능 여부를 벤치 테스트(Bench Test)장치를 통해 확인한다 <그림 2> 참고. 시험은 컴프레서의 열화 특성항목인 마모량(Wear)을 조사한다.
- 여러 기업의 운전압력(Pressure), 운전횟수, 운전시간(On-Time), 정지시간(Off-Time), 시험 기간을 비교한 결과를 참고하여서 다음과 같은 인자들의 수준에서 시험을 계획하였다.
- 예비 시험인자로 선정된 인자로 가속 가능 여부를 벤치 테스트(Bench Test)장치를 통해 확인한다 참고.
- 운전시간(On-Time)에 대한 예비시험: 운전시간은 운전시간(On-Time)과 정지시간(Off-Time)으로 분리하여 가속 인자로 하여 컴프레서의 열화 마모 특성을 확인하는 예비시험을 실시하였다. 가속 하고자 하는 영역에서 운전시간(On-Time)이 증가하면 마모량(Wear)이 감소하는 음의 상관관계를 가지며, 운전시간이 가속인자로서의 가능성이 있음을 확인하였다.
- 운전압력(Pressure)에 대한 예비시험: 운전압력(Pressure)을 가속 인자로 하여 컴프레서의 열화 마모 특성을 확인하는 예비시험을 실시하였다. 가속하고자 하는 영역에서 운전압력이 증가하면 마모량(Wear)도 증가하는 양의 상관관계를 가지며, 운전압력이 가속인자로서의 가능성이 있음을 확인하였다.
- 본 실기 가속 시험설계는 운전시간(On-Time),정지시간(Off-Time)은 압상승 속도와 Balance 압력을 고려하여 각각 12 초와 15 초로 선정하였고, 운전압력(Pressure)은 앞에서 살펴본 바와 같이 가속시험 시간을 단축하여 운영하고 있는 타사의 시험조건을 벤치마크(Benchmark)하여 설계하였다. 운전횟수(Cycle)는 현 가속수준은 120 ~ 500,000회까지 7단계로 나누어 시료수 30대로 하여 시험을 하였으며, 신 가속수준은 120 ~ 250,000회까지 7단계로 나누어 시료수 30대로 시험을 하였다.
- 가속시험 조건은 운전시간(On-Time)은 20sec와 12sec, 정지시간(Off-Time)은 20sec와 15sec로 선정하였으며, 운전압력(Pressure)은 12kgf/㎠와 20kgf/㎠로 선정하였다. 운전횟수(Cycle)는 현 가속수준은 150,000 ～ 350,000회까지 3단계로 나누어 시료수 10대로 하여 시험을 하였으며, 신 가속수준은 136,000 ～ 280,000회까지 3단계로 나누어 시료수 20대로 하여 시험을 하였다.
- 운전횟수(Cycle)에 대한 예비시험: 운전횟수를 가속 인자로 하여 컴프레서의 열화 마모 특성을 확인하는 예비시험을 실시하였다. 가속하고자 하는 영역에서 운전횟수(Cycle)가 증가하면 마모량(Wear)도 증가하는 양의 상관관계를 가지며, 운전횟수가 가속인자로서의 가능성이 있음을 확인하였다.
- 운전횟수(Cycle)의 수준은 시험결과로 가속시험 시 확인 주기가 1개월, 2개월, 3개월로 하여 마모의 안정성을 확인하므로 50,000회, 125,000회, 250,000회로 결정하였다.
- 정지시간(Off-Time)에 대한 예비시험: 정지시간(Off-Time)을 가속 인자로 하여 컴프레서의 열화 마모 특성을 확인하는 예비시험을 실시하였다. 가속 하고자 하는 영역에서 정지시간이 증가하면 마모량(Wear)이 감소하는 음의 상관관계를 가지며, 정지시간이 가속인자로서의 가능성이 있음을 확인하였다.
- 컴프레서(Compressor)에서의 가속 가능한 예비인자로는 운전압력(Pressure), 운전온도(Temperature), 운전횟수(Cycle), 운전시간(On-Time), 정지시간(Off-Time), 모타 토크(Motor Torque), Oil 점도(Viscosity), 급유량(Refueling) 등을 도출할 수 있으며, 예비 인자 중 변경 가능성, 취급 편리성을 고려하고 현재의 시험 여건을 감안한 시험 가능한 인자를 도출 하였다. 세부적인 내용은 <표 1>을 참조하기 바란다
대상 데이터
- <표 2>과 같이 가속시험을 설계하였다. 마모량(Wear) 평가는 운전횟수(Cycle)를 누적 20회에서 2560회까지 수집하였다. 컴프레서의 가속 인자 중 가속시험 기간 단축에 직접적인 영향을 주는 인자는 운전압력(Pressure), 운전횟수(Cycle), 운전시간(On-Time), 정지시간(Off-Time)임을 알 수 있었다.
- 보증 MTBF =시료수*시험시간/보정계수=25*87/0.6=3625(약 10년) 단, 보정계수는 고장수가 0 일 때, 포아송 불량상수로 약 0.6 (유의수준α=10%)을 사용하였다.
- 수명 보증은 기존 가속시험 조건에서 10년을 보증하였다. 본 연구에서도 가속시험시간을 단축하여도 동일하게 10년을 보증할 수 있도록 신 가속시험법을 제시하였다.
- 컴프레서의 가속시험은 현재 90일간 총25대의 시료를 가지고 시험을 진행하고 있다. 25대 시료에 의한 보증 MTBF(Mean Time Between Failures)를 산출해 보면 아래와 같이 10년을 보증하고 있다.
이론/모형
- 시험결과로부터 Crank Shaft 축부 마모모형을 도출하였다. 도출된 마모모형을 이용하여 마모예측 Graph 분석을 실시하여 실기 실험치와 일치되는지를 확인한 결과 벤치 테스트(Bench Test) 결과와 실험치가 일치되는 것으로 파악이 되었다.
성능/효과
- 컴프레서의 가속 시험법의 설계, 분석을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 1) 컴프레서의 가속 인자 중 가속시험 기간 단축에 직접적인 영향을 주는 인자는 운전압력(Pressure), 운전횟수(Cycle), 운전시간(On-Time), 정지시간(Off-Time)임을 알 수 있었다. 2) 가속인자와 수준을 여러 기업 시험 조건을 분석하여 가속시험 설계를 통하여 적절한 가속 수준을 찾아내고, 가속성의 성립여부를 확인해 봄으로 보다 체계적으로 가속시험법을 정립할 수 있는 계기가 되었으며 향후 개발되는 타 모델의 가속시험 설계와 에어컨 컴프레서(Air-Conditioning Compressor) 가속시험 설계에도 본 연구결과가 적용가능할 것으로 판단한다.
- 2차에 걸쳐 실시한 가속시험 결과를 바탕으로 운전압력(Pressure)을 12kgf/㎠에서 20kgf/㎠, 운전시간(On-Time)을 20 초에서 12 초, 정지시간(Off-Time)을 20 초에서 15 초로 변경하여 운전횟수(Cycle)를 350,000회에서 280,000회로 단축함으로서 시험시간은 기존 87일에서 63일로 단축할 수 있다.
- 2) 가속인자와 수준을 여러 기업 시험 조건을 분석하여 가속시험 설계를 통하여 적절한 가속 수준을 찾아내고, 가속성의 성립여부를 확인해 봄으로 보다 체계적으로 가속시험법을 정립할 수 있는 계기가 되었으며 향후 개발되는 타 모델의 가속시험 설계와 에어컨 컴프레서(Air-Conditioning Compressor) 가속시험 설계에도 본 연구결과가 적용가능할 것으로 판단한다. 3) 실기 가속시험에 앞서 벤치 테스트(Bench Test) 시험법을 개발함으로서 예비시험을 통하여 가속인자 검증과 수준 선정에 있어서 빠른 시간 내에 효율적으로 개선 할 수가 있었다. 4) 가속 시험법을 적용함에 있어 본 사례를 통해 는 모델 개발 처음부터 가속 시험의 적용이라는 목표를 갖고 내용 공유와 의견 반영 등을 충분히 하면 현장에 바로 적용할 수 있을 것이며 가속시험을 통해 개발일정의 단축 및 개발품질을 사전에 확보할 수 있게 될 것이다.
- 운전시간(On-Time)에 대한 예비시험: 운전시간은 운전시간(On-Time)과 정지시간(Off-Time)으로 분리하여 가속 인자로 하여 컴프레서의 열화 마모 특성을 확인하는 예비시험을 실시하였다. 가속 하고자 하는 영역에서 운전시간(On-Time)이 증가하면 마모량(Wear)이 감소하는 음의 상관관계를 가지며, 운전시간이 가속인자로서의 가능성이 있음을 확인하였다. 결정계수 R2값이 0.
- 정지시간(Off-Time)에 대한 예비시험: 정지시간(Off-Time)을 가속 인자로 하여 컴프레서의 열화 마모 특성을 확인하는 예비시험을 실시하였다. 가속 하고자 하는 영역에서 정지시간이 증가하면 마모량(Wear)이 감소하는 음의 상관관계를 가지며, 정지시간이 가속인자로서의 가능성이 있음을 확인하였다. 결정계수 R2값이 0.
- 운전압력(Pressure)에 대한 예비시험: 운전압력(Pressure)을 가속 인자로 하여 컴프레서의 열화 마모 특성을 확인하는 예비시험을 실시하였다. 가속하고자 하는 영역에서 운전압력이 증가하면 마모량(Wear)도 증가하는 양의 상관관계를 가지며, 운전압력이 가속인자로서의 가능성이 있음을 확인하였다. 마모량(Wear)과 운전압력(Pressure)과의 사이에는 결정계수 R2값이 0.
- 운전횟수(Cycle)에 대한 예비시험: 운전횟수를 가속 인자로 하여 컴프레서의 열화 마모 특성을 확인하는 예비시험을 실시하였다. 가속하고자 하는 영역에서 운전횟수(Cycle)가 증가하면 마모량(Wear)도 증가하는 양의 상관관계를 가지며, 운전횟수가 가속인자로서의 가능성이 있음을 확인하였다. 마모량(Wear)과 운전횟수(Cycle)와의 사이에는 결정계수 R2값이 0.
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5. 가속시험법 결정
결론적으로 컴프레서(Compressor)의 가속 인자 중 가속시험시간 단축에 직접적인 영향을 주는 인자는 운전압력(Pressure), 운전횟수(Cycle), 운전시간(On-Time), 정지시간(Off-Time)임을 알 수 있었고, 운전시간과 정지시간은 시간을 단축하면 기본적으로 시험시간은 단축이 되지만 정상 기동을 위한 압력 도달에 문제가 있어 기존 조건을 유지하였으며, 시험시간에 가장 영향을 많이 주는 운전압력 조건을 변경하였다
. - 가속 하고자 하는 영역에서 운전시간(On-Time)이 증가하면 마모량(Wear)이 감소하는 음의 상관관계를 가지며, 운전시간이 가속인자로서의 가능성이 있음을 확인하였다. 결정계수 R2값이 0.983(98.3%)으로 마모량은 운전시간(On-Time)에 의해 잘 설명되고 있음을 알 수 있으며, 운전시간을 감소시켜 마모량을 더 열악한 조건으로 가속할 수 있음을 확인하였다.
- 가속 하고자 하는 영역에서 정지시간이 증가하면 마모량(Wear)이 감소하는 음의 상관관계를 가지며, 정지시간이 가속인자로서의 가능성이 있음을 확인하였다. 결정계수 R2값이 0.99.1(99.1%)로 마모량은 정지시간에 의해 잘 설명되고 있음을 알 수 있으며, 정지시간을 감소시켜 마모량을 더 열악한 조건으로 가속할 수 있음을 확인하였다.
- 시험결과로부터 Crank Shaft 축부 마모모형을 도출하였다. 도출된 마모모형을 이용하여 마모예측 Graph 분석을 실시하여 실기 실험치와 일치되는지를 확인한 결과 벤치 테스트(Bench Test) 결과와 실험치가 일치되는 것으로 파악이 되었다. 벤치 테스트(Bench Test) 시험 결과로 도출된 마모 모형을 사용하여 인자별 열화 경향을 마모량(Wear)과의 관련성을 분석한 결과 운전횟수(Cycle), 운전압력(Pressure)과 정지시간(Off-Time)이 주요 가속인자로 도출이 되었다.
- 가속하고자 하는 영역에서 운전압력이 증가하면 마모량(Wear)도 증가하는 양의 상관관계를 가지며, 운전압력이 가속인자로서의 가능성이 있음을 확인하였다. 마모량(Wear)과 운전압력(Pressure)과의 사이에는 결정계수 R2값이 0.993(99.3%)으로 마모량은 운전압력에 의해 잘 설명이 되고 있음을 알 수 있으며, 운전압력을 증가시켜 마모량을 더 열악한 조건으로 가속할 수 있음을 확인하였다.
- 가속하고자 하는 영역에서 운전횟수(Cycle)가 증가하면 마모량(Wear)도 증가하는 양의 상관관계를 가지며, 운전횟수가 가속인자로서의 가능성이 있음을 확인하였다. 마모량(Wear)과 운전횟수(Cycle)와의 사이에는 결정계수 R2값이 0.937(93.7%)로 마모량은 운전횟수에 의해 잘 설명되고 있음을 알 수 있으며, 운전횟수를 증가시켜 마모량을 더 열악한 조건으로 가속할 수 있음을 확인하였다.
- 도출된 마모모형을 이용하여 마모예측 Graph 분석을 실시하여 실기 실험치와 일치되는지를 확인한 결과 벤치 테스트(Bench Test) 결과와 실험치가 일치되는 것으로 파악이 되었다. 벤치 테스트(Bench Test) 시험 결과로 도출된 마모 모형을 사용하여 인자별 열화 경향을 마모량(Wear)과의 관련성을 분석한 결과 운전횟수(Cycle), 운전압력(Pressure)과 정지시간(Off-Time)이 주요 가속인자로 도출이 되었다.
- <그림 8>와 같이 변경시험 조건 검증 결과 마모량(Wear)은 95% 신뢰구간 내에 근사적으로 적합함으로 운전횟수(Cycle)를 280,000회로 변경하여 가속 시험 기간을 단축할 수 있음을 검증하였다.
- 위와 같이 예비시험을 통하여 가속 가능한 가속인자는 운전압력(Pressure), 운전횟수(Cycle), 운전시간(On-Time), 정지시간(Off-Time)으로 분석되며, 운전압력과 운전시간, 정지시간, 운전횟수를 변경하면 가속을 통한 시험기간단축이 가능할 것으로 분석 되었다.
- 마모량(Wear) 평가는 운전횟수(Cycle)를 누적 20회에서 2560회까지 수집하였다. 컴프레서의 가속 인자 중 가속시험 기간 단축에 직접적인 영향을 주는 인자는 운전압력(Pressure), 운전횟수(Cycle), 운전시간(On-Time), 정지시간(Off-Time)임을 알 수 있었다.
후속연구
- 1) 컴프레서의 가속 인자 중 가속시험 기간 단축에 직접적인 영향을 주는 인자는 운전압력(Pressure), 운전횟수(Cycle), 운전시간(On-Time), 정지시간(Off-Time)임을 알 수 있었다. 2) 가속인자와 수준을 여러 기업 시험 조건을 분석하여 가속시험 설계를 통하여 적절한 가속 수준을 찾아내고, 가속성의 성립여부를 확인해 봄으로 보다 체계적으로 가속시험법을 정립할 수 있는 계기가 되었으며 향후 개발되는 타 모델의 가속시험 설계와 에어컨 컴프레서(Air-Conditioning Compressor) 가속시험 설계에도 본 연구결과가 적용가능할 것으로 판단한다. 3) 실기 가속시험에 앞서 벤치 테스트(Bench Test) 시험법을 개발함으로서 예비시험을 통하여 가속인자 검증과 수준 선정에 있어서 빠른 시간 내에 효율적으로 개선 할 수가 있었다.
- 3) 실기 가속시험에 앞서 벤치 테스트(Bench Test) 시험법을 개발함으로서 예비시험을 통하여 가속인자 검증과 수준 선정에 있어서 빠른 시간 내에 효율적으로 개선 할 수가 있었다. 4) 가속 시험법을 적용함에 있어 본 사례를 통해 는 모델 개발 처음부터 가속 시험의 적용이라는 목표를 갖고 내용 공유와 의견 반영 등을 충분히 하면 현장에 바로 적용할 수 있을 것이며 가속시험을 통해 개발일정의 단축 및 개발품질을 사전에 확보할 수 있게 될 것이다.
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