하이브리드 굴삭기는 기존 굴삭기와 달리 선회구동계에 유압모터를 대신하여 선회전동기를 사용하고 있다. 하이브리드 굴삭기의 신뢰성을 평가하고 보증하기 위해서는 기계와 전기적인 고장모드가 조합되어 고려되어야 한다. 특히, 하이브리드 굴삭기용 선회감속기는 가혹한 실외환경에서 운용되므로 시작품에 대한 현장작동조건을 고려한 가속수명시험이 수행되어야 한다. 본 연구에서는 선회구동계 중선회감속기에 대한 가속수명시험 기법의 개발을 위하여 FMMA, FMAECA, FTA 및 QFD와 같은 정성적 신뢰성기법을 활용하였고, 개발된 가속조건에 의한 수명시험결과를 유분석 기법 등을 활용 분석하여 평가대상 시료가 목표 신뢰도를 만족함을 확인하였다.
하이브리드 굴삭기는 기존 굴삭기와 달리 선회구동계에 유압모터를 대신하여 선회전동기를 사용하고 있다. 하이브리드 굴삭기의 신뢰성을 평가하고 보증하기 위해서는 기계와 전기적인 고장모드가 조합되어 고려되어야 한다. 특히, 하이브리드 굴삭기용 선회감속기는 가혹한 실외환경에서 운용되므로 시작품에 대한 현장작동조건을 고려한 가속수명시험이 수행되어야 한다. 본 연구에서는 선회구동계 중선회감속기에 대한 가속수명시험 기법의 개발을 위하여 FMMA, FMAECA, FTA 및 QFD와 같은 정성적 신뢰성기법을 활용하였고, 개발된 가속조건에 의한 수명시험결과를 유분석 기법 등을 활용 분석하여 평가대상 시료가 목표 신뢰도를 만족함을 확인하였다.
The swing motion drive unit of a hybrid excavator is composed of an electrical motor instead of a hydraulic motor that is used in hydraulic excavators. The method to assess and guarantee the reliability of a hybrid excavator should consider combining the mechanical and the electrical failure mode ef...
The swing motion drive unit of a hybrid excavator is composed of an electrical motor instead of a hydraulic motor that is used in hydraulic excavators. The method to assess and guarantee the reliability of a hybrid excavator should consider combining the mechanical and the electrical failure mode effects. In particular, the swing reduction gear set of a hybrid excavator is operated under severe outdoor conditions; therefore, an accelerated life test, which is based on field operating condition, should be conducted for the newly developed reduction gear set. In this study, various qualitative methods for reliability engineering, such as FMMA, FMECA, FTA, and QFD, were used to develop the accelerated life test method for the swing drive reduction gear set for the hybrid excavator.
The swing motion drive unit of a hybrid excavator is composed of an electrical motor instead of a hydraulic motor that is used in hydraulic excavators. The method to assess and guarantee the reliability of a hybrid excavator should consider combining the mechanical and the electrical failure mode effects. In particular, the swing reduction gear set of a hybrid excavator is operated under severe outdoor conditions; therefore, an accelerated life test, which is based on field operating condition, should be conducted for the newly developed reduction gear set. In this study, various qualitative methods for reliability engineering, such as FMMA, FMECA, FTA, and QFD, were used to develop the accelerated life test method for the swing drive reduction gear set for the hybrid excavator.
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문제 정의
본 연구에서는 하이브리드 굴삭기의 선회구동계 중 선회감속기에 대한 가속수명시험 기법의 개발을 위하여 FMMA, FMECA, FTA 및 QFD 등의 정성적 신뢰성기법을 활용한 고장모드 분석을 수행하였고, 무고장 수명시험시간을 단축하기 위한 가속수명시험을 설계하고 하이브리드 굴삭기용 선회감속기에 대한 가속수명시험을 수행하였다.
제안 방법
본 연구에서는 선회구동계 중 선회감속기에 대한 가속수명시험 기법의 개발을 위하여 FMEA, FTA 및 QFD와 같은 정성적 신뢰성기법을 활용하였고, 개발된 가속조건에 의한 수명시험결과를 유분석 기법 등을 활용 분석하여 평가대상 시료가 목표 신뢰도를 만족함을 확인하였다.(2)
이는 제품 설계, 제작, 조립 시스템 장착 운용 등에서 제품의 불완전으로 인한 잠재적 결함을 찾아내기 위하여 구성 요소의 고장 형태와 그 상위 제품에 미치는 영향을 해석하여 설계 개선으로 연결시키기 위한 중요한 부분이다. 이를 위한 주요 고장 모드 분석 기법으로 Table 1에서 Table 4, Fig. 1에서 Fig. 2와 같이 주요부품의 고장모드와 고장메커니즘 분석을 위한 FMMA, FMMA에서 도출된 고장모드에 대하여 발생빈도와 심각도를 고려하여 주 고장모드를 결정하기 위한 CMA, FMMA에서 도출된 고장모드에 대하여 고장에 영향을 주는 부하(Stress) 인자와 이에 대한 설계개선사항을 추천하는 FMECA, 고장모드별로 고장률을 정의하여 시스템의 신뢰도를 정량적으로 추정할 수 있는 FTA, 도출된 고장모드별로 관련된 시험방법과 중요도를 평가할 수 있는 QFD를 수행하여 활용하였다.
하이브리드 굴삭기용 선회감속기의 신뢰성을 제한된 시간내에 기존 굴삭기용 부품들과 동등한 수준에 도달하였는지 평가하기 위해서는 가속수명시험기법의 개발 및 적용이 요구된다. 이에 실사용 조건보다 가혹한 조건(가속 조건)에서 수명시험하여 고장을 촉진시키고, 가속 조건에서 관측된 데이터로부터 수명-스트레스 관계를 추정하고, 이를 사용 조건으로 외삽(Extrapolation)하여 사용 조건에서의 수명을 빨리 추정하기 위한 가속수명시험모델을 개발하였다.
하이브리드 굴삭기용 선회감속기의 필드고장 데이터를 활용하여, 수명 분포 및 모수를 추정한 결과 선회감속기의 수명은 Weibull 분포를 따르고, 고장모드 분석결과 고장 발생빈도가 높은 유성기어의 마모 고장에 의한 형태모수 3.0을 적용하였다.
성능/효과
또한, 선회감속기에서 검출된 마모 입자는 피로와 슬라이딩 마모가 주 마모모드로 관찰되었지만, 이는 선회감속기의 고장을 유발하기에는 아주 미미한 정도이며 감속기의 고장모드 분석결과와 같이 베어링과 기어치의 피로마모가 주 고장모드임을 확인하였다.
본 연구에서는 하이브리드 굴삭기용 선회감속기의 시료 1개를 3.3절에서 구한 가속수명시간인 1,136시간까지 가속수명시험 한 결과 고장이 없고 성능시험의 평가기준(가속수명시험 전 초기성능대비 성능저하 10 % 이내)을 만족하여 신뢰수준 90ㅡ% 에서 작동시간 10,000시간(B10)을 보장함을 확인하였으며, 고장과 시료의 열화 정도에 대한 상세분석을 위하여 가속수명시험시 실시간으로 성능측정데이터를 저장하였다.
선회감속기를 분해하여 각 부품을 육안 확인한 결과 주로 윤활부인 황동계열의 저널 베어링에서 스크래치 등의 손상이 발생된것을 확인하였다.
하이브리드 굴삭기용 선회감속기 가속수명시험 완료 후, 선회감속기 가속수명시험에 사용된 기어유를 샘플링 도구와 청결한 샘플병으로 샘플링하여 기어유 속에 포함된 오일의 마모 성분을 샘플링 즉시 분석한 결과 시험 전에 비해 철, 구리, 규소. 실리콘의 성분이 증가하였으나, 심각한 수준이 아닌 정상적인 수치로 판단된다.
하이브리드 굴삭기용 선회감속기의 가속수명시험 완료 후 시료 분해를 통한 각부의 마모나 변형, 파손 등을 육안 확인한 결과 미세한 수준의 마찰흔, 기어 물림 자국 등이 나타났으나, 심각한 수준의 표면 피팅 손상 및 변형, 파손은 없는 것을 확인하였고, 가속수명시험 전의 기어유 신유와 가속수명시험 완료 후 기어유의 마모 성분을 분석한 결과 시험 전에 비해 철, 구리, 규소, 실리콘의 성분이 증가하였는데, 이는 윤활부의 저널 베어링과 씰링부의 열화 및 이물질 유입에 의해 발생한 성분으로 판단된다.
하이브리드 굴삭기용 선회감속기의 가속수명시험 합격기준은 발췌시료 1개를 1,136시간까지 가속수명 시험한 후, 고장이 없고 성능시험(대표성능구간시험을 실시하여 성능의 저하가 10 % 이내)의 평가기준을 만족하면, 신뢰수준 90%에서 작동시간 10,000시간(B10 수명)을 보장하는 것으로 하였다.
하이브리드 굴삭기용 선회감속기의 가속수명시험을 위한 가속조건으로는 필드에서의 등가부하에 대한 가속시험시의 부하 토크를 적용하여 기어의 마모 고장에 따른 역승 모델(Inverse Power Law model)과 기어 윤활유의 온도 상승에 따른 아레니우스 모델(Ahrenius model)을 복합한 형태로 가속계수를 산출하였고,(6) 선회감속기의 B10 10,000시간 수명을 신뢰수준 90%로 보증하기 위한 가속수명시험 시간은 1,136시간으로 도출되었다.
후속연구
선회감속기의 고장모드 분석 결과 고장 발생빈도가 높고 심각성이 높은 고장모드는 누유로써 하우징 내부 오일을 밀봉하는 씰(Seal)의 손상에 의하여 발생할 수 있으므로 씰 부위의 설계와 씰의 선정시 각별한 주위가 요구된다. 또한, 베어링 조립부의 마모와 파손시 심각한 영향을 미칠 수 있으므로 베어링에 가해지는 하중을 현장 작동조건을 최대한 반영하여 산출하고(3) 이를 기반으로 전략적인 안전계수가 가미된 선정 절차를 거쳐 베어링이 결정되어져야 할 것으로 사료된다.
전술한 과정들을 통하여 개발된 하이브리드 굴삭기용 선회감속기에 대한 가속수명모델 및 신뢰성평가장비는 선회전동기, 전력변환기 및 Ultra Capacitor 등과 같은 하이브리드 굴삭기 동력전달계의 핵심부품 신뢰성평가에도 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하이브리드 굴삭기의 선회구동계는 어떻게 구성되는가?
하이브리드 굴삭기는 기존 굴삭기와 달리 선회구동계에 유압모터를 대신하여 선회전동기를 사용하고 있다. 하이브리드 굴삭기의 선회구동계는 선회전동기와 선회감속기 그리고 선회전동기의 구동을 위한 전력변환기 및 Ultra capacitor로 구성되며, 전력변환기는 선회감속시에 회생 발전으로 발생하는 전류에 의한 Ultra capacitor의 충전 및 선회모터 구동시 방전 제어를 위한 제어기를 포함한다.
하이브리드 굴삭기의 선회구동계에 무엇이 사용되는가?
하이브리드 굴삭기는 기존 굴삭기와 달리 선회구동계에 유압모터를 대신하여 선회전동기를 사용하고 있다. 하이브리드 굴삭기의 선회구동계는 선회전동기와 선회감속기 그리고 선회전동기의 구동을 위한 전력변환기 및 Ultra capacitor로 구성되며, 전력변환기는 선회감속시에 회생 발전으로 발생하는 전류에 의한 Ultra capacitor의 충전 및 선회모터 구동시 방전 제어를 위한 제어기를 포함한다.
본 연구에서 개발한 하이브리드 굴삭기용 선회구동계에 대한 수명시험장비의 특징은 무엇인가?
4와 같다. 기존 유압굴삭기의 선회감속기에 대한 수명시험장비는 선회감속기의 구동을 위하여 선회용 유압모터를 사용하나 개발된 시험장비에서는 선회전동기를 사용하여 선회감속기를 구동한다. 또한, 기존 시험장비의 부하부에는 관성부하용 Fly Wheel을 사용하기 때문에 수명시험 중 변동부하의 구현이 불가능하나 개발된 시험장비는 부하부에 유압식굴삭기의 선회구동계(선회용 유압모터 및 감속기 결합체)를 적용하므로써 수명시험 중 자유롭게 부하의 변동이 가능하게 한 점이 특징이다.
참고문헌 (8)
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