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문제 정의
- 그러나, 변속기나 액슬과 달리 추진축의 경우에는 10,000 시간 이전에 고장이 발생하여 교체하여야 하는 것이 일반적이다. 따라서, 개선된 추진축이 수명 목표를 만족할 수 있는지 가속 수명 시험을 통하여 수명을 확인하고자 한다.
- 사용수준에서의 시험법은 시험시간이 매우 길어질 가능성이 있고 시료가 고가인 경우는 시험 비용이 증가하는 현실적인 어려움이 존재한다. 따라서, 최소 시료와 시간으로 신뢰성을 입증할 수 있는 교정가속수명시험 방법을 사용하여 수명 예측을 하고자 한다.
- 본 연구에서는 경제성을 고려하면서 추진축의 수명데이터를 가능한 정확하게 얻기 위하여 교정가속수명시험(calibrated accelerated life test, CALT)방법을 이용하여 수명데이터를 구하였다.(2~4) 이 수명데이터가 실제 현장작동조건에서 적용 가능한지를 검토하기 위하여, 실차상태의 부하스펙트럼(load spectrum)을 분석하여 여러 종류의 부하조건이 혼합되어 있는 데이터를 대표하는 조건의 값을 구하여 분석을 수행하게 된다.
제안 방법
- (2~4) 이 수명데이터가 실제 현장작동조건에서 적용 가능한지를 검토하기 위하여, 실차상태의 부하스펙트럼(load spectrum)을 분석하여 여러 종류의 부하조건이 혼합되어 있는 데이터를 대표하는 조건의 값을 구하여 분석을 수행하게 된다. 이를 위하여 부하에 대한 피로 손상 정도의 정량화로 누적손실효과(cumulative damage effect)를 고려한 Miner's Rule 을 도입하여 등가토크 값을 구하여 비교 분석하였다.
- 9는 스트레스에 대한 수명관계를 분석하기 위하여 작성된 그래프로, 3단계 스트레스 수준별로 실측 수명데이터를 타점하고, 특성수명선도, B10수명 선도, B10 수명의 80% 신뢰하한 선도를 나타내었다. B10수명과, B10수명의 80% 신뢰수준은 수요기업의 요구 사항이므로 이 조건에서 수명 예측을 수행하기로 하였다.
- 또한, 지게차 특성상 전·후진을 급격하게 하는 경우가 많아 과도한 정·역 부하를 받을 수 있으며, 이로 인한 피로 파괴가 고장의 원인이 된다. Fig. 2에서는 일반적인 추진축의 고장 모드 사진을 보여주고 있고, Table 1에서는 주요 구성품과 고장모드, 기능, 고장 메커니즘으로 고장분석을 수행하였다. 추진축의 구성품들은 축에 전달되는 회전토크에 의해 피로와 과부하 스트레스를 받는 것으로 분석 되었으며, 초기 마모, 스폴링, 누유 등으로 진동 및 소음 값이 커지며, 계속 사용하면 각 부위가 파괴되는 것으로 분석하였다.
- 가능한 최소시료수를 사용하여 수명데이터를 얻고자 교정가속수명시험 방법을 이용하였으며, 기본 3가지 스트레스 수준으로 각각 2개씩 총 6개의 시료를 사용하여 수명데이터를 얻을 수 있었다. 실제 현장작동조건의 부하스펙트럼을 분석한 결과와 비교하여 수명예측을 수행한 결과 대상제품이 목표수명을 만족함을 확인하였으며, 시험수행을 통하여 시험대상물의 형상모수, 가속모델의 가속지수, 그리고, 사용 조건의 수명을 예측하였다.
- 가속시험은 3단계의 스트레스 수준으로 수행하는 것이 일반적이며, 교정가속시험에서도 3수준으로 수행하고 와이블 분석을 위하여 최소 수량인 각 수준별 2개 총 6개의 시료를 사용하는 것으로 하였다. 사전시험 정보로 정적강도시험 결과를 참조하여 작동한계(operating limit or foolish limit) 값을 정한다.
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4.3 실차 조건과 가속시험 결과 비교
교정가속시험방법을 사용하여 수행한 추진축 수명 결과가 실차 조건에서도 적합한지 확인을 위하여, 실차부하스펙트럼 데이터를 적용한 조건과 비교하여 검증하였다. Table 5는 실제 차량의 동력전달계에서 토크와 속도를 측정한 데이터를 입수하여, 이 데이터를 추진축에 맞도록 기어비 등을 적용하고 수명 목표 시간을 10,000 시간에 등가하는 부하 스펙트럼으로 재구성 하였다.
- 0×105 사이클 이하를 목표 시간으로 하는 부하를 찾아 시험기준을 정하였다. 따라서, 저수준 부하는 중수준 부하의 75% 값인 1,794 Nm를 결정하여 저수준 시험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 지게차용 추진축에 대한 수명예측을 위하여 교정가속수명시험 방법이 적용된 가속수명시험을 수행하고 수명예측을 수행하였다.
- 시험 사이클은 1.0×105 사이클과 1.0×106 사이클 내에서 결정하는 것이 적정하며, 1.0×106 사이클 이상은 많은 시간과 비용을 필요로 하므로, 본 연구에서는 2.0×105 사이클 이하를 목표 시간으로 하는 부하를 찾아 시험기준을 정하였다.
- 와이블 분석에 필요한 최소 수량만으로 3수준 가속시험을 수행한 교정가속시험법이기 때문에, 시료수 부족으로 부정확한 시험 결과 가능성이 있다는 가정하에, 시료를 추가하여 피로시험을 수행하여 검증하여 보았다. 3수준 값은 동일하게 하고 각 수준당 시료를 2개씩 추가하여 시료8에서 시료 13까지 6개의 시료를 추가 시험하였으며, 그 결과는 Table 6에 정리하였다.
- 이를 위하여 부하에 대한 피로 손상 정도의 정량화로 누적손실효과(cumulative damage effect)를 고려한 Miner's Rule 을 도입하여 등가토크 값을 구하여 비교 분석하였다.
- 이를 위하여 부하에 대한 피로손상 정도를 정량화하는 누적손실효과(cumulative damage effect)를 고려하는 Miner's Rule을 도입하여 등가토크 값을 구하였다.
- 지게차 추진축의 가속 시험의 경우에서도 총 6개의 시료를 사용하여 피로시험을 수행하고 분석하는 계획을 Table 3과 같이 수립하였다. 정적강도시험 결과를 참조하여 작동한계 값을 설정하고, 이 작동한계 90%를 고수준 값으로 고수준의 90%를 중수준 값으로 정하였으며, 저수준 값은 2수준 총 4개 시험 결과를 분석하여 결정하는 것으로 하였다.
- 추진축 시험을 위하여 유압식 비틀림 피로 시험기(torsional rotary actuator)를 사용하여 정적강도시험 및 피로시험을 수행하였다. 시험장비는 최대토크 용량이 ±11 kNm, 최대회전각도가 ±45 deg이고, 시료의 온도는 실제 사용온도인 85 °C 이상 올라가지 않도록 제한하였고, 시험 사이클은 2~3 Hz를 유지하였다.
- 이 고장메커니즘을 재현하기 위하여 추진축에 토크를 재현하여 주는 피로시험을 수행하는 것이 제일 효과적인 것으로 판단되었다. 피로 시험을 수행하여 발생한 고장과 실제 현장에서 발생되는 고장을 비교하여 고장 분석 결과가 맞는지 확인하였다.
대상 데이터
- 고수준과 중수준 값은 작동한계 값의 90%, 고수준의 90% 수준인 2,990 Nm, 2,392 Nm의 값으로 Table 3 과 같이 정하였으며, 저수준 값은 고수준과 중수준 시험 후 값을 정하는 것으로 하였다. 고수준과 중수준 스트레스 2,990 Nm, 2,392 Nm의 부하로 각각 2개의 시료를 사용하여 시험을 수행하였으며, 2 수준 부하에 따른 추진축 파괴 결과는 Table 4의 시료 2에서 5번까지의 결과이다.
- 시험대상 추진축은 2~3톤급 엔진식 지게차에 사용되는 추진축으로 엔진 최대토크는 200 Nm 이고, 변속기는 파워시프트형 반자동 변속기로 전·후진 각각 2단의 변속단이 있으며, 토크 변환기의 스톨비는 2.8, 변속기 1단 기어비는 2.8임을 Table 2 제원표에서 알 수 있다.
- 지게차에 적용되는 추진축은 Fig. 1과 같이 구성되어 있으며, 추진축은 크로스키트 조립체, 요크플랜지부, 요크샤프트등으로 구성되어 있다. 추진축의 설계자는 크로스키트의 허용 토크 용량을 기준으로 설계하므로 부하를 받으면 크로스키트 조립체가 파손되는 경우가 대부분이고, 요크부나축 등이 파괴되는 경우도 있다.
데이터처리
- 따라서, 동일한 고장모드에 의한 결과로 가속모델의 적합성을 확인할 수 있었다. 이 경우에도 12개의 데이터에 대한 결과를 Minitab과 ALTA 소프트웨어를 사용하여 분석을 수행하였다. 3단계 스트레스 수준의 결과 12개를 분석한 결과, 수명 분포는 비교적 와이블 분포를 잘 따르고 있다고 할 수 있다.
- 추가된 6개의 데이터를 포함하여 총 12개의 피로 시험결과를 분석 소프트웨어를 사용하여 와 이블 분석을 수행하였다. 추가 피로시험에서도 모두 동일한 크로스키트 부위가 파손되었다.
- 따라서, 동일한 고장모드에 의한 결과로 가속모델의 적합성을 확인할 수 있었다. 추진축의 피로 시험결과를 Minitab과 ALTA 소프트웨어를 사용하여 분석을 수행하였다. 정적강도 시험데이터는 제외하고 3단계 스트레스 수준의 결과 6개를 분석한 결과, 수명분포는 예상한대로 와이블 분포를 잘 따르고 있음을 알 수 있다.
- 형상모수의 동일성 검정을 위하여 ALTA 소프트웨어에서 제공하는 우도비 검정을 실시하였으며, 6개 시험 데이터의 경우 유의 수준 10%에서 T = 3.1847 < x2 = 4.6052이므로 통계적으로 3개의 스트레스 수준별 형상모수가 동일하다고 할 수 있다.
이론/모형
- 추진축의 수명분포는 와이블(Weibull)분포를 사용하였다. 일반적으로 기계류 부품은 와이블 분포가 가장 널리 사용되고 있어,(7) 추진축에서도 와이블 분포를 사용하였으며, 시험 데이터에 대한 분포 적합도 검사를 수행하여도 와이블 분포가 적합한 것을 알 수 있다.
성능/효과
- 이 경우에도 12개의 데이터에 대한 결과를 Minitab과 ALTA 소프트웨어를 사용하여 분석을 수행하였다. 3단계 스트레스 수준의 결과 12개를 분석한 결과, 수명 분포는 비교적 와이블 분포를 잘 따르고 있다고 할 수 있다. Fig.
- 각 수준별 4개의 시료를 피로 시험하여 분석한 결과도 최소 수량인 수준별 2개를 시험 분석한 결과와 거의 동일한 결과를 얻을 수 있어서 최소 수량으로 수행하는 교정가속시험의 유효성을 검증할 수 있었다.
- 따라서, 각 수준당 2개의 최소 시료량으로 교정가속시험법을 사용한 결과와 4개씩 시험한 시험결과가 별 차이가 없음을 알 수 있었다. 그리고, 실제 사용 조건의 로드 스펙트럼과 비교하여도 수명을 만족하는 것으로 판단되어 본 연구에서는 최소 수량의 시료를 사용하여 교정시험법을 사용하더라도 신뢰성 수명예측에는 별 차이가 없음을 알 수 있다. 따라서, 기계류 부품에서 고가의 시료와 고 시험비용, 장시간의 시험시간을 요하는 피로시험의 경우에는 교정가속시험법을 사용한 수명 평가가 매우 유용함을 확인할 수 있었다.
- 9로 거의 동일하다. 따라서, 각 수준당 2개의 최소 시료량으로 교정가속시험법을 사용한 결과와 4개씩 시험한 시험결과가 별 차이가 없음을 알 수 있었다. 그리고, 실제 사용 조건의 로드 스펙트럼과 비교하여도 수명을 만족하는 것으로 판단되어 본 연구에서는 최소 수량의 시료를 사용하여 교정시험법을 사용하더라도 신뢰성 수명예측에는 별 차이가 없음을 알 수 있다.
- 그리고, 실제 사용 조건의 로드 스펙트럼과 비교하여도 수명을 만족하는 것으로 판단되어 본 연구에서는 최소 수량의 시료를 사용하여 교정시험법을 사용하더라도 신뢰성 수명예측에는 별 차이가 없음을 알 수 있다. 따라서, 기계류 부품에서 고가의 시료와 고 시험비용, 장시간의 시험시간을 요하는 피로시험의 경우에는 교정가속시험법을 사용한 수명 평가가 매우 유용함을 확인할 수 있었다.
- 6과 같이 정적강도시험 및 스트레스 수준별 피로시험 모두 동일한 크로스키트 부위가 파손되었다. 따라서, 동일한 고장모드에 의한 결과로 가속모델의 적합성을 확인할 수 있었다. 추진축의 피로 시험결과를 Minitab과 ALTA 소프트웨어를 사용하여 분석을 수행하였다.
- 시험대상 추진축의 평균수명(MTTF)은 1.51×109 사이클이며, B10수명으로는 8.17×108 사이클임을 예측할 수 있다.
- 가능한 최소시료수를 사용하여 수명데이터를 얻고자 교정가속수명시험 방법을 이용하였으며, 기본 3가지 스트레스 수준으로 각각 2개씩 총 6개의 시료를 사용하여 수명데이터를 얻을 수 있었다. 실제 현장작동조건의 부하스펙트럼을 분석한 결과와 비교하여 수명예측을 수행한 결과 대상제품이 목표수명을 만족함을 확인하였으며, 시험수행을 통하여 시험대상물의 형상모수, 가속모델의 가속지수, 그리고, 사용 조건의 수명을 예측하였다.
- 추진축의 구성품들은 축에 전달되는 회전토크에 의해 피로와 과부하 스트레스를 받는 것으로 분석 되었으며, 초기 마모, 스폴링, 누유 등으로 진동 및 소음 값이 커지며, 계속 사용하면 각 부위가 파괴되는 것으로 분석하였다. 이 고장메커니즘을 재현하기 위하여 추진축에 토크를 재현하여 주는 피로시험을 수행하는 것이 제일 효과적인 것으로 판단되었다. 피로 시험을 수행하여 발생한 고장과 실제 현장에서 발생되는 고장을 비교하여 고장 분석 결과가 맞는지 확인하였다.
- 가속수명시험의 가정 중 하나는 가속조건에서 발생하는 고장모드는 실제 사용 조건에서도 발생한다는 것이다. 이를 확인하기 위해서 가속조건에서 발생한 고장품의 고장모드 확인이 필요하며, 통계적으로 스트레스 수준별 와이블 분포의 형상모수가 동일함을 확인할 수 있다. 형상모수의 동일성 검정을 위하여 ALTA 소프트웨어에서 제공하는 우도비 검정을 실시하였으며, 6개 시험 데이터의 경우 유의 수준 10%에서 T = 3.
- 저수준 부하에 따른 추진축 파괴 결과는 Table 4 의 시료 6에서 시료 7번 까지의 결과이며, 파괴 사이클은 122,100 사이클과 148,882 사이클로 시험시간은 적절하게 선택되어 졌다. 최소한의 시험수량과 2수준의 기초시험으로 3번째 수준의 부하 스트레스를 결정한 것이 시험시간 결정에 큰 도움이 되었다.
- 추진축의 피로 시험결과를 Minitab과 ALTA 소프트웨어를 사용하여 분석을 수행하였다. 정적강도 시험데이터는 제외하고 3단계 스트레스 수준의 결과 6개를 분석한 결과, 수명분포는 예상한대로 와이블 분포를 잘 따르고 있음을 알 수 있다. Fig.
- 2에서는 일반적인 추진축의 고장 모드 사진을 보여주고 있고, Table 1에서는 주요 구성품과 고장모드, 기능, 고장 메커니즘으로 고장분석을 수행하였다. 추진축의 구성품들은 축에 전달되는 회전토크에 의해 피로와 과부하 스트레스를 받는 것으로 분석 되었으며, 초기 마모, 스폴링, 누유 등으로 진동 및 소음 값이 커지며, 계속 사용하면 각 부위가 파괴되는 것으로 분석하였다. 이 고장메커니즘을 재현하기 위하여 추진축에 토크를 재현하여 주는 피로시험을 수행하는 것이 제일 효과적인 것으로 판단되었다.
- 피로시험을 수행하기 전에 정적강도시험을 수행하여 허용한계 값을 결정하였다, 정적강도시험은 점진적으로 부하를 상승시켜 파괴 시점의 부하를 측정하는 시험으로, 1개의 시료를 사용하여 정적강도가 4,613 Nm임을 확인하였다. 이 값은 요구 정적강도인 4,125 Nm 이상을 만족함을 알 수 있으며, 작동한계 값은 피로시험이 가능한 재료의 탄성영역에서 시험할 수 있도록 정적강도 요구 값의 80% 값으로 설정 하였다.
후속연구
- 본 연구결과는 유사한 동력전달 축류의 수명예측에도 적용이 가능하고, 부하스트레스를 받는 가속수명모델이 적용되는 유사한 기능의 타 부품의 수명예측에도 적용될 수 있다고 판단된다.
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