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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 로드리스 실린더의 수명 시험을 통해 완전 데이터를 바탕으로 로드리스 실린더의 고장 모드 정립 및 수명 예측에 활용되는 모수인 형상 모수, 척도 모수, MTTF(평균 수명), B10 수명 등을 제시하고자 한다.
- 본 연구에서는 로드리스 실린더의 고장 모드 정립을 위해 이송 플레이트의 재질이 다른 실린더 2종(알루미늄, 알루미늄+플라스틱) 6개에 대해 시험하였다. 또한, 형상 모수, 척도 모수, MTTF(평균 수명), B10 수명 등을 확인하기 위하여 알루미늄 이송 플레이트를 지닌 실린더 10개에 대해 수명 시험을 진행하였고, 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- 3) 성능 열화 확인 및 수명 분석에 필요한 모수를 도출하기 위하여 알루미늄 이송 플레이트를 지닌 실린더 10개에 대하여 완전 고장 데이터를 기반으로 수명 예측에 활용되는 모수 등을 도출하였다.
- 본 연구에서는 로드리스 실린더의 고장 모드 정립을 위해 이송 플레이트의 재질이 다른 실린더 2종(알루미늄, 알루미늄+플라스틱) 6개에 대해 시험하였다. 또한, 형상 모수, 척도 모수, MTTF(평균 수명), B10 수명 등을 확인하기 위하여 알루미늄 이송 플레이트를 지닌 실린더 10개에 대해 수명 시험을 진행하였고, 결과는 다음과 같다.
- 로드리스 실린더의 성능 열화 분석 및 형상 모수, 척도 모수, MTTF(평균 수명), B10 수명 등을 도출하기 위하여 품질 안정화가 이루어진 시험 실린더Ⅰ에 대해 10개를 선정하여 수명 시험을 진행하였다. 수명 시험 도중 성능 열화를 분석하기 위하여 300,000 사이클 마다 주요 성능 열화 시험 항목인 누설 시험을 진행하였다.
- 수명 등을 도출하기 위하여 품질 안정화가 이루어진 시험 실린더Ⅰ에 대해 10개를 선정하여 수명 시험을 진행하였다. 수명 시험 도중 성능 열화를 분석하기 위하여 300,000 사이클 마다 주요 성능 열화 시험 항목인 누설 시험을 진행하였다.
- 시험 실린더Ⅰ의 고장 사이클을 바탕으로 수명 분석에 앞서 수명 분포 적합도 분석을 수행하였다. 이에 대하여 Fig.
대상 데이터
- 고장 분석을 위하여 로드리스 실린더(Test cylinderⅠ,Ⅱ) 시료 총 6개를 선정하여 고장이 발생할 때까지 시험을 진행하였다. 그 결과 더스트 씰 밴드 파손 및 씰 벨트 이탈, 이송 플레이트 파손, 벨트 세퍼레이터 파손, 외부 누설 등이 발생하였고 분석 결과는 다음과 같다.
- 또한, 형상 모수 및 척도 모수의 도출을 위한 수명 시험에서는 고장 모드에 대한 고장 분석 결과를 바탕으로 품질 안정화가 이루어진 시험 실린더Ⅰ에 대하여 10개를 대상으로 시험하였다.
- 로드리스 실린더의 고장 모드 분석을 위하여 시험 실린더Ⅰ,Ⅱ에 대하여 시료 6개를 시험하였고, 그 결과를 Table 4와 같이 정립하였다.
- 본 로드리스 실린더의 수명시험장치는 ISO 19973-3 5)과 KS B 6518 6), JIS B 8377-1 7) 에 따라 Fig. 2와 같이 구성하였으며, 작동 조건은 Table 2와 같다.
- 실린더는 크게 로드의 유·무에 따라 일반 공압 실린더와 로드리스(rodless) 실린더로 나누어진다. 본 연구에서 연구 대상품으로 사용한 로드리스 실린더는 일반 로드형 공압 실린더와 달리 실린더에 로드가 없는 구조로 실린더 내부의 피스톤 면적이 동일하여 균일한 힘을 발생시키고 로드에 의한 처짐이 없는 장점으로 인하여 고속 왕복 작동 및 부하 이송 특성을 필요로 하는 자동화 생산 설비 등에 최근 널리 사용되고 있다.
- 본 연구에서는 고장 모드 확인을 위하여 동일사양의 로드리스 실린더에 대하여 산업계에서 주로 사용되는 제조사 제품의 재질과 사양을 고려하여 대표되는 종류의 로드리스 실린더(Test cylinderⅠ,Ⅱ)를 시험 시료로 선정하였으며, 제조사 별 시험 수량 및 구성 재질은 Table 1과 같다.
데이터처리
- 위에서 발생한 고장 시점을 바탕으로 미니탭(Minitab) 소프트웨어를 활용하여 수명을 분석하였으며, 분석 기법은 최소 제곱법으로 하였고, 이에 대한 결과는 다음과 같다.
이론/모형
- 누설 시험의 고장 판정 기준은 KS B 6518 3), JIS B 8377-1 4)규격을 참고하여 61.2 L/h로 하였으며, 수명에 따른 누설 열화 그래프는 Fig. 13과 같고, 고장 데이터는 Table 6과 같다.
- 로드리스 실린더의 10개의 완전 고장 데이터를 기반으로 수명 분석을 진행하였고, 수명 분석은 최우추 정법을 활용하였다. 수명 분석에 앞서 수명 분포의 적합도를 확인하기 위하여 Fig.
- 로드리스 실린더 수명 시험을 위하여, 로드리스 실린더의 이송 플레이트에 부하를 장착하였다. 장착되는 부하의 기준은 ISO 19973-3 5)을 활용하였으며, 장착 위치는 Fig. 3과 같이 이송 플레이트 중심을 기준으로 부하의 중심을 20mm씩 띄운 상태로 장착하여 내부 피스톤 씰에 편심을 가하는 것으로 결정하였다.
성능/효과
- - 로드리스 실린더와 일반 공압 실린더의 수명을 비교한 결과 MTTF(평균 수명)은 일반 공압 실린더가 로드리스 실린더 비해 16배 이상으로 확인되었으며, B10 수명은 일반 공압 실린더가 로드리스 실린더 비해 7배 이상으로 확인되었다.
- - 수명 분포를 확인하기 위하여 AndersonDarling(A-D) 검정을 통해 분포 적합도를 확인한 결과 와이블(Weibull) 분포는 4.357으로 도출되어 로드리스 실린더의 수명 분포는 와이블(Weibull) 분포가 적합한 것으로 확인하였다.
- - 알루미늄 이송 플레이트를 지닌 실린더의 평균 수명(MTTF)이 이종 재질(알루미늄+플라스틱) 이송 플레이트를 지닌 실린더에 비해 5배 가까이 높게 추정되었다.
- - 완전 고장 데이터를 바탕으로 로드리스 실린더의 수명 예측에 활용하는 모수를 도출한 결과 형상 모수(β)는 4.07, 척도모수(η)는 1,560,044 사이클이며, 또한 MTTF(평균 수명)은 1,415,476 사이클, B10 수명은 897,446 사이클로 확인하였다.
- - 이종 재질(알루미늄+플라스틱) 이송 플레이트를 지닌 실린더는 관성 충격에 의한 이송 플레이트 파손의 현상이 발생된 것으로 분석되었으며, 이에 따라 이종 재질 플레이트는 관성 충격에 취약한 것으로 확인되었다.
- 고장 원인을 파악하기 위해 로드리스 실린더에 발생되는 진동을 측정하였고, 측정 결과 Table 3과 같이 고장이 발생한 로드리스 실린더가 정상 상태의 로드리스 실린더보다 약 3배 이상 높은 진동 충격이 측정되었다.
- 그러나 시험 실린더Ⅱ는 시간이 지남에 따라 고장률이 증가하고 있었으며, 이에 대한 원인은 재질의 부적절한 선정에 의한 것으로 확인되었다.
- 그리고 고장 모드 비교를 위하여 Table 5와 같이 일반 공압 실린더의 고장 모드를 확인하였으며, 일반 공압 실린더와 로드리스 실린더의 고장 모드를 비교한 결과 일반 공압 실린더의 주요 고장 모드는 피스톤 씰의 윤활 저하에 의한 작동 압력 증가로 나타났으나8), 로드리스 실린더의 경우 주요 고장 모드는 씰 벨트의 마모로 인한 누설로 확인되었다.
- 또한, 결과를 비교하였을 때, 척도모수(η)에서는 시험 실린더Ⅱ가 시험 실린더에 비해 2배 가량 높았으나, 평균 수명(MTTF) 비교에 있어 시험 실린더 Ⅰ이 시험 실린더Ⅱ에 비해 5배 가까이 높게 추정됨을 확인하였다.
- 또한, 일반 공압 실린더의 수명을 확인한 결과 평균수명(MTTF)은 2.4043×107 사이클이며, B10 수명은 6.8030×106으로 확인되었다8).
- 또한, 형상 모수 및 척도 모수 도출을 위하여 수명 분석을 수행한 결과 Fig. 11과 같은 결과가 도출되었고 형상모수(β)는 0.32, 척도모수(η)는 172,303 사이클이며, 또한 평균수명(MTTF)은 1,505,611 사이클로 확인하였다.
- 로드리스 실린더와 일반 공압 실린더의 주요 고장 모드가 다른 점에 대하여 구조적으로 분석한 결과 일반 공압 실린더의 경우 Fig. 8과 같이 실린더 튜브와 피스톤 씰의 마찰, 즉 강체와 씰의 마찰에 의해 고장이 발생하였지만, 로드리스 실린더는 Fig. 9와 같이 씰 벨트와 피스톤 씰 마찰, 즉 씰과 씰 마찰로서 고장 원인이 서로 달라 고장 모드가 다르다는 것을 확인하였다.
- 로드리스 실린더의 10개의 완전 고장 데이터를 기반으로 수명 분석을 진행하였고, 수명 분석은 최우추 정법을 활용하였다. 수명 분석에 앞서 수명 분포의 적합도를 확인하기 위하여 Fig. 14와 같이 Anderson-Darling(A-D) 검정을 통해 분포 적합도를 확인하였고, 그 결과 와이블(Weibull) 분포는 4.357, 대수정규(lognormal) 분포는 4.409, 지수(exponential) 분포는 4.965로 도출되었다.
- 시험 결과 2,100,000 사이클까지 10개의 시료 중 10개의 시료 모두 누설로 인한 고장이 발생하였고, 최초 고장은 약 600,000 ～ 900,000 사이클 구간에서 누설이 초과됨을 확인하였다.
- 시험 실린더Ⅰ,Ⅱ에 대하여 수명을 분석한 결과 시험 실린더Ⅰ은 시간이 지남에 따라 고장률이 감소하는 경향을 나타냈으며, 이에 대한 원인은 조립상의 결함으로 확인되었다9).
- 시험 실린더Ⅰ의 1개 시료에서 Fig. 6과 같이 씰 벨트 이탈 현상이 발생하였으며, 고장 발생 사이클은 1,154,684사이클로 확인하였다.
- 시험 실린더Ⅰ의 2개 시료에서 Fig. 5와 같이 더스트 씰 밴드 파손 현상이 발생하였으며, 고장 사이클은 약 310,152 사이클과 541,275 사이클로 확인하였고, 이에 대한 고장의 원인은 이송 플레이트의 작동 시 더스트 씰 밴드에 작용하는 인장력에 의해 파손된 것으로 확인되었다.
- 시험 실린더Ⅱ는 Fig. 12와 같은 결과가 도출되었고, 수명 분포 특성은 와이블 분포를 따르고 있으며 형상모수(β)는 2.02, 척도모수(η)는 407,048 사이클, 평균수명(MTTF)은 360,675 사이클로 확인하였다.
- 시험 실린더Ⅱ의 2개 시료 모두 Fig. 4와 같이 이송 플레이트 파손 현상이 발생하였고, 고장 발생 사이클은 240,315 사이클과 451,357 사이클로 확인되었으며, 고장의 원인으로는 이송 플레이트의 작동시 발생되는 관성 충격에 의해 파손된 것임을 확인하였다.
- 시험 실린더Ⅰ의 고장 사이클을 바탕으로 수명 분석에 앞서 수명 분포 적합도 분석을 수행하였다. 이에 대하여 Fig. 10과 같은 결과가 도출되었으며, 수명 분포 특성은 와이블(Weibull) 분포는 0.900, 대수정규(lognormal) 분포는 0.941, 3모수 와이블(3-parameter weibull) 분포는 0.994로 도출되어 3모수 와이블(3-parameter weibull) 분포가 시험 대상품1(알루미늄 재질) 로드리스 실린더의 수명 분포에 가장 적합함을 확인하였다.
- 이에 대해 고장 분석을 수행한 결과 반복 작동시 발생되는 마찰과 로드리스 실린더 내부에 투입된 압축 공기에 의해 씰 벨트의 이탈 현상이 발생된 것으로 분석되었고, 추후 발생되는 고장 영향을 고려하였을 때, 내부 압력 불가로 인해 자동화 생산 라인에 영향을 미칠 것으로 예상된다.
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