[논문]항공기용 유압 시스템 신뢰도 및 정비도 분석 프로세스 고찰

한창환; 김근배

doi:10.14248/jkosse.2016.12.1.105

항공기용 유압 시스템 신뢰도 및 정비도 분석 프로세스 고찰
A Study on the Reliability and Maintainability Analysis Process for Aircraft Hydraulic System 원문보기

시스템엔지니어링학술지 = Journal of the Korean Society of Systems Engineering, v.12 no.1, 2016년, pp.105 - 112

Abstract ▼ AI-Helper

An aircraft must be designed to minimize system failure rate for obtaining the aircraft safety, because the aircraft system failure causes a fatal accident. The safety of the aircraft system can be predicted by analyzing availability, reliability, and maintainability of the system. In this study, the reliability and the maintainability of the hydraulic system are analysed except the availability, and therefore the reliability and the maintainability analysis process and the results are presented for a helicopter hydraulic system. For prediction of the system reliability, the failure rate model presented in MIL-HDBK-217F is used, and MTBF is calculated by using the Part Stress Analysis Prediction and quality/temperature/environmental factors described in NPRD-95 and MIL-HDBK-338B. The maintainability is predicted by FMECA(Failure Mode, Effect & Criticality Analysis) based on MIL-STD-1629A.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

즉 항공기 시스템의 신뢰성을 최대로 보장할 수 있도록 분석이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 항공기의 작동 메카니즘에 대한 중요한 역할을 하는 유압시스템에 대한 신뢰성 분석 프로세스를 제시하고자 한다. 시스템의 신뢰성은 고장률(Failure Rate) 과 고장과 고장사이의 평균시간 (MTBF)*로 기술 하는데, 여기서 MTBF는 가장 일반적인 신뢰성 매개변수이며 값이 증가할수록 신뢰성도 증가하는 특성을 지니고 있다.
는 정상환경(Normal Environmental Condition) 에서의 고장률로 MIL‐HDBK‐217F를 근거하였다. 본 연구에서는 모든 모델에 적용되는 온도인자와 환경인자를 고려하여 고장률을 계산하였다. 특히 품질인자(Quality Factor)는 각 부품에 대한 MilSpec (군사규격), Commercial(상용규격) 및 Unknown (확인 불가)의 품질 등급을 적용하였다.

가설 설정

고장률의 예측은 “운용시간(Operation)”조건과“Dormant*”환경조건으로 가정하여 고장률을 산출하였다.

제안 방법

시스템의 신뢰성은 고장률(Failure Rate) 과 고장과 고장사이의 평균시간 (MTBF)*로 기술 하는데, 여기서 MTBF는 가장 일반적인 신뢰성 매개변수이며 값이 증가할수록 신뢰성도 증가하는 특성을 지니고 있다. RAM을 분석하는데 있어 NPRD95를 기준으로 고장률 및 MTBF를 계산하고 환경 조건 및 변환계수는 신뢰도 분석기준을 근거로 하였으며, RELEX S/W**의 신뢰도 값을 제시하였다. 가용도(Availability)는 고장률(Failure Rate)과 정비성(Maintainability)으로 나타내고, 신뢰도 분석은 구성품의 전 수명(Life Cycle)에 대하여 수행된다.
고장률(Failure Rate) 및 고장간평균 시간(MTBF)은 MILHDBK217F 및 NPRD95를 참조하였으며, RELEX Software에 의한 신뢰도 값을 제시하였다.
: 보정계수이다. 고장유형비는 고장유형영향분석(FMEA)에 의해 고장유형별로 배분되며 보정계수는 1로 하였다. 이를 간단하게 나타내면 식 (6)과 같다.
고장률의 예측은 “운용시간(Operation)”조건과“Dormant*”환경조건으로 가정하여 고장률을 산출하였다. 먼저 구성하고 있는 부품들의 고장률을 계산한 다음 이들 고장률로부터 구성품의 고장률을 계산하였다. 고장률 및 MTBF로 계산된 신뢰도 산출결과는 Table 9와 같다.
신뢰성은 MIL-STD-785 또는 동등한 규격에 의거하며, MIL-STD-882D에 따른 안정성을 고려하여 설계된다. 본 연구에서, 항공기 및 구성품의 신뢰도 및 정비도 목표값은 비행시간 기준으로 유압장치는 MTBF 4,600, MTTR 0.75으로 설정하였다.
즉 설계나 제조결함에 의하여 초기 스트레스를 견디지 못하여 발생하는 고장기간(초기 고장기간), 시간의 경과에 따라 시스템이나 제품의 우발적 변화에 의한 고장기간(우발고장기간) 그리고 일정기간 경과 후 마모 또는 노화에 기인하여 고장률이 증가하는 고장기간(마모고장기간)으로 나타난다. 본 연구에서는 신뢰도 분석은 고장분포가 지수분포를 따르는 가동고장기간을 바탕으로 분석하였다.
고장률(Failure Rate) 및 고장간평균 시간(MTBF)은 MILHDBK217F 및 NPRD95를 참조하였으며, RELEX Software에 의한 신뢰도 값을 제시하였다. 본 유압 시스템을 수리하는데 소요되는 시간은 시스템 설계에 의해 결정되며, MTTR 분석을 통해 목표 대비 정비도의 적절성을 분석할 수 있었다.
본 유압장치는 FMECA* 수행 결과를 반영하여 정비소요를 도출하였고 정비단계, 정비형태 및 정비 주기 등의 정비업무를 설정하고 정비절차를 분석하여 정비소요시간, 인시수, 지원장비 등을 검토한다. 주요 정비업무 기능은 Table 6과 같다.
치명고장간 평균시간은 고장형태, 고장영향 및 치명도 분석으로부터 구성품별 고장형태 중에서 임무실패를 가져올 수있는 고장형태만을 합산하여 식 (1)을 적용하여 산출하였다. 신뢰도 예측 프로그램은 RELEX S/W를 이용하여 계산하고 각 구성품마다 NPRD-95의 G_B, G_M 등 환경변환계수 및 온도변환계수를 적용하여 실 환경에 근접할 수 있도록 예측하였다. 산출한 값을 Table 3에 제시하고 있다.
온도변환계수(Temperature Conversion Factor) 및 환경변환계수(Environment Conversion Factor) 의 값은 MIL-HDBK-338B에서 기술하고 있는 변환계수를 보정 Factor로 사용하여 산출하였으며 온도변환계수는 Table 1에서 환경변환계수는 Table 2에서 제시하고 있다. 유압장치의 고장률은 먼저 구성품을 구성하고 있는 부품의 고장률을 산출한 후 이들을 더하여 구성품의 고장률을 산출하였다. 고장률은 고장횟수/운용시간(10⁶시간 기준)으로 정의한다.
유압장치의 신뢰도 산출을 위한 운용환경은 운용 온도 54℃, 연간운용시간 300시간으로 하였으며, 회전익기 운용조건으로 유사한 운용환경 등을 고려한 온도변환계수 및 환경변환계수를 적용하였다. 온도변환계수(Temperature Conversion Factor) 및 환경변환계수(Environment Conversion Factor) 의 값은 MIL-HDBK-338B에서 기술하고 있는 변환계수를 보정 Factor로 사용하여 산출하였으며 온도변환계수는 Table 1에서 환경변환계수는 Table 2에서 제시하고 있다.
유압장치의 신뢰성 분석은 운용조건(Operating) 에서 Dormant 환경 및 온도 조건에서 변환계수를 활용하였다. 고장률(Failure Rate) 및 고장간평균 시간(MTBF)은 MILHDBK217F 및 NPRD95를 참조하였으며, RELEX Software에 의한 신뢰도 값을 제시하였다.

대상 데이터

임무신뢰도(Mission Reliability)와 시스템 신뢰도(System Reliability)의 두 개념으로 표현된다. 신뢰도 분석을 위한 고장률에 대한 자료는 예측 자료를 활용하였다. 즉, 임의 시간 구간 내에서 실제 작동 중인 부품의 모집단에 대한 고장횟수의 비율로서 가동기간 동안의 고장률(λ)이 된다.
신뢰도는 유압장치를 구성하고 있는 114개의 부품에 대한 MTBF를 구하였다. 치명고장간 평균시간은 고장형태, 고장영향 및 치명도 분석으로부터 구성품별 고장형태 중에서 임무실패를 가져올 수있는 고장형태만을 합산하여 식 (1)을 적용하여 산출하였다.

이론/모형

신뢰도 예측방법으로는 MIL-HDBK-217F를 고장률의 모델로 사용하고 고장률 및 고장사이의 평균 시간은 파트부하분석예측(Part Stress Analysis Prediction) 방법에 의해 예측하는데 고장률 및 수명예측은 NPRD-95(Non Electronic Part Reliability Data)를 사용하며 불가동계수, 환경/온도변환계수, 환경조건 등을 적용 예측한다. 시스템 신뢰도 예측 절차는 Figure 4와 같다.

성능/효과

신뢰도는 특정 환경에서 일정한 기간 동안 고장 (결함) 없이 작동(기능)할 수 있는 확률로 정의할 수 있다. 시스템을 개발할 때 고장 및 수리 가능성이 필수적인 고려사항이며 신뢰도에도 큰 영향을 준다. 신뢰도 요소는 MTBF가 있고, 정비요소로는 MTTR(Mean Time to Repair), MR(Maintenance Ratio) 및 MaxTTR(Maximum Time to Repair) 그리고 가용도 요소로는 가동성 Ao(Operational Availability)를 들 수 있다.
산출한 값을 Table 3에 제시하고 있다. 예측결과는 MTBF 가 목표값을 상회하고 있음을 알 수 있고, 구성품의 신뢰도가 높게 나타났다. 고장률도 기준시간당 운용 시간기준 166.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	시스템의 신뢰성은 무엇으로 기술하는가?	따라서 본 연구에서는 항공기의 작동 메카니즘에 대한 중요한 역할을 하는 유압시스템에 대한 신뢰성 분석 프로세스를 제시하고자 한다. 시스템의 신뢰성은 고장률(Failure Rate) 과 고장과 고장사이의 평균시간 (MTBF)로 기술 하는데, 여기서 MTBF는 가장 일반적인 신뢰성 매개변수이며 값이 증가할수록 신뢰성도 증가하는 특성을 지니고 있다. RAM을 분석하는데 있어 NPRD95를 기준으로 고장률 및 MTBF를 계산하고 환경 조건 및 변환계수는 신뢰도 분석기준을 근거로 하였으며, RELEX S/W*의 신뢰도 값을 제시하였다.
	항공기 시스템의 신뢰성을 최대로 보장하도록 분석이 필요한 이유는 무엇인가?	항공기의 고장은 대형 사고로 이어지기 때문에 고장 발생률을 최소화 할 수 있도록 설계되어야 한다. 즉 항공기 시스템의 신뢰성을 최대로 보장할 수 있도록 분석이 필요하다.
	MTBF의 특성은 무엇인가?	따라서 본 연구에서는 항공기의 작동 메카니즘에 대한 중요한 역할을 하는 유압시스템에 대한 신뢰성 분석 프로세스를 제시하고자 한다. 시스템의 신뢰성은 고장률(Failure Rate) 과 고장과 고장사이의 평균시간 (MTBF)로 기술 하는데, 여기서 MTBF는 가장 일반적인 신뢰성 매개변수이며 값이 증가할수록 신뢰성도 증가하는 특성을 지니고 있다. RAM을 분석하는데 있어 NPRD95를 기준으로 고장률 및 MTBF를 계산하고 환경 조건 및 변환계수는 신뢰도 분석기준을 근거로 하였으며, RELEX S/W*의 신뢰도 값을 제시하였다.

참고문헌 (11)

MIL-HDBK-338B, Electronic Reliability Design Handbook, DoD, 1998.
NPRD-95, Non-electronic Parts Reliability Data, 1995.
NASA, Systems Engineering Handbook, NASA/SP-2007-6105 Rev1, 2007.
MILHDBK472, Maintainability Prediction, DoD, 1966.
MIL-STD-1629A, Procedures for Performing A Failure Mode, Effects and Criticality Analysis, DoD, 1980.
DoD, MIL-HDBK-217F, Reliability Prediction of Electronic Equipment, Military Handbook, 1995.
DAPA Regulation No. 261, Weapon Systems RAM Guideline, Defence Acquisition Program Administration (DAPA), Dec. 08, 2014.
Jinwon Kim, Keunbae Kim, Eunjung Kim, Jonghoo Park, Development and Qualification of Aircraft Accumulator, SASE Spring Conference, 2008.
Defence Acquisition Program Administration (DAPA), Integrated Logistics Support (ILS) Development Guidebook, 2013.
지정건, 신건영, 이덕규, 이희성, Life Analysis and Reliability Prediction of MicroSwitches based on Life Prediction Method, Journal of the Korea Society of System Engineering, vol. 7, No.1 : pp.57-69, 2011.
Chul Sub Kim, Hi Sung Lee, A Study on the Reliability Methodology of Passenger Door System of Electrical Type, Journal of the Korea Society of System Engineering, Vol. 10, No. 1, pp.43-48, 2014.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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