기계 부품의 수명과 신뢰도

기계 부품의 수명과 신뢰도

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Description
국내 제조업체의 제품 생산과 설계 기술은 크게 발전하였다. 그러나 제품의 신뢰도 향상을 위한 시험과 평가 기술은 아직도 미흡한 부분이 많다. 선진국의 기술을 도입하여 국산화를 추진한 대부분의 제조업체가 당면한 취약한 기술 분야이다.

선진국이 많은 시행착오와 경험을 통하여 독자적인 제품의 설계, 생산, 시험 평가 기술을 개발해 온 반면, 기술 후진국은 도입 기술을 통하여 기술을 개발해 왔다. 그러나 그 기술도 제품 생산에 국한된 경우가 많다. 설계와 시험 평가 기술은 기술 도입의 비용도 고가일 뿐만 아니라 선진국도 기술 제공을 기피하기 때문이다. 특히 시험 평가 기술은 대부분 대외비로서 제조업체가 독자적으로 개발할 수밖에 없는 분야이다.

독자적인 기술 개발에는 어려움이 많다. 단순한 기술 부족에서 뿐만 아니라 낮은 경제성 때문이다. 경제성 여부가 기술 부족보다는 더 큰 장애일 수 있다. 국내 제조업체는 이러한 기술 개발의 어려움에 당면하고 있다. 그러나 기술 독립을 위해서는 자신만의 능력으로써 시험 평가 기술을 개발할 수밖에 없는 것이 또한 국내 제조업체의 현실이다.

‘기계 부품의 수명과 신뢰도’는 각종 기계 제조업체의 시험 평가 분야에 종사하는 전문 인력과 이러한 분야로 진출할 대학교 상급 학년 및 대학원 과정의 연구자들이 갖추어야 할 기본 지식을 다룬 전문서이다. 본 전문서는 총 12장으로 구성하였으며, 1장과 2장에서는 각종 정하중과 동하중의 형태, 하중의 측정과 특성 분석, 부하 스펙트럼과 등가 하중을, 3장에서는 재료의 강도와 파괴 이론을, 4장에서는 기계 부품의 수명 예측 방법을, 5장과 6장에서는 고장 데이터의 분석 방법과 신뢰도 및 고장 분포 함수의 매개 변수 추정을, 7장에서는 보증 기간 설정과 클레임 데이터 분석을, 8장과 9장에서는 가속 수명 시험과 신뢰도 입증 시험 방법을, 10장에서는 신뢰도 성장 계획을, 11장에서는 샘플링 검수 방법을, 12장에서는 신뢰도 평가를 위한 다수의 시험 코드 작성의 예를 다루었다. 또한 이러한 주제를 이해하는 데 필요한 통계의 기초 지식을 부록으로 추가하였다. 전문서의 이 내용은 대표 저자가 서울대학교에서 강의했던 기계요소설계, 농업기계분석과 설계, 농업기계설계특론 교과목의 강의 자료를 기본으로 하여, 농기계 제조업체의 기술 자문과 한국기계연구원 신뢰성평가센터의 기술위원으로서 경험한 다양한 주제를 포함시킨 것이다.
모든 주제에 대한 이론과 방법을 소개하였으며 가능한 한 쉽게 설명하려고 노력하였다. 그러나 이론 전개보다는 다수의 예제를 통하여 기계 제조업체의 실무자들이 보다 쉽게 그 원리와 방법과 이해하고 이를 실무에 적용할 수 있도록 하였으며, 대학원 수준의 교재로서도 사용할 수 있도록 하였다. 아무쪼록 이 전문서가 기계 제조업체의 시험 평가 기술 발전과 기술자들이 시험 평가와 관련한 실무를 수행하는 데 도움이 되기를 기대한다.
저자

김경욱

서울대학교명예교수

목차

1장
부하측정과분석

1.1하중의형태와특징3
1.2동하중4
1.3부하의측정5
(1)변환기5
(2)스트레인게이지8
(3)스트레인로젯트19
1.4측정데이터의편집과처리27
(1)데이터전송과저장27
(2)데이터편집27
(3)데이터처리28
1)수치화28
2)정량화32
3)캐리브레이션34
1.5측정데이터의특성35
(1)정상성36
(2)주기성40
(3)정규성41
1.6데이터분석44
(1)시간-데이터신호의분석44
1)평균과제곱평균44
2)자기상관45
3)확률밀도함수46
4)파워스펙트럴밀도함수48
(2)엔셈블데이터의분석52
1)상호상관함수52
2)상호스펙트럴밀도함수53
3)간섭함수54
4)주파수응답함수54
5)베이스진동에대한진동계의주파수응답함수54
6)가진력이작용하는진동계의주파수응답함수58
⚫참고문헌65



제2장
부하스펙트럼과등가하중


2.1작업사이클68
2.2사용프로파일70
2.3기계수명74
(1)설계수명74
(2)가용수명75
(3)보증수명75
(4)보증기간76
2.4레인플로사이클카운팅79
(1)사이클카운팅79
(2)레인플로사이클카운팅81
2.5부하스펙트럼88
(1)부하스펙트럼의작성88
(2)부하스펙트럼의형상91
(3)부하스펙트럼의확장93
2.6하중지속분포96
2.7피로손상스펙트럼97
(1)시간영역의유사속도를이용한피로손상스펙트럼98
(2)랜덤진동의극댓값분포와빈도103
(3)주파수영역의가속도를이용한피로손상스펙트럼108
2.8등가하중116
(1)등가완전반복하중116
(2)선형누적피로손상이론에의한등가하중120
(3)부하스펙트럼을이용한등가하중123
2.9베어링의동등가하중127
⚫참고문헌133



제3장
재료의강도와파괴이론


3.1정적강도136
(1)단순인장시험136
(2)정적강도140
3.2피로강도141
(1)회전축피로시험141
(2)피로강도144
(3)피로강도감소계수146
(4)S-N모형155
3.3강도의신뢰수준161
3.4정하중에의한파괴이론165
(1)주응력과최대전단응력165
(2)최대주응력설170
(3)최대전단응력설171
(4)변형에너지설172
(5)정적파괴이론의비교174
3.5동하중의의한파괴이론176
(1)굿맨도와수정굿맨도177
(2)피로파괴선178
(3)등피로수명선도180
(4)선형누적피로손상법188
⚫참고문헌192



제4장
수명예측


4.1기계부품의수명194
(1)수명195
(2)기대수명199
4.2단순동하중에의한피로수명199
4.3선형누적피로손상법을이용한피로수명예측200
4.4변형률피로모형을이용한수명예측207
4.5피로파괴용량을이용한수명예측215
⚫참고문헌225

제5장
신뢰도와고장분포함수


5.1신뢰도228
(1)신뢰도의정의229
(2)신뢰도의중요성230
(3)신뢰도평가231
5.2목표신뢰도231
5.3고장분포함수232
(1)와이블분포232
(2)지수분포239
(3)정규분포242
(4)로그정규분포245
(5)이항분포249
(6)카이제곱분포254
(7)포아슨분포261
5.4고장률264
(1)고장률이다른다수의부품으로구성된기계의고장률265
(2)필요에따라수시로사용하는기계의고장률265
(3)다수의작동모드로구성된시스템의고장률267
(4)정기적으로부품을교체하는기계의고장률267
(5)평균고장간격이일정한제품의고장률271
5.5응력-강도신뢰도277
5.6비모수적신뢰도함수283
5.7시스템신뢰도294
(1)단순시스템294
(2)결합시스템297
⚫참고문헌302



제6장
고장데이터분석과매개변수결정


6.1고장데이터304
(1)보증수리데이터305
(2)고장지수306
(3)위험분석306
6.2와이블고장분포함수의매개변수결정307
(1)확률선도법307
1)완전또는정시중단고장데이터를이용한매개변수의결정308
2)중단이있는고장데이터를이용한매개변수의결정311
3)사용시간범위별고장데이터를이용한매개변수의결정314
4)신속고장시험315
(2)위험선도법319
(3)최우추정법320
(4)모멘트추정법325
(5)와이블매개변수의신뢰구간329
6.3지수고장분포함수의매개변수결정333
6.4고장분포의적합성검정337
(1)그래픽검정338
(2)앤더슨-달링검정338
(3)카이제곱검정344
(4)만검정348
(5)바트렛검정349
(6)정규분포의검정350
⚫참고문헌354

제7장
보증기간의고장분석


7.1클레임데이터의특성356
7.2클레임데이터의추적357
7.3클레임데이터의분석360
(1)보증기간의클레임데이터360
(2)클레임데이터의고장분포364
7.4불완전클레임데이터366
7.5보고지연을고려한클레임확률371
7.6보증기간의신뢰도함수376
(1)고장밀도함수의결정377
(2)조건부고장밀도함수의결정378
1)최우추정법379
2)선형누적법380
3)순차회귀분석법382
7.7갱신함수389
(1)수리율389
(2)완벽갱신392
(3)일반갱신398
7.8보증비용의추정409
(1)무료교체비용410
(2)비례교체비용413
(3)무료교체와비례교체를조합한비용415
⚫참고문헌418

제8장
가속수명시험


8.1가속수명시험의종류420
(1)정성시험421
(2)환경스트레스스크리닝과번인421
(3)정량시험421
(4)입증시험422
8.2가속시험의방법422
(1)시험기간424
(2)시험샘플의수427
(3)가속부하430
(4)가속시험사이클433
(5)가속계수435
8.3수명-부하모델436
(1)어레니우스모델437
1)어레니우스-와이블모델438
2)어레니우스-지수모델438
3)어레니우스-로그정규모델439
(2)아이링모델440
(3)역승법모델441
(4)수명-부하모델의매개변수결정443
1)도해적방법443
2)최소자승법448
3)최우추정법454
8.4가속주행시험476
(1)노면프로파일476
(2)노면프로파일의공간주파수파워스펙트럴밀도함수478
(3)노면프로파일의시간주파수파워스펙트럴밀도함수481
(4)파워스펙트럴밀도를이용한가속시험482
8.5가속시험계획493
(1)시험샘플의수493
(2)시험계획494
1)전통적인계획494
2)적정계획496
3)우수계획496
(3)부하편집498
1)시간영역의편집498
2)산과골영역의편집498
3)사이클또는히스토그램의편집499
4)주파수영역의편집499
5)시간영역의비교500
6)주파수영역의비교500
(4)부하스펙트럼500
1)부하스펙트럼의재현500
2)내구성시험용부하스펙트럼501
(5)동력계를이용한시뮬레이션502
⚫참고문헌505



제9장
신뢰도와고장분포함수


9.1신뢰도입증시험508
(1)고장특성을모르는경우509
(2)고장특성을아는경우512
(3)카이제곱을이용한샘플수와시험시간517
(4)평균고장간격의신뢰구간521
(5)평균고장시간과평균고장간격523
(6)신뢰수준525
9.2가속시험의신뢰도529
9.3신뢰도입증시험의위험확률533
(1)표준정규변수를이용한근사적방법536
(2)포아슨분포를이용한근사적방법538
(3)작동특성선도540
9.4순차시험543
(1)순차시험의원리544
(2)이항분포의경우546
(3)지수분포의경우548
(4)와이블분포의경우552
⚫참고문헌556



제10장
신뢰도성장계획


10.1신뢰도성장모델558
(1)듀안모델558
(2)Crow-AMSAA모델565
10.2신뢰도성장계획572
10.3신뢰도추적578
⚫참고문헌582



제11장
샘플링검수


11.1기본개념584
11.2샘플링검수의종류585
11.3샘플링검수의위험586
11.4샘플링검수의작동특성선도586
11.5속성샘플링검수589
11.6순차샘플링검수596
11.7변량샘플링검수597
(1)로트의평균품질을유지하기위한변량샘플링검수598
(2)로트의하한또는상한부적합률을유지하기위한변량샘플링검수599
(3)로트의하한과상한부적합률을모두유지하기위한변량샘플링검수602
(4)검수선도를이용한검수607
⚫참고문헌609



제12장
시험코드


12.1무고장가속시험613
12.2유압펌프614
12.3수동변속기어박스620
12.4전동라인626
12.5트럭용9단변속기652
(1)기본원리652
(2)가속시험656
12.6차량변속기667
(1)기본데이터667
1)차량의사용형태668
2)차량제원668
3)계수669
(2)가속시험방법670
1)속도분포670
2)변속속도673
3)변속기의피로손상추정675
4)도로형태별주행시간및주행거리백분율679
5)주행거리백분율을고려한피로손상680
6)부하에의한피로손상680
7)기속시험에의한피로손상681
8)가속시험시간683
(3)가속시험684
1)차량데이터684
2)도로별속도분포