‘Flexible Hose 의 가속 수명 시험법 개발 에 관한 신뢰성 지원 ... · · 2011-12-14이를바탕으로기존의 등의국제규격을정량적비교및보완한다ISO,SAE

의 가속 수명 시험법의 가속 수명 시험법의 가속 수명 시험법의 가속 수명 시험법‘Flexible Hose‘Flexible Hose‘Flexible Hose‘Flexible Hose

개발 에 관한 신뢰성 지원개발 에 관한 신뢰성 지원개발 에 관한 신뢰성 지원개발 에 관한 신뢰성 지원’’’’

최종보고서최종보고서최종보고서최종보고서( )( )( )( )

2006. 9. 292006. 9. 292006. 9. 292006. 9. 29

주관기관 한국과학기술원주관기관 한국과학기술원주관기관 한국과학기술원주관기관 한국과학기술원: (KAIST): (KAIST): (KAIST): (KAIST)

위탁기관 한국기계연구원위탁기관 한국기계연구원위탁기관 한국기계연구원위탁기관 한국기계연구원: (KIMM): (KIMM): (KIMM): (KIMM)

산 업산 업산 업산 업 자 원 부자 원 부자 원 부자 원 부

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제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

한국부품소재산업진흥원장 귀 하한국부품소재산업진흥원장 귀 하한국부품소재산업진흥원장 귀 하한국부품소재산업진흥원장 귀 하

본 보고서를 의 가속 수명 시험법 개발 사업기간“Flexible Hose ”( : 2005. 9. 1 ~

과제의 최종보고서로 제출합니다2006. 8. 31 ) .

2006. 9. 29.2006. 9. 29.2006. 9. 29.2006. 9. 29.

주관기관명주관기관명주관기관명주관기관명 :::: 한국과학기술원한국과학기술원한국과학기술원한국과학기술원

주관책임자주관책임자주관책임자주관책임자 :::: 이 순 복이 순 복이 순 복이 순 복

연 구 원연 구 원연 구 원연 구 원 :::: 백 동 천백 동 천백 동 천백 동 천

배 근 호배 근 호배 근 호배 근 호

황 태 경황 태 경황 태 경황 태 경

이 준 연이 준 연이 준 연이 준 연

이 금 오이 금 오이 금 오이 금 오

윤 지 영윤 지 영윤 지 영윤 지 영

위탁기관명위탁기관명위탁기관명위탁기관명 ::::한국기계연구원한국기계연구원한국기계연구원한국기계연구원

위탁책임자위탁책임자위탁책임자위탁책임자 :::: 김 형 의김 형 의김 형 의김 형 의

연 구 원연 구 원연 구 원연 구 원 :::: 이 용 범이 용 범이 용 범이 용 범

:::: 한 성 건한 성 건한 성 건한 성 건

:::: 송 규 조송 규 조송 규 조송 규 조

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부품 소재신뢰성기반기술확산사업 보고서 초록부품 소재신뢰성기반기술확산사업 보고서 초록부품 소재신뢰성기반기술확산사업 보고서 초록부품 소재신뢰성기반기술확산사업 보고서 초록ㆍㆍㆍㆍ

관리번호관리번호관리번호관리번호 0500-RA1-029

사 업 명사 업 명사 업 명사 업 명 의 가속수명 시험법 개발Flexible Hose

키 워 드키 워 드키 워 드키 워 드 신뢰성 가속수명시험 와이블/ / Flexible Hose / zero failure test/

사업목표 및 내용사업목표 및 내용사업목표 및 내용사업목표 및 내용

최종 목표최종 목표최종 목표최종 목표1.1.1.1.

는 내구성이 뛰어나고 긴 수명이 요구되기 때문에 실제조건에서 시험할Flexible Hose

경우 많은 비용과 시간이 필요하다 따라서 해결하기 위하여 가속수명시험법을 합리적이.

고 신뢰성 있게 제안하여 신뢰성 기반기술 구축에 기여하고자 한다 이를 위하여 수명식.

개발과 누적손상기법 및 통계적 기법을 도입하여 가속시험을 개발하는 절차를 확립하며,

이를 바탕으로 기존의 등의 국제 규격을 정량적 비교 및 보완 한다ISO, SAE .

신뢰성 저해요인 정밀진단 내용신뢰성 저해요인 정밀진단 내용신뢰성 저해요인 정밀진단 내용신뢰성 저해요인 정밀진단 내용2.2.2.2.

는 각종 기계의 액압 장치에서 동력을 전달하거나 액압 회로에서 배관으Flexible Hose

로 사용되기 때문에 전체적인 기계 시스템의 신뢰성에 매우 중대한 영향을 미친다 가장.

주요한 파손원인은 반복되는 가변 충격 압력으로 인한 호스의 파열이다.

고장원인분석 및 대처결과고장원인분석 및 대처결과고장원인분석 및 대처결과고장원인분석 및 대처결과3.3.3.3.

실제 크롤라 굴삭기에 장착된 호스의 압력을 사용조건에서 측정하고 이를 가속수명 시

험에 반영함으로써 가속수명 시험법의 신뢰성을 향상시켰다 또한 종의 호스에 대하여. 2

다양한 시험조건에서 시험을 실시하여 가속수명시험법 구축에 필요한 재료상수를 도출

하고 관련 이론을 정립하여 가속수명시험법을 완성하였다.

신뢰성 적용결과 사업전 후 정량적 비교신뢰성 적용결과 사업전 후 정량적 비교신뢰성 적용결과 사업전 후 정량적 비교신뢰성 적용결과 사업전 후 정량적 비교4. ( )4. ( )4. ( )4. ( )ㆍㆍㆍㆍ

본 연구에서 제시한 가속수명시험법을 기준으로 기존의 규격들을 정량적으로 비교 평가

함으로써 규격의 검증 및 보완의 객관적 기준을 확립하였다.

기대효과 기술적 및 경제적 효과기대효과 기술적 및 경제적 효과기대효과 기술적 및 경제적 효과기대효과 기술적 및 경제적 효과5. ( )5. ( )5. ( )5. ( )

의 가속수명시험법을 보다 신뢰성 있고 체계적으로 확립시킴으로써 보다Flexible Hose

신뢰성 경쟁력 향상에 기여할 것이다.

적용분야적용분야적용분야적용분야6.6.6.6.

본 연구에서 개발된 의 가속수명시험법은 동 부품에만 국한 된 방법이 아Flexible Hose

니라 전부품 소재의 신뢰성 향상을 위한 가속수명시험법에도 범용적으로 적용 가능한,

것이다.

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목 차목 차목 차목 차

제 장 연구개발과제의 개요제 장 연구개발과제의 개요제 장 연구개발과제의 개요제 장 연구개발과제의 개요1111

제 절 연구개발의 개요 및 필요성제 절 연구개발의 개요 및 필요성제 절 연구개발의 개요 및 필요성제 절 연구개발의 개요 및 필요성1111

제 절 국내외 기술개발 현황제 절 국내외 기술개발 현황제 절 국내외 기술개발 현황제 절 국내외 기술개발 현황2222

제 절 연구개발의 목표 및 범위제 절 연구개발의 목표 및 범위제 절 연구개발의 목표 및 범위제 절 연구개발의 목표 및 범위3333

제 장 연구개발 수행 내용 및 결과제 장 연구개발 수행 내용 및 결과제 장 연구개발 수행 내용 및 결과제 장 연구개발 수행 내용 및 결과2222

제 절 의 파손 원인 분석제 절 의 파손 원인 분석제 절 의 파손 원인 분석제 절 의 파손 원인 분석1 Flexible Hose1 Flexible Hose1 Flexible Hose1 Flexible Hose

제 절 가속수명 시험법 개발 절차제 절 가속수명 시험법 개발 절차제 절 가속수명 시험법 개발 절차제 절 가속수명 시험법 개발 절차2222

제 절 의 수명시험제 절 의 수명시험제 절 의 수명시험제 절 의 수명시험3 Flexible Hose3 Flexible Hose3 Flexible Hose3 Flexible Hose

제 절 의 현장 작동조건제 절 의 현장 작동조건제 절 의 현장 작동조건제 절 의 현장 작동조건4 Flexible Hose4 Flexible Hose4 Flexible Hose4 Flexible Hose

제 절 가속수명 시험의 신뢰성제 절 가속수명 시험의 신뢰성제 절 가속수명 시험의 신뢰성제 절 가속수명 시험의 신뢰성5555

제 절 가속수명 시험 규격의 정략적 비교 및 제시제 절 가속수명 시험 규격의 정략적 비교 및 제시제 절 가속수명 시험 규격의 정략적 비교 및 제시제 절 가속수명 시험 규격의 정략적 비교 및 제시6666

제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도3333

제 절 연구목표 달성도제 절 연구목표 달성도제 절 연구목표 달성도제 절 연구목표 달성도1111

제 절 관련 분야의 기술발전 기여도제 절 관련 분야의 기술발전 기여도제 절 관련 분야의 기술발전 기여도제 절 관련 분야의 기술발전 기여도2222

제 장 연구개발결과의 활용계획제 장 연구개발결과의 활용계획제 장 연구개발결과의 활용계획제 장 연구개발결과의 활용계획4444

제 절 연구 개발 결과의 활용 방법제 절 연구 개발 결과의 활용 방법제 절 연구 개발 결과의 활용 방법제 절 연구 개발 결과의 활용 방법1111

제 절 추가 연구의 필요성제 절 추가 연구의 필요성제 절 추가 연구의 필요성제 절 추가 연구의 필요성2222

제 장 부록제 장 부록제 장 부록제 장 부록5555

제 절 코드제 절 코드제 절 코드제 절 코드1 cycling counting1 cycling counting1 cycling counting1 cycling counting

제 절 파열된 호스 및 충격압력시험기 사진제 절 파열된 호스 및 충격압력시험기 사진제 절 파열된 호스 및 충격압력시험기 사진제 절 파열된 호스 및 충격압력시험기 사진2222

제 절 굴삭기 기본 동작시 측정된 호스의 압력 데이터제 절 굴삭기 기본 동작시 측정된 호스의 압력 데이터제 절 굴삭기 기본 동작시 측정된 호스의 압력 데이터제 절 굴삭기 기본 동작시 측정된 호스의 압력 데이터3333

제 절 의 충격압력시험 규격제 절 의 충격압력시험 규격제 절 의 충격압력시험 규격제 절 의 충격압력시험 규격4 Flexible hose4 Flexible hose4 Flexible hose4 Flexible hose

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표 목차표 목차표 목차표 목차

표 의 신뢰성 규격표 의 신뢰성 규격표 의 신뢰성 규격표 의 신뢰성 규격1 Flexible hose1 Flexible hose1 Flexible hose1 Flexible hose

표표표표 2 Failure Mode & Mechanism Analysis(FMMA)2 Failure Mode & Mechanism Analysis(FMMA)2 Failure Mode & Mechanism Analysis(FMMA)2 Failure Mode & Mechanism Analysis(FMMA)

표표표표 3 Failure mode effects & criticality analysis(FMECA)3 Failure mode effects & criticality analysis(FMECA)3 Failure mode effects & criticality analysis(FMECA)3 Failure mode effects & criticality analysis(FMECA)

표표표표 4 Quality function deployment level 1 (QFD Level 1)4 Quality function deployment level 1 (QFD Level 1)4 Quality function deployment level 1 (QFD Level 1)4 Quality function deployment level 1 (QFD Level 1)


표 대표적인 의 충격압력시험 규격표 대표적인 의 충격압력시험 규격표 대표적인 의 충격압력시험 규격표 대표적인 의 충격압력시험 규격6 Flexible hose6 Flexible hose6 Flexible hose6 Flexible hose

표 의 충격압력시험 조건표표 의 충격압력시험 조건표표 의 충격압력시험 조건표표 의 충격압력시험 조건표7 Flexible hose7 Flexible hose7 Flexible hose7 Flexible hose

표 의 충격압력 시험 결과표 의 충격압력 시험 결과표 의 충격압력 시험 결과표 의 충격압력 시험 결과8 Hose 18 Hose 18 Hose 18 Hose 1

표 의 충력압력시험 결과표 의 충력압력시험 결과표 의 충력압력시험 결과표 의 충력압력시험 결과9 Hose 29 Hose 29 Hose 29 Hose 2

표 의 수명식의 값표 의 수명식의 값표 의 수명식의 값표 의 수명식의 값10 Flexible hose C10 Flexible hose C10 Flexible hose C10 Flexible hose C

표 시 의표 시 의표 시 의표 시 의11 Boom down/up flexible hose duty cycle11 Boom down/up flexible hose duty cycle11 Boom down/up flexible hose duty cycle11 Boom down/up flexible hose duty cycle

표 시 의표 시 의표 시 의표 시 의12 Arm crown/dump flexible hose duty cycle12 Arm crown/dump flexible hose duty cycle12 Arm crown/dump flexible hose duty cycle12 Arm crown/dump flexible hose duty cycle

표 시 의표 시 의표 시 의표 시 의13 Bucket crown/dump flexible hose duty cycle13 Bucket crown/dump flexible hose duty cycle13 Bucket crown/dump flexible hose duty cycle13 Bucket crown/dump flexible hose duty cycle

표 주행전진 좌선회급조작 시 의표 주행전진 좌선회급조작 시 의표 주행전진 좌선회급조작 시 의표 주행전진 좌선회급조작 시 의14 / flexible hose duty cycle14 / flexible hose duty cycle14 / flexible hose duty cycle14 / flexible hose duty cycle

표 우선회 급조작 정지 시 의표 우선회 급조작 정지 시 의표 우선회 급조작 정지 시 의표 우선회 급조작 정지 시 의15 / / flexible hose duty cycle15 / / flexible hose duty cycle15 / / flexible hose duty cycle15 / / flexible hose duty cycle

표표표표 16 Selection criteria of CL determination16 Selection criteria of CL determination16 Selection criteria of CL determination16 Selection criteria of CL determination

표표표표 17 Criticality evaluation of component Reliability17 Criticality evaluation of component Reliability17 Criticality evaluation of component Reliability17 Criticality evaluation of component Reliability

표 의 충격압력 시험규격 및 값의 비교표 의 충격압력 시험규격 및 값의 비교표 의 충격압력 시험규격 및 값의 비교표 의 충격압력 시험규격 및 값의 비교18 Flexible hose C18 Flexible hose C18 Flexible hose C18 Flexible hose C

표 의 가속 수명시험법 개발표 의 가속 수명시험법 개발표 의 가속 수명시험법 개발표 의 가속 수명시험법 개발19 Fflexible hose19 Fflexible hose19 Fflexible hose19 Fflexible hose

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그림 목차그림 목차그림 목차그림 목차

그림 의 적용 범위그림 의 적용 범위그림 의 적용 범위그림 의 적용 범위1 Flexible hose1 Flexible hose1 Flexible hose1 Flexible hose

그림 의 파손 원인 및 파손 사례그림 의 파손 원인 및 파손 사례그림 의 파손 원인 및 파손 사례그림 의 파손 원인 및 파손 사례2 Flexible hose2 Flexible hose2 Flexible hose2 Flexible hose

그림그림그림그림 3 Failure mode & test item analysis3 Failure mode & test item analysis3 Failure mode & test item analysis3 Failure mode & test item analysis

그림그림그림그림 4 Criticality matrix analysis(CMA)4 Criticality matrix analysis(CMA)4 Criticality matrix analysis(CMA)4 Criticality matrix analysis(CMA)

그림 가속수명 시험법 유도과정그림 가속수명 시험법 유도과정그림 가속수명 시험법 유도과정그림 가속수명 시험법 유도과정5555

그림그림그림그림 6 Typical S-N curve for steel6 Typical S-N curve for steel6 Typical S-N curve for steel6 Typical S-N curve for steel

그림 의 구조 및 명칭그림 의 구조 및 명칭그림 의 구조 및 명칭그림 의 구조 및 명칭7 Flexible hose7 Flexible hose7 Flexible hose7 Flexible hose

그림그림그림그림 8 Design drawing of impulse tester8 Design drawing of impulse tester8 Design drawing of impulse tester8 Design drawing of impulse tester

그림그림그림그림 9 Hose impulse tester9 Hose impulse tester9 Hose impulse tester9 Hose impulse tester

그림그림그림그림 10 Pressure pulse and frequency of ompulse test(SAE J 343)10 Pressure pulse and frequency of ompulse test(SAE J 343)10 Pressure pulse and frequency of ompulse test(SAE J 343)10 Pressure pulse and frequency of ompulse test(SAE J 343)

그림그림그림그림 11 Half bending operation of Omega type (ISO 8032)11 Half bending operation of Omega type (ISO 8032)11 Half bending operation of Omega type (ISO 8032)11 Half bending operation of Omega type (ISO 8032)

그림 파열된 사진그림 파열된 사진그림 파열된 사진그림 파열된 사진12 flexible hose12 flexible hose12 flexible hose12 flexible hose

그림 의 수명 분포그림 의 수명 분포그림 의 수명 분포그림 의 수명 분포13 Flexible hose13 Flexible hose13 Flexible hose13 Flexible hose

그림 의 누적손상 분포 및그림 의 누적손상 분포 및그림 의 누적손상 분포 및그림 의 누적손상 분포 및14 Hose 1 parameter14 Hose 1 parameter14 Hose 1 parameter14 Hose 1 parameter


그림그림그림그림 16 S-N curve (63.2% probability of failure)16 S-N curve (63.2% probability of failure)16 S-N curve (63.2% probability of failure)16 S-N curve (63.2% probability of failure)

그림 를 기준으로 평행 이동한 의 데이타그림 를 기준으로 평행 이동한 의 데이타그림 를 기준으로 평행 이동한 의 데이타그림 를 기준으로 평행 이동한 의 데이타17 Hose 2 Hose117 Hose 2 Hose117 Hose 2 Hose117 Hose 2 Hose1

그림 의 수명 데이터 및 수명식그림 의 수명 데이터 및 수명식그림 의 수명 데이터 및 수명식그림 의 수명 데이터 및 수명식18 Flexible hose18 Flexible hose18 Flexible hose18 Flexible hose

그림 의 장착 부위그림 의 장착 부위그림 의 장착 부위그림 의 장착 부위19 Crawler excavator flexible hose19 Crawler excavator flexible hose19 Crawler excavator flexible hose19 Crawler excavator flexible hose

그림 디지털 화 된 굴삭기 유압그림 디지털 화 된 굴삭기 유압그림 디지털 화 된 굴삭기 유압그림 디지털 화 된 굴삭기 유압20 (arm dump)20 (arm dump)20 (arm dump)20 (arm dump)

그림그림그림그림 21 Rainflow counting ("falling rain" approach)21 Rainflow counting ("falling rain" approach)21 Rainflow counting ("falling rain" approach)21 Rainflow counting ("falling rain" approach)

그림그림그림그림 22 Material stress-strain response to given strain history22 Material stress-strain response to given strain history22 Material stress-strain response to given strain history22 Material stress-strain response to given strain history

그림그림그림그림 23 Rainflow counting(ASTM standard)23 Rainflow counting(ASTM standard)23 Rainflow counting(ASTM standard)23 Rainflow counting(ASTM standard)

그림 프로그램 실행 장면그림 프로그램 실행 장면그림 프로그램 실행 장면그림 프로그램 실행 장면24242424

그림 변화에 따른 분포의 변화그림 변화에 따른 분포의 변화그림 변화에 따른 분포의 변화그림 변화에 따른 분포의 변화25 Shape parameter Weibull25 Shape parameter Weibull25 Shape parameter Weibull25 Shape parameter Weibull

그림 변화에 따른 분포의 변화그림 변화에 따른 분포의 변화그림 변화에 따른 분포의 변화그림 변화에 따른 분포의 변화26 Scale parameter Weibull26 Scale parameter Weibull26 Scale parameter Weibull26 Scale parameter Weibull

그림그림그림그림 27 Criticality matrix analysis27 Criticality matrix analysis27 Criticality matrix analysis27 Criticality matrix analysis

그림그림그림그림 28 selection criteria of CL determination28 selection criteria of CL determination28 selection criteria of CL determination28 selection criteria of CL determination

그림 충격압력 시험 규격과 가속수명식의 비교그림 충격압력 시험 규격과 가속수명식의 비교그림 충격압력 시험 규격과 가속수명식의 비교그림 충격압력 시험 규격과 가속수명식의 비교29292929

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부록 그림 목차부록 그림 목차부록 그림 목차부록 그림 목차

그림 시험조건 에서 파열된 의 사진그림 시험조건 에서 파열된 의 사진그림 시험조건 에서 파열된 의 사진그림 시험조건 에서 파열된 의 사진A1 C1 Hose 1 (1-3)A1 C1 Hose 1 (1-3)A1 C1 Hose 1 (1-3)A1 C1 Hose 1 (1-3)





그림 시험조건 에서 파열된 의 사진그림 시험조건 에서 파열된 의 사진그림 시험조건 에서 파열된 의 사진그림 시험조건 에서 파열된 의 사진A6 C5 Hose 2-1A6 C5 Hose 2-1A6 C5 Hose 2-1A6 C5 Hose 2-1

그림 시험조건 에서 파열된 의 사진그림 시험조건 에서 파열된 의 사진그림 시험조건 에서 파열된 의 사진그림 시험조건 에서 파열된 의 사진A7 C6 Hose 2-1A7 C6 Hose 2-1A7 C6 Hose 2-1A7 C6 Hose 2-1

그림 호스의 충격압력 시험장치 및 장착된 호스그림 호스의 충격압력 시험장치 및 장착된 호스그림 호스의 충격압력 시험장치 및 장착된 호스그림 호스의 충격압력 시험장치 및 장착된 호스A8 FlexibleA8 FlexibleA8 FlexibleA8 Flexible

그림 충격압력시험 후 파열된그림 충격압력시험 후 파열된그림 충격압력시험 후 파열된그림 충격압력시험 후 파열된A9 flexible hoseA9 flexible hoseA9 flexible hoseA9 flexible hose

그림 충격압력시험에 사용된 과그림 충격압력시험에 사용된 과그림 충격압력시험에 사용된 과그림 충격압력시험에 사용된 과A10 Hose 2-1 Hose 2-2A10 Hose 2-1 Hose 2-2A10 Hose 2-1 Hose 2-2A10 Hose 2-1 Hose 2-2

그림 조건에서 충격압력시험 후 파열된그림 조건에서 충격압력시험 후 파열된그림 조건에서 충격압력시험 후 파열된그림 조건에서 충격압력시험 후 파열된A11 C8 Hose 2-2A11 C8 Hose 2-2A11 C8 Hose 2-2A11 C8 Hose 2-2

그림 조건에서 충격압력시험 후 파열된그림 조건에서 충격압력시험 후 파열된그림 조건에서 충격압력시험 후 파열된그림 조건에서 충격압력시험 후 파열된A12 C9 Hose 2-2A12 C9 Hose 2-2A12 C9 Hose 2-2A12 C9 Hose 2-2

그림 톤 굴삭기의 우선회시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 우선회시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 우선회시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 우선회시 의 유압측정B1 28 Crawler Flexible hose dataB1 28 Crawler Flexible hose dataB1 28 Crawler Flexible hose dataB1 28 Crawler Flexible hose data

그림 톤 굴삭기의 우선회 급정지시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 우선회 급정지시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 우선회 급정지시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 우선회 급정지시 의 유압측정B2 28 Crawler Flexible hose dataB2 28 Crawler Flexible hose dataB2 28 Crawler Flexible hose dataB2 28 Crawler Flexible hose data

그림 톤 굴삭기의 우선회 급조작시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 우선회 급조작시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 우선회 급조작시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 우선회 급조작시 의 유압측정B3 28 Crawler Flexible hose dataB3 28 Crawler Flexible hose dataB3 28 Crawler Flexible hose dataB3 28 Crawler Flexible hose data

그림 톤 굴삭기의 좌선회 급조작시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 좌선회 급조작시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 좌선회 급조작시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 좌선회 급조작시 의 유압측정B4 28 Crawler Flexible hose dataB4 28 Crawler Flexible hose dataB4 28 Crawler Flexible hose dataB4 28 Crawler Flexible hose data

그림 톤 굴삭기의 주행 전진시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 주행 전진시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 주행 전진시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 주행 전진시 의 유압측정B5 28 Crawler Flexible hose dataB5 28 Crawler Flexible hose dataB5 28 Crawler Flexible hose dataB5 28 Crawler Flexible hose data

그림 톤 굴삭기의 시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 시 의 유압측정B6 28 Crawler arm crown Flexible hose dataB6 28 Crawler arm crown Flexible hose dataB6 28 Crawler arm crown Flexible hose dataB6 28 Crawler arm crown Flexible hose data

그림 톤 굴삭기의 시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 시 의 유압측정B7 28 Crawler arm dump Flexible hose dataB7 28 Crawler arm dump Flexible hose dataB7 28 Crawler arm dump Flexible hose dataB7 28 Crawler arm dump Flexible hose data

그림 톤 굴삭기의 시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 시 의 유압측정B8 28 Crawler boom down Flexible hose dataB8 28 Crawler boom down Flexible hose dataB8 28 Crawler boom down Flexible hose dataB8 28 Crawler boom down Flexible hose data

그림 톤 굴삭기의 시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 시 의 유압측정B9 28 Crawler boom up Flexible hose dataB9 28 Crawler boom up Flexible hose dataB9 28 Crawler boom up Flexible hose dataB9 28 Crawler boom up Flexible hose data

그림 톤 굴삭기의 시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 시 의 유압측정B10 28 Crawler bucket crown Flexible hose dataB10 28 Crawler bucket crown Flexible hose dataB10 28 Crawler bucket crown Flexible hose dataB10 28 Crawler bucket crown Flexible hose data

그림 톤 굴삭기의 시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 시 의 유압측정그림 톤 굴삭기의 시 의 유압측정B11 28 Crawler bucket dump Flexible hose dataB11 28 Crawler bucket dump Flexible hose dataB11 28 Crawler bucket dump Flexible hose dataB11 28 Crawler bucket dump Flexible hose data

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제 장 연구개발과제의 개요제 장 연구개발과제의 개요제 장 연구개발과제의 개요제 장 연구개발과제의 개요1111

제 절 연구개발의 개요 및 필요성제 절 연구개발의 개요 및 필요성제 절 연구개발의 개요 및 필요성제 절 연구개발의 개요 및 필요성1111

는 그림 과 같이 건설기계 자동차 항공기 등 각종기계의 액압Flexible hose < 1> , ,

장치에서 동력을 전달하거나 액압 회로에서 배관으로 사용된다 따라서. Flexible

는 기계류 장치의 유기적인 연결과 동력전달에 있어 가장 핵심적인 부품이므hose

로 신뢰성이 매우 중요한 부품이며 이에 대한 시험 규격은 매우 중요한 근본 기술

이다.

특히 호스가 부하특성은 상당히 가변적이며 상당히 긴 수명이 요구되므로 시험시간

의 단축 및 비용 절감을 위하여 큰 외부 부하를 빠른 주기로 가하여 단시간에 부품

의 신뢰성을 판단하는 가속수명 시험법이 요구된다.

그림 의 적용 범위그림 의 적용 범위그림 의 적용 범위그림 의 적용 범위1 Flexible hose1 Flexible hose1 Flexible hose1 Flexible hose

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표 의 신뢰성 규격표 의 신뢰성 규격표 의 신뢰성 규격표 의 신뢰성 규격1 Flexible hose1 Flexible hose1 Flexible hose1 Flexible hose

규격종류 규격번호 제목

KS

KS M 6540 고무 호스 시험 방법

KS M 6609 고압 고무 호스

KS M 6774 앱압용 섬유 보강 고무 호스

KS R 2012 자동차용 유압 브레이크 고무 호스

ISO

ISO 1436Rubber hoses and hose assemblies-wire-reinforced

hydraulic type-specification

ISO 4079Rubber hoses and hose assemblies-textile-reinforced

hydraulic type-specification

SAE

SAE J 517 Hydraulic Hose

SAE J 1927cumulative damage analysis for hydraulic hose

assembles

SAE J 343Test and procedures for SAE 100R series Hydraulic

hose and hose assembles

SAE J 880713SAE test program on cumulative damage for hydraulic

hose assemblies

SAE Technical

paper series

1999-01-1087

Accelerated isothermal material life test based on

equalsample degradation states

SAE Technical

paper series

2001-01-1195

The strategy of accelerated reliability testing

development for car components

SAE Technical

paper series

982403

Failure mode verification testing

ASTM ASM D 518 Test methods for Rubber Deterioration

BS BSI 2M 52Impulse testing of hydraulic hose, tubing and fitting

assemblies for aerospace fluid systems

- 10 -

이에 호스의 신뢰성을 테스트하는 규격이 있는데 그 중 대표적인 것을 모아Flexible

표 에 정리하였다 예를 들면 고압 고무 호스 의 규격은 내압성< 1> . “KS M 6609 ” ,

내피로성 내저온성 등을 규정하고 있는데 특히 내피로성의 충격압력시험은 실제, ,

사용 온도 보다 가혹한 온도인 에서 최고 사용 압력의 을 만회를93±5 133% 40℃

사각파로 가하도록 규정되어 있다 대부분의 국외규격도 이에 준한 수준으로 충격.

압력에 대한 가속수명시험법을 규정하고 있는데 각각의 규격이 온도와 부하압력에,

서 차이를 보이며 시험 시편의 개수라든가 신뢰성에 대한 언급이 전혀 없어 이러,

한 규격에 대한 보완 및 검증이 매우 절실한 상황이다.

따라서 본 연구에서는 실제 현장에서 사용되는 가 받는 변동하중을 측flexible hose

정하고 설계수명을 산출하고 에 대한 충격압력시험을 수행하여, flexible hose S-N

및 수명식을 도출하였다 이를 위해 누적손상이론 및 통계적 이론을 확립하curve .

여 의 가속수명 시험법을 개발하고 기존의 규격을 정략적으로 비교 및flexible hose

보완했다.

- 11 -

제 절 국내외 기술개발 현황제 절 국내외 기술개발 현황제 절 국내외 기술개발 현황제 절 국내외 기술개발 현황2222

의 수급동향의 수급동향의 수급동향의 수급동향1. Flexible hose1. Flexible hose1. Flexible hose1. Flexible hose

세계수급동향1)

단위 억원( : )

구 분 2003 2004 2005 2006

수 요 68,000 70,000 71,500 73,500

공 급 68,000 70,000 71,500 73,500

자료 출처 년도 부품소재 산업동향 산업자원부: 2004 ( )※

국내수급동향2)

단위 억원( : )

구 분 2003 2004 2005 2006

수 요 3,520 3,870 3,980 4,200

공급생산 3,060 3,370 3,450 3,620

수입 460 500 530 580

자료 출처 년도 부품소재 산업동향 산업자원부: 2004 ( )※

주요 생산기업2-2

구 분 생산기업 생산액 억원( )점유율(%)

국내시장 세계시장

국내화승알랜에이 주( ) 2,449 72.6 3.63

천지화학 주( ) 203 6.00 0.30

국외주Nichirin( ) 22,600 4.76 32.2

주Parker( ) 8,900 1.89 12.8

- 12 -

개발 동향개발 동향개발 동향개발 동향2.2.2.2.

는 건설기계 자동차 항공기 등 거의 모든 기계류에 사용되는 장Flexible hose , ,○

치로 동력전달과 제어계통에 혈관과 같은 기능을 담당하고 있으며 위 적용품목의, ,

지속적인 시장 확대와 함께 기술발전이 이루어지고 있는 분야임, .

국내의 산업의 경우 중공업이 매우 발달하여 의 수요가 많으며 현Flexible hose○

재 공급이 현재 거의 국내에서 이루어지고 있는 상황이지만 고성능을 요구하는 제,

품의 경우 아직도 수입에 의존하고 있음 제품에 대한 신뢰성 평가의 부족하여 해.

외시장으로의 수출은 미흡한 실정이나 향수 제품에 대한 신뢰성평가가 성숙단계에,

이르면 막대한 해외시장으로의 수출이 가능할 것임.

유압호스의 신뢰성 결여로 손실을 입은 예○

머니투데이 건설교통부는 현대자동차에서 제작 판매한 포터 톤 덤[ 2003-07-27] 1

프에 제작결함이 발생해 회사가 자발적으로 리콜을 실시한다고 일 밝혔다 리콜27 .

이유는 브레이크 튜브와 덤프용 유압호스가 부딪혀 브레이크 파이프가 파손될 수

있는 결함 때문이다.

제품의 선진 기술 형황○

주 주 등은 에 있어 세계적인 기술을 보유하고 있는Nichirin( ), Parker( ) Flexible hose

회사들로 제품의 장수명화 및 내구성 확보를 위해 신뢰성 평가 시험관련 선두적인

연구를 끊임없이 추진하고 있는 실정임.

- 13 -

제 절 연구개발의 목표 및 범위제 절 연구개발의 목표 및 범위제 절 연구개발의 목표 및 범위제 절 연구개발의 목표 및 범위3333

목표 의 가속 수명 시험법 개발목표 의 가속 수명 시험법 개발목표 의 가속 수명 시험법 개발목표 의 가속 수명 시험법 개발: “ Flexible hose ”: “ Flexible hose ”: “ Flexible hose ”: “ Flexible hose ”

의 충격 압력으로 인한 규명의 충격 압력으로 인한 규명의 충격 압력으로 인한 규명의 충격 압력으로 인한 규명1. flexible hose Failure mechanism1. flexible hose Failure mechanism1. flexible hose Failure mechanism1. flexible hose Failure mechanism

실제 작동조건 확보- (Field data)

고장 데이터 수집-

주요한 손상원인의 분석을 통한 가속조건 산출 및 최적의 실험계획법 수립주요한 손상원인의 분석을 통한 가속조건 산출 및 최적의 실험계획법 수립주요한 손상원인의 분석을 통한 가속조건 산출 및 최적의 실험계획법 수립주요한 손상원인의 분석을 통한 가속조건 산출 및 최적의 실험계획법 수립2.2.2.2.

기존의 국제 규격 및 국내 규격 조사-

주요 제품의 보증수명조사-

주요 고장 특성 분석 분포함수- (Weibull )

최적의 실험계획법 수립-

정밀한 가속시험을 통한 구축정밀한 가속시험을 통한 구축정밀한 가속시험을 통한 구축정밀한 가속시험을 통한 구축3. DB3. DB3. DB3. DB

가속시험 시험기의 정밀 셋업-

가속시험을 통한 부하 수명 획득- - data

누적분포함수를 이용한 고장분포 곡선 및 부하 수명 선도 작성누적분포함수를 이용한 고장분포 곡선 및 부하 수명 선도 작성누적분포함수를 이용한 고장분포 곡선 및 부하 수명 선도 작성누적분포함수를 이용한 고장분포 곡선 및 부하 수명 선도 작성4. Weibull -4. Weibull -4. Weibull -4. Weibull -

법을 이용한 고장분포곡선 산출- Rank

누적분포함수 모델링- Weibull

부하 수명 선도 작성- -

- 14 -

누적손상 이론 및 가변부하 산출법 정립누적손상 이론 및 가변부하 산출법 정립누적손상 이론 및 가변부하 산출법 정립누적손상 이론 및 가변부하 산출법 정립5.5.5.5.

식을 기반으로 한 누적 손상이론 정립- Miner

실제 작업 환경에서의 부하 스펙트럼 조사-

법을 이용한 가변부하 산출코드 개발- Rain flow counting

등의 국제 규격 검증 및 개선등의 국제 규격 검증 및 개선등의 국제 규격 검증 및 개선등의 국제 규격 검증 및 개선6. ISO, SAE6. ISO, SAE6. ISO, SAE6. ISO, SAE

현재 각 국제 규격마다 상이한 국제 규격들과 동일시험 후 본 가속모델과 비교-

검증

가속시험 절차 및 평가기준 확립-

- 15 -

제 장 연구개발 수행 내용 및 결과제 장 연구개발 수행 내용 및 결과제 장 연구개발 수행 내용 및 결과제 장 연구개발 수행 내용 및 결과2222

제 절 의 파손 원인 분석제 절 의 파손 원인 분석제 절 의 파손 원인 분석제 절 의 파손 원인 분석1 Flexible Hose1 Flexible Hose1 Flexible Hose1 Flexible Hose

개 요개 요개 요개 요1.1.1.1.

는 일반적으로 건설기계 자동차 항공기 등 각종 기계의 액압 장치에Flexible hose , ,

서 동력을 전달하거나 앱압 희로에서 배관으로 사용되기 때문에 전체적인 시스템의

신뢰성에 매우 중요한 역할을 한다.

일반적으로 플라스틱과 금속의 다중의 복합층으로 이루어진 호스는 기계 작동 시

유체의 압력이 증가함에 따라 응력을 받게 되며 유체의 온도가 상승함에 때라 호,

스의 손상은 가속된다.

그림 는 굴삭기에 장착된 호스가 반복되는 충격압력으로 인하여 파손된 것을< 2>

보여준다 호스의 중앙보다는 체결 부 근처 양단에서 파손이 발생하며 섬유재가 풀.

려 있는 것을 볼 수 있다 기계가 예기치 못한 큰 부하나 손상을 입었을 경우 발생.

하는 파괴와는 달리 반복적인 작동유체의 충격압력으로 인해 손상이 누적된 경우,

호스가 견딜 수 있는 최대 압력 이하로 사용하더라도 수명의 어느 특정한 시점에

도달하게 되면 호스는 결국 파손이 발생하게 된다 이는 피로현상과 밀접한 관련이.

있으며 의 파손은 반복적이 충격압력이 주요한 원인이다Flexible hose .

또한 일반적으로 호스는 양 단이 기계부에 체결되어 고정되어 있기 때문에 호스가,

휘어져 장착된 경우 충격압력 발생 시 굽힘 하중이 발생하여 호스에 추가적인 응력

을 유발한다.

따라서 호스의 수명시험에는 실제작동환경과 최대한 유사하게 모사하기 위해서는

충격압력시험과 병행된 적절한 굽힘 시험이 필요하다 하겠다 보다 체계적인 분석.

을 위하여 계통적 접근방법인 고장분석을 통하여 시험항목을 선정하였다.

- 16 -

그림 의 파손 원인 및 파손 사례그림 의 파손 원인 및 파손 사례그림 의 파손 원인 및 파손 사례그림 의 파손 원인 및 파손 사례2 Flexible hose2 Flexible hose2 Flexible hose2 Flexible hose

- 17 -

고장분석 및 시험항목 선정고장분석 및 시험항목 선정고장분석 및 시험항목 선정고장분석 및 시험항목 선정2.2.2.2.

고장분석 및 시험항목 선정은 고장 모드영향 분석(FMEA : Failure Mode and

품질기능 전개 의 계통적Effect Analysis), (QFD : Quality Function Deplolyment) ,

단계적 적용에 의하여 이루어진다 그림 은 그 과정을 도식적으로 보여준다 분. < 3> .

석기법에 대한 설명은 기술표준원에서 발간한 신뢰성 용어 해설서 에서 발췌해 왔' '

다.1)

고장모드영향분석 은 시스템을 구성하(FMEA : Failure Mode and Effect Analysis)

고 있는 부품들의 고장모드가 타 부품과 시스템 및 사용자에게 미치는 영향과 고장

의 원인을 상향식 으로 조사하는 정성적 신뢰성예측 기법 또는 고장해(bottom-up)

석기법으로 제품 및 공정설계 단계에서 사용되는 도구이다 본 연구에서는 이것을, .

를 이용하여 정량적으로 평가하여Criticality Matrix Analysis (CMA) Failure Mode

를 얻었으며 이는 다시 단계 평가에Effects & Criticality Analysis(FMECA) , QFD 1

평가 기준으로 사용된다.

품질기능 전개 는 원래 제품 구상에서부터 제(QFD: Quality Function Deplolyment)

품의 설계 개발을 통해 제조 유통 초기화 마케팅 판매 서비스에 이르기까지 모, , , , , ,

든 단계에서의 고객요구를 회사 내에서의 요구로 변화하는 시스템이다 본 연구에.

서는 단계로부터 고장모드 과 응력과의 관계를 평가하고QFD 1 , failure mechanism ,

단계에서 고장모드 과 시험방법을 평가하여 어떤 시험을QFD 2 /failure mechanism

해야 신뢰성평가를 효과적으로 할 수 있는 지를 알아보았다.

그 결과 단계에서는 주요 고장모드를 반영할 수 있는 시험항목에 대한 가중QFD 2

치를 이용하여 분석하였다.1)

1) 신뢰성 용어 해설서 기술표준원 발간등록번호" ". (2003), : 11-1410119-000010-01

- 18 -

그림그림그림그림 3 Failure mode & test item analysis3 Failure mode & test item analysis3 Failure mode & test item analysis3 Failure mode & test item analysis

- 19 -

표표표표 2 Failure mode & mechanism analysis(FMMA)2 Failure mode & mechanism analysis(FMMA)2 Failure mode & mechanism analysis(FMMA)2 Failure mode & mechanism analysis(FMMA)

- 20 -

그림그림그림그림 4 Criticality matrix analysis(CMA)4 Criticality matrix analysis(CMA)4 Criticality matrix analysis(CMA)4 Criticality matrix analysis(CMA)

- 21 -

그림그림그림그림 3 Failure mode effects & criticality analysis(FMECA)3 Failure mode effects & criticality analysis(FMECA)3 Failure mode effects & criticality analysis(FMECA)3 Failure mode effects & criticality analysis(FMECA)

- 22 -


- 23 -


- 24 -

표 에서 을 통하여 고장의 원인을< 2> Failure mode & mechanism analysis(FMMA)

계통적으로 분류하고 이를 그림 의 를 사용하여< 4> Criticality matrix analysis(CMA)

표 에서 고장의 빈도 심각성을 판단하여 점수를 매겼다 표 에서는< 3> , . < 4> FMMA

에서 분석한 고장모드에 따른 고장영향을 바탕으로 유압호스의 요구조건에 따른 고

장모드의 중요도를 가중치를 이용하여 을 평가하였고 그 결과 호스의QFD Level 1 ,

과도한 압력에 의한 파열과 충격압력에 의한 피로 균열이 유압호스의 수명에 가장,

큰 영향을 주는 주요 고장모드로 분석되었다 표 의 에서는 주요. < 5> QFD Level 2

고장모드를 반영할 수있는 시험항목에 대한 가중치를 이용하여 분석하였다 분석결.

과 충격압력시험과 파열시험이 가장 중요한 시험항목으로 결정 되었고 따라서 본,

논문에서는 호스의 파열 현상의 원인 중 충격압력 에 대한 가속수명시험법에 대한' '

연구를 수행하였다.

- 25 -

제 절 가속수명 시험법 개발 절차제 절 가속수명 시험법 개발 절차제 절 가속수명 시험법 개발 절차제 절 가속수명 시험법 개발 절차2222

개요개요개요개요1.1.1.1.

의 신뢰성을 판단하기 위하여 이루어지는 실험은 일정한 외부 부하Flexible hose

조건에서 일정 개수의 시편이 모두 주어진 을 모두 통과하는 이른바cycle , zero

등을 통하여 이루어 진다 그러므로 의 가속수명 시험법failure test . Flexible hose

개발은 앞 절에서 언급한 의 수명 인자가 되는 온도 압력 굽힘 하, Flexible hose , ,

중을 비롯하여 시편의 개수 의 회수등의 시험조건을 합리적으로 유도하고 선, cycle

정하는데 그 목적이 있다 하겠다 따라서 본 연구에서는 절에서 분석된 바와 같이. 1

의 수명에 가장 큰 영향을 주는 충격압력을 중심으로 관련 실험과 이flexible hose

론을 정립하는 연구를 수행하였다.

가속 수명 시험법 유도 과정가속 수명 시험법 유도 과정가속 수명 시험법 유도 과정가속 수명 시험법 유도 과정2.2.2.2.

그림 는 가속수명 시험법을 유도하는 과정을 일목요연하게 도표로 나타내고 있< 5>

다 실제 환경에서 가 압력을 받는 상황을 가속화 시켜 신뢰성 테스트. flexible hose

를 수행해야 하므로 실제 가 기계 시스템에 사용될 때 어떠한 압력을, flexible hose

받는지 측정할 필요가 있다 따라서 절에서 굴삭기에 장착된 의 압력을 측정. 4 hose

하였다(step1).

신뢰성 테스트를 할 시에는 일정크기의 압력을 주기적으로 가해야 하는데 실제 사,

용환경에서 에 부과되는 압력은 임의의 분포를 갖는 변동하중이다 따flexible hose .

라서 신뢰성 테스트에서 이루어지는 시험이 손상과 동일하도록 즉 실제 사용환경,

이 정확히 모사될 수 있도록 변동하중을 등가의 일정하중으로 변환해야만 한다 이.

것을 위해서 변동하중의 방법이 개발이 되어 있는데 이는 미국 시cycle counting ,

험재료학회의 에 규정되고 있다ASTM E1049-85 .

- 26 -

본 프로젝트에서는 이중 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 Rainflow counting

방법을 사용하였다(step2).2)2)

자세한 내용은 절에서 서술되어 있다4 .

다음으로는 에서 구한 자료로부터 등가의 압력을 유도하는데 있어 피로수명식step2

과 피로손상법칙 두 이론을 에 적합한 형태로 변형하여 적용하였다Flexible .

일반적으로 103이상의 고 되풀이 수 피로에서의 피로수명은 다음과 같이

으로 나타낸다Basquins's Equation .

∆= true stress amplitude

= number of cycles

= fatigue strength coefficient

= fatigue strength exponent (Basquin's exponent)

그림 에서와 같이 로그스케일에서 수명과 하중은 일반적으로 선형관계를 지고< 6>

있다 참고로. 는 의 경우 대부분의 금속의 경우(fatigue stength exponent) steel

의 값을 갖는다-0.05~-0.12 .

호스에 가해지는 응력은 호스 내 작동 유체압력에 비례하므로 위 식에서 응력과 대

체 할 수 있다 또한 호스의 종류에 따라 각각 최대 허용압력을 규정하고 있으므로.

최대허용압력에 대한 비율을 사용하면 다양한 압력용량의 호수에 적용할 수 있어

범용성을 띄게 된다.

2) Julie A. Bannantine Jess J. Comer and James L. Handrock "Fundamentals of Metal Fatigue Analysis",

Prentice Hall, 1990

- 27 -

그리고 편의상 b 대신(fatigue strength exponent)

를 사용하면 다음과 같

은 식으로 나타낼 수 있다.

= number of cycles

= fatigue damage exponent

∆ 충격압력 변화량=

∆ 최대 작동 압력 변화량=

동일 압력비 하에서 가 커질수록 이 증가하며 누적손상 이론에 견주어 볼 때C N C

는 호스가 견딜 수 있는 손상의 총량의 의미로 해석될 수 있다 따라서 압력과 수.

명이 다른 조건의 실험들을 손상량을 기준으로 비교가 가능하다 즉 값을 정량적. C

으로 비교함으로써 호스재료의 피로강도를 비교할 수 있게 되며 마찬가지로 규격,

이 제시하는 조건을 호스가 견뎌야 하는 손상량 로 변환함으로써 서로 다른 조건C

의 규격간 정략적 비교 판단이 가능하게 된다.

- 28 -

그림 가속수명 시험법 유도과정그림 가속수명 시험법 유도과정그림 가속수명 시험법 유도과정그림 가속수명 시험법 유도과정5555

- 29 -

그림그림그림그림 6 Typical S-N curve for steel6 Typical S-N curve for steel6 Typical S-N curve for steel6 Typical S-N curve for steel

- 30 -

피로손상법칙 중 선형 누적손상 가설이라고도 불리는 가장 간단하며 실제 많이 사,

용되는 의 방법은 피로파괴는 피로하중에 의한 일 이 재료가 흡수할 수Miner , (work)

있는 일의 한계량에 도달했을 때 일어나며 피로손상은 최대응력이 피로응력보다,

큰 경우만 일어난다는 가정 아래 유도된 것이다 다양한 응력. ∆ ∆

... ,

∆ , ∆ 에 대한 각각의 일정진폭 하중하에서 재료의 수명을 각각

라 하고 변동하중하의 각 응력에 대한 되풀이 수를

이라 할 때 누적된 손상량은 다음과 같이 표현된다 또한 피로파괴, . ,

는 다음 식이 일 될 때 일어남을 의미한다1 .

= ∆

의 압력레벨에서 재료가 받는 싸이클 수

일정 폭하중= ∆

에서 재료의 수명

여기서

는 각 응력레벨에 대한 누적피로손상비율을 나타내게 된다.

하중변동에 따른 응력간의 간섭효과 와 변동하중하의 피로(stress interaction effect)

한도 이하의 응력이 피로손상에 미치는 영향을 무시하는 문제점이 있어 일반적인,

변동하중에 대해서는 위험쪽 의 예상이 되는 경우가 많다 따라서(nonconservative) .

반드시 바람직한 손상법칙은 아니나 이의 결점에도 불구하고 그 간편함 때문에, ,

의 가설은 실제로 가장 많이 사용되고 있다Miner .

그럼 위의 두 이론을 접목시켜 등가압력을 구해보자 가 일련의 반복, . Flexible hose

되는 내에서 압력을 받을 때 한 내에서 호스가 받는 손상량의 합은set set Miner

에 의하여 다음과 같이 표현될 수 있다rule .

- 31 -

내에서= set ∆의 압력레벨에서 재료가 받는 싸이클

내에서 일정진폭하중= set ∆


변동부하의 총 반복회수인

만큼의 등가압력(RMEP: Root Mean Effective

반복될 때 위의 손상과 동일하도록 만들면 는 다음의 유도과정에Pressure) RMEP

의하여 구할 수 있다.

RMEP 호스의 압력에서의 수명= RMEP

피로수명식을 이용하여 양 변의 와RMEP는 압력의 함수로 아래와 같이 치환할

수 있다.

마지막으로 에 관한 식으로 정리하면 다음과 같다REMP .

- 32 -

내에서= set ∆

의 압력레벨에서 재료가 받는 싸이클

내에서 일정진폭하중= set ∆


NRMEP 호스의 압력에서의 수명= RMEP

= fatigue damage exponent

∆ 번째 크기의 충격압력 변화량= i

∆ 최대 작동 압력 변화량=

는 부품소재 별로 다양한 값을 가지고 있는데(fatigue damage exponent) ,

의 경우 다음 절의 실험결과에 의하면 의 값을 갖는다flexible hose 3 8.2 .

하에서 의 수명은 최소RMEP Flexible hose 이상이므로 신뢰성 테스트에cycles

소요되는 적정 시간과 비용을 고려하여 정한 만큼만 시험해야 한다cycles .

따라서 더 높은 압력 또는 빠른 주기로 가속화된 시험해야 한다 가속계수는 사용.

조건에서의 수명과 가속조건에서의 수명의 비로 정의된다 사용조건에서의 수명은.

앞에서 구한 등가압력 에서의 수명과 같으므로(RMEP) NRMEP과 같으며 가속조건에,

서의 수명을 라 하면 가속계수 는 다음과 같이 표현된, (AF: accelerate factor)

다.

- 33 -

NRMEP 일정압력하에서의 호수 수명= RMEP

가속조건에서의 수명=

예시 사용조건 에서 시간동안 사용하면 고장나는 아이템이 있다 이 아이) 85 1,600 .

템을 에서 사용하면 시간 만에 고장이 난다면 이 때 가속계수는125 100 , AF=

이 된다 즉 사용조건 에서의 수명이 가속조건 에서 배 가1,600/100=16 . , 85 125 16

속된다고 할 수 있다.

사용조건에서의 수명과 가속조건에서의 수명의 비 가 가속계수의 수학적 정의지만' '

살제로 가속계수를 추정할 때는 신뢰성 척도 관점에서 산출한다 수명은 일정한 상.

수 값이 아닌 확률변수이므로 수명분포의 모수 또는 대표값 평균값 고장률 중앙, ( , ,

값 또는 백분위 수 을 비교하여 가속계수를 구할 수 있으며 단 주의해야 할 점은, ) ,

동일한 기준을 적용해야 한다는 것이다 가속계수를 표현할 수 있는 방법을 와이블.

분포로 나타내면 척도모수로 나타낼 수 있다 그러나. , 또는

수명과 같이 특

정 백분위수 값을 기준으로 가속계수를 산출해도 된다.

앞에서 으로부터 유도한 호스의 수명식을 아래와 같이 치환하Basquins's Equation

면 가속계수를 가속조건의 압력과 사용압력의 비에, (fatigue damage exponent)

승을 한 형태로 나타낼 수있다 따라서 가속계수는 다음과 같이 유도된다. (Step 5).

- 34 -

= acceleration factor

∆ 신뢰성 테스트 시 충격압력=

RMEP = 최대 작동 압력 변화량

= fatigue damage exponent)

한편 호스가 실제 현장에서 얼마의 수명을 견뎌야 하는지를 나타내는 설계수명은,

호스가 응용되는 기계시스템의 예상되는 사용시간 및 시간당 로부터 산정한다cycle

이 내용은 제 절에서 자세히 다룬다(Step 6). 4 .

호스의 수명은 동일한 조건에서 시험하더라도 일정한 분포를 갖게 되며 보통

형태의 신뢰도함수로 표현될 수 있다 따라서 분포에서 신뢰도를Weibull . Weibull

어느 정도를 선정하느냐에 따라 수명이 다르게 정의 될 수 있는데 이른바, 또

는 등의 수명기준은 각각 파손확률 와 로 정의된 수명이다 따라서 각각10% 5% .

의 신뢰도 수명간에는 일정한 관계가 있는데 수명의 정의에 따라 수명을 보정하는,

절차가 필요하다 이는 절에서 자세히 다룬다. 5 (step 7).

마지막 과정 으로 호스의 수명이 일정한 분포를 갖는 것을 이용하면(step 8) zero

을 할 경우 시험기간을 단축할 수 있다 많은 수의 시편을 시험 할수록failure test .

테스트 기간을 단축시킬 수 있다 또한 에 대한. zero failure test confidence level

을 의 특성을 고려하여 산정해야 한다 자세한 유도과정은 절에서 서flexible hose . 5

술되어 있다.

지금까지 가속수명 시험법의 전체적인 과정에 대하여 이론적 배경과 간략한 절차를

설명하였다.

다음 절에서는 위 가속수명 시험법을 완성하기 위해 실제 호스의3 flexible

와(fatigue damage exponent) 를 측정한 결과를 보여주며 절(shape parameter) 4

에서는 가변부하 산출법에 대하여 자세히 다루게 된다.

- 35 -

제 절 의 수명시험제 절 의 수명시험제 절 의 수명시험제 절 의 수명시험3 Flexible Hose3 Flexible Hose3 Flexible Hose3 Flexible Hose

시편시편시편시편1. Flexible Hose1. Flexible Hose1. Flexible Hose1. Flexible Hose

본 연구에서는 두 가지 종류의 호스에 대하여 연구를 수행하였다.

그림 의 첫 번째 호스를 편의상 이라 표기하기로 하며 상세 내역은 다< 7> HOSE 1

음과 같다.

Manufacturer : PARKER▣

Model : 781-16 (SAE 100R12 & EN856 Type R13)▣

Application : Pressure Pipeline for Construction Heavy Equipments▣

Configuration▣

: Oil-resistant Synthetic Rubber

: 4W/S or 6W/S

: Oil-resistant, Weather-resistant, Abrasion-resistant Synthetic Rubber

Purpose & Service Temperature Range▣

High Pressure Line using Mineral Oil, Lubricating Oil▶

: -40 ~ +125 ( -40 ~ +257 )℃ ℃ ℉ ℉

Water, Water/Glycol, Water/Oil Emulsion Use Line▶

: Below +85 ( up to +185 )℃ ℉

Air Use Line▶

: -40 ~ +70 ( -40 ~ +158 )℃ ℃ ℉ ℉

- 36 -

specification for use▣

diameter▶

: Inside 1.00 inch (25.4 ) / outside 1.52 inch (38.7 )㎜㎜

Maximum working pressure▶

: 35㎫

- 37 -

그림 의 구조 및 명칭그림 의 구조 및 명칭그림 의 구조 및 명칭그림 의 구조 및 명칭7 Flexible hose7 Flexible hose7 Flexible hose7 Flexible hose

- 38 -

두 번째 호스는 이며 과 최대 작동압력이 로 유사SAE 100R13 model Hose1 34.5㎫

하다 다만 크기가 와 두 종류이며 편의상 과. 1 inch 3/4 inch Hose 2-1 Hose 2-2

로 부르기로 한다.

시험방법시험방법시험방법시험방법2.2.2.2.

시험은 한국기계연구원 에서 개발 보유한 를 사용하였(KIMM) Hose Impulse Tester

다 그림 은 설계도이며 시험장치와 컨트롤러는 그림 에 나타나 있다 충격. < 8> < 9> .

압력파형은 그림 과 같이 규격을 따랐으며 굽힘 하중은 그림< 10> SAE J 343 , <

과 같이 의 을 하였다11> ISO 8032 half Omega flexing .

- 39 -

그림그림그림그림 8 Design drawing of impulse tester8 Design drawing of impulse tester8 Design drawing of impulse tester8 Design drawing of impulse tester

- 40 -

그림그림그림그림 9 Hose impulse tester9 Hose impulse tester9 Hose impulse tester9 Hose impulse tester

- 41 -

그림그림그림그림 10 Pressure pulse and frequency of ompulse test(SAE J 343)10 Pressure pulse and frequency of ompulse test(SAE J 343)10 Pressure pulse and frequency of ompulse test(SAE J 343)10 Pressure pulse and frequency of ompulse test(SAE J 343)

- 42 -

그림그림그림그림 11 Half bending operation of Omega type (ISO 8032)11 Half bending operation of Omega type (ISO 8032)11 Half bending operation of Omega type (ISO 8032)11 Half bending operation of Omega type (ISO 8032)

- 43 -

의 수명 시험 및 분석 결과의 수명 시험 및 분석 결과의 수명 시험 및 분석 결과의 수명 시험 및 분석 결과3. Flexible hose3. Flexible hose3. Flexible hose3. Flexible hose

표 은 기존의 규격의 중 대표적인 몇 가지 규격에 대한 시험 조건을 정리 놓은< 6>

것이다 본 연구에서는 시험조건은 규격의 검증 및 비교를 위해 은 기존의. Hose 1

가지 규격을 기준으로 시험하였고 는 압력의 영향을 알아보기 위하여 압력4 Hose 2

을 에서 까지 사이의 가지를 선정하여 온도를 로 고정시키고200% 133% 5 100℃

을 수행하였다 시험조건은 표 에 정리되어 있으며 편의상half-Omega flexing . < 7>

각 시험조건을 부터 까지 번호를 매겼다 각 규격에는 온도가 또는C1 C9 . 93 10℃

두 종류가 있는데 각 규격의 온도로 인하여 발생하는 차이는 압력보다 상대적으0℃

로 미미할 것으로 예상되므로 일단 온도조건은 동일하다고 가정하고 압력에 의한,

수명 변화만 분석하였다.

표 과 표 는 충격압력 시험결과를 나타낸다 각 시험조건당 개 또는 개< 8> < 9> . 10 7

를 시험 하여 수명을 얻었다 파손부위는 호스의 양단 중 한쪽에서 금속체결부와.

누수가 발생하였으며 그림 는 파열된 호스의 위치와 사진이다< 12> .

시험결과 얻어진 각각의 시편의 수명을 모두 그림 에 도시하였다 낮은 압력< 13> .

에서 시험한 호스의 편차가 큰 것을 알 수 있으며 가 보다 더 긴 수Hose 2 Hose 1

명을 갖는 것을 알 수 있다.

각 조건에서 시험한 호스의 수명은 일반적으로 분포를 따르므로 과Weibull Hose 1

에 대한 누적손상함수를 나타내어Hose 2 와(shapre parameter) (scale

를 구하였다 그림 그림 은 각각 과 에 대한parameter) . < 14>, < 15> Hose 1 Hose 2

누적손상 분포를 보여준다.

- 44 -

그림 대표적인 의 충격압력시험 규격그림 대표적인 의 충격압력시험 규격그림 대표적인 의 충격압력시험 규격그림 대표적인 의 충격압력시험 규격12 flexible hose12 flexible hose12 flexible hose12 flexible hose

- 45 -

표 의 충격압력시험 조건표표 의 충격압력시험 조건표표 의 충격압력시험 조건표표 의 충격압력시험 조건표6 Flexible hose6 Flexible hose6 Flexible hose6 Flexible hose

- 46 -

표 의 충격압력 시험 결과표 의 충격압력 시험 결과표 의 충격압력 시험 결과표 의 충격압력 시험 결과7 Hose 17 Hose 17 Hose 17 Hose 1

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표 의 충격압력시험 결과표 의 충격압력시험 결과표 의 충격압력시험 결과표 의 충격압력시험 결과8 Hose 28 Hose 28 Hose 28 Hose 2

- 48 -

그림 파열된 사진그림 파열된 사진그림 파열된 사진그림 파열된 사진13 Flexible hose13 Flexible hose13 Flexible hose13 Flexible hose

- 49 -

그림 의 수명 분포그림 의 수명 분포그림 의 수명 분포그림 의 수명 분포14 Flexible hose14 Flexible hose14 Flexible hose14 Flexible hose

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누적손상 분포에서 수명을 의 로 정의하여 압력비 수명63.2% probability of failure -

그래프를 나타내면 그림 과 같다< 16> .

의 경우 크기에 상관없이 로그 스케일에서 하나의 직선위에 잘 분포되어 있Hose 2

는 것을 알 수 있다 따라서 호스의 수명은 의 형태로 다음과. Basquins's Equation

같이 나타낼 수 있다.

여기서, C=3.80x, 는 그림 의 의 결과로 얻어진 값이다=8.20 < 16> data fitting .

그림그림그림그림 17 S-N curve (63.2% probability of failure)17 S-N curve (63.2% probability of failure)17 S-N curve (63.2% probability of failure)17 S-N curve (63.2% probability of failure)

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그림 를 기준으로 평행 이동한 의 데이터그림 를 기준으로 평행 이동한 의 데이터그림 를 기준으로 평행 이동한 의 데이터그림 를 기준으로 평행 이동한 의 데이터18 Hose 2 Hose118 Hose 2 Hose118 Hose 2 Hose118 Hose 2 Hose1

의 기울기를 에도 적용 가능한 지 알아보기 위하여 그림 과 같Hose 2 Hose 1 < 17>

이 의 수명을 기준으로 평행이동 하였다 의 기울기 직선내에 적절Hose 2 . Hose 2

한 편차 범위 내에 모여 있음을 알 수 있다 따라서 에서 구한. hose 2 (fatigue

를 종류에 적용 가능한 의 일반적인damage exponent) Flexible hose flexible hose

을 선정하였다 보다 정확한 종류의 일반적인 범위와 평균값을slop . Flexible hose

알기 위해서는 보다 다양한 종류의 호스를 다양한 압력의 조건에서 충분히 시험 데

이터가 필요할 것이다.

앞에서 선정한 를 적용하여 에 대하여(fatigue damage exponent) Hose 1

을 한 것 과 하지 않은 것 에 대하여half-Omega flexing (C1,C2) (C3,C4) Basquins's

를 구하면 그림 와 같으며 값은 표 에Equation parameter < 18> parameter C < 10>

정리해 놓았다.

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의 값은 호스가 견딜수 있는 손상의 총량의 의미로 해석될 수 있으므로 가C Hose2

보다 최대 작동압력기준으로 더 큰 피로강도를 가졌다고 할 수 있다 또한Hose 1 .

의 경우 을 한 것과 하지 않는 것의 값의 차이는Hose 1 Flexing C half-Omega

에 의한 효과로 볼 수 있다 의 은flexing . Hose 1 half-Omega flexing flexible hose

에 추가적인 응력을 유발시키며 실제 호스의 양단은 기계에 고정되어 관절부위에

사용될 경우 굽힘 응력이 발생하므로 이를 모사하는 것이다 임의로 그 크기를 정.

하여 실험할 수 있는 충격압력과는 달리 시험기에 의해 고정된 효과를 발생시키므

로 이 에 의한 효과는 다음의 식의 형태로 상수 를 조정함으half-Omega flexing C

로써 반영하였다 호스가 견딜 수 있는 손상의 총량으로 해석될 수 있는 값은 또. C

한 온도의 함수이므로 과 같이 표현하여 수명식은 수정하면 다음과 같이

표현된다.

for flexing

no flexing

온도의 상승은 재료의 부식이나 열화를 가져오므로 유체와 호스내벽간의 화학적 반

응에 관련이 있으므로 는 등의 표현될 수 있을 것으로 생각Arrhenius model

되며 이를 위해서는 온도의 영향성을 알 수 있는 시험이 추가로 요구된다.

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그림 의 수명 데이터 및 수명식그림 의 수명 데이터 및 수명식그림 의 수명 데이터 및 수명식그림 의 수명 데이터 및 수명식19 Flexible hose19 Flexible hose19 Flexible hose19 Flexible hose

C

Hose 1 flexing 3.23X

Hose 1 no flexing 5.54X

Hose 2 flexing 3.80X

표 의 수명식의 값표 의 수명식의 값표 의 수명식의 값표 의 수명식의 값9 Flexible hose C9 Flexible hose C9 Flexible hose C9 Flexible hose C

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제 절 의 현장 작동조건제 절 의 현장 작동조건제 절 의 현장 작동조건제 절 의 현장 작동조건4 Flexible Hose4 Flexible Hose4 Flexible Hose4 Flexible Hose

굴삭기 작동 시 호스 압력의 측정굴삭기 작동 시 호스 압력의 측정굴삭기 작동 시 호스 압력의 측정굴삭기 작동 시 호스 압력의 측정1.1.1.1.

그림 는 톤 각 부분의 명칭과 장착된 의 위< 19> 28 crawler excavator flexible hose

치를 보여준다 실제로 굴삭기에 장착된 가 어떠한 충격압력을 받는지. flexible hose

측정하기 위하여 굴삭기의 의 각 부분을 움직이며 호스arm, bucket, boom, body

에 인가되는 압력을 측정하였다 측정된 데이터는 부록에 첨부되어 있다. .

그림 의 장착 부위그림 의 장착 부위그림 의 장착 부위그림 의 장착 부위20 Crawler excavator flexible hose20 Crawler excavator flexible hose20 Crawler excavator flexible hose20 Crawler excavator flexible hose

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2. cycling counting2. cycling counting2. cycling counting2. cycling counting

굴삭기에 장착된 호스의 압력은 가변하중 이므로 이를 해석하기 위해서는 진폭과

수를 셈해야 하므로 해석을 위하여 유압데이터를 디지털화 한 후cycle cycling

을 수행하였다 그림 은 여러 기본 동작 중 에 대한 디지counting . < 20> arm dump

털 자료를 보여준다 은 미국 시험 재료학회의 에. cycling counting ASTM E1049-85

규정되고 있는 법 중 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는cycling counting

를 이용하여 코드를 개발하였다 그림 은 개발한 코드의 메Rainflow counting . < 24>

인 화면이며 코딩 내용은 부록에 첨부하였다 에 관한 자세한 이. rainflow counting

론은 다음과 같다.

그림 디지털 화 된 굴삭기 유압그림 디지털 화 된 굴삭기 유압그림 디지털 화 된 굴삭기 유압그림 디지털 화 된 굴삭기 유압21 (arm dump)21 (arm dump)21 (arm dump)21 (arm dump)

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방법은 일명 라고 불리기도 하는데 이것Rainflow counting falling rain approach ,

은 방법의 기본 개념이 그림 에서와 같이 빗줄기가 지붕을rainflow counting < 21>

타고 내릴 때 어떻게 흘러가느냐에 따라 을 하기 때문이다 좀 더cycle counting .

자세히 기본 개념을 살펴보면 다음과 같다.

우선 위의 그림에서와 같이 이 축이 되고 축이 아래로 내려오게 하고, strain x , time ,

가장 크기가 큰 에서 시작하도록 그래프를 그린다 그리고 모든 꼭짓점에서strain .

새로운 빗줄기가 시작이 된다 처음으로 에서 빗줄기가 시작이 되면 를 따라. A A-B

흐르게 되고 에서 빗물이 떨어지듯이 아래로 떨어진다 바로 선이 있기 때, B . C-D

문에 선을 따라서 까지 흘러가게 된다 에 도달하면 또다시 떨어지게 되는데 이D . D

번에는 아래에 받쳐주는 선이 없다 여기서 이 빗줄기는 끝이 나고 의 반 사이. A-D

클이 형성이 된다 두 번째로 에서 시작하는 빗줄기는 로 흐르게 되는데 바로, B C

아래에 받쳐주는 선이 없어서 여기서 끝이 난다 의 반 사이클이 생성된다. B-C . C

에서 생성된 빗줄기는 를 따라 흐르다가 앞에서 에서 출발한 빗줄기와 중간C-D A

에서 만나게 된다 이렇게 중간에서 이전의 빗줄기와 만나게 되면 빗줄기는 끝이.

나는 것이 된다 따라서 의 반 사이클이 생성된다 에서 생성된 빗줄기는 앞. C-B . D

에서와 같이 를 따라 흘러서 떨어지게 된다 따라서 의D-E, E-G, G-I(=A) . D-I(=A)

반 사이클이 생성된다 에서 시작하는 빗줄기는 에서 떨어져 반 사이클을. E F E-F

만든다 에서 시작한 빗줄기는 중간에 에서 이전의 빗줄기와 만나기 때문에. F E E-F

의 반 사이클을 만든다 같은 방법으로 의 반 사이클이 각각 만들어 진. G-H, H-G

다 만들어진 사이클을 모두 조합해 보면 와 를 합하면 한 사이. , A-D D-I(=A) A-D

클이 되고 를 합하면 한 사이클이 되고 같은 방식으로 한 사, B-C, C-B B-C , E-F

이클 한 사이클이 만들어 진다, G-H .

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그림그림그림그림 22 Rainflow conuting ("falling rain" approach)22 Rainflow conuting ("falling rain" approach)22 Rainflow conuting ("falling rain" approach)22 Rainflow conuting ("falling rain" approach)

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그림그림그림그림 23 Material stress-strain response to given strain history23 Material stress-strain response to given strain history23 Material stress-strain response to given strain history23 Material stress-strain response to given strain history

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재료의 관계를 알 경우에는 위의 그림 와 같이stress-strain < 22> closed

를 나타낼 수 있다 앞에서 방법을 이용해서 구한 사hysteresis . Rainflow counting

이클들이 위와 같은 곡선에서 를 나타내는 것을 알stress-strain closed hysteresis

수 있다 앞에서 구한 사이클이 각각의 를. A-D, B-C, G-H, E-F closed hysteresis

나타낸다 따라서 방법을 통해서 처음에는 임의의 하중으로 보. Rainflow counting

였던 하중들을 이 예제에서는 개의 로 표현되는 개의 하중으로4 closed hysteresis 4

분리할 수 있게 되었다 이 각각의 분리된 하중의 크기와 횟수를 이용해서 재료에.

미치는 손상을 계산할 수 있다.

하지만 위의 방법은 컴퓨터를 이용해서 구현을 하기에는 어려운 점이 있어서 ASTM

에서는 기본 개념은 똑같지만 약간 다른 방식으로 위의 방법을 설명하고 있다 우.

선 앞에서와 같이 가장 크기가 큰 에서 시작을 한다 를 지금 고려하고 있, strain . X

는 이고 는 바로 이전의 를 나타낸다 알고리즘은 다음과 같strain range , Y X range .

다.

다음 꼭짓점을 읽는다 더 이상 데이터가 없으면 멈춘다1) . .

남아 있는 데이터의 수가 보다 작으면 으로 돌아간다 이제까지 지워지2) 3 step1) .

지 않은 가장 최근의 개의 데이터를 이용해서 와 를 형성한다3 X Y .

의 절대값을 비교해서 이면 으로 가고 이면 로 간3) X, Y X<Y step 1) , X Y step 4)≥

다.

를 한 사이클로 고려하고 를 이루는 두 개의 꼭짓점은 지운다 로 간4) Y , Y . step 2)

다.

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그림그림그림그림 24 Rainflow counting(ASTM standard)24 Rainflow counting(ASTM standard)24 Rainflow counting(ASTM standard)24 Rainflow counting(ASTM standard)

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그림 에 설명된 다음의 간단한 예를 통해서 자세히 살펴보자< 23> .

1) Y= A-B ; X= B-C ; X<Y∣ ∣ ∣ ∣

따라서 를 한 사이클로 생각하고2) Y= B-C ; X= C-D ; X>Y B-C B,C∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣

점을 제거한다 위의 그림 한 사이클이 와 의 일부분으로 이루어져있. ( (b)) B-C C-D

다는 것을 알 수 있다.

3) Y= A-D ; X= D-E ; X<Y∣ ∣ ∣ ∣

4) Y= D-E ; X= E-F ; X<Y∣ ∣ ∣ ∣

따라서 를 한 사이클로 생각하고 와5) Y= E-F ; X= F-G ; X>Y E-F E F∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣

점을 제거한다 위의 그림에서. ( (c))

6) Y= A-D ; X= D-G ; X<Y∣ ∣ ∣ ∣

7) Y= D-G ; X= G-H ; X<Y∣ ∣ ∣ ∣

따라서 를 한 사이클로 생각하고 와8) Y= G-H ; X= H-A ; X>Y G-H G∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣

를 제거한다 위의 그림에서H . ( (d))

따라서 를 한 사이클로 생각하고 와9) Y= A-D ; X= D-A ; X=Y A-D A D∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣

를 제거한다 위의 그림에서. ( (e))

끝10) counting .

이 방법으로 이용해서 각각 의 한 사이클이 얻어졌다는 것을A-D, B-C, E-F, G-H

알 수 있는데 이 결과는 앞에서 설명한 방법을 이용해서 구한 결과와, falling rain

정확히 일치하는 것을 알 수 있다.

이 프로그램의 실행 장면은 그림 과 같다 버튼을 눌러서 분석하고< 24> . File Open

자 하는 파일을 읽어온 다음 버튼을 누르면 이 되고excel Run Rainflow counting ,

결과물은 입력 파일의 끝부분이 덧붙여지게 된다 이 프로그램은 앞에서 설명한.

방법의 기본 알고리즘을 사용하고 있다 방Rainflow counting . Rainflow counting

법은 구현한 부분의 코드는 아래와 같다 프로그램은 사의 를. Microsoft visual C++

사용하여 만들었다.

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그림 프로그램 실행 장면그림 프로그램 실행 장면그림 프로그램 실행 장면그림 프로그램 실행 장면25252525

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이 프로그램을 사용하여 실제 굴삭기의 데이터를 분석한 결과는 다음과 같다.

표 시 의표 시 의표 시 의표 시 의10 Boom down/up flexible hose duty cycle10 Boom down/up flexible hose duty cycle10 Boom down/up flexible hose duty cycle10 Boom down/up flexible hose duty cycle

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표 시 의표 시 의표 시 의표 시 의11 Arm crown/dump flexible hose duty cycle11 Arm crown/dump flexible hose duty cycle11 Arm crown/dump flexible hose duty cycle11 Arm crown/dump flexible hose duty cycle

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표 시 의표 시 의표 시 의표 시 의12 Bucket crown/dump flexible hose duty cycle12 Bucket crown/dump flexible hose duty cycle12 Bucket crown/dump flexible hose duty cycle12 Bucket crown/dump flexible hose duty cycle

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표 주행전진 좌선회급조작 시 의표 주행전진 좌선회급조작 시 의표 주행전진 좌선회급조작 시 의표 주행전진 좌선회급조작 시 의13 / flexible hose duty cycle13 / flexible hose duty cycle13 / flexible hose duty cycle13 / flexible hose duty cycle

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표 우선회 급조작 정지 시 의표 우선회 급조작 정지 시 의표 우선회 급조작 정지 시 의표 우선회 급조작 정지 시 의14 / / flexible hose duty cycle14 / / flexible hose duty cycle14 / / flexible hose duty cycle14 / / flexible hose duty cycle

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의 산출의 산출의 산출의 산출3. RMEP (Root Mean Effective Pressure)3. RMEP (Root Mean Effective Pressure)3. RMEP (Root Mean Effective Pressure)3. RMEP (Root Mean Effective Pressure)

흙을 퍼서 트럭에 싣는 굴삭기의 일반 덤프 기본동작을 분석하면 약 초 동안 다20

음의 아래의 동작 이루어진다.

각 회Body rotation cw/ccw ( 1 )√

각 회Boom up/down ( 1 )√

각 회Arm crown/dump ( 1 )√

각 회Bucket crown/dump ( 1 )√

따라서 앞에서 구한 을 조합하면 굴삭기가 한번 덤프작업을 할 때cycle flexible

에 인가되는 압력 을 얻을 수 있다 이를 절에서 유도한 아래의hose profile . 2 RMEP

유도식에 대입하면 사용조건에서 호스에 손상을 가하는 것과 동일한 손상을 가하,

는 등가의 압력 로 변환할 수가 있다(RMEP) .

는 절에서 얻는 의 값을 사용했으며(fatigue damage exponent) 3 8.20 ∆는 28

톤 의 최대 작동 유압으로 이다 계산결과 는crawler excavator 250Bar(35 ) . RMEP㎫

가 나왔으며 이는 굴삭기가 덤프작업을 한번하는 것은 가56.6 Bar , flexible hose

의 일정 진폭 압력을 초 동안 을 받는 것을 의미한다56.6 Bar 20 91 cycles .

따라서 주 시간 동작을 약 년간 수명을 보증하려면 다음의 계산에 의하여40 10

하에서 약RMEP 3.41X 만큼을 호스가 견뎌야 하는 결론이 나온다cycle .

- 71 -

이를 절에서 유도한 아래의 수명식에 대입하면3

이다 즉 는 호스가 견뎌야 하는 손상의 총량으로 해석 될. , C

수 있으므로 위 식을 이용하면 어느 정도의 손상량을 호스에 인가해야하는지 알,

수 있어 신뢰성 테스트 규격을 선정할 수 있는 것이다 예를 들어 의 압력을. 133%

실험하면 위식에 의하여, N=3.60X 만큼의 테스트 수명을 통과해야 한다는 결론

이 나온다.

다음의 마지막 과정으로 신뢰성 규격을 완성하려면 몇 개의 시편이, zero failure

를 모두 통과해야 하고 그 테스트가 어느 정도의 신뢰성을 갖는지 알아야 한다test .

이는 제 절 가속수명 시험의 신뢰성 에서 다룬다‘ 6 ’ .

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제 절 가속수명 시험의 신뢰성제 절 가속수명 시험의 신뢰성제 절 가속수명 시험의 신뢰성제 절 가속수명 시험의 신뢰성5555

수명시험에서의 와이블 분포수명시험에서의 와이블 분포수명시험에서의 와이블 분포수명시험에서의 와이블 분포1.1.1.1.

일반적으로 부품 소재는 일정진폭의 하중을 받더라도 재료는 수명은 일정한 분포를

가지고 있는데 이는 부품 소재의 제작편차 즉 부품 재료의 강도가 일정한 분포를, ,

가지고 있음을 의미한다 다양한 분포의 형태 중 피로시험의 특성상 재료의 수명은.

다음 형태의 신뢰도함수로 표현된다Weibull .

= reliability function

= time or life (cycles to failure)

= scale parameter (distribution's characteristic life)

= shape parameter (distribution's Weibull slop)

신뢰도 함수 는 부품 또는 소재가 수명까지 파손되지 않을 확률을 나타낸다.

형상모수 는 분포의 모양을 결정한다 척도모수는 데이터의(shape parameter) .

척도와 관련이 있는 모수이며 시간이 일정하게 가속되는 것과 같은 상황에서

척도모수의 값이 변하게 된다 그림 은 의 와. < 25> Weibull shape parameter scale

가 변할 때 분포의 형태와 크기가 어떻게 변화 하는지 보여준다parameter Weibull .

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그림 변화에 따른 분포의 변화그림 변화에 따른 분포의 변화그림 변화에 따른 분포의 변화그림 변화에 따른 분포의 변화26 Shape parameter Weibull26 Shape parameter Weibull26 Shape parameter Weibull26 Shape parameter Weibull

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그림 변화에 따른 분포의 변화그림 변화에 따른 분포의 변화그림 변화에 따른 분포의 변화그림 변화에 따른 분포의 변화27 Scale parameter Weibull27 Scale parameter Weibull27 Scale parameter Weibull27 Scale parameter Weibull

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신뢰성 수준에 따른 수명 보정신뢰성 수준에 따른 수명 보정신뢰성 수준에 따른 수명 보정신뢰성 수준에 따른 수명 보정2.2.2.2.

분포에서 신뢰도를 어느 정도를 선정하느냐에 따라 수명이 다르게 정의 되Weibull

는데 이른바, 또는

등의 수명기준은 각각 파손확률 와 로 정의된 수10% 5%

명이며 다시말해 와 의 신뢰도를 나타낸다 일반적으로 피로시험후 수명90% 95% .

( 은 파손확률로 정의하게 되는데) 63.2% 일 때로 분포의Weibull shape

parameter ( 에 영향을 받지 않기 때문이다 반면 분포 모델을 적용하면) . , Weibull

와

와의 관계를 유도할 수 있다. 과

에서의 신뢰도 함수는 다음과

같이 나타낼 수 있다.

두 식 모두 양변에 자연로그를 취하여 한 식을 다른 식으로 나누어 준 후 에 대

하여 정리하면 다음과 같다.

따라서 신뢰도 분석에 있어서 가속수명이 행해지는 압력에서의 호스의 수명을 정의

할 때 어느 한 신뢰도를 가지고 수명을 정하였다면 위 식을 이용하면 변경된 신뢰,

도에 대한 수명을 확산할 수 있게 된다 또한 위 식에 포함된. shape parameter

( 는 실험적으로 측정되야 하는 상수이며 절의 결과에 따르면 테스트 압력에 따) 3

라 값이 다르므로 테스트 하고자 하는 압력의 수준에서의 shape parameter( 를)

선정하는 것이 필요하다.

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선정선정선정선정3. Confidence level3. Confidence level3. Confidence level3. Confidence level

신뢰수준 이란 통계학에서 모수의 참값을 포함하는 구간 신(CL: confidence level) (

뢰구간 을 추정할 때 이 신뢰구간에 모수가 포함될 확률을 말한다 본 연구에서는) , .

가속수명 시험의 신뢰성 추정 또는 시험 설계에서는 표 에 나열되어 있는 시< 16>

료의 수와 시험기의 제약 시험비용 제품 손상시 발생하는 경제적 비용 안전성과, , ,

시간 등을 고려하여 수준을 정하였다 따라서 본 연구에서는 그림 의. < 27>

와 표 의criticality matrix analysis < 18> criticality evaluation of component

절차를 거쳐 그림 과 같이 를 계산하였으며 그 결과reliability < 28> criticality score ,

점에 해당하는 의 신뢰수준을 선정하였다40 95% .

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표표표표 15 Selection Criteria of CL Determination15 Selection Criteria of CL Determination15 Selection Criteria of CL Determination15 Selection Criteria of CL Determination

1. Sample cost1. Sample cost1. Sample cost1. Sample cost

(Number of sample size)

2. Electric horse power consumption (Electric charges : 17,555 U$)2. Electric horse power consumption (Electric charges : 17,555 U$)2. Electric horse power consumption (Electric charges : 17,555 U$)2. Electric horse power consumption (Electric charges : 17,555 U$)

(Test money)

3. Number of test equipment available3. Number of test equipment available3. Number of test equipment available3. Number of test equipment available

4. Economical damage effect4. Economical damage effect4. Economical damage effect4. Economical damage effect

(When the component has a failure, critical damage effects to the system)

5. Safety5. Safety5. Safety5. Safety

(When the component has a failure, the risk rate of human casualties)

6. Duty cycle6. Duty cycle6. Duty cycle6. Duty cycle

- Light duty cycle

- Medium duty cycle

- Heavy duty cycle

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그림그림그림그림 28 Criticality Matrix Analysis28 Criticality Matrix Analysis28 Criticality Matrix Analysis28 Criticality Matrix Analysis

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표표표표 16 Criticality Evaluation of Component Reliability16 Criticality Evaluation of Component Reliability16 Criticality Evaluation of Component Reliability16 Criticality Evaluation of Component Reliability

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그림그림그림그림 29 Selection Criteria of CL Determination29 Selection Criteria of CL Determination29 Selection Criteria of CL Determination29 Selection Criteria of CL Determination

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에서 시편개수 선정에서 시편개수 선정에서 시편개수 선정에서 시편개수 선정4. zero-failure test4. zero-failure test4. zero-failure test4. zero-failure test

마지막 과정으로 에 있어서 시편의 개수를 산정하는 일만 남았다zero failure test .

란 주어진 조건에서 모든 시편이 규격을 통과해야 하는 시험이다zero failure test .

동일한 조건의 시험에서 개의 시편이 한 것과 개의 시편이 한 것은 신1 pass 10 pass

뢰성이 다르므로 개의 시편으로 적은 시험해도 개의 시편이 한 것10 cycles 1 pass

과 같은 신뢰성을 만족 시킬 수 있게 된다 따라서 시험기에 한번에 장착할 수 있.

는 시편의 개수를 많으면 시험시간을 절약할 수 있다 를 할 경우. zero failure test

테스트 를 보정하는 식은 다음과 같이 유도할 수 있다cycles . 수명의 경우 신뢰

도 함수는 다음과 같이 된다.

반면 에서 개의 시편이, zero failure test N 가속수명시험의 를 모두 통과( cycles)

할 확률은 이며 이는 합격에 대한 이므로 다음과 같은 식confidence level

으로 표현된다.

각 두 식을 양변에 로그를 취한 후 한 식을 다른 식으로 나누어 정리하면 다음과

같은 관계를 유도해 낼 수 있다.

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가속수명시험= cycles

= confidence level

시편개수=

수명= i failure rate

따라서 호스의 수명이 일정한 분포를 갖는 것을 이용하면 한번에 시험하는 시편의

개수를 늘려 시험시간을 단축할 수 있음을 보여준다.

지금까지 가속수명 시험법의 전체적인 과정에 대하여 이론적 배경 및 구체적 유도

과정을 설명하였다 다음 절에서는 지금까지 확립된 이론과 시험으로 기존의 가속. 6

수명시험 규격을 정량적으로 비교하고 가속수명시험법을 제시하였다.

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제 절 가속수명 시험 규격의 정략적 비교 및 제시제 절 가속수명 시험 규격의 정략적 비교 및 제시제 절 가속수명 시험 규격의 정략적 비교 및 제시제 절 가속수명 시험 규격의 정략적 비교 및 제시6666

그림 는 표 의 충격 압력 시험에 대한 규격을 절에서 얻은 수명식과 비< 29> < 6> 3

교하여 타점한 것이다 수명식보다 규격이 위에 있으면 보다 업격한 규격을 뜻하고.

아래에 있으면 느슨한 규격을 의미한다 수명식은 를. 63.2% probability of failure

기준으로 작성된 것으로 수명보다는 호스의 수명식이 더 길게 선정 된 것이다.

각 규격들의 엄격한 정도를 정량적으로 비교하기 위해 수명식의 값을 구하여 표C <

에 정리하였다 표 의 는 각 규격들의 값을18> . < 18> C ratio C "SAE J517 & SAE

의 값으로 나눈 것이며 보다 클수록 보다 엄격한J343" C 1 "SAE J517 & SAE J343"

규격을 의미한다 가 보다 작은 두가지 규격은 상대적으로 덜 엄. C ratio 1 ISO 1436

격하며 에서 신뢰성 안으로 제출한 규격KIMM3)은 배 수명기준 정도 엄격한 규1.46 ( )

격임을 알 수 있다 다만 에서 제시한 규격외의 기존의 규격들은 일정조건하. KIMM

에서 만 명시하고 있으며 몇 개의 시편을 시험해야 하며 했을 경우 어느pass pass

정도의 인지 명시 하고 있지 않으므로 전적으로 동등한 비교가 되confidence Level

기는 힘든 측면이 있다.

실제 현장에서 작동하는 굴삭기 유압호스에 인가되는 호스의 압력을 조사하여 절5

에서 설계 수명식을 산출한 결과 의 결과를 얻었다 또한 각.

충격압력에 따른 shape parameter( 를 얻었으며) fatigue damage exponent( 는)

약 의 값을 얻을 수 있었다 이를 바탕으로 본 연구에서 개발한 가속수명 시험8.2 .

법 개발의 절차에 따라 새로운 규격을 만드는 과정은 표 와 같은 형태가 된< 19>

다.

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그림 충격압력 시험 규격과 가속수명식의 비교그림 충격압력 시험 규격과 가속수명식의 비교그림 충격압력 시험 규격과 가속수명식의 비교그림 충격압력 시험 규격과 가속수명식의 비교30303030

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표 의 충격압력 시험규격 및 값의 비교표 의 충격압력 시험규격 및 값의 비교표 의 충격압력 시험규격 및 값의 비교표 의 충격압력 시험규격 및 값의 비교17 Flexible hose C17 Flexible hose C17 Flexible hose C17 Flexible hose C

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압력비 선정1. :

시험 압력비에 따른 선정2. shape parameter :

여부3. Half-Omega flexing : =0.583 for flexing

=1 for no flexing

시험온도 선정 의 경우4. : 100 f(T)=3.73×10℃5

테스트 선정5. cyales :

신뢰도 선정6. :

이면ex) i=10 (10% probability of failure)

의 시편개수 선정 및 선정7. zero failure test confidence level

표 의 가속 수명시험법 개발표 의 가속 수명시험법 개발표 의 가속 수명시험법 개발표 의 가속 수명시험법 개발18 Flexible hose18 Flexible hose18 Flexible hose18 Flexible hose

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압력비는 수명식의 범위에서 벗어나지 않는 범위 즉 실제 호스작동 유압하에서1. ,

발생하는 이 유효한 범위 내에서 선정이 되어야 한다 이는failure mechanism .

이상의 추가적인 가속시험을 통하여 더 이상 로그스케일에서 직선형태의 가속200%

수명식이 적용되지 않는 상한선을 정해야 한다 또한 작동유압과 유사할수록 즉. ,

와 유사할 수록 실제의 환경을 잘 모사하나 테스트 시간의 적정성을 고려하RMEP ,

여 선정하도록 한다.

시험 압력비에 따른 는 절의 시험분석에서 몇 가지 압력비에2. shape parameter 3

대하여 도출하였으므로 이를 참고로 선정한다 예를 들어 인 경우. 133% 이다=6.7 .

의 영향은 의 실험기의 경우 값에 영향을 미치는 보3. half-Omega flexing KIMM C

정계수를 도출 해 놓았다 이 실제의 굽힘하중을 얼마나 반영하. half-Omega flexing

는 지에 대한 연구가 더 필요하다.

온도의 영향성에 대한 연구가 더 필요하다 시험온도를 로 선정하는 경우4. . 100℃

본 연구에서 실시된 약 에서의 온도에 대한 값을 사용하면 된다100 f(T) .℃

의 경우 절에서 도출한5. Flexible hose 3 fatigue damage exponent( 를 사용)=8.2

하면 된다 이 값은 좀더 많은 호스에 대한 수명시험을 하여 이는 좀더 정확한 값.

으로 보정되어야 하며 시험규격 선정을 하기 전에 이러한 예비시험을 통하여 미리

구축되어야 하는 이다parameter .

테스트가 통과하였을 때 신뢰도를 선정하는 것으로 제품의 손상시 발생할 수 있6.

는 비용 등을 고려하여 적절한 신뢰도를 선정하여 규격의 테스트 를 보정한cycles

다.

신뢰도 테스트의 확신도 를 정하고 시험기 여건상에 필요한 시7. (confidence level)

편의 개수를 선정하여 최종적으로 신뢰성테스트 를 보정한다cycles .

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제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도3333

제 절 연구목표 달성도제 절 연구목표 달성도제 절 연구목표 달성도제 절 연구목표 달성도1111

연구 목표 달성도 내 용

의 충격flexible hose▶

압력으로 인한 failure

규명mechanism

100%

굴삭기 유압호스의 실제 작동조건 확- (Field data)

보 및 분석

고장 데이터 수집을 통한 호스파열 원인 규명 온- (

도 압력, , flexing)

주요한 손상원인의▶

분석을 통한 가속조건

산출 및 최적의 실험계

획법 수립

95%가속시험 시험기의 정밀 셋업-

가속시험을 통한 부하 수명 획득- - data

정밀한 가속시험을▶

통한 구축DB100%

충격 압력 수명시험을 통한 의 수명- flexible hose

데이터 구축DB

누적분포함수Weibull▶

를 이용한 고장분포 곡

선 및 부하 수명 선도-

작성

100%

법을 이용한 고장분포곡선 산출- Rank

누적분포함수 모델링- Weibull

부하 수명 선도 작성- -

누적손상 이론 및 가▶

변부하 산출법 정립100%

식을 기반으로 한 누적 손상 이론 정립- Miner

실제 작업 환경에서의 부하 스펙트럼 조사 및-

산출법 도출RMEP

법을 이용한 가변부하 산출코- Rain flow counting

드 개발

등의 국제ISO, SAE▶

규격 검증 및 개선100%

현재 각 국제 규격마다 상이한 국제 규격들과 동-

일시험 후 본 가속모델과 정량적 비교 검증

가속시험 절차 및 평가기준 확립-

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제 절 관련 분야의 기술발전 기여도제 절 관련 분야의 기술발전 기여도제 절 관련 분야의 기술발전 기여도제 절 관련 분야의 기술발전 기여도2222

본 연구를 통하여 기존의 단편인 호스의 가속수명시험법 보다 한층 보완1. flexible

된 시험법 체계를 마련하였으며 이에 대한 이론적 근거도 수립하였다.

기존의 규격을 호스에 인가하는 손상량 기준으로 환산하여 정량적으로 비교 검2.

증함으로서 서로 상이한 규격들에 대한 정확한 평가를 내리고 보완하는데 근거를

마련하였다.

본 연구에서 수행한 내용을 토대로 보다 체계화 되고 신뢰성있는 가속 수명시험3.

법을 도출하였다.

본 연구에서 개발한 가속수명시험법은 호스뿐 만 아니라 모든 부품소재4. flexible

의 가속수명 평가에 적용될 수 있는 범용적 방법이므로 전 부품소재 분야에 파급효

과가 크다.

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제 장 연구개발결과의 활용계획제 장 연구개발결과의 활용계획제 장 연구개발결과의 활용계획제 장 연구개발결과의 활용계획4444

제 절 연구 개발 결과의 활용 방법제 절 연구 개발 결과의 활용 방법제 절 연구 개발 결과의 활용 방법제 절 연구 개발 결과의 활용 방법1111

절에 제시된 가속수명 시험법 개발 절차에 따라 의 가속수명시험규6 Flexible hose

격을 선정할 것을 권장하고 있다 가속수명 시험법은 뿐 만 아니라. Flexible hose

일반 부품소재에도 적용할 수 있는 시험법으로 본 연구의 에 대한Flexible hose

가 다른 부품소재의 가속수명 시험법개발의 좋은 가이드로 활용 될 수case study

것이다 또한 한국기계연구원 등과 같이 훌륭한 시험 기술 및 풍부한 데이터. (KIMM)

베이스를 보유한 기관과 연계하면 가속수명 시험법 산정 및 데이터 처리에 있어서

훌륭한 가이드 될 것으로 생각된다.

제 절 추가 연구의 필요성제 절 추가 연구의 필요성제 절 추가 연구의 필요성제 절 추가 연구의 필요성2222

절의 가속수명시험법 개발 절차에서 언급했듯이 압력비는 수명식의 범위에서 벗6 ,

어나지 않는 범위 즉 실제 호스작동 유압하에서 발생하는 이 유, failure mechanism

효한 범위 내에서 선정이 되어야 한다 이 적정 범위에 대한 연구가 필요하다. .

의 영향은 의 실험기의 경우에 한하여 보정계수를 도출half-Omega flexing KIMM

해 놓았다 이 실제의 굽힘하중을 얼마나 반영하는 지에 대한. half-Omega flexing

응력 해석에 대한 연구가 더 필요하다 이 연구를 바탕으로 충격압력과 으로. flexing

인하여 호스에 인가되는 복합 응력을 산출하면 보다 정확한 수명예측을 할 수 있을

것이다.

본 실험에서는 시험온도를 약 로 고정하였는데 값을 보정하여 정확한 수명100 C℃

식을 산출하기 위해서는 온도가 호스의 수명에 미치는 영향에 대한 연구가 추가적

으로 필요하다.

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Documents

‘Flexible Hose 의 가속 수명 시험법 개발 에 관한 신뢰성 지원 ... · · 2011-12-14이를바탕으로기존의 등의국제규격을정량적비교및보완한다ISO,SAE