고정밀 산업 시스템용 장비의 실전 신뢰성 평가를 위한

솔레노이드 액추에이터의 가속 수명 산출

A Reliability Study of Direct Drive Type
High Speed Solenoid Actuator

기기의 수명을 산출하는 일은 신뢰성이 필요한 작업에 있어 필수적이다. 본문은 문헌, 연구계 및 현장 실무자의 소견을 참조해 직구동방식 고속 솔레노이드 액추에이터의 가속 모델을 제안하고 무고장 수명 시험 시간을 산출하는 방법을 제시, 당 기기를 사용하는 다양한 고정밀 산업 시스템 실무자 및 운용자들의 기기 운용에 도움을 줄 것으로 보인다.

1. 서론
솔레노이드 액추에이터는 전자기적 에너지를 기계적 운동 에너지로 변환하는 장치로서 시스템의 단순성, 신뢰성 및 경제성 때문에 자동차 및 항공기의 핵심 부품으로 사용되고 있으며, 유공압 밸브, 자동차 연료 분사기, 전기 릴레이, 자동차 브레이크, 전기 스위치 등 산업 기계에 광범위하게 적용되고 있다. 본 논문에서는 직구동방식 고속 솔레노이드 액추에이터에 대한 신뢰성 평가를 위해 2단계 품질 기능 전개를 통한 신뢰성 평가 시험 항목을 결정하였고, 가장 큰 비중을 차지하는 수명시험에 대해 무고장 수명 시험 시간을 산출하고 장기간 소요되는 무고장 수명 시험 시간의 단축을 위해 실제 구동 조건을 적용한 가속 모델 및 가속 수명 시험 시간을 산출하였다.

2. 본론
1) 직구동방식 고속 솔레노이드 액추에이터
그림 1은 직구동방식 고속 솔레노이드 액추에이터의 구성을 나타낸다. 전자장 형성을 위한 코일, 자력선의 통로인 요크, 기계적 운동을 하는 플런저, 플런저를 힙인하는 고정자, 운동을 안내하는 베어링, 센터릴 스프링 등으로 구성된다(그림_1). 영구 자석은 솔레노이드가 발생하는 전자력을 독립적으로 보완하여, 동일 흡인력 발생 대비 소비 전력 저감, 작동 속도 향상에 기여한다.

2) 신뢰성 평가 시험 항목
2단계 품질 기능 전개를 작성하기 위해서는 선행작업으로 고장 모드 및 메커니즘 분석(Failure Modes Mechani는 Analysis; FMMA), 고장 모드, 영향 및 치명도 분석(Failure Modes Mechani는 Analysis; FMECA), 결함 나무 분석(Fault Tree Analysis; FTA) 등의 고장 분석 자료의 작성이 필요하다. 선행 작업을 통해 작성된 2단계 품질 기능 전개 중 첫 번째 단계는 각 주요 부품들에 대하여 요구되는 성능을 나열하고 각 주요 성능에 대한 중요도를 매기게 된다. 품질 기능 전개의 두 번째 단계에서는 요구 성능을 통한 신뢰성 평가 시험 항목을 결정하게 되고, 각 시험 항목에 대한 중요도 및 선호도를 책정하게 된다.

3) 수명 시험
가. 무고장 수명 시험

앞 절에서 결정된 신뢰성 평가 시험 항목 중 수명 시험에 대하여 무고장 수명 시험 시간을 산출하였다. 무고장 수명 시험 시간은 국내 산업체를 대상으로 현장 사용 조건 및 요구되는 보증 수명을 조사한 결과 신뢰 수준 90%, B10 수명 1.0×107사이클을 보장하는 것으로 하였다. 또한 문헌 조사에 의하면 직구동방식 고속 솔레노이드 액추에이터는 형상 모수(베타)가 1.1인 와이블(Weibull) 수명 분포를 따른다. 따라서 신뢰성 평가 작업을 기준하면 직구동방식 고속 솔레노이드 액추에이터의 수명1.0×107사이클(B10 수명)을 보장한다는 의미는 다음과 같이 정리된다.

- 수명분포 : 형상모수(베타)가 1.1인 와이블(Weibull) 수명분포
- 보증수명 : 1.0×107사이클(B10 수명)
- 신뢰수준(Confidence Level) : 90%
- 시료수 : 3개

위의 내용을 적용하여 산출된 무고장 수명 시험 시간은 식 (1)과 같다.

시험 시료 3개가 6.1×107사이클 동안 고장이 없고 중간 및 사후 시험을 실시하여 그 기준에 만족하면, 신뢰 수준 90%에서 보증 수명 1.0×107사이클(B10 수명)을 보장한다. 수명시험 시간 6.1×107사이클은 현실적으로 수행하기가 어렵다. 이럴 경우 해당 시험 시료에 대해 적당한 스테레스를 주입하여 시험 시간을 단축할 수 있다. 직구동방식 고속 솔레노이드 액추에이터의 주고장 모드가 액추에이터가 장착되는 밸브에 의해 가해지는 압력 및 유량 임을 감안하여 압력 및 유량을 시험 시료에 가하는 스트레스 요소로 정하고, 아래의 식(2)와 같이 가속 모델을 제안한다.

산출된 가속 계수 28.06과 앞서 산출한 무고장 수명 시험 시간을 이용한 가속 수명 시험 시간 산출 방정식은 식(3)과 같고, 산출된 가속 수명 시험 시간은 다음과 같다.

시험 시료 3개를 2.2×106사이클 동안 가속 수명 시험을 수행하고, 중간 및 사후 시험을 실시하여 합격 기준에 부합되면 직구동방식 고속 솔레노이드 액추에이터의 보증 수명 1.0×107사이클 (B10 수명)을 보장하는 것이 된다.

3. 결론
직구동방식 고속 솔레노이드 액추에이터의 주요 신뢰성 평가 시험 항목을 결정하고, 내구 수명 평가를 위한 수명 시험에 대하여 가속 모델을 제안하고 가속 수명 시험 시간을 산출하였다.

· 2단계 품질 기능 전개를 수행하여 직구동방식 고속 솔레노이드 액추에이터에 대해 신뢰성 평가를 수행할 수 있는 종합 성능 시험, 내환경성 시험, 안전성 시험, 수명 시험 등의 신뢰성 시험 항목을 결정하였다.
· 현장 사용 조건을 고려하고, 현장 전문가 및 문헌 조사를 통해 직구동방식 고속 솔레노이드 액추에이터의 내구 수명 보증 기준을 작성하고 작동 횟수 6.1×106사이클의 무고장 수명 시험 시간을 산출하였다.
· 장기간 소요되는 무고장 수명 시험 시간에 대하여 주요 고장 메커니즘을 분석하여 액추에이터에 가해지는 압력(25MPa) 및 액추에이터가 장착된 밸브를 통해 흐르는 유량(110L/min)를 스트레스 요소로 결정하고, 가속 모델을 제안하였으며, 시간 및 비용을 절감할 수 있는 작동 횟수 2.2×106사이클의 가속 수명 시험 시간을 산출하였다.

*본 내용은 지면상의 이유로 재편집 되었습니다.
*본 내용은 대한전기학회 2011년도 제42회 하계학술대회 논문집에 등재된 내용입니다.