신뢰성 공학 개론

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신뢰성 공학 개론에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 서론
2. 이론 및 용어
2.1 신뢰도
2.2 불신뢰도
2.3 고장밀도함수
2.4 고장률(failure rate)
2.5 평균수명
3. 신뢰성 공학
3.1 분포를 모르는 경우의 신뢰성 척도 계산
4. 고장률과 고장밀도 함수
4.1 지수 분포
4.2 정규 분포
4.3 대수정규분포
4.4 와이블 분포(Weibull distribution)
5. 고장 패턴
6. 고장 해석
7. 신뢰성 시험
7.1 재료 시험
7.2 기계 부품 시험
7.3 가속 수명 시험
7.4 한계 시험
8. 스트레스 인자
8.1 온도
8.2 습도
8.2.1 Peck/Bell Lab 모델
8.2.2 Gunn 모델
8.3 열피로
9. 맺음말

본문내용

베어링의 생산 공정을 사용하여 내구성 향상에 이바지 했다고 한다. 이것은 곧 기술의 향상을 의미하는 것이다.
7. 신뢰성 시험
신뢰성 시험은 ‘신뢰성 결정시험 및 신뢰성 적합 시럼의 총칭’을 의미한다. 여기서 신뢰성 결정 시험은 신뢰성 특성치의 결정을 목적으로 하는 시험을 의미하고, 신뢰성 적합시험은 신뢰성 특성치가 이미 정해져 있는 규정치에 합치하고 있는가 아닌가를 판정하는 것을 목적으로 하는 시험이다.
7.1 재료 시험
금속재료와 비금속 재료의 시험에 관한 시험 항목은 다음과 같다. 인장시험, 압축시험, 구부림 시험, 뒤틀림 시험, 경도시험, 피로시험, 충격시험, 표면손상시험이며 시편의 형상, 시험기, 시험 방법에 관한 자세한 사한은 KS에 정리되어 있다.
7.2 기계 부품 시험
이 시험에는 나사의 강도시험, 베어링 강도 시험, 톱니바퀴의 강도시험이 있다.
7.3 가속 수명 시험
수명시험이란 ‘어느 규정 조건하에서 이루어지는 아이템의 수명에 관한 시험’이다. 수명 시험은 신뢰성 시험 중에서 가장 자주 인용되고 있는 시험이다. 수명시험에는 가속 수명시험과 고온 수명시험 등이 있다. 이 중에서 가속 수명시험은 시험기간을 짧게 함으로써 효과적이다. 이때 가속계수를 적당히 정하고 스트레스의 증가에 따라 고장 메커니즘이 변하지 않도록 연구하는 일이 중요하다. 가속시험의 결과를 통상적인 스트레스의 경우로 환산할 수 있도록 산출식을 만들어 놓는 일이 중요하다. 고장 물리학의 진보에 따라 부품이나 재료의 변화에 관한 물리, 화학적 이론이 발전되었으며, 이것이 가속수명시험에도 많이 활용되고 있다.
7.4 한계 시험
한계 시험은 제품이 사용될 수 있는 한계를 확인하기 위하여 수행하는 시험이다. 따라서 스트레스를 차차 높여 가면 시스템이나 기기가 어느 시점에서는 파괴되는데, 이런 스트레스의 수준을 알아내는 시험이 바로 한계시험이다. 이 시험에 의하면 통상의 조건에서는 발생하지 않지만, 조금 가혹한 상태가 되었을 때 가장 약한 부분이 어느 것인지 알 수 있으며, 더욱이 그 때의 파괴 상황을 자세히 관찰하여 고장 해석을 실시함으로써 기술적인 지식을 넓힐 수 있다.
8. 스트레스 인자
가속 시험의 목적은 결함발생을 가속화 시켜 짧은 기간 동안에 신뢰성을 평가하는 것이다. 가속 시험시 가해지는 스트레스는 반드시 설계시 허용된 최대 한계치보다 작아야 한다. 특정 가속시험이 특정 파손기구와 밀접한 관련이 있다고 보고 가속 시험을 실시하기 때문에 가속시험시 관찰되는 파손기구가 보통 사용되는 조건에서 관찰되는 파손기구와 반드시 동일해야 한다.
8.1 온도
온도에 대한 가속인자는 기본 모델은 아레니우스 법칙에 기반을 두고 있다. 반응속도 R은 다음과 같은 온도의 함수이다.
(34)
여기서 R0 는 절대온도 0도에서의 반응 속도이고, Ea 는 활성화에너지이며, k는 볼쯔만 상수(8.6 X 10-5eV/K)이고, T는 절대온도이다. 한편, 가속인자(AF)는 다음과 같이 주어진다.
(35)
여기서 Tu는 사용온도이고, Ts는 스트레스 온도이다. 이식에서 Ea와 Ts가 증가하면 AF가 증가한다는 것을 알 수 있다.
8.2 습도
일반적으로 습도는 플라스틱 제품들의 내구성과 밀접한 관련이 있다. 또한 습도는 온도와도 밀접한 관련이 있다. 습도에 대한 가속인자는 여러 가지 모델들만이 있을 뿐 아직까지 일반화된 식은 없다.
8.2.1 Peck/Bell Lab 모델
이 모델에서 가속인자(AF)는 다음과 같이 주어진다.
(36)
여기서 Ea는 활성화 에너지이며, k는 볼쯔만 상수이고, Tu는 사용온도, Ts는 스트레스온도이다. 또한 RHu는 사용조건에서의 상대습도이고, RHs는 스트레스 조건에서의 상대습도이며, c는 경험상수이다.
8.2.2 Gunn 모델
이 모델에서 가속인자(AF)는 다음과 같이 주어진다.
(37)
여기서 RHu는 사용조건에서의 상대습도이고, RHs는 스트레스 조건에서의 상대습도이며, β는 경험상수이다. 또한
(38)
인데 여기서 RH ambient는 주변의 상대습도이고, h는 경험상수이며, Tr은 기준온도(25℃)이고, Tu는 사용온도이다.
8.3 열피로
열피로에 대한 가속인자 Coffin-Manson 식으로부터 유도된 것이다.
(39)
여기서 s는 스트레스조건과 관련된 것이고, u는 사용조건과 관련된 것이다. 또한 T는 온도범위를 의미하고, F는 싸이클 진동수를 의미하며, p와 q는 상수이다.
고온에서는 솔더 접합부의 크리프 기구를 설명하기 위하여 아레니우스 법칙에 기반을 둔 다음과 같은 지수항이 추가 되어야 한다.
(40)
여기서 H는 Pb-Sn 솔더 접합부의 크리프 활성화 에너지이며, Tappl.max는 인가되는 최대온도이고, Tappl.max은 스트레스온도이다.
8.4 전압
절연파괴와 같은 파곤기구는 전압이 증가하면서 발생빈도가 증가한다. 종종 전압은 스트레스 온도와 밀접한 관련이 있다.
Eyring 모델에서 가속인자(AF)는 다음과 같이 주어진다.
(41)
여기서 β는 절연체에 따른 상수이고, Vs는 스트레스 조건에서의 전압이며, Vu는 사용조건에서의 전압이다.
9. 맺음말
신뢰성의 사고방식과 수십 년간에 걸쳐 급속히 체계화되어 신뢰성 공학이라는 학문을 형성하기에 이르렀다. 신뢰성 공학은 현장에서 근무하는 사람들에게 큰 도움이 될 것이다. 예를 들어, 기계공학 기술자는 자신의 고유공학의 지식에 신뢰성이라고 하는 관리기술 지식을 융합시킨다면 더욱 바랍직한 결과가 나올 것이다. 그 이유는 기술의 급속한 진보에 따라 시스템이 거대화 되고 복잡해지기 때문에 기계공학 지식만으로 해결할 수 없는 문제가 많이 생기기 때문이다.
현재 일본 산업계는 각종 제품과 시스템의 높은 신뢰성으로 인하여 다른 나라로부터 높은 평가를 받고 있다. 실제로 일본의 자동차, 철도, 전기제품 및 원자력발전 등의 시스템은 다른 나라에서 생산 또는 운영되는 것들과 비교하여 고장률이 약 1/2 내지 1/10이라고 한다. 그 이유는 많이 있겠지만 그 중 하나는 신뢰성 이론의 현실적용에 있다고 본다. 따라서 우리나라도 신뢰성 기법을 적용하여 좋은 제품을 만들어 내도록 계속 노력해야 할 것이다.

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