Transcript 정상사용조건과 가속수명시험 간 고장 모드 및

EVAP 가속수명시험 설계 기반 구축
- 2007년도 한온시스템 신뢰성 Study 그룹 과제
- KAIST 산업공학과 품질설계 연구실 공동 연구 과제
Date. 2015.12.08
신뢰성 공학 추가 발표
기계공학과 석사과정
20154407 박성욱
가속 수명 시험 절차 계획 수립
1. 가속 수명 시험
: 시험시간을 단축할 목적으로 기준보다 가혹한 조건에서 실시하는 시험
▶ 정상사용조건보다 가혹한 스트레스 조건 하에서 시험을 수행하여 단기간에 제품 수명에
대한 정보를 획득하기 위한 신뢰성시험 방법
-. 정상사용조건과 가속수명시험 간 고장 모드 및 고장 메커니즘이 동일해야함
-. 가속성의 성립 여부는 가속수명시험 설계 시, 반드시 확인이 필요함
2. 추진 목표 및 절차
추진 목표
EVAP 가속수명시험
설계 절차 수립
세부 추진 내용
▶단품 내구 시험 조건을 활용한 내구 수명 추정
▶단품 내구 시험 결과와 Field 내구수명과의 상관성 검토
신뢰성 관련 조사
Field
고장자료기반
신뢰도 조사
고장모드
및 고장
메커니즘 파악
고장 기인
스트레스
수준 파악
가속수명시험 계획
가속 스트레스
변수 선택 및
수준 결정
각 스트레스
수준에서 시험
시간 및 시료수
결정
고장판정
기준 결정
데이터분석
수명분포 결정
가속성 성립
여부 확인
열화특성
존재
여부 파악
복합스트레스
시험 가능성
파악
고장 관찰
방법 및 관측
시간 결정
수명과
관심있는 값
스트레스
모델 파라미터
(가속계수, MTTF,
사이의 관계식
추정
B10수명 등)의 추정
결정
Failure Mode / Failure Mechanism
EVAP 고장 정보
1. EVAP (Evaporator, 증발기) 주 고장 부위 및 형태
▶ 고장 부위 : Core Tank 측 Plate
▶ 피로파괴, 변형, 부식
2. 주 고장메커니즘과 고장모드
고장부위
고장 메커니즘
고장모드
Tank, Plate
피로파괴
Leakage
Tank, Plate
변형
Leakage
3. 고장메커니즘과 스트레스
고장 메커니즘
스트레스
압력
진동
온도
부식
피로파괴
◎
○
○
○
변형
◎
○
○
실차 조건 vs 단품 내구 시험 조건 비교
실차 압력 조건 vs. 단품 내구 시험 압력 조건 비교
실차 압력조건
Max. 3.5 kgf/㎠ @ Idle
(실차 Test 계측 결과)
단품 내구 시험 압력조건
◆ P-Cycle 시험 압력조건 :
0 ~ 17.0 kgf/㎠
1.5 sec on /1.5 sec off
1 cycle
1.5s
0.35 ~17
kgf/cm2
1.5s
※ 현재의 시험 압력 조건 또한,
가속수명시험 조건 반영됨
가속수명시험 계획
No
구분
1
고장 모드 및
고장 메커니즘
파악
2
측정항목 및 고장
판정 기준 설정
3
열화 특성 존재
여부 파악
4
복합 스트레스
시험 가능성 파악
예비 조사 결과
가속조건에서도 필드와 동일한 고장모드 고려
▶ 증발기의 누설 (Leak)
누설 유체량을 측정하여 일정량 초과 시, 고장으로 판정
열화 특성치를 이용할 경우, 고장이 발생하지 않아도 제품 수명을
추정할 수 있음 (전기 부품 등)
▶ 열교환기의 경우, 열화 특성치가 잘 알려져 있지 않음
▶ 고장 (Leak) Data 를 기준으로 분석 수행
복합 스트레스를 인가 시, 고장 정보의 빠른 획득 가능
▶ 온도 영향도 검토 결과, 영향도 미미하여, 압력만을 적용하는
단일 스트레스 시험 수행
가속수명시험 계획
No
구분
1
스트레스 변수
선택 및 인가 방법
2
스트레스 수준수
및 수준
3
시료수 및
시료 할당 비율
4
고장 관측 방법 및
관측 중단 방법
시험 계획
주기적 압력을 스트레스로 결정
가속 모형의 타당성 검증을 위하여 3개 수준에서 시험
-. 고수준 : 정상 사용 조건에서의 고장 메커니즘이 동일하게
나타나는 범위 내에서 선택
-. 저수준 : 시험 시간을 고려하여 선택
▶ 0.35 ~ 17 kgf/cm2 / 0.35~ 19 kgf/cm2 / 0.35 ~ 21
kgf/cm2
시험 시간을 고려, 총 시료수는 60EA 로 결정
▶ 사전 Lab Test Data 를 바탕으로 Simulation 을 진행한 결과,
5:1:4 수준으로 결정함
※ 가속수명시험은 최소한의 시료를 각 스트레스 수준에 적절히
할당하여 비용을 줄이고, 수명 추정의 정확도를 높이는데 목적이
있으므로, 시료수 및 시료 할당 비율의 결정은 매우 중요함
고장 시간을 연속적으로 관측 : 연속 관측 자료
모든 제품이 고장날때까지 관측 : 완전자료
가속수명시험 계획 (요약)
No
구분
1
압력 스트레스 수준 (3수준)
2
3수준에 대한 시험시료 배분
: 기존 P-Cycle 시험데이터 분석,
Simulation 후, 각 스트레스 수준 하,
시료 수 결정
시험 계획
▶ High = 0.35 ~ 21 kgf/㎠
▶ Middle = 0.35 ~ 19 kgf/㎠
▶ Low
= 0.35 ~ 17 kgf/㎠
Low : Middle : High = 5 : 1 : 4
Total
S1
시료수
S2
시료수
S3
시료수
총시험시간
60
30
6
24
31일
정상사용 조건을 3.5K/2.5K (일정 압력 스트레스) 로 가정하고, 기존 P-Cycle 시험데이
터
기준, Simulation 하여 추정 수명의 분산을 최소로 하는 시료 배분 비율로 결정
3
가속 수명시험 예상 시간
▶1일 해당 cycle 수 : 28,800 cycle
- 스트레스가 19인 경우 : 약 2일
- 스트레스가 21인 경우 : 약 1.5일
- 스트레스가 23인 경우 : 약 1일
가속 수명 시험 수행
가속여부
스트레스
인가방법
관측방법
관측중단방법
(Censoring 여부)
가속
주기형
연속
모두 고장날 때까지
관측 (완전자료)
◈ 가속 수명시험 결과
※ Data 결과 : N=33
※ 스트레스 수준별 고장 모드 동일
가속 수명 시험 결과 분석
◈ 수명 분포 적합 검정
※ 사용 Tool : Minitab
Value
Logistic 분포가 잘 맞으나, 이와 비슷한 적합도를 가지고 기계 부품의 수명
분포로 널리 쓰이는 Weibull 분포를 수명 모델로 사용하기로 함.
가속 수명 시험 결과 분석
◈ 가속성 성립 여부 검토 : 척도 모수 (63.2 Percentile) 동일성 검정
※ 동일성 검정 : 우도비 검정
우도비 검정 통계량식
※ Minitab 에서는 일정 스트레스가 가해진 경우, 각 스트레스 수준에 따른 특정 모수의 동일성
여부를 검정하는 방법을 제공함.
-. 본 과제의 스트레스는 주기적으로 변동되므로, Minitab 으로 동일성 검정 불가
▶ 일반적으로 모수 동일성 검정에 사용할 수 있는 우도비 검정법 제시
가속 수명 시험 결과 분석
◈ 가속모형 수립 및 모수 결정
수명 분포
모수와 스트레스
변수와의 관계
일정 스트레스 조건의
수명분포와의 관계
모수 추정법
Weibull
Power Relation
누적 노출 모형
최우 추정법
※ 가속 모형 : 가속 조건에서의 정보를 사용 조건으로 외삽하기 위한 스트레스 – 수명 관계식
-. 일정 스트레스가 가해진 경우 / 시간에 따라 변하는 스트레스가 가해진 경우에 따라,
-. 스트레스의 종류에 따라, 다양한 종류의 가속 모형이 존재하며 본 과제에서는 Power Relation 을 사용함
※ 누적 노출 (손상) 모형 적용 (Cumulative Exposure (Damage) Model)
: 스트레스가 시간에 따라 변화하는 조건의 수명과 일정 스트레스 조건의 수명의 연관 모형
※ 최우 추정법 : 표본의 결과를 보고, 모수가 어떤 값을 가질 때, 표본의 결과와 가장 유사한가를 분석하여,
이 값을 모수의 추정값으로 결정함 (우도함수를 최대로 하는 통계량)
수명 분포
가속 모형
신뢰도 함수
◈ 모수 결정
ln   t   n ln  a   n ln x  t 
※ 수명 분포가 와이블 분포, 스트레스와
수명이 파워 함수 관계에 있을 경우,
누적노출모형 하에서의 신뢰도 함수
(Nelson, 1990)
신뢰도 계산 및
수명 산출 가능
가속 수명 시험 결과 분석
◈ 신뢰도 예측 : B5 / B10 / MTTF 수명 @ 정상사용조건 3.5K 일정 압력스트레스
ReliaSoft ALTA 7 - www.ReliaSoft.com
수명
B5
129,590,000 sec
50 개월
43,196,667 cycle
4.1 년
Data 1
Cumulative Damage
Weibull
3.5
F=27 | S=0
Data Points
Reliability Line
150,250,000 sec
58 개월
50,083,333 cycle
4.8 년
Reliability
0.600
0.400
0.200
수명
MTTF
Reliability
0.800
수명
B10
Reliability vs Time
1.000
218,730,000 sec
84 개월
72,910,000 cycle
6.9년
0.000
4.000E+7
1.120E+8
1.840E+8
2.560E+8
3.280E+8
Kim SeungHyun
Kaist
2007-12-05
¿ÀÈÄ 8:04:38
4.000E+8
Time
Beta=4.8659; Alpha(0)=25.6835; Alpha(1)=-5.1033
실차 상태에서의 압력은 2.5K ~ 3.5 K 수준이며, 실차 정상 사용 조건에서의
수명은 압력 최대치 (3.5K) 이하에서 나타날 것으로 추정됨
* Warranty Policy : 3년 6만K (국내) / 5년 10만K (북미) – 2007년 기준
결과 요약
1. 열교환기의 주기적 압력 스트레스 하에서의 가속 수명 시험 계획 수립에 대한 Guide 정립
: EVAP 외, 타 열교환기 (RAD / COND 등) 에 대한 확대 적용 가능
▶ 기존 P-Cycle 시험 조건 대비, 가혹한 조건을 인가하더라도, 동일한 Failure Mode 와,
가속성 성립을 확인하였으므로, 동일한 내구 성능시험 결과를 얻을 수 있으며, 시험 시간의
단축이 가능함 (시험 비용의 절감 및 개발 기간 단축 가능)
2. 시험 Data (실차 / 단품 P-Cycle) 에 대한 수명 분석을 진행하였으며, 실제 Field (일반
User) 수명 간 Correlation 은 추가 Study 가 필요함
※ 신뢰성 공학 수업의 내용은 현업에서의 활용도가 매우 높음을 깨닫음.
Thank You
Accelerating Innovation
Hanon Systems Corp.
www.hanonsystems.com