기계 부품의 수명과 신뢰도

1장
부하 측정과 분석

1.1 하중의 형태와 특징 3
1.2 동하중 4
1.3 부하의 측정 5
(1) 변환기 5
(2) 스트레인 게이지 8
(3) 스트레인 로젯트 19
1.4 측정 데이터의 편집과 처리 27
(1) 데이터 전송과 저장 27
(2) 데이터 편집 27
(3) 데이터 처리 28
1) 수치화 28
2) 정량화 32
3) 캐리브레이션 34
1.5 측정 데이터의 특성 35
(1) 정상성 36
(2) 주기성 40
(3) 정규성 41
1.6 데이터 분석 44
(1) 시간-데이터 신호의 분석 44
1) 평균과 제곱평균 44
2) 자기 상관 45
3) 확률 밀도 함수 46
4) 파워 스펙트럴 밀도 함수 48
(2) 엔셈블 데이터의 분석 52
1) 상호 상관 함수 52
2) 상호 스펙트럴 밀도 함수 53
3) 간섭 함수 54
4) 주파수 응답 함수 54
5) 베이스 진동에 대한 진동계의 주파수 응답 함수 54
6) 가진력이 작용하는 진동계의 주파수 응답 함수 58
?참고 문헌 65



제2장
부하 스펙트럼과 등가 하중


2.1 작업 사이클 68
2.2 사용 프로파일 70
2.3 기계 수명 74
(1) 설계 수명 74
(2) 가용 수명 75
(3) 보증 수명 75
(4) 보증 기간 76
2.4 레인 플로 사이클 카운팅 79
(1) 사이클 카운팅 79
(2) 레인 플로 사이클 카운팅 81
2.5 부하 스펙트럼 88
(1) 부하 스펙트럼의 작성 88
(2) 부하 스펙트럼의 형상 91
(3) 부하 스펙트럼의 확장 93
2.6 하중 지속 분포 96
2.7 피로 손상 스펙트럼 97
(1) 시간 영역의 유사 속도를 이용한 피로 손상 스펙트럼 98
(2) 랜덤 진동의 극댓값 분포와 빈도 103
(3) 주파수 영역의 가속도를 이용한 피로 손상 스펙트럼 108
2.8 등가 하중 116
(1) 등가 완전 반복 하중 116
(2) 선형 누적피로손상이론에 의한 등가 하중 120
(3) 부하 스펙트럼을 이용한 등가 하중 123
2.9 베어링의 동등가 하중 127
?참고 문헌 133



제3장
재료의 강도와 파괴 이론


3.1 정적 강도 136
(1) 단순 인장 시험 136
(2) 정적 강도 140
3.2 피로 강도 141
(1) 회전축 피로 시험 141
(2) 피로 강도 144
(3) 피로강도감소계수 146
(4) S-N 모형 155
3.3 강도의 신뢰 수준 161
3.4 정하중에 의한 파괴 이론 165
(1) 주응력과 최대 전단 응력 165
(2) 최대 주응력설 170
(3) 최대 전단 응력설 171
(4) 변형 에너지설 172
(5) 정적 파괴 이론의 비교 174
3.5 동하중의 의한 파괴 이론 176
(1) 굿맨도와 수정 굿맨도 177
(2) 피로 파괴선 178
(3) 등피로 수명 선도 180
(4) 선형 누적피로손상법 188
?참고 문헌 192



제4장
수명 예측


4.1 기계 부품의 수명 194
(1) 수명 195
(2) 기대 수명 199
4.2 단순 동하중에 의한 피로 수명 199
4.3 선형 누적피로손상법을 이용한 피로 수명 예측 200
4.4 변형률 피로 모형을 이용한 수명 예측 207
4.5 피로 파괴 용량을 이용한 수명 예측 215
?참고 문헌 225

제5장
신뢰도와 고장 분포 함수


5.1 신뢰도 228
(1) 신뢰도의 정의 229
(2) 신뢰도의 중요성 230
(3) 신뢰도 평가 231
5.2 목표 신뢰도 231
5.3 고장 분포 함수 232
(1) 와이블 분포 232
(2) 지수 분포 239
(3) 정규 분포 242
(4) 로그 정규 분포 245
(5) 이항 분포 249
(6) 카이제곱 분포 254
(7) 포아슨 분포 261
5.4 고장률 264
(1) 고장률이 다른 다수의 부품으로 구성된 기계의 고장률 265
(2) 필요에 따라 수시로 사용하는 기계의 고장률 265
(3) 다수의 작동 모드로 구성된 시스템의 고장률 267
(4) 정기적으로 부품을 교체하는 기계의 고장률 267
(5) 평균고장간격이 일정한 제품의 고장률 271
5.5 응력-강도 신뢰도 277
5.6 비모수적 신뢰도 함수 283
5.7 시스템 신뢰도 294
(1) 단순 시스템 294
(2) 결합 시스템 297
?참고 문헌 302



제6장
고장 데이터 분석과 매개 변수 결정


6.1 고장 데이터 304
(1) 보증 수리 데이터 305
(2) 고장지수 306
(3) 위험 분석 306
6.2 와이블 고장 분포 함수의 매개 변수 결정 307
(1) 확률 선도법 307
1) 완전 또는 정시 중단 고장 데이터를 이용한 매개 변수의 결정 308
2) 중단이 있는 고장 데이터를 이용한 매개 변수의 결정 311
3) 사용 시간 범위별 고장 데이터를 이용한 매개 변수의 결정 314
4) 신속 고장 시험 315
(2) 위험 선도법 319
(3) 최우 추정법 320
(4) 모멘트 추정법 325
(5) 와이블 매개 변수의 신뢰 구간 329
6.3 지수 고장 분포 함수의 매개 변수 결정 333
6.4 고장 분포의 적합성 검정 337
(1) 그래픽 검정 338
(2) 앤더슨-달링 검정 338
(3) 카이제곱 검정 344
(4) 만 검정 348
(5) 바트렛 검정 349
(6) 정규 분포의 검정 350
?참고 문헌 354

제7장
보증 기간의 고장 분석


7.1 클레임 데이터의 특성 356
7.2 클레임 데이터의 추적 357
7.3 클레임 데이터의 분석 360
(1) 보증 기간의 클레임 데이터 360
(2) 클레임 데이터의 고장 분포 364
7.4 불완전 클레임 데이터 366
7.5 보고 지연을 고려한 클레임 확률 371
7.6 보증 기간의 신뢰도 함수 376
(1) 고장 밀도 함수 의 결정 377
(2) 조건부 고장 밀도 함수 의 결정 378
1) 최우 추정법 379
2) 선형 누적법 380
3) 순차 회귀 분석법 382
7.7 갱신 함수 389
(1) 수리율 389
(2) 완벽 갱신 392
(3) 일반 갱신 398
7.8 보증 비용의 추정 409
(1) 무료 교체 비용 410
(2) 비례 교체 비용 413
(3) 무료 교체와 비례 교체를 조합한 비용 415
?참고 문헌 418

제8장
가속 수명 시험


8.1 가속 수명 시험의 종류 420
(1) 정성 시험 421
(2) 환경 스트레스 스크리닝과 번인 421
(3) 정량 시험 421
(4) 입증 시험 422
8.2 가속 시험의 방법 422
(1) 시험 기간 424
(2) 시험 샘플의 수 427
(3) 가속 부하 430
(4) 가속 시험 사이클 433
(5) 가속계수 435
8.3 수명-부하 모델 436
(1) 어레니우스 모델 437
1) 어레니우스-와이블 모델 438
2) 어레니우스-지수 모델 438
3) 어레니우스-로그 정규 모델 439
(2) 아이링 모델 440
(3) 역승법 모델 441
(4) 수명-부하 모델의 매개 변수 결정 443
1) 도해적 방법 443
2) 최소 자승법 448
3) 최우 추정법 454
8.4 가속 주행 시험 476
(1) 노면 프로파일 476
(2) 노면 프로파일의 공간 주파수 파워 스펙트럴 밀도 함수 478
(3) 노면 프로파일의 시간 주파수 파워 스펙트럴 밀도 함수 481
(4) 파워 스펙트럴 밀도를 이용한 가속 시험 482
8.5 가속 시험 계획 493
(1) 시험 샘플의 수 493
(2) 시험 계획 494
1) 전통적인 계획 494
2) 적정 계획 496
3) 우수 계획 496
(3) 부하 편집 498
1) 시간 영역의 편집 498
2) 산과 골 영역의 편집 498
3) 사이클 또는 히스토그램의 편집 499
4) 주파수 영역의 편집 499
5) 시간 영역의 비교 500
6) 주파수 영역의 비교 500
(4) 부하 스펙트럼 500
1) 부하 스펙트럼의 재현 500
2) 내구성 시험용 부하 스펙트럼 501
(5) 동력계를 이용한 시뮬레이션 502
?참고 문헌 505



제9장
신뢰도와 고장 분포 함수


9.1 신뢰도 입증 시험 508
(1) 고장 특성을 모르는 경우 509
(2) 고장 특성을 아는 경우 512
(3) 카이제곱을 이용한 샘플 수와 시험 시간 517
(4) 평균고장간격의 신뢰 구간 521
(5) 평균 고장 시간과 평균고장간격 523
(6) 신뢰 수준 525
9.2 가속 시험의 신뢰도 529
9.3 신뢰도 입증 시험의 위험 확률 533
(1) 표준 정규 변수를 이용한 근사적 방법 536
(2) 포아슨 분포를 이용한 근사적 방법 538
(3) 작동 특성 선도 540
9.4 순차 시험 543
(1) 순차 시험의 원리 544
(2) 이항 분포의 경우 546
(3) 지수 분포의 경우 548
(4) 와이블 분포의 경우 552
?참고 문헌 556



제10장
신뢰도 성장 계획


10.1 신뢰도 성장 모델 558
(1) 듀안 모델 558
(2) Crow-AMSAA 모델 565
10.2 신뢰도 성장 계획 572
10.3 신뢰도 추적 578
?참고 문헌 582



제11장
샘플링 검수


11.1 기본 개념 584
11.2 샘플링 검수의 종류 585
11.3 샘플링 검수의 위험 586
11.4 샘플링 검수의 작동 특성 선도 586
11.5 속성 샘플링 검수 589
11.6 순차 샘플링 검수 596
11.7 변량 샘플링 검수 597
(1) 로트의 평균 품질을 유지하기 위한 변량 샘플링 검수 598
(2) 로트의 하한 또는 상한 부적합률을 유지하기 위한 변량 샘플링 검수 599
(3) 로트의 하한과 상한 부적합률을 모두 유지하기 위한 변량 샘플링 검수 602
(4) 검수 선도를 이용한 검수 607
?참고 문헌 609



제12장
시험 코드


12.1 무고장 가속 시험 613
12.2 유압 펌프 614
12.3 수동 변속 기어 박스 620
12.4 전동 라인 626
12.5 트럭용 9단 변속기 652
(1) 기본 원리 652
(2) 가속 시험 656
12.6 차량 변속기 667
(1) 기본 데이터 667
1) 차량의 사용 형태 668
2) 차량 제원 668
3) 계수 669
(2) 가속 시험 방법 670
1) 속도 분포 670
2) 변속 속도 673
3) 변속기의 피로 손상 추정 675
4) 도로 형태별 주행 시간 및 주행 거리 백분율 679
5) 주행 거리 백분율을 고려한 피로 손상 680
6) 부하에 의한 피로 손상 680
7) 기속 시험에 의한 피로 손상 681
8) 가속 시험 시간 683
(3) 가속 시험 684
1) 차량 데이터 684
2) 도로별 속도 분포 685
3) 변속 단수별 평균 속도 687
4) 주행 시간 기준 변속기의 피로 손상 690
5) 주행 거리 비율 기준 변속기의 피로 손상 693
6) 가속 시험에 의한 변속기의 피로 손상 694
7) 가속 시험 시간 697
12.7 구름 베어링 702
(1) 기본 데이터 702
1) 베어링의 제원 702
2) 그리스와 윤활유의 열 특성 704
3) 사용 조건 706
4) 신뢰도와 고장 특성 706
(2) 베어링의 수명-하중 모델 707
1) 구름 베어링의 수명-하중 모델 707
2) 무고장 가속 시험 시간 707
3) 온도의 영향 708
(3) 무고장 가속 시험 708
?참고 문헌 713





부록


A. 관련 통계의 기초 716
A.1 표준 정규 변수 716
A.2 평균의 신뢰 구간 719
(1) 모집단의 분산을 아는 경우 719
(2) 모집단의 분산을 모르는 경우 722
(3) 신뢰 구간의 폭 723
A.3 가설 검정 724
A.4 분산 분석 729
(1) 일원 배치 분산 분석표 작성 729
(2) 분포 733
(3) 그룹 간 평균이 같다는 가설 검정 734
(4) 평균이 다른 그룹의 확인 737
(5) 두 평균 간 차이의 신뢰 구간 738
A.5 요인 분석 739
(1) 2원 배치 요인 분석 740
(2) 3원 배치 요인 분석 746
(3) 요인 실험 754
A.6 부분 요인 시험 773
(1) 부분 요인 시험 773
(2) 직교 시험 776
?참고 문헌 780

B. 주요 기계 부품의 형상계수와 특성 수명 781
B.1 기계 부품의 형상계수와 특성 수명 781
B.2 고장 형태에 따른 주요 기계 부품의, 수명 및 정비 전략 784
?참고 문헌 789
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김경욱 서울대학교 명예교수