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기계의 사용주기를 고려한 안전율 제한 | ||
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기계의 사용주기를 고려한 안전율 제한 편 1. 개요 안전율은 기계의 신뢰성 공학을 바탕으로 한 통계적 수치로 기계의 사용수명과 밀접한 관련이 있다. 이는 설계에 곧바로 반영되어 원가절감을 이루고 기계의 사용성을 향상시키는 등 부가적인 효과를 창출 할 수 있으며 경우에 따라서는 기계의 일괄적인 표준화도 가능하다. 2. 안전율 책정 2-1. 안전율 책정 시 고려사항 2-1-1. 하중 및 대응 장치류의 사용성 판별 - 하중의 성격판별 : 단기하중, 중기하중, 장기하중 - 하중의 운동성 판별 : 교번, 충격, 반복, 편진, 양진등 .., - 하중과 장치류의 역학관계 판별 : 수직, 수평, 경사, 모멘트분석 2-1-2. 구조물의 형상 : 하중이 재하될 부분의 형상을 고려해야 한다. 구멍, 단차, 파임 그리고 단면 이 급작스럽게 변하는 노치(notch)를 고려하여 응력조건을 부여해야 하며 또 효과적인 재료의 배치에 의한 단면효과, 부품류의 표면 거칠기, 녹, 부식, 사용재료에 대한 물성치 등을 파악해야 한다. 2-1-3. 사용재료 : 주강, 강, 주철, 합금 등의 각각의 재료사용에 신중해야 한다. 안전율을 정의할 경 우 일반적인 탄소강의 경우 기준강도를 항복점으로 설정하지만 주철의 경우엔 기준강도를 인장강도로 정의한다. 이와 같은 이유는 탄성과 취성의 상극성이 관여되기 때문이다. 또 AL' 과 같은 합금재료에 대해서는 항복점의 경계가 묘연하여 탄소강과 동일적용이 어렵고 전적으로 제작사의 신뢰성자료 (검사성적서)를 참조해야 한다. 2-1-4. 기계의 사용환경 : 철강류는 고온에서 Creep Stress 가 발생되어 상온에서의 사용조건보다 과중한 피로한계에 도달하게 된다. 또 사용재질에 따라서 저온에서의 취성도 염두 해야 한다. 화학공 장에서 사용 시 부식에 의한 공식, 유체의 흐름이 빠른 수증이나 액체 상태에서 압력차로 발생되는 기화현상인 캐비테이션(공동현상)에 의한 점침식도 빠트려 생각할 수 없는 부분이다. 2-2. 안전율의 책정방법 안전율의 책정방법은 기계 및 기구류의 역학적 해석방법에 따라 다양하지만 허용응력해석법에 따르는 아래의 방법을 소개한다. 2-2-1. 경험적 안전율(S) - 경험적 안전율(S) = 경험적인 안전율 = 기준강도 / 허용응력 - 사용조건에 따른 안전율 책정방법 소개 - 탄소강의 기준강도 : 항복점(보통 하항복점) - 취성재료의 기준강도 : 인장강도 - 세장,압축재료의 기준강도 : 굽힘응력 - 고온에서의 기준강도 : 크리프강도 - 반복, 굽힘이 잦은 재료에서의 기준강도 : 피로한도 - 저온에서의 기준강도 : 피로강도를 가급적 낮게 잡는다 2-2-2. 캐듈러의 안전율 과거 미국의 공학자 캐듈러는 안전율을 아래와 같이 정의하였고 결과적으로 S=3 에 근사 한 값을 가지고 있다. - 안전율 = a x b x c x d a : 하중계수 - 인장강도와 탄성한도의 비 b : 탄성비 - 탄성한도와 피로한도의 비 c : 충격계수 d : 여유계수 2-3. 안전율 사용방법에 따른 효과 안전율 책정에 따라 기계설계 및 제도적으로 재료의 외형적, 치수적으로 큰 수치를 넣거나 때로는 동력원의 역율을 감안하여 몇 배로 어림잡아 사용하는 것이 일부 현업자들에게서 이루워지고 있는 것이 현재의 실정이다. 안전율은 - 가. 관성모멘트를 크게 설정하여 재료의 치수효과를 보는 방법 - 나. 관성모멘트는 유지하면서 경계조건의 효율적 활용을 통해 접합방식을 개선하는 방법 - 다. 관성모멘트를 저감하기 위해 재료의 화학적, 물리적 열처리 방법을 적용하는 방법 - 라. 외력의 크기를 물리적으로 저감시키기 위해 기구학적으로 내력을 만들어 내는 방법 - 마. 마찰계수를 줄이거나 일률을 기구학적으로 보상받아 동력의 역률을 강제 증가시키는 방법 가)의 방법은 단순구조물의 경우 비교적 공간활용의 제약을 받지 않고 빠른 설계와 시공이 가능한 경우 나)의 방법은 접합방법의 활용을 통해 (제 1편 참조) 부재력을 향상시킨 경우로 원가절감에 큰 효과가 있으며 다)의 방법은 공간 활용의 제한을 받거나 첨단 집약적 설계를 요하는 곳에 적합한 방법이며 라)의 방법은 나)의 방법과 병행 시 원가절감의 효과를 더하며 마)의 방법은 기구학적 부재비용 대비 동력저감비용의 우월성을 비교하여 사용할 방법이다. 이를 종합하면 안전율의 사용은 반드시 부재의 치수효과나 동력의 오버스펙을 지향하지 않음을 알 수 있다. 2-4. 안전율을 극대화하기 위한 여러 가지 방법들 2-4-1. 적극적인 방법 - 표면처리 : 물리적인 방법(침탄, 질화, 유화), 화학적인 방법(불꽃경화, 고주파 경화) - 열처리 : 풀림, 불림, 담금질 후 뜨임처리 - 금속침투법 : 니켈확산침투, 보로나이징, 탄화물 침투법, 알루미늄 또는 아연확산침투범 2-4-2. 소극적인 방법 - sand blasting 또는 short blasting 을 통해 표면 처리하는 방법 - 도금후처리작업 : 흑염착색, 피커라이징(인산염피막), 무전해 니켈도금, 알루마이트 - buffing, 폴리싱(EP 포함) 등의 연마법 - 가공 시 chamfering, rounding 을 통한 응력재분배 공정 2-5. 안전율의 중복 안전율에 대한 일괄적인 정책이 정의되지 않는 다면 안전율의 중복을 피할 길이 없다. 2-4항의 방법은 물리,화학적인 방법을 이용하여 재료의 기준강도에 내마모성, 내구성, 내열성, 내식 및 방식성을 더하는 방법이고 이러한 방법을 가하였음에도 기준강도에 대해서 적절한 치수절감효과를 보지 못하였다면 이는 안전율이 중복발생 된 결과이고 그 결과에 따라 제 3 의 안전율 중복으로 이어질 수 있으며 이는 원가절감의 취지를 벗어나 안전율의 사용목적이 왜곡되는 상황까지 발생되는 것이다. 3. 기계의 경제적 사용수명 3-1. 선도를 통한 경제적 사용수명의 의미 상기의 선도에서 기계의 사용비용을 P 축으로 정의하고 시간을 T 축으로 정의하였다. 기계의 사용시간이 증가함에 따라 사용비용도 S 곡선의 형태로 바뀌게 된다. 기계사용초기 사용비용이 P1에서 급작스럽게 증가하는 이유는 장비의 사용미숙에서 오는 근로자의 실시간 작업률이 저하되거나 초기 납품 후 장비의 오작동에서도 발생될 수 있는 비용이 고려된 연유이다. 사용시간이 T1 ~ T2 로 증가함에 따라 장비의 사용비용은 완만하게 증가되는데 이 비용은 장비의 감가상각 및 정비 및 제관리에서 오는 비용의 증가를 의미한다. 사용시간이 T2 를 넘어 T3 에 도달했을 경우 장비의 사용비용은 극대화되어 장비의 초기구입비에서 10% 감가상각한 비용의 한도를 넘어 서게 되면 이를 기계의 경제적 사용수명의 한도라 할 수 있다. 이 값의 의미는 기계 사용시간의 최대 값(P3, T3)이고 이를 바꿔서 말하면 이 값의 초과는 더 이상 기계사용상의 가치는 없다는 의미로 해석해도 좋을 것이다. 3-2. 기계의 경제적 사용수명을 좌우하는 요인 가) 기계 Operator 의 장비사용 숙련도 나) 기계사용조건(utility equipment) 의 운영능력 다) 기계의 오작동 여부 라) 기계의 사용목적에 따른 사용주기 마) 생산물목에 따른 기계의 생산성 바) 타장비와의 생산 분배성 3-3. 적용검토 3-1,2 의 고찰을 통해 장비 또는 기계설비등을 적정성능을 추론할 수 있고 추론된 성능에 따라 기계에 적합한 성능을 부여해야 함은 설계자의 몫이다. 좋은 성능의 시스템(수명, 생산성, 사후관리 등을 의미한다고 하자)을 납품하였다고는 하지만 고객사의 기계 사용주기 및 생산 분배성에 적절히 부합되지 못한다면 오히려 기계제작원가에 상당수의 거품으로 용도를 다하지 못하고 폐기되고 말 것이다. ○ 기술영업 -> 고객사의 납품설비에 대한 경제적 사용수명 검토 ○ 설비설계 -> 경제적 사용수명을 고려한 효율적인 원가도입(안전율의 재해석) 결국 원가절감의 행동부서는 설계이지만 행동을 위한 경제성검토 및 Data FeedBack 은 기술영업의 몫인 셈이다. 항목공정 중요도공정흐름분석가중치 기준예시1주공정 장비주공정에 대한 가동율은 얼마인가? (작업능률 * 실시간 작업률 = 작업효율)중요 : 80% 보통 : 60% 낮음 : 50%2부공정 장비주공정 수행을 위한 주변 공정 가동율은 얼마인가? (부공정가동량 / 주공정 가동량) = 주공정에 대한 분배율3예비장비예비장비 확보율은 얼마인가? (주공정대비 부공정장비의 생산성에 따른) 공학적 안전율에 가해지는 가중치 예시 4. 결론 안전율 도입의 목적은 기계의 성능, 신뢰성공학을 기반으로 하지만 고객사의 납품물목에 대한 생산성내에서 고려되야 한다. 바꿔 말하면 기계의 성능 및 신뢰성은 기계의 경제적 내용시간 내에서 반영되어야 하며 그 반영결과는 생산성으로 이어져야 진정한 원가절감의 목적을 이룰 수 있는 것이다. 이미 건설업종에서의 세계적 흐름은 낡은 허용응력해법을 탈피하고 한계상태해석법을 도입하여 통계적이고 신뢰할 만한 기초자료를 토대로 상당수 원가절감을 이루는 근간을 만들어 왔고 늦게나마 국내에서는 건설교통부 고지를 통해서도 한계상태해석법을 장려하고 있는 형편이다. (참고로 국내는 허용응력법, 강도해석법의 병행이 주종) 사실 기계분야는 고도로 발전해가는 건설산업에 묻혀버려 마땅한 해법 및 지침 없이 과거 일제시대 때에나 통용되던 주먹구구식의 원가산정을 해온 것이 사실이다. 경제적 내용시간의 산정은 절대적으로 고객사의 생산주기를 근간으로 하며 그 내용에 따라 3-3 과 같은 예시기준이 필요하고 그 결과는 아래와 같은 초도식으로 표현됨이 가치공학(VE)적인 안전율에 대한 개념임을 인지해야 할 때이다. 가치 공학적 안전율(S) = 공학적 안전율 (S1) * 가중치 (S2) 
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| Toal 65 |
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