중복 설계

Redundant Design

7.1 신뢰성 설계기술 [공기1회] [기지1회] [품기8회]

• 제품의 고유 신뢰도는 설계시 선택된 제품 구조, 부품 구성 및 각 부품의 신뢰도 등에 의하여
결정되는 값이다.
• 일반적으로 제품은 그 제품의 기능을 수행하는데 꼭 필요한 부품들로만 구성되기 때문에
신뢰도는 직렬결합 모델로 표현된다.
• 따라서 제품의 신뢰도를 R , 각 구성부품의 신뢰도를 r_i(i= 1,2,...n)
제품의 고장률을 λ , 각 구성부품의 고장률을 λ_ii , 구성부품의 수를 n 이라고 하고,
지수분포형 신뢰도를 가정하면 다음과 같은 관계가 성립한다. $$$ R=\prod_{i=1}^n r_{i} \quad , \quad \lambda=\sum_{i=1}^n \lambda_{i} $$$ 만약 λ _i= λ ₀이면 다음과 같이 된다.
$$$ \lambda=\lambda_{0} \quad , \quad R=e^{-n \lambda_{0} t} $$$

윗 식에서 알 수 있는 바와 같이 구성부품수 n 이 증가(또는 복잡)할수록 제품의 고장률은 증가하고,
신뢰도가 저하된다.

• 그런데 n 의 값은 제품의 요구기능에 의해서 결정되는 값이기 때문에
설계시 이것을 적게(또는 단순화)하는 데에는 한계가 있다.

• 이와 같은 원리적 상반점을 극복하는 신뢰성 설계기술을 최적 리던던시(redundancy)
설계법이라고 하는데, 신뢰성 설계기술에는 설계구조에 관련된 리던던시 설계법 이외에도
구성부품이나 재료의 선택에 관계된 방법 등 여러 가지 방법이 있다.

(1)리던던시 설계 [공기1회] [품기2회]

• 구성품의 일부가 고장나더라도 그 구성부분이 고장나지 않도록 설계되어 있는 것을
리던던시(용장, 병렬, 과잉, 여유)설계라고 한다.

• 이러한 리던던시(redundancy)설계의 특징은 구성품이 여분의 구성요소를 가지고 있기 때문에
그 구성품의 고장이 반드시 전체의 고장을 일으키지는 않는다는 데 있다.

• 이와 같이 고도의 신뢰도가 요구되는 특정 부분에 여분의 구성품을 더 설치함으로써
그 부분의 신뢰도를 높이는 방법을 리던던시 설계라고 한다.

• 이 방법에는
① 처음부터 여분의 구성품이 주구성품과 함께 작동을 하게 하는 병렬 리던 던시설계,
② 여분의 구성품은 대기상태에 있습니다가 주 구성품이 고장나면 그 기능을 인계받아 계속 수행하게 하는
대기 리던던시(stand-by redundancy)설계가 있다.

(2)부품의 단순화와 표준화

• 식 (6.99)와 식 (6.100)에서 알 수 있는 바와 같이 구성부품의 수 n 이 증가하면 제품의 고장률은 증가하고,
신뢰도는 저하된다.

• 따라서 이것을 극복하고 신뢰성의 저하를 줄이기 위해서는 부품의 단순화와 표준화 대책이 요망된다.

(3)최적재료의 선정 [품기3회]

• 신뢰성 설계기술 중 설계기술 못지 않게 중요한 것은 최적의 재료를 선정하여 제품의 제조에 사용하는 것이다.

• 이러한 최적재료 선정에 고려할 요소는 다음과 같습니다.
① 기기특성
인장강도, 압축강도, 절단강도, 면압강도 등이 클 것
② 비중
가볍고 강한 재료를 사용함으로써 구조 전체를 가능한 한 가볍게 설계할 것
③ 가공성
기계가공이 필요한 것은 절삭이 용이하고, 용접 또는 접착성이 좋으며,
판인 경우에는 프레스 가공이 용이할 것
④ 내환경성
구조물의 임무 또는 용도에 따라 고온이나 극저온에서 사용되는 재료가 있을 수 있는데,
이런 경우 소요의 온도범위에서 강도의 저하가 적을 것.
또한 염분이나 온도 등의 환경에서 부식 등의 열화가 발생하지 않을 것 등이 요구된다.
⑤ 원가
재료의 구입가격 뿐만 아니라 제작, 가공 및 보전을 포함한 생애비용이 쌀 것
⑥ 내구성
피로, 마모, 열화 등의 손상이 급격히 진행되지 않을 것
⑦ 품질과 납기
품질이 균일하고, 수요에 대응한 소요량이 언제라도 확보될 수 있을 것.

• 한편 최적재료의 선정을 위한 RACER법이 알려져 있으며, 이를 소개하면 다음과 같습니다.
RACER법은 웨스팅하우스(WH)사에서 레이팅시스템(rating system)이라는 방법으로 제안되어
제품 및 부품 선정법으로 활용되고 있다.

[그림 6.14] RACER법

① Reliability(신뢰도), ② Availability(공급성), ③ Compatibility(적합성)
④ Economy(경제성), ⑤ Reproducibility(교환성 및 균일성)

• RACER 항목별 각각 점수(5점 만점)및 가중치(3또는 4)가 주어지고,
가중점수(점수 x 가중치)를 구한 후 합계점수가 큰 재료를 선정하는 방법이다.

(8)스트레스·강도 모델 (stress and strength model)

• 시간이 지남에 따라 강도의 열화로 인하여 스트레스가 강도보다 커졌을 때 고장이 발생하므로,
신뢰도를 증가시키기 위해 스트레스와 강도의 차이, 즉 안전여유를 적절하게 고려하는 설계이다.

(9)설계에서의 신뢰성시험

• 설계에서의 신뢰성시험은 완성품이 아닌 개발적·기술적 시험이 중요시되며,
이의 내용은 다음과 같습니다.
① 재료부품의 기능, 耐스트레스의 시험, ② 시작단계의 제품 및 하위시스템의 시험
③ 생산전의 제품 및 시스템의 시험, ④ 생산품의 시험

(10)다른 품질과의 균형

• 신뢰성 뿐만 아니라 제품의 품질을 결정하는 여러 가지 요소, 즉 편의성, 보전성, 경제성,
제조성 등과의 균형을 취하는 것도 반드시 필요한다.

(11)설계심사 (design review)

• 제품의 모든 품질요소에 관해서 관련되는 각 부문의 대표(설계, 기술, 제조, QA/QC, 구매,
판매, 서비스)로 구성된 위원회 형식으로 제품설계의 초기, 중기, 후기 등의 각 단계에서 행하는
종합적 설계검토 시스템이 활용된다.

7.2 고유신뢰성 및 사용신뢰성 향상 [품기3회]

• 신뢰성관리는 [그림 6.15]와 같이 크게 고유신뢰성(설계 및 제조의 신뢰성)과
사용신뢰성(출하 후의 신뢰성)으로 나눌 수 있다.

[그림 6.15] 신뢰도의 구성

동작신뢰도 (고유신뢰도 , 사용신뢰도)
고유신뢰도 (설계신뢰도, 제작신뢰도 , "설치신뢰도 ")
사용신뢰도 ("설치신뢰도 ", 운전·조작신뢰도 , 보전신뢰도)

(1)고유신뢰성의 제고방법 [기지1회] [품기2회]

• 고유신뢰성은 제품의 수명을 연장하고 고장을 적게 하는 신뢰성설계와 공정관리나 공정해석에 의하여
기술적 요인을 찾아내고 이를 시정하는 품질관리활동으로 달성된다.

• 제품의 설계단계에서 고유신뢰성을 증대시키기 위하여 일반적으로 많이 사용되는 방법은
다음과 같습니다.
① 병렬 및 대기 리던던시(redundancy)의 활용
② 제품의 단순화, ③ 고신뢰도 부품의 사용
④ 부품고장의 사후영향을 제한하기 위한 구조적 설계방안의 강구
⑤ 부품의 전기적, 기계적, 열적 및 기타 작동조건의 경감(derating)
⑥ 부품과 조립품의 단순화 및 표준화, ⑦ 시험의 자동화

• 이상의 방법은 신뢰도가 낮은 부품으로 신뢰도가 높은 제품을 만들 수 있게 할 뿐 아니라
제품의 고장률을 감소시키고, 평균수리시간도 감소시키며, 제품의 연속적인 작동시간을 증가시키게 된다.

• 제품의 제조단계에 있어서는 일반적으로 다음의 방법으로 제품의 고유신뢰도를 증대시킴.
① 제조기술의 향상, ② 제조공정의 자동화, ③ 제조품질의 통계적 관리
④ 부품과 제품의 burn-in

• 이상의 방법은 주로 제품의 고장률을 감소시킴으로써 제품 신뢰도를 증대시키게 된다.

(2)사용신뢰성의 제고방법

• 제품의 사용단계에 있어서는 제품의 신뢰도 증가보다는, 설계와 제조과정에서 형성된 제품의
고유 신뢰도를 될 수 있는한 장기간 보존하는 것이 필요한다.

• 제품의 사용단계에서의 사용신뢰도를 높이기 위해서는 다음 사항들이 권장된다.
① 포장, 보관, 운송, 판매의 제 과정에서 품질관리에서 보증된 품질특성이 그대로 유지되고,
&드네; 사용방법과 보전방법이 정해진 기준대로 준수되도록 사후관리를 철저하게 행한다.
② 특히 출하 후의 신뢰성관리에 중요한 것은 예방보전(PM ; Preventive Maintenance)과
사후보전(BM, Breakdown Maintenance)의 체제 확립으로 애프터 서비스를 행한다.
③ 사용중의 열화정보를 수집함으로써 차기의 제품개발이나 설계에 이것을 반영한다.
④ 적절한 연속작동시간(또는 일회 사용시간)의 결정
⑤ 사용자에게 기기나 시스템에 대한 제반지식을 주지시키기 위한 매뉴얼의 작성·배포와
조작방법에 대한 교육실시로 고장을 사전 방지하도록 한다.

7.3 리던던시(Redundancy)설계

고도의 신뢰도가 요구되는 특정부분에 여분의 구성품을 더 설치함으로써 구성품의 일부가
고장나더라도 그 구성부분이 고장나지 않도록 설계하여 그 부분의 신뢰도를 높이는 방법을
리던던시(용장, 병렬, 여유, 과잉)설계라 한다.

• 리던던시설계에는
①병렬리던던시(parallelredundancy)설계,
②대기리던던시 (stand-by redundancy)설계,
③ n 중 k(k out of n)리던던시 설계 등이 있다.> • 대기 리던던시 설계의 경우에는 스위칭시스템(switching system)의 신뢰도가 중요한다.

병렬 리던던시 설계

(1)부품별 병렬 리던던시(부품중복)방법

여기서, r : 각 부품의 신뢰도,
n : 직렬결합 부품수 ,
m : 병렬결합수(중복도)

(2)부분(Part)별 병렬 리던던시(시스템 중복)방법

여기서, r : 각 부품의 신뢰도,
n : 직렬결합 부품수 ,
m : 병렬결합수(중복도)

(3)병렬 리던던시 설계의 신뢰도 비교

부품별 병렬 리던던시(부품중복)방법은 부분(part)별 병렬 리던던시(시스템중복)방법보다 신뢰도가 높음.

7.3.2 대기(Stand-by)리던던시설계

• 대기 리던던시는 어떤 구성요소가 규정된 기능을 수행하고 있는 동안, 주부품으로 바뀔 때까지
예비로서 대기하고 있는 구성요소를 가진 리던던시를 말한다.
① 냉대기시스템
대기유닛(unit)이 절환(switching)시까지 동작정지 또는 휴지상태로 있는 것을 말하며,
대기유닛이 고장 열화가 없고 향상 신품의 상태에 있다.
② 열대기시스템
대기유닛을 언제나 동작상태로 놓고 언제든지 절환할 수 있도록 되어있는 것을 말한다.
③ 온대기시스템
대기유닛은 전원만 연결된 상태이며, 고장나는 수도 있으나 그 신뢰성은 주된 유닛보다는 높음.