Performance Improvement through the Remanufacturing Process Analysis of Industrial Hydraulic Pumps

산업용 유압펌프의 재제조 공정분석을 통한 성능개선

Abstract

As production, distribution, consumption and processing increase with the development of industrial societies, the importance of resource depletion and environmental problems is increasing day by day. This has led to increased research and interest in remanufacturing that can satisfy both environmental and economic aspects. Currently, the remanufacturing industry is progressed in Korea with automobile parts with as the central figure, and it needs to be expanded into various areas. In this study, the failure type analysis and FMEA were performed on the hydraulic pumps used in construction and industrial sites for the development of the standard remanufacturing process plan, and the actual disassembly and reassembly process was carried out. Remanufacturing products were manufactured through the analysis contents and drawing process, performance tests were conducted in accordance with RS B1501 criteria to evaluate performance, and all of these products passed the test criteria.

1. 서론

산업사회의 발달로 인한 생산, 유통, 소비 및 폐기 등으로 인한 자원의 고갈 및 환경문제의 중요성이 날로 증가하고 있다. 이러한 환경 및 경제적 측면을 만족시킬 수 있는 자원순환의 한 분야인 재제조에 대한 연구 및 관심이 증가하고 있다. 재제조란 이미 사용된 부품 및 제품을 체계적으로 회수하여, 해체, 검사, 부품 교체 및 조정, 재조립 등의 과정을 거쳐 신품과 동일한 수준으로 재상품화 하는 방법이다[1]. 재제조는 자원절감의 측면에서 효과적이며, 원재료, 노동력, 에너지 측면에서 약 80%의 가치를 복원시킬 수 있다. 국내는 자동차부품을 중심으로 재제조 산업이 꾸준히 진행되어 왔으며, 앞으로 건설 및 산업용 기계 등 다양한 분야로의 확대가 필요한 실정이다. 원자재를 시작으로 진행되는 일반 제조와 달리 재제조는 고장이나 폐기 직전의 제품 혹은 부품을 수집하는 것으로부터 시작된다. 추가적으로 큰 차이점으로는 재제조는 수집된 코어의 완전해체를 시작으로 공정이 진행된다.

따라서 본 연구에서는 산업현장에서 사용되는 유압제품 중 하나인 유압펌프의 재제조 공정을 분석하고 표준 공정 계획을 수립하는 데 중점을 두었다.

기존 연구동향을 살펴보면 Kim외 2명은 가전용 모터의 FMEA 실시를 함에 있어 기존 RPN 평가방법에서 설계 단계에서의 영향 요소에 대한 재정립 방법에 대해 연구하였다[2]. Kim외 4명은 유압 피스톤 펌프 소재의 마모 특성에 관한 연구[3] 및 피로 특성에 관한 연구[4]를 시행하여 소재에 관련된 고장 및 파괴 분석을 실시하였다. Song외 4명은 자동차용 교류발전기의 고정자 및 회전자에 대한 재제조 공적을 분석하고 심각도에 대한 재정립과 공정개선을 실시한 후 성능평가를 진행하였다[5]. Lee외 3명은 유압관련 제품들 중 유압실린더에 대한 재제조 연구를 진행하였는데[6] 이 연구는 설계 개선안에 대한 내용에 초점을 두었으나 본 연구에서는 재제조 후 성능 개선에 초점을 맞추었다.

전체적인 연구진행은 유압펌프가 가지고 있는 고장유형을 분석하고 실제 해체 및 재조립 공정을 진행함으로써 해당 공정이 가지고 있는 문제점 및 애로사항을 분석하였다. 분석된 결과를 바탕으로 설계 개선안 제안 및 표준공정안을 완성하고 최종적으로 완성된 재제조품의 성능을 측정하기 위한 테스트 베드의 구축과 평가를 진행하였다.

Fig. 1 Sequence of research progress

2. 유압펌프 고장유형 및 FMEA

2.1 유압펌프 고장유형 분석

해체 및 재조립 공정을 진행하기에 앞서 고장유형 분석을 통해 부품의 교체 및 조정단계에서 보다 원활한 공정이 진행될 수 있도록 해당 제품이 가지고 있는 고장유형을 분석하였다. 각각의 고장유형들은 다른 고장 유형의 잠재적 고장 유형 또는 다양한 잠재적 고장의 원인이 된다. 이러한 고장유형과 원인들은 유압펌프의 재제조 공정의 문제점을 파악할 수 있으며, 발생 가능한 단위 공정에서 고장원인을 제거할 수 있는 표준 공정에 대한 개선안을 제시할 수 있다. 고장유형 분석을 위하여 선행되어야 하는 부분은 어떤 부품에서 어떤 고장을 일으키는지에 대한 고장의 잠재적인 형태와 그에 따른 영향으로, 이를 파악하기 위하여 연구대상의 원제조업체 생산, 품질 및 기술담당과의 협의를 통하여 유압펌프의 주요 고장원인들을 Table 1에 나타내었다. Table 1을 보면 대상 제품은 피스톤 슈 토출량 감소 및 펌프소음 발생, 실린더 토출량 감소 등 8가지 유형의 고장유형을 가지고 있다. 그리고 각 고장유형의 잠재적 원인을 분석할 수 있으며, 주요 고장원인은 유압펌프의 각 부품에 대해 마모나 이물질이 발생, 열악한 사용 환경 및 오염된 작동유의 사용 등으로 인하여 손상이 발생하는 것으로 분석되었다.

Table 1. Fault Type Analysis of Hydraulic pump

2.2 유압펌프 FMEA

앞서 분석된 고장유형 Table 1을 바탕으로 FMEA를 적용하였으며[7], 고장모드의 중요도를 결정하기 위하여 연구 대상 유압펌프 제품생산에 참여한 유압 전문가 8명의 자문을 통해 위험우선순위를 결정하고, 그 평균을 내어 RPN(Risk Priority Number)을 산출한 결과를 Table 2에 나타내었다.

Table 2. Results of RPN analysis of hydraulic pump

Table 2의 결과를 살펴보면 고장 형태 중에서 피스톤 슈의 토출량 감소 및 펌프소음 발생, 요크 압력 반응 감소 및 샤프트 씰 펌프 외부누유에 대해 심각도가 가장 높았고, 검출도는 실린더 토출량 감소 및 드레인량 증대에서 높았으며, 샤프트 씰 펌프 외부 누유에 의한 고장 발생도가 가장 높은 것으로 분석되었다. 결과적으로 RPN값이 100 이상인 고장유형인 1, 2, 3, 4, 6, 8에서 개선사항이 필요한 것으로 파악되었다. 분석에 참여한 전문가들의 의견을 통하여 공통된 개선사항으로 유압펌프의 사용 시 주기적인 필터 및 오일 교체가 고장의 발생을 줄일 수 있는 것으로 나타났다.

3. 유압펌프 재제조 공정 분석

3.1 재제조 대상 유압펌프 분석

유압펌프는 유압장치에 있어서 심장의 역할을 하는 유압 발생원이다. 전동모터의 기계적 에너지를 유압에너지로 발생시켜 이를 밸브와 액추에이터인 실린더에 공급하여 작동할 수 있도록 하는 건설 및 산업용기계에 필수적인 장치이다. 본 연구에서는 Fig. 2와 같은 산업용기계의 사출성형기에 사용되는 유압펌프를 대상으로 16cc/rev의 사양과 210bar의 정격압력을 가지고 있는 5개의 펌프를 수집하여 재제조 과정인 해체 및 재조립공정을 진행하였다.

Fig. 2 Hydraulic pump subject to remanufacturing

3.2 재제조 대상 유압펌프 공정 분석

본 연구에서는 재제조 과정 중 해체 및 재조립 공정을 중심으로 진행하였다. 단위 공정 분석을 통하여 각 단위 공정이 가지고 있는 문제점을 분석한 후, 가장 영향을 미치는 공정을 찾아내고 개선점을 도출하였다.

3.2.1 유압펌프 해체 공정 분석

유압펌프의 해체 공정은 Fig. 3에서 보는 바와 같이 총 23 개의 공정 순서를 가지고 있으며, 각 단위 공정별 부품의 수, 해체 소요시간, 무게, 난이도 및 작업특성을 분석하였다. 각 공정순서 별 부품 수, 체결 요소의 수, 그리고 공정 소요시간에 따른 상관관계를 도출해내고, 부품의 수에 비례하는 해체 시간을 가지는 공정, 부품의 수에 반비례하는 체결요소의 수를 가지면서 해체 시간에 영향을 주는 공정 등을 분석하여 각 단위 공정의 문제점 및 개선안을 제안할 수 있다.

Fig. 3 Disassembly process analysis

전체 공정 중 3, 5, 7, 9번의 공정이 가장 영향을 크게 미친 공정으로 분석되었는데 5번 공정의 경우 실린더블럭을 해체 하는 작업 중 하나의 모듈로 구성되어 있지 않은 부품이기 때문에 피스톤 슈와 같은 부품들이 쏟아져 내리는 문제점을 가지고 있다. 해당 공정에 대한 개선을 위하여 실린더 블록을 해체 시 한 번에 잡아서 빼낼 수 있는 지그 개발에 대한 개선안을 제시할 수 있다.

3.2.2 유압펌프 재조립 공정 분석

해체 공정 분석과 같이 재조립 공정 분석을 Fig. 4와 같이 나타내었다. 재조립 공정은 총 17개의 공정 순서를 가지고 있으며, 분석결과 4개의 크리티컬한 공정이 발생하였음을 알 수 있다.

Fig. 4 Reassembly process analysis

특히 16번 공정에서 컴펜세이터 플러그, 가이드와 같은 작은 부품들의 조립 방향을 맞추어야 하는 과정에서 컴펜세이터의 좁은 본체로 인해 시야 확보가 쉽지 않아 다소 어려운 공정으로 소요시간이 길었음을 알 수 있다.

3.3 해체 및 재조립 공정 분석을 통한 개선안 제안

해체 및 재조립 공정을 통하여 크리티컬한 공정을 발견하고 이러한 공정의 문제점을 개선하기 위하여 Fig. 5와 같이 설계 개선안을 제안하였다.

Fig. 5 Suggestion for Design improvement

제안된 개선안은 실린더블럭의 해체 및 재조립 시의 효율성을 향상시키기 위한 집게 모양의 작업 도구 개발이다. 실린더블럭의 경우 해체 및 재조립 시에 피스톤 슈가 흘러내려 많은 시간을 소요하게 되고 작업자의 손을 다치게 할 수 있기에 작업도구를 사용한 개선안을 제안하였다. 이외에도 볼트의 모형변경, 가스켓의 방향성 설정을 통한 방안이 필요하였다.

4. 유압펌프 재제조 표준공정 개발

고장유형분석 및 FMEA, 해체 및 재조립의 단위공정 분석을 바탕으로 각 공정을 체계화하여 유압펌프의 재제조 표준공정안을 수립하였다. 공정 분석 진행과 함께 도면화 과정을 진행하였다. 또한, 상세도면화 과정을 통해 대상 및 교체 부품 등을 파악할 수 있다.

Fig. 6 Parts drawing & Process flow of hydraulic pump remanufacturing

5. 유압펌프 재제조 성능시험

유압펌프 표준 재제조 공정안을 통해 재제조된 유압펌프의 성능시험을 RS B0151의 기준[8]에 따라서 Fig. 7의 테스트 벤치를 통하여 시행하였다. 성능테스트는 배제용적(토출량)시험과 유량/압력 특성 시험을 진행하였다. 배제용적 시험에서는 무부하, 정격압력 속도까지 서서히 변화시키면서 토출유량을 측정하였고, 이론 토출 유량의 98% 이상을 만족시킴을 테스트하였다. 이론 토출유량은 식(1)과 같다.

\(\begin{align}\mathrm{Q}_{\mathrm{th}}=\frac{V_{t h} \times N}{1000}\end{align}\)       (1)

※ Vth : 이론 배제용적(cc/rev), N : 입력속도(rpm), Qth : 이론 토출유량(L/min)

: 재제조 대상 유압펌프의 이론 토출량은 (16*1800)/1000 = 28.8 (L/min)

Fig. 7 Test bench for Hydraulic pump

유량/압력 특성 시험에서는 정격 압력속도에서 토출부 부하압력을 최대 압력까지 변화시켜 유량/압력을 측정하였으며, 최대 압력에서 유량은 정격 토출유량의 10% 이하의 조건으로 실시하였다.

Table 3, 4의 #1∼#5의 코어는 시험결과 토출량 98%이상과 내부드레인 1200cc 이하를 모두 만족하였다. 유압펌프의 재제조품은 두 가지 시험을 통하여 신품대비 100% 동등한 결과 값을 나타내었고 해당 성능시험은 원제품 제조업체에서도 사용하는 양산 특성 시험으로 재제조품에 있어서 이 두 가지 시험을 통하여 재제조제품의 성능을 확인할 수 있었다.

Table 3. Result of discharge rate

Table 4. Result of internal drain

6. 유압펌프의 성능개선 안

유압파워팩에서의 드레인량은 오일탱크의 유온 상승의 인자이다. 이로 인해 상승된 오일은 공작기계 유압시스템의 척, 클램프 등의 온도를 상승시켜 미세변형을 일으킨다. 이 변형은 정밀가공기계의 오차를 발생시켜 최종적으로는 가공품질 불량을 일으킨다.

Fig. 8과 같이 피스톤로드의 드레인 구멍의 위치를 변경하여 피스톤의 컷오프 기능 시 드레인의 구멍의 개도를 기존보다 작게(0.5mm) 열리게 제작하여 드레인을 저감시켰다.

Fig. 8 Piston road drawing for reduction of drains in piston pump

또한 드레인량의 저감을 위해 실린더 블록과 웨이퍼 플레이트의 접촉면을 재제조시 연마공정을 추가하여 두 부품간의 밀착성을 높여 내부누유를 저감시켰다.

Fig. 9 Realize drain reduction through prototyping of piston rods

개선 결과 Fig. 10과 같이 일반 재제조 펌프의 초기 내부드레인량은 0.8LPM 이였으나 개선 재제조품 펌프의 내부드레인량은 0.4LPM으로 나타났으며 성능개선에 효과가 있다는 것을 검증하였다.

Fig. 10 Abrasive process of cylinder block and wafer plate

Fig. 11 Internal drainage of general and improved remanufacturing products

7.결론

본 연구에서는 건설 및 산업용 장비에서 사용되는 유압펌프의 재제조를 위한 공정분석 및 성능 평가를 시행하였다. 재제조를 진행하기에 앞서 해당 제품이 가지는 고장유형을 분석하고 FMEA를 실시하였다.

재제조 공정 진행을 위하여 5개의 코어를 회수하여 실제 해체 및 재조립 과정을 진행하였다. 해체 및 재조립 공정을 통하여 단위공정이 가지고 있는 가장 크게 영향을 미치는 공정을 도출하고 해당 공정의 개선을 위한 개선안 등을 제안하였다. 분석된 결과 및 개선안제안과 실제 제품에 대한 도면화 과정을 거쳐 유압펌프의 재제조를 위한 표준공정안을 완성하였다.

표준공정안을 바탕으로 완성한 재제조제품 5종에 관한 성능시험을 실시하였다. RS B1501의 기준에 따라 토출량 98%이상, 내부드레인 1200cc 이하를 모두 만족하는 결과를 나타내었으며 해당 성능시험은 실제 원제품에도 적용하는 시험으로 재제조 제품의 성능이 원제품에 비해 동등한 성능을 가짐을 확인하였다.

본 연구는 유압펌프의 재제조 공정 진행을 위한 표준공정안과 성능평가를 위한 시험방법을 제시함으로써 해당 제품의 재제조 공정을 이해하고 진행할 수 있을 것으로 판단된다.