A Durability Evaluation of Remanufactured Industrial Hydraulic Pump and Solenoid Valve

산업용 유압펌프 및 솔레노이드 밸브 재제조품의 내구성 평가

Abstract

Remanufacturing is one of the most important resource recycling technology in response to resource depletion and environmental pollution. Domestic remanufacturing industry don't invigorate compared to other advanced countries because of low price and reliability of remanufactured product. In this study, remanufactured hydraulic pump and solenoid valve were evaluated durability by accelerated life test. In order that standard remanufacturing process was developed by core analysis and failure mode and effect analysis. And cores were remanufactured by standard remanufacturing process. For accelerated life test, the evaluation item and criteria were deduced by results of FMEA, reliability standards and enterprise interior criteria. To evaluate durability of remanufactured product, the remanufactured hydraulic pump and solenoid valve were evaluated performance after accelerated life test and the results were satisfied with criteria. This study showed that remanufactured products have a similar level of durability to new products by definition of remanufacturing.

1. 서론

기술의 발전과 더불어 사회는 점점 편리해지고 있지만, 한정된 자원의 고갈과 산업발전에 따른 환경오염의 심각성은 점점 커지고 있다. 지속발전 가능한 사회의 구현을 위해서 이러한 문제점에 대응한 자원순환기술이 필수적으로 요구되고 있다. 재제조는 고장나거나 수명이 끝난 고품을 회수하여 분해-세척-검사-수리 및 조정-재조립 등 일련 의 과정을 통해 신품과 유사한 수준으로 복원하는 자원순환기술의 핵심 분야 중 하나이다[1,2].

재제조는 자동차 부품을 중심으로 전기전자부품, 건설기계부품, 산업기계 등 다양한 분야에서 많은 연구가 진행되고 있다. 국내의 재제조산업은 해외선진국 대비 활성화가 낮은 수준인데 이는 재 제조 업체의 영세성, 재제조품의 낮은 가격, 재제 조품에 대한 신뢰성 부재 등에서 기인한다. 국내의 재제조품 가격은 신품의 30∼60% 정도로 미국의 50∼75%, 유럽의 50∼85%보다 현저히 낮은 수준인데[3], 이는 품질인증 체계의 부재로 인해 재제조품의 신뢰성이 낮기 때문이다. 품질인증 체계를 갖추고 재제조품의 신뢰성이 확보된다면, 재 제조 업체는 합리적인 재제조품 판매가를 확보할 수 있고 소비자는 신품대비 낮은 가격에 고품위의 재제조품을 사용할 수 있다. 이를 통해 재제조 산업이 활성화될 수 있는 기반이 조성되고 나아가 지속발전 가능한 자원순환 사회가 구축될 것이다.

재제조에 대한 산업 현황 분석, 정책 개발, 설계, 표준공정, 성능평가, 품질인증 등 많은 분야에서 연구가 활발하게 진행되고 있지만, 재제조품에 대한 신뢰성, 내구성에 대한 연구는 부족한 상황이다.

Hong등[4]은 토크컨버터를 대상으로 실차테스트를 수행하여 재제조품과 신품에 대한 성능을 비 교 평가함으로써 성능 복원율을 확인하였다. Lee 등[5]은 자동차 엔진 실린더 블록을 대상으로 마모와 부식된 부위를 니켈 용접접합 기술을 통해 복원 후 수압 성능평가와 경도 실험을 수행하였다. Roh[6]는 노후화된 공작기계를 대상으로 안정성 검토 후, 재제조 전후의 성능평가를 통해 위치 결정 정밀도 등 성능향상을 확인하는 연구를 수행하였다. Song등[7]은 군용 재제조 부품인 전원 공급장치의 신뢰성 설계를 하고 사례연구를 통해 목표 MTBF(Mean Time Between Failures)를 만족함을 확인하였다. Park등[8]은 산업용 유압펌프를 대상으로 공정분석, FMEA(Failure Mode and Effect Analysis)를 통해 재제조 표준공정을 도출하고, 이를 바탕으로 재제조된 유압펌프의 토출량, 내부 드레인 성능시험을 통해 재제조품의 성능을 확인하였다.

본 논문에서는 재제조된 산업용 유압펌프와 솔레노이드 밸브를 대상으로 가속수명시험 후 성능시험을 수행하여 재제조품의 내구성을 평가하는 연구를 수행하였다. 유압펌프는 기존 연구에서 FMEA, 재제조 표준공정 수립을 수행하였고[8], 본 논문에서는 가속수명시험을 통한 내구성 평가를 수행하였다. 솔레노이드 밸브는 FMEA, 재제조 표준공정 정립, 가 속수명시험을 통한 내구성 평가를 실시하였다.

연구수행 절차는 우선 FMEA 결과를 활용하여 재제조 표준공정을 정립하고 신뢰성 기준을 바탕으로 재제조품의 성능평가를 실시한다. Fig. 1과 같이 기존 재제조 공정에 가속수명시험 후 성능시험을 통해 재제조품의 신뢰성 확보를 위한 내구성 시험을 진행하였다. 시험항목은 FMEA를 통해 도출하였고 시험기준은 고품을 신품과 유사한 수준 으로 복원한다는 재제조 정의에 부합하여 신품과 동등한 기준을 적용하였다.

Fig. 1 Remanufacturing process(Add durability test)

2. 솔레노이드 밸브 재제조 공정분석

2.1 솔레노이드 밸브 특성 분석

본 연구대상인 솔레노이드 밸브는 공작기계, 프레스 등 산업기계용 파워팩에 장착되어 유압원으로부터 유체를 전달받아 실린더나 유압모터의 운동방향을 제어하는 방향제어 밸브이다. 공급전원에 따라 AC형, DC형이 있으며 사용되는 스풀 (Spool)에 따라 유압회로가 달라져 제품외형은 동일하지만 여러 가지 회로로 구성하여 유압시스템 에 적용가능하다. 본 연구의 대상인 솔레노이드 밸브 사양은 Fig. 2와 같다.

Fig. 2 The objective of study: Solenoid valve

재제조 대상인 솔레노이드 밸브를 완전분해하면 Core Tube, Solenoid Body 2개의 조립군으로 분류되고, 총 15종 29개의 부품으로 구성되어 있다. 유압 제품의 특성상, 오링 및 패킹류는 100% 교체하며 Body, Spool 등 부품은 수리 및 조정을 통해 재사용 혹은 교체한다. Table 1에 솔레노이드 밸브의 부품 구성을 나타내었다.

Table 1. Part analysis of solenoid valve

2.2 솔레노이드 밸브 FMEA

본 연구에서는 표준공정을 도출하고, 가속수명 시험의 평가항목을 도출하기 위하여 FMEA를 실시하였다. FMEA는 제품이나 공정 등에서 발생이 예상되는 고장, 오류 등을 정의하고 관리함으로써 고장 위험을 사전 예방하고 고장 유형을 개선하는 기법이다[9]. FMEA 절차에 따라 솔레노이드 밸브의 고장 유형과 원인분석을 통하여 재제조 공정의 문제점을 파악하고 발생 가능한 단위 공정에서의 고장 원인을 제거할 수 있는 개선안을 도출하여 표준공정 도출에 정립하였다. FMEA를 위하여 솔레노이드 밸브의 고장형태분석을 하였으며, 그 결과인 잠재적 고장형태, 고장의 잠재적 영향, 고장의 잠재적 원인을 Table 2에 나타내었다.

Table 2. Failure mode analysis of solenoid valve

솔레노이드 밸브의 고장 형태로는 스풀 마모 및 부식, 스풀 불량, 침적물 생성, 밸브 바디 crack/파 손, 오링 변형 및 마모, 스프링 불능으로 분석되었 다. 주요 고장 원인은 솔레노이드밸브의 이물질 유 입으로 인한 스풀의 마모 및 부식, 스풀 불량, 침적물 생성 등이 있으며, 부하 및 외부 충격에 따른 파 손, 고온유로 인한 오링의 변형 및 마모, 스프링 불 능으로 인하여 고장이 발생하는 것으로 분석되었다.

솔레노이드 밸브의 6가지 고장 형태에 대한 심각도, 검출도, 발생도에 대해 관련 분야 5년 이상의 전문가 8명을 대상으로 설문 조사한 결과와 고장 형태분석 결과를 바탕으로 고장 모드의 중요도를 결정하기 위하여 RPN(Risk Priority Number)을 산출하였다. 심각도, 검출도, 발생도는 6가지의 고장 형태에 따라 설문조사를 통해 산출하였으며 일 반적으로 RPN은 심각도(S, Severity) ×검출도(D, Detection) ×발생도(O, Occurrence)로 나타내며 [10], RPN이 100 이상이면 문제점을 개선하기 위한 노력이 요구된다[11]. 산출결과 RPN이 100 이상으로 나타난 고장 형태는 스풀 마모 및 부식, 스프링 불능으로 분석되었고 각 고장형태의 RPN 을 낮추기 위한 개선안을 Table 3에 나타내었다.

Table 3. Improved process by FMEA of solenoid valve

3. 솔레노이드 밸브 재제조 표준공정 도출

해체와 재조립을 중심으로 단위공정 분석 및 FMEA 결과를 바탕으로 각 공정을 체계화하여 솔레노이드 밸브 표준공정안을 도출하였다. 19개의 단위공정으로 구성되어 있으며, 도출한 표준공정의 요약한 결과는 Table 4와 같다.

Table 4. Standard remanufacturing process of solenoid valve

4. 가속수명시험을 통한 재제조품의 내구성 평가

4.1 가속수명시험 평가항목 및 기준 도출

내구성 평가를 위한 가속수명시험의 항목 및 기준은 신뢰성 기준, 고품별 고장분석 및 FMEA를 통해 도출하였다. Fig. 3과 같이 RPN 값이 높은 고장 형태를 주요 평가항목으로 도출하고 시험방법 및 기준은 신뢰성 기준[12,13] 및 제조사 기준을 준용하였다.

Fig. 3 Process of evaluation item of accelerated life test

유압펌프의 경우 8가지의 고장형태 중 5개가 RPN 값이 100 이상으로 나타났고, Piston shoe, Cylinder 토출량 감소가 200 이상으로 높게 나타났다[8]. 이를 토대로 유압펌프의 가속수명시험 평 가항목은 토출유량으로 도출하였다.

솔레노이드 밸브의 경우 6개의 고장형태 중 2개 항목이 100 이상으로 나타났고, 스풀의 마모 및 부식이 160 이상으로 가장 높게 나타났다. 솔레노이드 밸브에서 주요 고장 부품은 스풀이며 스풀의 오버랩 구간이나 모서리의 면취상태에 따라 내부 누유에 영향을 끼친다. 이를 토대로 솔레노이드 밸브의 가속수명시험 평가항목은 내부 누유량으로 도출하였다.

4.2 가속수명시험 결과: 유압펌프

유압펌프 재제조품의 가속수명시험 방법은 Fig. 4와 같이 가속수명시험장치에 장착 후 압력조건 (로딩) 0bar에서 100bar가지 5초 유지, 압력조건 (언로딩) 100bar에서 0bar까지 6초간 유지 조건 을 반복하여 1,000시간 가동하였다.

Fig. 4 Specimen and test-bed for accelerated life test (Remanufactured hydraulic pump)

가속수명시험을 진행하면서 평가항목인 토출유량을 0시간, 500시간 가동 후, 1,000시간 가동 후로 나누어 측정하였다. 토출유량 측정방법은 성능시험방법과 동일하게 테스트베드에 장착한 후, 135bar(±1)까지 압력을 상승시킨 상태에서 토출 유량을 측정하였다[8].

유압펌프 재제조품을 Fig. 5와 같이 0시간, 533 시간, 1,000시간 수명가속시험 후 성능시험을 진행하였다. 유압펌프 재제조품의 가속수명시험 후 토출 유량 성능평가 결과를 Table 5에 나타내었다. 시편 1의 경우 초기값 28.3L/min에서 500시간 가동 후 28.1L/min, 1,000시간 가동 후 28.0L/min으로 결과가 나타났다. 시편 2의 경우 초기값 28.6L/min, 500시간 가동 후 28.7L/min, 1,000시간 가동 후 28.5L/min으 로 나타났다. 가동시간이 증가함에 따라 토출유량 성능이 저하되는 결과를 확인했으나, 시험시간인 1,000 시간 가동 후 토출유량은 신품 기준인 28L/min을 모두 만족함을 확인할 수 있었다.

Table 5. Accelerated life test of remanufactured hydraulic pump(Discharge rate)

Fig. 5 Operation time of accelerated life Test (Remanufactured hydraulic pump)

4.3 가속수명시험 결과: 솔레노이드 밸브

솔레노이드 밸브의 가속수명시험 방법은 재제조품 5개를 테스트베드에 장착하여 1 사이클에(2초) 전기 신호 조건에 따라서 100만 사이클(200만초, 약 555.56 시간)을 작동하였다. 100만 사이클 작동 후 Fig. 6의 회로도에 표시된 내부 누유 측정 지점에서 누유량을 측정하며, 내부 누유량이 신품과 동일한 기준인 20cc 이하이면 재제조품의 수명시험 목표 기준에 도달하는 것으로 판단할 수 있다. Fig. 7은 재제조된 솔레노이드 밸브 시편 5개와 회로도에 따라 설계된 가속수명시험 테스트베드를 보여주고 있다.

Fig. 6 Circuit diagram of solenoid valve Test-bed (accelerated life test)

Fig. 7 Specimen and test-bed for accelerated life test (Remanufactured solenoid valve)

내부 누유량 측정방법은 Fig. 8과 같이 펌프의 압력을 120bar로 설정하고, 솔레노이브 밸브를 ‘OFF’ 상태로 유지하면서 ‘T’라인의 볼밸브를 잠근다.

Fig. 8 Measurement of internal oil leak of solenoid valve

그리고 ‘T’라인의 내부 누유 측정 포인트를 열어서 외부 누유가 없는지 확인하면서 1분간 내부 누유량을 측정한다. 내부 누유량은 Fig. 9와 같이 가속수명시험 전, 100만 사이클 가속수명시험 후 각각 측정하였다.

Fig. 9 Operation time of accelerated life Test (Remanufactured solenoid valve)

내부 누유는 Fig. 8과 같이 비커를 활용하여 1분간 측정하기 때문에 누유된 작동유를 담은 비커 무게, 비어있는 비커 무게를 각각 측정한 후 무게 차이에 작동유의 밀도를 나눈 값이 내부 누유량이 된다. 시편 밸브 1번의 가속수명시험 후 내부 누유량을 보면 Fig. 10과 같이 누유된 작동유 포함 무게는 18.9919g(B), 비커의 무게는 15.0441g(A) 이다. B에서 비커의 무게 A를 제외한 3.9478g이 누유된 작동유의 무게이며 여기에 솔레노이드 밸브에 사용된 작동유의 밀도인 0.86g/cc를 나눠주면 내부 누유량(cc)은 약 4.59cc로 계산된다.

Fig. 10 Calculation of internal oil leak

솔레노이드 밸브 재제조품의 내부 누유량은 재 제조 후 초기 상태, 100만 사이클 후 상태에서 각각 측정하였다. 내부 누유량 성능평가 결과, 시 편 1의 경우 초기는 3.06cc 내부 누유량이 측정 되었고, 100만 사이클 가동 후에는 4.59cc 누유량이 측정되었다. 시편 1부터 5까지 내부 누유량 을 측정한 결과, 시편 5개 모두 가동시간이 증가함에 따라 내부 누유량이 증가되는 결과가 나타났지만, 초기 내부 누유량, 100만 사이클 후 내부 누유량 모두 신품 기준인 20cc 이하를 만족함을 확인할 수 있었으며, 이를 Table 6에 나타내었다.

Table 6. Accelerated life test of remanufactured solenoid valve(Internal oil leak)

5. 결론

본 연구에서는 유압펌프 및 솔레노이드 밸브를 대상으로 제품 분석, 해체 및 재조립 공정을 중심으로 공정분석 및 FMEA를 실시하였고, 이를 토대로 재제조 표준공정을 도출하였다. 표준공정에 따라 제품 수명이 종료된 솔레노이드 밸브를 재제조하였다. 유압펌프는 기존 연구[8]를 활용하여 성능평가를 위한 가속수명시험을 실시하여 결과를 도 출하였다.

재제조품을 신뢰성 기준, 제조사 기준에 맞춰 가속수명시험 테스트베드를 구성하여 각각 가속수명시험을 진행하였다. 가속수명시험 후 성능시험 평가항목은 FMEA 결과에 따라 RPN이 가장 높은 핵심 고장유형에 기인하는 항목으로 선정하는 방법을 제시하였고, 이에 따라 유압펌프는 토출유량, 솔레노이드 밸브는 내부 누유량을 평가항목으로 결정하였다. 가속수명시험 후 평가항목에 따른 성능평가를 시행한 결과 가동 시간이 증가함에 따라 성능은 저하되었지만, 신품과 동일한 기준인 유압 펌프 토출유량 28L/min 이상, 솔레노이드 밸브 내부 누유량 20cc 이하를 모두 만족함을 확인하 였다.

본 연구의 결과를 통해 FMEA로 도출한 제품의 핵심 성능 면에서 재제조품은 신품과 유사한 수준의 내구성을 가지고 있다라고 평가할 수 있고 이는 향후 재제조품의 신뢰성 기준 도출에 활용될 수 있을 것으로 예상된다.