신뢰성이란 ‘믿고 의지할 수 있는 성질’입니다.
쉽게 말해 ‘물건을 사용하는 동안 고장 없이 가동하는 성질’ = ‘고장 나지 않는 성질’을 말합니다.
좁은 의미와 넓은 의미의 분류는 다음의 사실에서 비롯되었습니다. 물건의 수명이 유한하다는 것. 즉, 언젠가는 고장이 난다는 것입니다. 고장이 났을 때는 버리거나 또는 수리해서 다시 사용하는 두 가지 방법이 있습니다. 전자를 일회용품, 후자를 수리 가능품이라고 합니다.
일회용품의 신뢰성은 ‘좁은 의미의 신뢰성’ 수리 가능품의 신뢰성은 ‘넓은 의미의 신뢰성’ 입니다.
넓은 의미의 신뢰성은 수리하여 다시 사용한다는 것을 생각했을 때 ‘고장 나지 않는 성질’이라는 좁은 의미의 신뢰성 외에도 ‘고장이 났을 때의 수리 용이성’, 즉 보전성을 함께 생각해야 합니다. 신뢰성(좁은 의미) + 보전성 = 넓은 의미의 신뢰성 인 것입니다. 최근에는 여기에 더해 설계의 신뢰성을 중요시하게 되었습니다.
정리하자면 신뢰성은 원래 내구성 = 고장이 나지 않음, 고장이 적음을 의미했지만, 신뢰성의 의미가 확장됨에 따라 쉽게 수리할 수 있는 것, 즉 보전성이 중요해졌습니다. 그리고 인간-기계 계통의 신뢰성이 주목받으면서 여기에 설계 신뢰성이 더해지게 된 것입니다.
신뢰성은 제조사에서 만들어집니다. 이것을 ‘고유 신뢰성’이라고 하며, ‘좁은 의미의 신뢰성’이 중심이 됩니다.
또한, 사용자가 사용하는 면의 신뢰성을 ‘사용 신뢰성’이라고 합니다. 보전성을 포함한 ‘넓은 의미의 신뢰성’에 초점을 두고 있습니다.
릴레이 등에서는 사용자를 고려한 선택과 같은 서비스 면에서 사용 신뢰성이 중요합니다.
신뢰성의 척도에는 여러 가지가 있지만, 가장 많이 쓰이는 것을 소개해 보겠습니다.
| 척도 | 표시 예 |
|---|---|
| 신뢰도 R (T) | 99.9% |
| MTBF | 100시간 |
| MTTF | 100시간 |
| 고장률 λ | 20 Fit、1%/시간 |
| 안전 수명 B10 | 50시간 |
‘신뢰할 수 있는 정도(%)’를 나타냅니다.
지금 10개의 전구를 100시간 동안 켜두었을 때, 100시간 후 10개 모두가 켜져 있다면 신뢰도는 10/10 = 100%입니다.
3개만 켜져 있다면 신뢰도는 3/10 = 30%입니다.
JIS Z8115의 정의에서는
입니다.
Mean Time Between Failures의 약자입니다.
‘평균 고장 간격’이라고 번역합니다.
‘수리하면서 사용하는 계통, 기기, 부품 등의 인접한 고장 간 동작 시간의 평균값’이라는 의미입니다.
MTBF의 대상은 ‘수리하면서 사용하는’ 제품으로 한정되어 있습니다.
MTBF를 알면 그 제품을 ‘몇 시간 동안 고장 없이 사용할 수 있는지’, ‘몇 시간 사용한 후에 수리하면 되는지’ 등을 알 수 있습니다.
또한, MTBF는 고장까지의 수명을 나타내는 것이므로 수명 대신 MTBF가 대표적으로 사용됩니다.
Mean Time To Failure의 약자입니다.
‘고장까지의 평균 시간’이라고 번역합니다.
‘수리하지 않는 계통, 기계, 부품 등의 고장까지의 동작 시간 평균값’이라는 의미입니다.
MTTF의 대상은 ‘수리하지 않는 물건’ = ‘일회용품’입니다.
부품·재료 등이 주요 대상이며, 릴레이도 여기에 포함됩니다.
Failure Rate라고 하며, ‘고장이 발생하는 비율’을 말합니다. 고장률에는 ‘평균 고장률’과 ‘순간 고장률’의 2가지가 있습니다.
평균 고장률은 다음과 같이 정의합니다.
평균 고장률 = 총 고장 건수 / 총 가동 시간
일반적으로 고장률이라 함은 ‘순간 고장률’을 가리킵니다. ‘어느 시점까지 작동한 계통, 기기, 부품 등이 계속되는 단위 기간 내에 고장을 일으키는 비율’을 의미합니다.
고장률의 단위로는 %/시간을 많이 사용합니다. 고장률이 작은 부품 등은 단위로
Fit (Failure Unit) = 10-9/시간
을 사용합니다.
릴레이는 시간으로 표현하기 어렵기 때문에 %/횟수를 많이 사용합니다.
신뢰도를 뒤집어서
1 - R (B) = t%
가 되는 값 B를 말합니다.
일반적으로 B [1 - R (B) = 10%]를 많이 사용합니다.
경우에 따라서는 MTTF보다 현실적인 값이 됩니다.
신뢰성이 높다는 것은 얼마나 고장이 적은가를 말하는 것입니다.
이 고장이란 일반적으로 ‘물건이 고장 나서 사용할 수 없게 되는 것’을 가리킵니다.
하지만 경우에 따라서는 기능의 저하, 불충분한 상태도 고장으로 간주해야 합니다.
즉, ‘계통, 기기, 부품 등이 규정된 기능을 상실하는 것’을 말합니다.
어떤 제품이 생산되어 사용 기간을 거쳐 폐기될 때까지의 생애 고장률 추이는 그림과 같습니다. 이를 그 형태에 빗대어 욕조 곡선이라고 합니다. 제조 완료 시점은 시간 축의 "0" 점이며, 세로축은 고장률입니다.
고장 패턴을 분류하고 수명 특성을 분석하는 데는 와이블 분포를 중심으로 하는 와이블 분석이 자주 사용됩니다.
와이블의 분포 곡선은
입니다. 복잡해 보이지만 변수 m, α, γ 의 3가지가 결합되었을 뿐입니다.
m: 형상 파라미터
α: 척도 파라미터
γ: 위치 파라미터
라고 합니다.
실제 고장 분포 형태에 와이블 분포를 적용하려면 위의 3가지 변수를 추정할 수 있는 것이 좋습니다.
번거로운 계산식을 사용하는 대신 와이블 확률지를 사용합니다. 와이블 확률지의 특징은 다음과 같습니다.
앞서 언급한 욕조 곡선과의 관계는 다음과 같습니다. 형상 파라미터 m의 값이 어떤 형태의 고장인지를 나타냅니다.
(1) m < 1 인 경우: 고장의 형태는 초기 고장형입니다.
(2) m = 1 인 경우: 고장의 형태는 우발 고장형입니다.
(3) m > 1 인 경우: 고장의 형태는 마모 고장형입니다.
