1. 서 론
군수품은 일반적인 민수품과는 다르게 높은 신뢰성을 요구받으며 수명주기가 매우 길기 때문에 전투력 극대화를 위해 야전에서 발생하는 다양한 고장현장에 대한 원인분석 및 품질개선이 지속적으로 수행되어왔다. 우리나라 육· 해·공군에서 사용되는 주요 무기체계의 대표적인 품질개선 사례는 다음과 같다. Choi et al.(2017)은 KDX-II급 함정의 선체 균열 발생에 따라 전산구조해석을 통한 보강 방안 검토 및 품질개선을 추진하였다. Shin et al.(2017)은 소구경화기를 이용하여 총열의 크롬도금 단독적용 총열과 질화처리 후 크롬도금 시 크롬도금의 손실거동 및 총열수명 영향에 대해 평가하였다. Park et al.(2018)은 한국형 소형전술차량 FRP 후방밴의 강성 및 강도 보강을 통한 내구성 향상 방안을 전산해석 및 실험적 검증을 통해서 제시하였다. Lee et al.(2019)은 군용 헬리콥터 운용 중 발생한 폴리우레탄 스트립 갈라짐 현상에 대하여 다양한 공정조건을 고려한 시험 결과를 바탕으로 개선방안을 제안하였다. Lee et al.(2021)은 신관과 탄체의 이종결합으로 이루어진 고속회전 발사 탄의 비행 중 공중폭발 발생 현상에 대한 이론적 접근, 전산해석 및 현상 확인 시험을 통해 주요 발생 요인을 규명하고 비행 안정성 향상을 위한 개선방안을 제시하였다. Nam et al.(2021)은 전투차량에서 사용되는 복합항법(관성항법+위성항법)에서 발생하는 오차 저감을 위해 다중 센서를 활용하여 입력값에 대한 상태변수를 통합하는 센서융합을 기반으로 개선된 위치추정 알고리즘을 제안하고 제안된 알고리즘의 성능을 평가하기 위해 복합항법과 비교시험을 진행하여 센서융합 시스템이 복합항법에 비해 위치추정 성능이 개선됨을 확인하였다. 또한, Kim et al.(2021)은 모체와 수중 발사체의 관성항법장치 간 전달정렬에 관하여, 시간지연 극복 및 칼만필터 알고리즘 개선을 통한 수중 환경에 따른 전달정렬 영향성을 극복하는 방안에 대해 연구하고 검증하였다. 아울러, Lim et al.(2022)은 무인기 체계 운용 중 발사장비에서 추진와이어의 파단 및 후방레일의 변형 결함이 반복 발생함에 따라, 고장나무분석을 통해 결함원인을 분석하고 재질변경 및 구조보강을 실시한 개선 형상에 대해 유한요소 구조해석 및 발사시험을 통한 검증을 수행하였다. 이러한 선행연구들을 통해 우리나라 육․해․공군에서 사용되는 다양한 무기체계에 대한 고장원인분석 및 품질개선이 지속적으로 추진되고 있음을 확인할 수 있다.
궤도차량(tracked vehicle)은 일반적인 원형의 바퀴 대신 무한궤도를 적용함에 따라 장륜차량(wheeled vehicle) 대비 험지돌파 능력 등이 우수하여 군용차량 및 건설장비 등 특수목적용 차량에 널리 활용되고 있다. 우리 군에서도 전차, 장갑차 및 자주포 등 다양한 형태의 궤도차량이 운용되고 있으며, 이러한 궤도차량의 원활한 기동을 위해서 엔진과 변속기의 결합체인 파워팩이 매우 중요하다고 할 수 있다. 파워팩을 구성하는 구성품 중 엔진의 경우 요구되는 높은 마력 대비 상대적으로 컴팩트한 사이즈를 제외하면 민수용 트럭이나 중장비에 사용되는 디젤엔진과 전체적인 구조나 형상은 크게 다르지 않다고 할 수 있다. 그러나, 파워팩의 또 다른 구성품인 변속기의 경우 엔진과는 다르게 민수용 차량의 변속기 대비 구조 및 형상이 상이한 측면이 있다. 일반 장륜형 차량에는 제동(braking), 조향(steering) 및 변속(shifting) 시스템이 각각 독립적으로 장착되어 운용되지만 궤도차량의 경우 무한궤도를 적용하는 특성상 변속기에 3가지 기능이 모두 탑재되어 있어 일반 장륜형 차량용 변속기보다 궤도차량용 변속기의 경우 그 구조 및 형상이 복잡하며 기능이 다양하다고 할 수 있다.
이렇게 궤도차량의 원활한 기동을 위한 핵심구성품인 변속기에 대해 전투력 저하 예방 및 적기 장비 운용을 통한 전투력 극대화를 위해서 품질개선을 수행한 다양한 선행연구가 보고되어 왔다. Park et al.(2010)은 1200마력 변속기의 유성기어캐리어 파손에 대해 파단면 분석 및 유한요소해석을 이용한 분석을 수행하였다. Park et al.(2011)은 궤도차량 변속기 출력축 베어링 고장에 대한 원인분석 및 수명단축 효과의 규명을 위한 해석 및 평가를 수행하였다. Jung et al.(2015)은 궤도차량 변속기 출력하우징의 구조건전성 평가를 위하여 구조해석 및 진동시험을 통해 얻어진 데이터를 바탕으로 진동해석을 수행하였다. Baek et al.(2019)은 1500마력 변속기 내구도시험 중 발생한 고장현상에 대한 원인분석을 실시하고 재발방지를 위해 설계 및 제조공정 측면에서의 개선이 필요한 사항을 제안하였다.
본 연구에서는 야전부대에서 운용 중인 일부 궤도차량에서 간헐적으로 발생한 것으로 보고된 변속오류 현상(전진 변속단에서 차량이 후진하는 현상)에 대해서 체계적인 원인분석 및 개선방안을 도출하고자 하였다. 변속오류 현상은 궤도차량의 기동성능에 큰 영향을 미쳐 전투력 저하 및 안전사고를 유발시킬 수 있으므로 이에 대한 원인분석 및 개선이 필요하다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 변속오류 현상을 유발하는 원인에 대한 체계적인 분석을 바탕으로 개선방안을 도출하여 제품개선 뿐만 아니라 품질보증활동 및 예방정비활동을 강화하는 종합적인 품질개선을 추진하였다.
2. 발생현상 및 원인분석
2.1 발생현상
야전에서 운용 중인 일부 궤도차량에서 해당 변속단에서 다른 변속단의 작동이 발생하여 차량 조종수의 의도와 다르게 작동하는 변속오류 현상이 보고되었다. 해당 현상은 간헐적으로 발생되며 야전에서 재현이 어려운 측면이 있으나, 전진(D) 변속단에서 후진(R) 작동하는 등의 변속오류 현상이 발생할 경우 안전사고의 우려 및 장비 기동제한에 따른 전투력 저하가 예상되므로 원인분석 및 개선의 필요성이 대두되었다. 변속오류 현상이 보고된 차량들에서 공통적으로 발견된 현상은 변속기에 부착된 케이블조립체 커넥터에서 누유가 식별되었고, 이에 따라 결합되는 상대품인 차체 케이블조립체 커넥터의 오일 오염 및 부풀음(팽윤, swelling) 현상이 관찰되는 것이었다. Figure 1에 야전에서 보고된 커넥터의 누유 및 변형 형상을 나타내었다.
2.2 분해점검 및 성능시험
변속오류 현상이 보고된 해당 부대를 방문하여 현장 분해점검 및 기술시험을 수행하였다. 보고된 변속오류 현상은 간헐적으로 발생하며 현상 재현이 제한되는 측면이 있었는데 부대 방문 시에도 보고된 현상과 동일하게 전진(D) 단에서 후진(R) 작동하는 현상이 재현되지는 않았다. 이에 미리 준비된 절차에 따라 Figure 2와 같이 단계별 분해점검을 수행하였다.
우선, 차량 조종석 변속레버에 연결된 케이블조립체 커넥터를 분리하여 전기적 저항 측정 및 단선 여부를 상온 및 차량 시동 후 가온된 2가지 조건에서 수행하였다. 다음으로 변속기에 부착되어 있는 케이블조립체 커넥터의 누유 여부를 육안으로 확인하고 전기적 저항 측정 및 단선 여부 확인을 상온 및 가온 조건에서 수행하였다. 이후 전진/후진/중립으로 변속단을 변화시켜가며 변속기 오일 압력을 측정하였으며, 변속기 상부에 위치한 변속기 제어기 덮개를 탈거하여 내부에 위치한 솔레노이드 밸브의 저항 측정과 밸브 및 유로의 상태를 확인하였다. 마지막으로 변속기에 부착되어 있던 케이블조립체를 분리하여 변속기에 결합된 상태에서는 확인이 제한되는 밀봉재(potting) 부분의 상태를 확인하였다. 단계별 분해점검 및 기술시험 결과, 변속기 케이블조립체 커넥터의 누유 및 커넥터 케이스와 밀봉재 접촉부 간의 분리가 식별되었고 차체 케이블조립체와 변속기 케이블조립체가 결합된 상태에서 점검 시 간헐적으로 전기적 접촉 불량이 발생함을 확인 할 수 있었다.
단계별 분해점검 시 Figure 3과 같이 차체 케이블조립체 커넥터 그로멧(grommet)의 비대칭적 팽윤(swelling) 현상이 식별되었는데 이는 변속기 케이블조립체 커넥터와 차체 케이블조립체 커넥터를 서로 결합할 때 사용되는 키홈(key way)의 영향으로 추정된다. 일반적으로 전기 커넥터에 사용되는 그로멧은 내부 핀 간의 절연을 유지하기 위하여 통상 고무재질로 제작되는데 고무의 경우 오일에 오염될 경우 부풀어 올라 변형되는 팽윤현상이 발생할 수 있다. Figure 3에 나타낸 바와 같이 키홈은 중력방향과 유사하게 커넥터 케이스의 하단부에 위치하며, 커넥터 케이스 종류에 따라 키홈을 통한 누유 발생의 촉진 및 상대품인 차체 케이블조립체 커넥터의 그로멧을 더욱 오염시킬 수 있어 키홈 부위에서 보다 팽윤현상이 활발하게 발생하는 것으로 예측되었다. 따라서, 향후 원인분석 완료 후 품질개선 추진 시 이러한 현상을 고려하여 개선을 추진하였다.
현장 점검 완료 후 차량에 탑재되어 있던 변속기를 변속기 생산업체로 후송하여 국방규격에 따른 변속기 성능시험을 수행하였다. 궤도차량에 탑재되어 야전에서 운용 중인 변속기에 대한 시험이었지만 신품 기준 국방규격 요구조건을 모두 충족하였고, 성능시험 후 실시한 오일 필터 점검 결과 특별한 이물질은 식별되지 않았다.
2.3 발생현상 모사시험
본 연구의 분석 대상인 변속오류 현상이 발생한 변속기는 변속기 제어기 주조정밸브 조립체의 내부 솔레노이드 밸브의 자화에 따라 전진 4단 및 후진 1단 변속 제어에 필요한 클러치를 작동시키는 전기-유압식 변속기이다. Table 1에 변속단 작동을 위해 자화가 필요한 솔레노이드의 조합을 나타내었다. 예를 들어 전진 1단이 작동하기 위해서는 A, C, E 솔레노이드의 자화가 필요하며, 이에 따른 스풀 밸브의 움직임에 따라 유로 형성 및 유압이 작동하게 된다.
Table 2에는 변속단 작동을 위해 필요한 변속기 내부의 변속장치(range pack) 클러치들의 조합을 나타냈었다. 앞서 설명한 바와 같이 특정 변속단이 작동하기 위해서는 특정 솔레노이드들의 조합에 따른 유로 및 유압의 형성이 필요하며, 이에 따라 해당 변속단 작동을 위해 필요한 클러치들이 작동하게 된다. 예를 들어 전진 1단 작동을 위해서는 C1 클러치와 C5 클러치의 작동이 필요하다.
앞서 설명한 변속 메커니즘 특징을 갖는 궤도차량 변속기에 대해 야전에서 발생한 변속오류 현상 재현을 위한 모사시험을 Figure 4에 나타난 시험 장비를 통하여 실시하였다. 변속기 케이블조립체의 인위적 단선이 가능하도록 특별히 제작하여 특정 솔레노이드가 자화되지 않고 비정상적으로 작동하는 경우를 모사할 수 있도록 하였다.
Figure 5에 정상과 비정상 상태에서 변속단의 작동에 따른 솔레노이드의 자화 및 비자화 발생과 이에 따른 스풀 밸브의 움직임으로 발생하는 유로 및 유압작동 현상을 개념적으로 단순화하여 도식화하였다. 먼저, Figure 5(a)와 같이 정상인 경우 중립단(N)에서는 B 솔레노이드가 자화되어 아래 방향으로 스풀 밸브가 움직이게 되는데 단순화한 개념도라서 Figure 5에 표현을 하지는 못하였지만 Table 1에 명시된 D 솔레노이드의 작동에 따라 C1, C2 클러치 압력을 억제하여 중립 상태를 유지하게 된다. 이후 전진단(1~4)으로 변속을 하게 되면, A 솔레노이드의 자화에 따라 스풀 밸브가 위 방향으로 움직이게 되고 유로 및 유압 형성 후 C1 클러치가 작동하여 전진방향으로 차량이 기동하게 된다.
만약, A 솔레노이드로 전기적 신호가 전달되지 않는 비정상 상태(단선)가 발생하는 경우는 Figure 5(b)와 같이 설명할 수 있다. 최초 중립단(N)에서는 정상인 경우와 동일하게 B 솔레노이드의 자화에 따라 스풀 밸브가 아래 방향으로 움직이지만 전진단(1~4)으로 변속레버를 움직여도 A 솔레노이드로 전기적 신호가 전달되지 않기 때문에 A 솔레노이드가 자화되지 않고 이에 따라 스풀 밸브는 위 방향으로 움직일 수 없게 된다. 이때 중립단(N)에서 작동하는 D 솔레노이드도 전진단(1~4)으로 변속시 작동을 하지 않게 되므로 Figure 5(b)와 같이 유압 형성에 따라 C2 클러치가 작동하고 차량은 후진방향으로 기동하게 된다. 따라서, 조종수는 변속레버를 전진단(1~4)으로 작동하였지만 결과적으로 차량이 반대방향인 후진으로 작동하는 경우가 발생할 수 있는 것이다. 즉, 스풀 밸브의 초기 위치 및 솔레노이드에 전달되는 전기적 신호가 단선 등 전기적 접촉 불량의 영향으로 제대로 전달되지 않을 경우 원하지 않는 방향으로 차량이 기동할 수 있는 가능성을 확인할 수 있었다.
2.4 전기특성시험
변속오류 재현 모사시험을 통해 차체 및 변속기 케이블조립체 간의 전기적 접촉 불량이 주조정밸브 조립체의 솔레노이드 오작동을 유발하여 전진단에서 작동되어야 할 전진단 클러치(C1)가 아닌 후진단 클러치(C2)가 작동하여 차량이 전진단에서 후진으로 작동할 수 있음을 확인하였다. 따라서, 본 절에서는 변속기 내부로부터 커넥터를 통해 누출된 오일이 차체 및 변속기 케이블조립체 간의 전기적 접촉 불량을 야기하는 인자인지 여부를 확인하기 위한 전기 특성시험을 Figure 6과 같이 수행하였다. 변속기에 사용되는 오일은 및 변속기 작동에 필요한 유압의 형성과 윤활 및 냉각 등을 목적으로 사용되며, 복잡하게 형성된 내부 유로 및 밸브의 개폐에 따라 목적하는 유압을 형성하게 된다. 이때 변속기 내부 기어 및 마찰클러치 판 등의 접촉에 따라 금속 이물질이 발생하여 변속기 내부를 순환하는 오일에 포함될 수 있으며, 기본적으로 오일 필터를 통해 이러한 이물질들은 여과하도록 설계되어 있지만 미세한 금속분말 형태의 이물질의 경우 오일 내에 상존할 수 있다. 이러한 미세 금속분말이 포함된 오일은 변속기 케이블조립체 커넥터의 누유 발생에 따라 외부 누출 및 상대품인 차체 케이블조립체를 오염시킬 수 있다. 이렇게 미세 금속분말이 포함된 오일이 커넥터 그로멧(고무재질) 및 핀을 오염시켰을 때 전기적 특성이 변하는지 여부를 확인하기 위한 실험을 설계하고 수행하였다.
우선, 변속기 케이블조립체와 차체 케이블조립체 각각 단품에 대한 도통 및 절연시험을 실시하였고, 변속기 케이블조립체에서는 누설시험을 실시하여 정상상태인 제품을 실험에 사용하도록 준비하였다. 이후 실제 운용환경을 모사하기 위해 전처리를 실시하였는데 미세 금속분말이 포함된 변속기 사용유를 운용온도 조건으로 가정할 수 있는 궤도차량 파워팩룸 온도인 85℃로 가온 후 커넥터 그로멧(고무재질)을 각각 72시간 및 168시간 침지시켜 변속기 사용유가 충분히 흡수될 수 있도록 준비하였다.
이후, 차체 및 변속기 케이블조립체를 결합한 후 운용환경을 모사하기 위해 85℃로 가온된 챔버에서 전기특성시험을 진행하였다. 도통시험은 멀티미터를 이용하여 저항값을 측정하였고, 미세 금속분말에 오염된 그로멧(고무재질)의 절연파괴 여부를 확인하기 위해 500V DC를 인가하는 절연시험을 수행하였다. 마지막으로 실제 차량의 전압조건인 30V DC를 인가하였을 때 상대편 핀에서 전압값을 측정하는 인가전압시험을 수행하였다.
시험결과, 온도(상온 : 25℃, 가온 : 85℃) 및 침지시간(0시간, 72시간, 168시간)에 따른 유의미한 차이는 식별되지 않았다. 도통시험 결과, 시험조건별로 약 0.05 Ω 내외의 저항이 측정되었고, 절연시험 결과 무한대(∞) 또는 약 1,000 MΩ 내외의 절연저항이 측정되었다. 인가전압시험의 경우, 차량조건의 전압인 30V DC를 인가한 핀의 상대 핀에서만 30V DC 전압이 측정되었고 다른 핀에서는 전압이 측정되지 않았다. 따라서, 전기특성시험 결과를 종합해 보면 운용환경인 가온 상태에서 미세 금속분말이 포함된 오일이 누출되어 커넥터의 그로멧(고무재질)에 흡수되어 부풀어 오르는 팽윤현상이 발생하여도 전기적인 절연이 파괴되거나 전기적 신호가 다른 핀으로 전달되는 현상은 발생하지 않음을 확인할 수 있었으며 전기적인 접촉 불량 현상도 식별할 수 없었다.
2.5 커넥터 부품 및 오일 분석
차체 및 변속기 케이블조립체 커넥터에서 분리된 부품 및 변속기 오일에 대한 분석을 실시하였다. 그로멧(고무재질)의 재질분석을 위하여 적외선 분광분석(FT-IR), 열중량분석(TGA) 및 에너지분산형 X-선 분광분석(EDS)을 적용하였다. 시험결과, 차체 케이블조립체 커넥터의 그로멧은 NR(천연고무)과 SBR(스티렌부타디엔 고무 혼합물)로 추정되었고, 변속기 케이블조립체 커넥터의 그로멧은 CR(클로로프렌 고무)로 추정되었다. 이렇게 각각 상이한 재질로 추정되는 사유는 커넥터에 대한 사양을 규제하는 규격에서 그로멧은 절연을 위해 고무재질로만 명시되어 있고 특별히 세부재질을 규제하고 있지 않아서 제조사별로 상이한 고무재질을 적용하고 있는 것으로 사료된다. 인위적으로 팽윤현상을 모사하기 위해서 변속기 사용유에 커넥터 그로멧을 운용조건인 85℃에서 168시간 침지시키고 길이 신장량을 측정하였다. 고무재질별 일부 결과가 상이하였지만 길이 신장이 발생하여 변속기 오일에 의한 커넥터 그로멧의 팽윤이 발생할 수 있음을 실험적으로 재확인할 수 있었다. 또한, 팽윤이 발생한 시료에 대해 고무경도(듀로미터 경도)를 측정한 결과 팽윤현상에 의해 경도가 저하됨을 확인할 수 있었다.
미동마모(fretting wear) 현상은 다양한 전기 커넥터에서 접촉 불량을 유발할 수 있는 것으로 알려져 있다(Feng, C. et al., 2021 and Jang, S. et al., 2014). 미동마모에 의한 전기적 접촉 불량 가능성을 확인해보기 위해 Figure 7(a) and (b)와 같이 주사전자현미경 에너지분산형 X-선 분광분석(SEM-EDS)을 실시하였다. 시료에서 일부 표면 스크래치는 관찰되었으나, 마모의 흔적은 관찰되지 않았다. 시험 전 에탄올로 사용품 핀의 오염물을 세척하였으나 일부 잔존하는 오염물이 영향을 미쳐 Line EDS 결과에서 사용품 커넥터 핀의 일부 위치에서 원소의 변동이 관찰되는 것으로 사료된다. 아울러, 변속기 케이블조립체 밀봉재(potting) 부분의 파단면을 실체현미경을 이용하여 Figure 7(c)와 같이 관찰하였다. 밀봉재의 재질 특성상 금속재료의 파단면과 같은 소성변형의 흔적은 식별되지 않았으나, 취성파괴의 흔적은 일부 확인할 수 있으므로 밀봉재 손상부위를 통해 변속기 내부 오일이 외부로 누출될 수 있음을 확인할 수 있었다.
변속기 사용유에 포함된 미세 금속분말의 영향에 따라 오일의 전기적 특성 변화여부를 확인하기 위해 신유와 사용유에 대한 전기적 특성시험을 수행하였다. 시험 결과, 수분함량은 신유와 사용유가 유사하였으며, 절연파괴전압 및 부피저항률은 일부 차이가 있었으나 유의할만한 수준은 아닌 것으로 확인되어 사용유의 전기적 특성변화가 신유대비 크지 않음을 확인할 수 있으므로 수분 및 미세 금속분말 등에 따른 오일의 열화로 인한 전기적 신호 오류 발생 가능성은 낮을 것으로 예상되었다.
2.6 원인분석 결과(종합)
변속기 오일의 누유 경로를 Figure 8에 나타내었다. 궤도차량용 변속기는 유압에 의한 내부장치 작동 및 윤활/냉각 등의 목적으로 변속기 오일이 변속기 내부 전체를 순환하면서 작동하게 된다. 변속기 상부에는 솔레노이드 밸브와 스풀 밸브 등의 조합으로 구성된 변속기 제어기가 위치해 있고 변속기 상부까지 오일이 순환하는 것을 확인할 수 있다. 변속기에 연결된 케이블조립체는 솔레노이드와 연결되어 차량 조종석의 변속레버의 조작에 따라 전달되는 전기적 신호를 솔레노이드로 전달하여 자화/비자화에 따른 스풀 밸브의 움직임과 이에 따른 유압 형성을 형성하여 변속기가 작동할 수 있게 한다. 이러한 변속기 케이블조립체에는 변속기 내부의 오일이 변속기 외부로 누출되지 않도록 밀봉재(potting)가 장착되어 있는데 Figure 7(c)에서 관찰한 바와 같이 이러한 밀봉재의 손상이 발생할 경우 오일이 변속기 외부로 누출될 수 있고 이에 따라 함께 체결되어 있는 상대품인 차체 케이블조립체 커넥터도 오염시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
Figure 9에 변속오류 현상 원인분석 결과를 단계별로 나타내었다. 우선, 변속기 케이블조립체의 밀봉재 손상에 따른 누유 발생 후 누출된 오일이 상대품인 차체 케이블조립체의 커넥터를 오염시켜 그로멧의 팽윤 및 돌출을 유발한다. 이때 변속기 케이블조립체 커넥터와 차체 케이블조립체 커넥터는 서로 나사산 방식으로 체결된 상태이기 때문에 팽윤현상에 의해 하중이 작용하는 경우 이미 손상된 변속기 케이블조립체의 밀봉재가 하중을 버티지 못하고 뒤로 밀리는 현상이 발생하게 된다. 이러한 현상에 따라 체결된 커넥터 내부 핀들의 접촉이 불안정하게 되고 전기적 접촉 불량이 발생할 수 있는 조건이 형성된다. Figure 3에서 커넥터 케이스 키홈(key way) 부위의 누유가 다른 부분보다 심하여 비대칭적인 팽윤현상이 발생하는 것을 확인할 수 있었는데, 키홈 부분에 가장 가까운 자리에 A 솔레노이드와 연결되는 핀이 위치하는 것을 확인할 수 있다.
즉, 변속기 케이블조립체 커넥터의 누유에 따라 상대 체결품인 차체 케이블조립체 커넥터 그로멧의 팽윤 및 변속기 케이블조립체 밀봉재의 밀림에 의해 커넥터 내부 핀 간의 전기적 접촉이 불안정해질 수 있는데 특히, 키홈 부분에서 다른 위치보다 상대적으로 심한 누유가 발생하므로 키홈과 인접한 A 솔레노이드와 연결되는 핀 부분에서 전기적 접촉 불량 발생 가능성이 가장 높음을 확인할 수 있다. 이는 Figure 5에서 설명한 바와 같이 A 솔레노이드에 전기적 신호가 전달되지 않아 자화가 되지 않을 경우 차량 조종수는 변속레버를 전진단에 두었지만 후진 작동이 발생할 수 있는 것이다. 따라서, 이러한 현상의 재발방지를 위해 변속기 케이블조립체 커넥터의 누유 예방 및 밀봉재의 밀림 방지를 위한 품질개선 추진을 수행하였다.
3. 품질개선 및 후속조치
3.1 제품개선
변속기 케이블조립체에 대한 제품개선은 누유 발생 자체를 예방하는 개선과 누유가 발생하더라도 팽윤 및 밀림에 의한 전기적 접촉 불량 예방을 위한 2가지 개선을 병행하여 추진하였다. 우선, 기존제품의 경우 커넥터 케이스 키홈 부위를 통한 누유가 식별되었으므로 누유 예방 개선을 위해 키홈 부위 형상이 개선된 커넥터 케이스를 적용하고, 변속기 케이블조립체 커넥터 내부에 실리콘을 도포하여 누유 발생 가능성을 더욱 낮출 수 있도록 추가로 개선하였다. 또한, 고무재질인 그로멧의 팽윤 발생에 따른 밀림방지를 위해서 커넥터 케이스와 밀봉재를 나사산으로 결합하는 알루미늄 재질의 백셸(Backshell)을 추가하여 만약 누유에 의한 팽윤 발생하더라도 밀봉재의 밀림이 발생하지 않도록 구조적 개선을 실시하였다. 변속기 케이블조립체에 대한 제품개선 내용을 Figure 10에 정리하여 나타내었다.
알루미늄 백셸 적용을 통한 개선 효과(변속기 케이블조립체 밀봉재 밀림현상 방지)를 확인하기 위해 만능재료시험기(UTM)를 이용하여 하중을 가할 때 커넥터 케이스에서 밀봉재가 분리되는 하중을 확인하는 분리 하중시험을 Figure 11(a)와 같이 실시하였다. 시험결과, 기존품의 경우 179 kgf의 하중에서 밀봉재 분리가 확인되었으나, 알루미늄 백셸을 적용한 개선품은 1,025 kgf의 하중에서 밀봉재가 분리되어 약 5배 이상 내하중 성능이 향상되었음을 확인할 수 있었다.
누유 예방을 위해 변속기 케이블조립체 커넥터 내부에 도포한 실리콘의 공정관리 상태를 확인하기 위하여 비파괴적인 방법을 적용하였다. 도포된 실리콘 두께를 측정하기 위하여 Figure 11(b)와 같이 X-ray CT 방법을 활용하여 변속기 케이블조립체 9개에 대한 X-ray CT 이미지를 획득한 후 이미지 프로세싱 프로그램을 활용하여 실리콘 도포량 두께를 측정한 결과, 커넥터 내부의 평균 실리콘 도포량이 3.58mm로 확인되어 목표 범위로 공정이 관리되고 있음을 확인할 수 있었다.
3.2 품질관리활동 강화
변속기 케이블조립체의 밀봉재 손상에 따라 변속기 내부 오일의 외부 누출과 이로 인한 전기적 접촉 불량 및 변속오류 현상까지 발생할 수 있는 것을 확인하였으므로 향후 밀봉재가 손상되지 않고 누설이 없는 변속기 케이블조립체가 변속기 양산 및 정비 시 적용될 수 있도록 품질관리활동 강화를 추진하였다. Figure 12(a)에 나타낸 바와 같이 기존 품질관리 방식은 변속기 케이블조립체 생산업체 및 변속기 생산업체가 누설시험을 샘플링으로 실시하고 정부품질관리 대상품목에는 미포함되어 있었으나, 품질관리 강화를 위해 변속기 케이블조립체 생산업체 및 변속기 생산업체는 누설시험을 전수로 실시하는 것으로 개선하고 정부품질관리 대상품목에도 포함하여 누설시험을 샘플링으로 확인하는 것으로 개선하였다.
변속기 케이블조립체의 누설여부를 확인하는 시험 조건은 “1.1 kgf/cm2 (15 psi)의 공압을 가했을 때 핀 주위에 누출이 없을 것”이므로 시험조건에 따라 기존품 및 개선품을 대상으로 누설시험을 수행하였다. Figure 12(b)와 같이 변속기 케이블조립체를 시험용 치구에 고정시킨 후, 시험 시 기포 발생 여부 확인을 통해 누설 여부를 확인할 수 있도록 커넥터 내부 핀 주위에 물을 채우고 30초 간 1.1∼1.2 kgf/cm2 (15∼17.5 psi)의 공압을 가하여 누설 발생 여부를 관찰하였다. 누설시험 결과, 일부 기존품에서는 누설이 발생하여 변속기 케이블조립체 핀 주위에 기포가 발생하는 것을 확인할 수 있었으나, 개선품에서는 누설이 발생하지 않음을 확인할 수 있었다.
3.3 예방정비활동 강화
본 연구의 분석대상인 변속기가 장착되어 운용되는 궤도차량의 월간정비 시 변속기 케이블조립체 커넥터의 오일 누유 여부 및 차체 케이블조립체 커넥터의 비정상적인 부풀음 여부 등을 확인하기 위한 점검절차를 부대정비교범에 추가하였다. 기존 부대정비 교범에는 월간정비 시 결합된 차체 및 변속기 케이블조립체를 탈거 후 커넥터 내부 핀의 저항을 측정하여 허용범위(상온에서 60~80 Ω) 인지 여부를 점검하였는데 오일의 누유 및 오염에 따른 부풀음 등 이상변형 발생 여부를 육안으로 검사하는 절차를 Figure 13(a)와 같이 추가하고 Figure 13(b)에 점검부위 및 이상변형 예시를 도식화하여 나타내었다. 이렇게 매월 실시되는 월간 예방정비 활동을 통해 누유 및 비정상적인 부풀음 등이 식별될 경우 상급부대로 보고 및 정비 등 후속조치를 수행할 수 있도록 대책을 마련하여 야전에서 운용중인 궤도차량의 차체 및 변속기 케이블조립체 간 전기적 접촉 불량에 따른 변속오류 현상을 예방할 수 있을 것으로 기대된다.
3.4 후속조치
본 연구의 분석대상과 동일한 변속기를 사용하는 궤도차량을 전수 조사하여 변속기 케이블조립체에서 누유가 식별된 경우 변속기 케이블조립체를 개선품으로 교환하여 누유 발생에 따라 향후 발생 가능성이 있는 변속오류 현상을 예방할 수 있도록 후속조치 하였다. 아울러, 변속기 케이블조립체의 누유로 인해 상대품인 차체 케이블조립체 커넥터 그로멧의 오염 및 변형이 발생한 경우 Figure 14에 도시된 절차에 따라 후속조치를 수행하였다.
우선, 육안검사 결과 부풀음량이 과다하여 상대편 커넥터와 체결이 제한됨에 따라 그로멧을 절단한 경우 및 부풀음량이 상대편 커넥터와의 적절한 체결을 위해 MS3106에서 요구하는 돌출 허용량(1.19 mm)을 초과한 커넥터에 대해서는 커넥터를 교체하는 정비를 실시하였다. 부풀음 변형이 식별되지 않거나 커넥터 돌출 허용량(1.19 mm) 이내 제품에 대해서는 창정비 시 차체 케이블조립체의 재사용 여부를 결정하는 기준(도통시험: 10 Ω 이하, 절연시험: 10 MΩ이상)을 적용하여 기준을 충족하는 경우 별도의 커넥터 교체 없이 그대로 사용할 수 있도록 후속조치 하였다.
4. 결 론
본 연구에서는 일부 군용 궤도차량에서 변속기 케이블조립체 커넥터의 누유 발생 후 차체 케이블조립체 커넥터 오염 및 그로멧(고무재질)의 팽윤(부풀음)에 따라 일부 장비에서 간헐적으로 발생하는 것으로 보고된 변속오류 현상에 대한 원인분석, 재발방지를 위한 품질개선 및 후속조치를 체계적으로 수행하였으며, 해당내용을 정리하여 나타내면 Figure 15와 같다.
(1) 원인분석 결과를 종합적으로 정리하면, 변속기 케이블조립체 커넥터 밀봉재(potting) 손상에 따른 누유 발생 후 차체 케이블조립체 커넥터 그로멧(고무재질) 오염 및 팽윤(swelling)에 의해 밀봉재 분리가 발생할 수 있다. 이에 따라 체결 상태의 차체 및 변속기 케이블조립체 커넥터 내부 핀 간의 전기적 접촉 불량을 발생시킬 수 있고 이러한 접촉 불량은 변속기 제어기 내부 솔레노이드의 작동에 영향을 미쳐 변속오류 현상이 발생 가능함을 확인하였다.
(2) 원인분석 결과를 바탕으로 향후 재발방지를 위해 변속기 케이블조립체 커넥터 누유 예방 및 구조를 개선하는 제품개선을 실시하였다. 또한, 단계별 누설시험을 실시하여 변속기 케이블조립체에 대한 품질관리 강화를 도모하였으며, 월간 예방정비 시 누유 여부 및 커넥터의 비정상적인 부풀음(팽윤) 발생 여부를 확인하는 절차를 야전교범에 추가하여 향후 발생할 수 있는 유사 사례를 예방할 수 있도록 하였다.
(3) 동일 변속기가 적용된 궤도차량을 전수로 조사하여 누유가 식별된 변속기 케이블조립체를 교체하고 변속오류를 유발할 가능성이 있는 차체 케이블조립체 커넥터에 대한 교체도 함께 실시하였다.
본 연구의 원인분석 및 품질개선 결과는 향후 유사한 결함이 발생하거나 품질개선이 필요할 경우 참고자료로 활용될 수 있을 것으로 예상되며, 군용 무기체계 및 건설용 중장비 등 전기-유압식 제어를 적용하는 장비에 사용되는 커넥터의 신뢰성 제고 및 내환경 성능 개선을 위한 제품 및 규격(표준)의 개발 연구에 확장하여 적용될 수 있을 것을 기대된다. 아울러, 향후 궤도차량 변속기의 성능개량 또는 후속 모델의 신규개발 시 본 연구에서 식별된 전기적 접촉 불량과 같은 외란이 발생하더라도 보다 안정적인 임무수행이 가능하고 안전사고의 우려 등을 예방하기 위해 변속기 제어방식의 개선 또는 변속기 제어부의 설계개선 등이 필요하다고 할 수 있다.
PDF Links
PubReader
ePub Link
Full text via DOI
Download Citation 
Print 
