[논문]철도차량의 전기식 출입문 시스템의 신뢰도 개선 방안

양용준; 이희성

doi:10.5855/energy.2015.24.1.017

초록
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전기식 출입문 시스템은 철도차량 영업운전에 영향을 주는 가장 중요한 시스템 중의 하나이다. 도시철도차량의 출입문은 승객들의 승하차를 담당하는 장치로써 고장이 발생할 경우 승객의 안전과 직접적인 영향을 미치기 때문에 열차운행에 영향을 미치는 중요한 장치이다. 최근에는 전기식 출입문 시스템의 신뢰도 목표값을 철도운영자가 철도차량 설계와 제작을 위한 발주사양 기술 요구조건에 포함하는 경향이 있으며, 차량 제작자는 제작시 발주사양기술 요구조건에서 철도운영자가 제시한 전기식 출입문 시스템의 신뢰도 목표값을 만족시켜야 하고, 철도운영자는 유지보수 데이터를 기반으로 공급자의 신뢰도 목표값 달성여부를 확인하고 승인하여야 한다. 본 연구에서는 전기식 출입문 시스템의 유지보수 현장 데이터를 수집하여 신뢰도를 미니탭 통계프로그램으로 분석하였다. 현장 데이터를 적용한 신뢰도 분석은 철도차량에 대한 새로운 유지보수 정책이나 유지보수 주기를 바꾸는데 매우 유용할 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Electrical door system is one of the most essential items for the successful commercial operation of the railway vehicles. Nowadays, reliability values of electrical door system have a tendency to be included in technical requirements for design and manufacturing of rolling stocks. Manufacturer shal...

Electrical door system is one of the most essential items for the successful commercial operation of the railway vehicles. Nowadays, reliability values of electrical door system have a tendency to be included in technical requirements for design and manufacturing of rolling stocks. Manufacturer shall meet the reliability target values of electrical door system which is proposed by railway operator in procurement contract book. Railway operator shall approve the supplier's the reliability target values based on maintenance operation data. Railway operators are in the transition stage from the framework of maintenance interval based on time to the framework of maintenance interval based on distance. In this study, failure rates of the electrical door system currently used in railway vehicles are collected from maintenance field data. Failure rates are analyzed by using Minitab. Several kinds of plan for improving reliability are also suggested. It is necessary to keep studying on reliability prediction methodology, applying it in the field and implementing on improvement of reliability through feedback as well. Further, it will be useful for determining new maintenance policies or changing maintenance intervals for existing railway vehicles.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 전기식 출입문 시스템 제작사에서 제시한 신뢰성 값과 실제 운영 자료에 근거한 신뢰성 값의 차이가 발생하므로 이를 해결하기 위하여 도시철도차량 운영기관의 전기식 출입문 시스템의 실제 운영 자료를 사용하여 고장자료를 분석하고, 신뢰성에 영향을 미치는 요소들을 분류하고자 한다. 또한 해당 요소들에 대한 개선 방안을 도출하여 향후 전기식 출입문 시스템의 신뢰도 향상을 위한 방안을 제시하고자 한다.
본 논문에서는 전기식 출입문 시스템 제작사에서 제시한 신뢰성 값과 실제 운영 자료에 근거한 신뢰성 값의 차이가 발생하므로 이를 해결하기 위하여 도시철도차량 운영기관의 전기식 출입문 시스템의 실제 운영 자료를 사용하여 고장자료를 분석하고, 신뢰성에 영향을 미치는 요소들을 분류하고자 한다. 또한 해당 요소들에 대한 개선 방안을 도출하여 향후 전기식 출입문 시스템의 신뢰도 향상을 위한 방안을 제시하고자 한다.

가설 설정

고장분석은 미니탭 통계프로그램을 활용하였고, 정수중단과 정시중단 중 정시중단 시험을 이용하였다. 즉, 데이터 수집기간(2012.1.1~2013.3.31) 중 종료일인 2013.3.31일에 모든 시험이 끝난다는 가정 하에 데이터 수집을 중단하였다.

제안 방법

578)이었다. 따라서 가장 적합한 분포는 A-D(Anderson-Darling) 값이 가장 적은 분포들 중에서 본 논문에서는 확률분포로서 전자 및 기계부품의 수명분포로 널리 사용되고 있는 Weibull 분포를 선정하여 해석하였다.
본 연구에서의 대상인 전기식 출입문 시스템은 2005년 이후 도시철도차량에 적용하기 시작하였고, 이전에 적용하였던 공기식 출입문 시스템에 비해서 상대적으로 높은 내구성과 유지관리성, 운행 중에는 어떠한 조건에서도 출입문이 개방되지 않는 등 승객의 안전이 가장 우선시되도록 설계되었다. 일반적인 중량철도차량에는 량당 8세트의 측 출입문이 구성되어 승객이 이용할 수 있도록 구성되어 있으며, 1세트의 전기식 출입문 시스템은 크게 4부분(제어장치부, 작동부, 판넬부, 비상장치부)으로 구성되어 있고, 전기식 출입문 시스템의 가장 중요한 요소는 DCU(Door Control System)로 각 출입문 시스템에 개별적인 DCU (Door Control Unit) 를 가지고 있어 개별시스템의 상태를 스스로 파악이 가능하고, 운전실에서는 각 DCU의 상태를 입력 받아 출입문 상태를 원격으로 감시할 수있도록 구성하였다.

대상 데이터

전기식 출입문 시스템의 구성은 전기식 출입문 시스템을 제어하는 제어장치(DCU), 전기신호를 회전운동으로 변환하는 모터(motor)와 모터의 회전력을 스크류에 전달하는 커플링(couping), 스크류의 회전운동을 직선왕복으로 변환하여 출입문 판넬을 개폐하는 너트(nut), 비상상황, 운전실 출입문 동작신호 입력을 제외하면 전기식 출입문 시스템을 개방하지 않도록 하는 록킹장치(locking) 등의 전기식 출입문의 주요 구성은 Fig.1 과 같다.
전기식 출입문 제어장치인 DCU의 고유수명이 제작사로부터 제시되었다. 수명시간은 미국 국방성 신뢰도 예측규격인 MIL-HDBK-217FN2에 의해 산출된 값으로서 MTBF는 150,000시간으로 예측되었다.
제작 시 고려된 설계수명과 필드에서 수집되는 사용수명과의 비교분석을 위해 운행 이후, 2012년 ~ 2013년까지로 약 15개월간의 필드데이터를 수집하였으며, 대상 차량은 전기식 출입문이 적용된 12개 편성 576개 출입문으로 한정하여 수집된 고장은 총 19건이며 Table 4와 같다.
도시철도차량을 운용하면서 발생하는 고장은 운영 기관에 따라 고장분류를 달리하고 있지만 일반적으로 고압기기, 주회로장치, 고압보조기기, 저압보조기기, 운전실설비, 열차정보장치, 열차보안장치, 배전반설비, 차체 및 실내설비(출입문 시스템 포함), 공기 및 제동제어장치, 대차 및 기초제동장치로 구분하여 관리하고 있지만, 열차보안장치와 제동제어장치, 출입문 시스템은 차량의 운행과 안전에 직접적인 영향을 주는 장치이며, 특히 출입문 시스템은 승객의 안전과 직접적인 관련이 있기 때문에 높은 신뢰성을 요구하고 있다. 주요 장치에 대하여 2012년 ~ 2013년 동안 발생한 고장 172건 중 출입문 시스템이 포함된 차체 및 실내설비(Body and Interior equipment) 38건, 열차보안장치(Train security device) 33건, 주회로장치(Main circuit device) 24건 순으로 고장이 발생하였고, 172건의 고장 분석 내용은 Table 3과 같다.

데이터처리

고장분석은 미니탭 통계프로그램을 활용하였고, 정수중단과 정시중단 중 정시중단 시험을 이용하였다. 즉, 데이터 수집기간(2012.
수집된 데이터에 가장 적합한 분포를 찾기 위하여 미니탭 통계 프로그램을 활용하였다. 그 결과 Weibull, Lognomal, Exponential 분포의 A-D값이 472.

성능/효과

고장분포의 형태를 알 수 있는 형상모수(β)는 1.042로 우발고장 형태임을 알 수 있었으며, 평균수명은 277,759시간임을 확인 할 수 있었다.
수집된 데이터에 가장 적합한 분포를 찾기 위하여 미니탭 통계 프로그램을 활용하였다. 그 결과 Weibull, Lognomal, Exponential 분포의 A-D값이 472.577로 동일하게 분석되었으며, Normal 분포의 경우 조금 높은 값(472.578)이었다. 따라서 가장 적합한 분포는 A-D(Anderson-Darling) 값이 가장 적은 분포들 중에서 본 논문에서는 확률분포로서 전자 및 기계부품의 수명분포로 널리 사용되고 있는 Weibull 분포를 선정하여 해석하였다.
7만 시간이었다. 설계수명보다 사용수명이 더 많음을 이론적으로는 알 수가 있었지만, 설계수명에서 예측된 정확도를 알 수가 없었고, 현장에서 수집된 데이터의 수집과 원인분석 등 보다 정확한 규명이 필요할 것으로 보였다. 하지만 지속적인 신뢰성 분석을 통해 설계수명과 사용수명의 피드백을 통해 예측 기술이 발전되고 현장 데이터의 품질향상으로 분석된 값들의 신뢰도가 향상이 된다면, 전기식 출입문의 최적화된 부품수명과 특성을 파악하여 유지관리 시 활용할 수 있을 것이다.
출입문 시스템 고장 중 출입문 하부레 일에 이물질의 간섭에 의한 출입문 닫힘 불량으로 발생한 사항을 제외하면 전기식 출입문 시스템에 대한 고장은 총 19건이다. 전기식 출입문 시스템에서 DCU 고장이 9건(47.36%), TGIS의 순간 통신에러 6건(31.57%), 출입문 재개폐로 정상복귀 4건(21.05%)으로 분석 되었다.
전기식 출입문의 핵심 장치인 출입문제어장치 (DCU)는 설계수명이 15만 시간이었지만, 유지관리 시 수집된 데이터를 Weibull 해석을 통해 분석한 결과 사용 수명은 27.7만 시간이었다. 설계수명보다 사용수명이 더 많음을 이론적으로는 알 수가 있었지만, 설계수명에서 예측된 정확도를 알 수가 없었고, 현장에서 수집된 데이터의 수집과 원인분석 등 보다 정확한 규명이 필요할 것으로 보였다.

후속연구

기존의 공기식 출입문은 계절적 특성과 정밀한 제어가 불가능하여 동절기 및 승객 승하차시 크고 작은 안전사고를 빈번히 발생시키고 있었다. 이와 달리 전기식 출입문은 정밀한 제어와 계절적인 영향을 받지 않는 장점을 가지고 있어 향후에는 철도차량의 모든 출입문에 전기식이 적용될 것으로 예측된다.
설계수명보다 사용수명이 더 많음을 이론적으로는 알 수가 있었지만, 설계수명에서 예측된 정확도를 알 수가 없었고, 현장에서 수집된 데이터의 수집과 원인분석 등 보다 정확한 규명이 필요할 것으로 보였다. 하지만 지속적인 신뢰성 분석을 통해 설계수명과 사용수명의 피드백을 통해 예측 기술이 발전되고 현장 데이터의 품질향상으로 분석된 값들의 신뢰도가 향상이 된다면, 전기식 출입문의 최적화된 부품수명과 특성을 파악하여 유지관리 시 활용할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기식 출입문 시스템은 어떻게 동작 하는가?	전기식 출입문 시스템은 운전실에서 열림, 닫힘 신호를 보내면 각 출입문 DCU는 출입문의 상태를 확인하여 모터(motor)를 제어하며, 모터구동에 의해 스크류가 회전운동을 하고, 스크류가 회전하면 스크류에 연결된 볼 너트(nut)가 좌․우 직선 운동을 하고 포크 어셈블리와 연결 브라켓에 의해 행인 디바이스(hanging device Ass’y)와 연결된 출입문 판넬이 개폐되는 방식이다.
	전기식 출입문 시스템의 구성은 무엇으로 되어 있는가?	전기식 출입문 시스템의 구성은 전기식 출입문 시스템을 제어하는 제어장치(DCU), 전기신호를 회전운동으로 변환하는 모터(motor)와 모터의 회전력을 스크류에 전달하는 커플링(couping), 스크류의 회전운동을 직선왕복으로 변환하여 출입문 판넬을 개폐하는 너트(nut), 비상상황, 운전실 출입문 동작신호 입력을 제외하면 전기식 출입문 시스템을 개방하지 않도록 하는 록킹장치(locking) 등의 전기식 출입문의 주요 구성은 Fig.1 과 같다.
	전기식 출입문 시스템이 중요한 이유는 무엇인가?	전기식 출입문 시스템은 철도차량 영업운전에 영향을 주는 가장 중요한 시스템 중의 하나이다. 도시철도차량의 출입문은 승객들의 승하차를 담당하는 장치로써 고장이 발생할 경우 승객의 안전과 직접적인 영향을 미치기 때문에 열차운행에 영향을 미치는 중요한 장치이다. 최근에는 전기식 출입문 시스템의 신뢰도 목표값을 철도운영자가 철도차량 설계와 제작을 위한 발주사양 기술 요구조건에 포함하는 경향이 있으며, 차량 제작자는 제작시 발주사양기술 요구조건에서 철도운영자가 제시한 전기식 출입문 시스템의 신뢰도 목표값을 만족시켜야 하고, 철도운영자는 유지보수 데이터를 기반으로 공급자의 신뢰도 목표값 달성여부를 확인하고 승인하여야 한다.

참고문헌 (6)

M.A.Yoon, B.C.Koo, Y.J.Son, H.S.Lee "A Study on Reliability of Electric Door System for Rolling Stock", Journal of the Korean Society for Railway the spring symposium, pp. 998-1003, 2012
"KORAIL general electric vehicle inspection procedures Side Entrance Door Unit", KORAIL
D.S.Lee, "A Study for Reliability Improvement of Belt Type Door System using FMECA", Seoul National University of Science and Technology, 2009
D.G.Lee, Y.J.Son and H.S.Lee "A Study on Determining Maintenance Intervals Considering the Maintenance Effect for the PDS in Metro EMU", Journal of the Korean Society for Railway, vol. 14, no. 3, pp. 216-221, 2011

원문보기 상세보기
C.S.Kim, H.S.Lee "Reliability Analysis of Electric Door System for EMU", Journal of the Korean Society of Safety, vol. 28, no. 8, pp.52-56, 2013

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S.G.Seo, "Analysis of minitab reliability", Eretech, 2013

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