전동차는 대용량 교통수단으로서 정시 운행 및 높은 안전성이 요구되기 때문에, 고장 분석을 체계적으로 수행하여 신뢰도를 향상시키기 위한 수단으로서 고장 영향의 심각도 및 치명도를 정량적으로 평가하는 FMECA (Failure Modes, Effects and Criticality Analysis) 기법이 적용되고 있다. 그러나, 아직까지 전동차에 특화된 FMECA 규격 및 절차는 정립되어 있지 않고 자동차 산업 등 다른 산업분야의 FMECA 규격을 그대로 적용하고 있기 때문에 전동차의 고유한 운영 및 유지보수 여건을 충분히 반영하지 못하고 있다. 본 논문에서는 산업계 각 분야에서 적용되고 있는 FMECA 규격에 대한 분석을 토대로, 전동차 분야에 적합한 FMECA 기법으로서 고장 영향 분석과 치명도 분석을 단계별로 나누어 수행하고 고장 영향의 심각도에 중점을 두어 치명도를 분석하는 기법을 제시하였다. 제안 기법을 전동차의 핵심 안전 장치인 고속차단기에 적용하여 도시철도 현장에서의 15년 동안의 전동차 유지보수 데이터를 이용하여 분석한 결과, 고속차단기 부품 중에서 특히 아크슈트의 절손이 심각도 3등급, 치명도 5등급으로 위험도가 가장 높았으며, 뒤를 이어서 전자변 파손 및 접촉 불량, 실린더 파손 등이 심각도 3등급, 치명도 4등급으로 위험도가 높은 것으로 나타났다. 이상의 분석 결과는 전동차 고속차단기의 설계 및 유지보수 업무의 개선에 활용할 수 있다.
전동차는 대용량 교통수단으로서 정시 운행 및 높은 안전성이 요구되기 때문에, 고장 분석을 체계적으로 수행하여 신뢰도를 향상시키기 위한 수단으로서 고장 영향의 심각도 및 치명도를 정량적으로 평가하는 FMECA (Failure Modes, Effects and Criticality Analysis) 기법이 적용되고 있다. 그러나, 아직까지 전동차에 특화된 FMECA 규격 및 절차는 정립되어 있지 않고 자동차 산업 등 다른 산업분야의 FMECA 규격을 그대로 적용하고 있기 때문에 전동차의 고유한 운영 및 유지보수 여건을 충분히 반영하지 못하고 있다. 본 논문에서는 산업계 각 분야에서 적용되고 있는 FMECA 규격에 대한 분석을 토대로, 전동차 분야에 적합한 FMECA 기법으로서 고장 영향 분석과 치명도 분석을 단계별로 나누어 수행하고 고장 영향의 심각도에 중점을 두어 치명도를 분석하는 기법을 제시하였다. 제안 기법을 전동차의 핵심 안전 장치인 고속차단기에 적용하여 도시철도 현장에서의 15년 동안의 전동차 유지보수 데이터를 이용하여 분석한 결과, 고속차단기 부품 중에서 특히 아크 슈트의 절손이 심각도 3등급, 치명도 5등급으로 위험도가 가장 높았으며, 뒤를 이어서 전자변 파손 및 접촉 불량, 실린더 파손 등이 심각도 3등급, 치명도 4등급으로 위험도가 높은 것으로 나타났다. 이상의 분석 결과는 전동차 고속차단기의 설계 및 유지보수 업무의 개선에 활용할 수 있다.
FMECA(Failure Mode, Effects and Criticality Analysis) techniques to make quantitative evaluation of failure effects severity and criticality have been applied to systematic failure analysis for reliability improvement of train which should provide regular service and secure high level of safety as a...
FMECA(Failure Mode, Effects and Criticality Analysis) techniques to make quantitative evaluation of failure effects severity and criticality have been applied to systematic failure analysis for reliability improvement of train which should provide regular service and secure high level of safety as a mass transportation system. These FMECA techniques do not fully reflect the inherent train operation and maintenance circumstances because they are based on the FMECA standards devised for other industries such as automobile industry and FMECA standard dedicated to train industry has not been established yet. This paper analyzes FMECA standards for various industries, and suggests a FMECA technique dedicated to train industry which makes failure effect analysis and criticality analysis step by step and makes criticality analysis placing emphasis on the severity of the failure effect. The proposed technique is applied to FMECA of high-speed current breaker which is a core safety device of train using field failure data for 15 years of train maintenance. The FMECA results show that breakage of arc chute has the highest risk with 3rd severity class and 5th criticality class among all the components of high-speed circuit breaker. Damage and poor contact of electronic valve, and cylinder breakage with 3rd severity class and 4th criticality class are followed by. These results can be applied to improvement of design and maintenance process for high-speed circuit breaker of train.
FMECA(Failure Mode, Effects and Criticality Analysis) techniques to make quantitative evaluation of failure effects severity and criticality have been applied to systematic failure analysis for reliability improvement of train which should provide regular service and secure high level of safety as a mass transportation system. These FMECA techniques do not fully reflect the inherent train operation and maintenance circumstances because they are based on the FMECA standards devised for other industries such as automobile industry and FMECA standard dedicated to train industry has not been established yet. This paper analyzes FMECA standards for various industries, and suggests a FMECA technique dedicated to train industry which makes failure effect analysis and criticality analysis step by step and makes criticality analysis placing emphasis on the severity of the failure effect. The proposed technique is applied to FMECA of high-speed current breaker which is a core safety device of train using field failure data for 15 years of train maintenance. The FMECA results show that breakage of arc chute has the highest risk with 3rd severity class and 5th criticality class among all the components of high-speed circuit breaker. Damage and poor contact of electronic valve, and cylinder breakage with 3rd severity class and 4th criticality class are followed by. These results can be applied to improvement of design and maintenance process for high-speed circuit breaker of train.
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문제 정의
또한 국방분야의 MIL-STD-1629A 규격을 적용하여 전동차 출입문에 대해서 FMECA를 수행한 사례도 발표되어 있다[9]. 본 논문에서는, 일반산업분야에서 적용되고 있는 FMECA 규격들을 검토하여 전동차 시스템의 특징을 고려한 FMECA절차를 제시하고, 전동차 주회로장치의 고속차단기에 적용하여 FMECA를 수행하였다.
제안 방법
도시철도 전동차에 FMECA 적용을 위하여, 규격 분석을 통하여 전동차에 적합한 FMECA 절차를 제시하고, 현장에서 수집한 고장데이터를 이용하여 전동차 고속차 단기에 적용함으로써 다음 결론을 얻었다.
이상으로부터, MIL-STD-1629A 규격을 기반으로 전동차에 FMECA를 적용하기 위한 분석절차를 검토하여, 이를 전동차 고속차단기 FMECA에 적용하여 분석을 수행하였다. 또한, IEC-60812 규격을 기반으로 치명도 분석을 수행하고, 그 결과를 MIL-STD-1629A에 의한 결과와 비교, 분석함으로써 전동차 적용에 적합한 FMECA 기법 및 절차를 제시한다.
대상 데이터
논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 여러 산업분야에 적용되고 있는 FMECA 규격들을 비교분석하여 전동차 시스템에 적합한 FMECA 절차를 제시하였고, 3장에서는 도시철도 현장으로부터 전동차 고속차단기 유지 보수데이터를 수집하여 고장분석을 수행하였다. 4장에 서는 제안 기법을 고속차단기에 적용하여 분석한 FMECA 결과를 기술하였으며, 5장은 결론으로 구성하였다.
도시철도에서 운영되고 있는 전동차 고속차단기의 15년간에 걸친 운영 및 유지보수과정에서 발생한 고장데이 터를 현장으로부터 수집하여 분석하였다. Table 1은 15년 동안 발생한 고속차단기의 고장발생건수를 주요 구성품 별로 정리한 것이다.
데이터처리
이상으로부터, MIL-STD-1629A 규격을 기반으로 전동차에 FMECA를 적용하기 위한 분석절차를 검토하여, 이를 전동차 고속차단기 FMECA에 적용하여 분석을 수행하였다. 또한, IEC-60812 규격을 기반으로 치명도 분석을 수행하고, 그 결과를 MIL-STD-1629A에 의한 결과와 비교, 분석함으로써 전동차 적용에 적합한 FMECA 기법 및 절차를 제시한다.
앞서 수행한 고장모드별 심각도 분석결과를 토대로, 각 고장모드의 발생빈도를 고려하여 치명도분석을 수행 한다. 고장데이터가 충분치 않을 경우에는 정성적인 기법으로 발생빈도를 분석하여야 하며, MIL-1629A에서는 Level - A (Frequent), B (Reasonably Probable), C (Occasional), D (Remote), E (Extremely Unlikely)의 5등급으로 분류하여 발생확률을 정성적으로 평가한다.
이론/모형
FMECA 분석에서 1차적으로 도출된 고장모드에 대하여 고장영향의 심각도를 평가하는 FMEA를 수행한다. 여기에서는, 각 고장모드에 대하여 잠재적으로 발생할수 있는 최악의 영향을 상정하여 심각도를 할당한다.
성능/효과
FMECA 분석 결과, 전자변에서는 고장모드 발생비율이 누기: 43.16%, 오동작: 13.68%, 변형: 16.84%, 접촉 불량: 5.26% 등으로 나타났으며, 각 고장모드별 치명도를 합산한 결과 심각도등급 Ⅲ의 치명도는 10.5, 심각도 등급 Ⅳ의 치명도는 24.15, 심각도등급 Ⅴ의 치명도는 37.65로 나타났다. 실린더에서는 고장모드 발생비율이 누기: 92.
전동차는 높은 가용성과 안전성이 요구되기 때문에 MIL-STD-1629A와 같이 고장영향 분석과 치명도 분석을 단계별로 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 치명도 분석은 IEC-60812에 의한 절차가 고장영향의 심각도에 비중을 두고 분석할 수 있다는 점에서 전동차 FMECA에보다 적합하다.
전동차 고속차단기에 대한 FMECA 적용 결과, 고속 차단기 구성품 중에서 특히 아크슈트의 절손이 치명도가 높으며, 뒤를 이어서 전자변의 파손 및 접촉불량, 실린더 파손 등이 치명도가 높고 중점관리가 필요한 것으로 나타났다.
전동차는 높은 가용성과 안전성이 요구되기 때문에 MIL-STD-1629A와 같이 고장영향 분석과 치명도 분석을 단계별로 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 치명도 분석은 IEC-60812에 의한 절차가 고장영향의 심각도에 비중을 두고 분석할 수 있다는 점에서 전동차 FMECA에보다 적합하다.
철도시스템의 특성상 높은 가용성과 안전성이 요구되는 점을 감안하면, 사고를 유발할 수 있는 심각도가 높은 고장모드에 대해 비중을 둘 필요가 있으며, 이에 따라 전동차 FMECA 적용과정에서 IEC- 60812에 따른 치명도 분석을 수행하는 것이 효과적이다.
후속연구
전동차의 고장 데이터에는 그 전동차의 취약점 및 한계에 관한 중요한 정보들이 담겨있다. FMEA를 활용하게 되면 제품에 대한 고장모드와 고장률 등에 관한 자료가 누적됨으로써 추후 방대한 데이터베이스를 구축하여 추후 신뢰성 유지보수 분석에 활용할 수 있다.
이상의 분석결과는 전동차 고속차단기의 설계 및 유지보수에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
FMECA기법의 효과는?
전동차는 대용량 교통수단으로서 정시 운행 및 높은 안전성이 요구되기 때문에, 고장 분석을 체계적으로 수행하여 신뢰도를 향상시키기 위한 수단으로서 고장 영향의 심각도 및 치명도를 정량적으로 평가하는 FMECA (Failure Modes, Effects and Criticality Analysis) 기법이 적용되고 있다. 그러나, 아직까지 전동차에 특화된 FMECA 규격 및 절차는 정립되어 있지 않고 자동차 산업 등 다른 산업분야의 FMECA 규격을 그대로 적용하고 있기 때문에 전동차의 고유한 운영 및 유지보수 여건을 충분히 반영하지 못하고 있다.
FMECA는 어떻게 구성되어 있는가?
FMECA (Failure Modes, Effects and Criticality Analysis)는 시스템의 개발 초기 단계에서부터 시스템에서 발생할 수 있는 잠재적 고장모드를 선별하고, 고장모드의 영향과 원인을 분석함으로써, 시스템에 치명적인 영향을 미치는 고장 모드를 선별하여 이들을 완화하거나, 줄이거나 제거하기 위한 의사결정을 수행하는 방법으로 사용되고 있다[1-2]. FMECA는 FMEA (Failure Modes and Effects Analysis)와 CA (Criticality Analysis)로 구성되는데, 이런 FMECA의 내용 및 수행절차에 관한 규격이 미국 국방성에 의해 MIL-STD-1629A로 규격화 되어 있으며, 이를 응용한 자동차 산업 분야의 SAE-J1739, 그리고 전자산업분야의 IEC-60812 규격이 제정되어 응용되고 있다[3,4,5].
MIL-STD-1629A와 IEC-60812 규격의 장점은 무엇인가?
MIL-STD-1629A와 IEC-60812 규격에서는 FMECA와 CA 단계를 나누어 수행함에 따라, 전동차의 운영을 중단시킬 수 있는 심각한 고장모드들에 비중을 두고 분석을 수행할 수 있다[10]. 또한, FMEA 분석을 통해 심각한 고장모드들을 우선적으로 선별한 후, 이들에 대해서 필요한 경우 추가적으로 CA 분석을 수행함으로써 전동차와 같이 복잡한 시스템에서 효율적인 분석이 가능하다는 장점이 있다. 한편 치명도 평가 방법에 있어서, IEC-60812 규격에서는 치명도를 정성적인 단계로 분류 하여 사용한다는 특징이 있다.
참고문헌 (10)
D. H. Stamatics, Failure Mode Effect Analysis : FMEA from Theory to Execution, ASQ, Milwaukee, 2003.
J. H. Park, "Maintenance Method of Mail Sorting Machine Based on FMEA", Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 11, No. 5, pp. 1601-1607, 2010. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2010.11.5.1601
SAE-J1739, Potential Failure Mode and Effects Analysis in Design(Design FMEA) and Potential Failure Mode and Effects Analysis in Manufacturing and Assembly Process(Process FMEA), and Potential Failure Mode and Effects Analysis for Machinery, SAE, 2000.
MIL-STD-1629A, "Procedures for Performing a Failure Mode and Effects and Criticality Analysis", DOD, 1980.
IEC-60812 Analysis techniques for system reliability-Procedure for failure mode and effects analysis (FMEA), IEC, 2001.
B. N. Park, H. J. Joo, C. H. Lee, S. S. Lim, "A Study on FMEA for Railway Vehicle, Proceedings of Annual Spring Conference of the Korean Society for Railway, pp. 162-168, May, 2009.
H. Y. Kim, J. C. Lee, "A Case Study on Improving for Operating ATC/ATO System and Driving Environment Using FMECA", Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 15, No .6, pp. 550-557, 2012
C. An, D. Lee, Y. Son, H. Lee, "A Study for Reliability Improvem,ent of Belt Type Door System using FMECA", Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 13, No. 1, pp. 58-64, 2010.
X. Cheng, Z. Xing, et., al, "Reliability Analysis of Metro Door System Based on FMECA", Journal of Intelligent Learning Systems and Applications, Vol. 5, pp. 216-220, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.4236/jilsa.2013.54024
J. H. Kim, H. Y. Jeong, J. S. Park, "Development of the FMECA Process and Analysis Methodology for the Railroad Systems", International Journal of Automotive Technology, Vol. 10, No. 6, pp. 753-759, 2009. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/s12239-009-0088-z
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