[논문]전동차 전기식 도어시스템의 구성부품에 대한 발열 특성분석

이본형; 김두현; 김성철

doi:10.14346/jkosos.2020.35.1.18

전동차 전기식 도어시스템의 구성부품에 대한 발열 특성분석
Analysis of Thermal Characteristics for Components of Electrical Door System in Electric Multiple Unit 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.35 no.1, 2020년, pp.18 - 24

이본형 (대전광역시도시철도공사) , 김두현 (충북대학교 안전공학과) , 김성철 (충북대학교 안전공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This research conducted an the failure analysis was performed based on the failure and operation data for Seven years using the Reliability, Availability, Maintainability, and Safety(RAMS) constructed at the operation stage after the opening of the D urban railway. therefore, the risk priority was selected for failure frequency component within the door system that showed high failure. Finally, the goal was to suggest ways to improve the door system. For this purpose, the analysis of thermal characteristics of failed components such as Door Control Unit(DCU) in the door system based on the Seven-year failure analysis data of RAMS was performed. These results were applied to the main component exchange cycle of the door unit, the mean time between failure(MTBF) and mean kilometer between failure(MKBF) values of RAMS increased by 26% in 2017-2018 when the improvement measures were taken, and the MTBF value of DCU was 300,000 hours, which was a 57% improvement in reliability. The results of this thesis identify potential enhancements in reliability and improvements in maintenance of the door system that, if implemented, would contribute to train safety and reduce instances of failure in the future.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Maintenance optimization process of RCM theory.
표 Table 1. FRACAS system
표 Table 2. RAMS Indicators for railways
표 Table 3. Status of failure of the EMU in the last 5 years of RAMS
그림 Fig. 2. Correction of data in computer system and RAMS.
그림 Fig. 3. EMU failure of RAMS in 2012 ~ 2016.
그림 Fig. 4. Door system failure of RAMS in 2012~2016.
그림 Fig. 5. DCU failure of RAMS in 2012~2016.
그림 Fig. 6. DCU failure of RAMS in 2012~2016.
표 Table 4. Corrosion status of DCU by train unit
그림 Fig. 7. Factors and actions of DCU major failure.
그림 Fig. 8. Door system failure of RAMS in 2017~2018 applying thermal characteristic.
그림 Fig. 9. DCU failure of RAMS in 2017~2018 applying thermal characteristic.

AI 본문요약
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문제 정의

RAMS란 신뢰도(R), 가용도(A), 정비도(M), 안전도(S)의 전반적인 관리목표를 설정하고 전주기에 걸쳐 설정된 목표를 관리함으로써 안전하고 서비스 수준이 높은 시스템을 구축하는 것을 목표로 한다. 그러나 D 도시철도 전동차는 신뢰성 기반 개념에 입각한 RAMS 시스템 생명주기의 설계가 되지 않았고, 운영단계에서만 적용하는 한계가 있다.
따라서 본 논문에서는 RAMS의 7년간 고장데이터를 바탕으로 고장이 잦은 DCU(Door Control Unit) 672개 전체 도어를 대상으로 발열 특성변화를 측정하였다. 측정을 통하여 DCU 내 콘덴서와 EPLD(Electrically Programmable Logic Device), 그리고 하부레일 등이 고장빈발부품으로 확인하였고, 도어고장 감소와 DCU의 안정적인 운영을 위한 개선방안을 제시하였다.

제안 방법

RAMS 적용을 위하여 우선적으로 현장과 RAMS 담당자, 그리고 RAMS 사용자들 간에 정보공유를 위하여 네트워크를 구성하였다. 역할 분담으로 차량운영 분임 담당자는 고장 전동차의 고장유형과 영향 등 이력, 주행거리, 경과시간, 고장조치, 정비이력을 입력하고, RAMS 분임책임자는 자료의 적정여부를 검토하여 열차지연이나 안전에 미치는 영향을 고려하여 고장발생보고서를 안전담당에게 송부한다.
5배로 내압을 선정했으나 열에 의한 전기적, 기계적 특성변화로 누액현상이 발생하여 사용수명 단축과 오동작의 문제를 발생시켰다. 누액으로 인한 패턴 부식은 Conductive Pen을 사용하여 복원하였고, EPLD는 열화상 카메라를 이용하여 정상온도(30℃이내)보다 높은 부품은 교체하였다.
다음으로 콘덴서 누액으로 인한 PCB의 부식상태와 부식정도를 조사하여 부식이 DCU 동작에 어떠한 영향을 미칠 수 있는지를 전수 조사 하였다. 672개에 대한 DCU내 PCB 패턴은 Table 4와 같이 사용시간과 동작횟수가 비교적 많은 1단계(101편성~112편성) 전동차의 DCU가 2단계(113편성~121편성) 전동차에 비하여 부식 정도가 높게 나타났다.
5 V 전원라인의 패턴이 콘덴서의 고정 납땜부에 인접해 있어서 배터리 누액이 발생한다면 전원에 영향을 미쳐 이상 작동을 일으킬 수 있다. 또한, 도어시스템의 제어와 통신을 직접적으로 담당하는 EPLD의 이상 유무를 확인하기 위하여 정상적인 도어작동 조건에서 전원을 투입하여 도어 개폐동작을 시행하면서 열화상 카메라를 이용하여 DCU 672개를 전수 측정하였다. 측정결과 정상발열인 EPLD는 30℃ 내외로 측정되었고, 이상발열의 EPLD는 100℃내외로 높게 나타났다.
7은 DCU의 핵심부품에 대한 고장원인 분석을 위하여 시행했던 구성부품의 발열 특성과 패턴 부식조사를 통하여 개선하였던 프로세스이다. 먼저 누액이 발생된 4,700 ㎌, 10 V 콘덴서는 DCU 내 다른 부품이나 회로에 영향이 미치지 않는 범위에서 용량은 변경하지 않고, 내압에 여유를 주기 위하여 16 V로 올려서 교체하였다. 설계 시 사용전압의 1.
1은 RCM의 프로세스로서 어떤 설비가 현재의 운영환경에서 사용자가 원하는 작업을 지속적으로 실행하는 것을 보장하기 위하여 무엇을 수행해야 하는지를 결정하는데 사용된다. 먼저, 분석대상 시스템을 선정하고 데이터를 이용하여 시스템 및 정비 업무를 평가한다. 그리고 분석결과를 정비 업무에 최적화 하는 과정을 수행한다.
DCU의 고장원인을 명확히 규명하기 위해서는 대부분의 전자제어보드와 같이 발열 및 전류 특성 변화를 측정할 필요가 있다. 이러한 이유로 도어 동작횟수와 동작시간의 증가, 온도 상승에 의한 열 축적 등 주변 환경을 고려하여 DCU내 콘덴서, EPLD 등 핵심 반도체 소자에 대한 발열 측정을 실시하였다¹³⁾.
따라서 본 논문에서는 RAMS의 7년간 고장데이터를 바탕으로 고장이 잦은 DCU(Door Control Unit) 672개 전체 도어를 대상으로 발열 특성변화를 측정하였다. 측정을 통하여 DCU 내 콘덴서와 EPLD(Electrically Programmable Logic Device), 그리고 하부레일 등이 고장빈발부품으로 확인하였고, 도어고장 감소와 DCU의 안정적인 운영을 위한 개선방안을 제시하였다.

대상 데이터

Fig. 6과 같이 4,700 ㎌(내압 10V) 용량의 전해 콘덴서가 장시간 열적 스트레스가 누적된 상태에서 누액이 인쇄회로기판(PCB) 패턴사이로 침투되어 패턴 부식현상이 발생하고 있는 것을 DCU 672개를 전수 조사하여 확인할 수 있었다. 5 V 전원라인의 패턴이 콘덴서의 고정 납땜부에 인접해 있어서 배터리 누액이 발생한다면 전원에 영향을 미쳐 이상 작동을 일으킬 수 있다.
Table 2는 철도에서 사용하고 있는 RAMS 지표이다. 철도안전관리체계 운영절차에서 RAMS 적용대상은 전동차 시스템, 하위 시스템과 주요부품에 대하여 실시하며, 주요장치가 기능고장으로 정상적인 운행을 하지 못하거나 열차운행에 미치는 영향을 고려하여 선정한다. 전동차의 부품 구조는 부품구성명세서(BOM : Bill of Material) 체계로 구성되고 RAMS 목표는 최근 3년간 평균의 ±20% 이내로 정하여 추진하고 있다.

이론/모형

RCM은 발생 가능한 고장, 고장의 성장과정(Failure mechanism) 및 수행되어야 할 정비절차의 견지에서 시스템을 평가하는 조직적인 분석 방법으로 총 생명주기에 걸쳐 신뢰성, 안전성을 향상시킨다. 이러한 신뢰성 유지보수 활동은 FRACAS(Failure Reporting Analysis And Corrective Action System)절차를 활용하여 시행한다⁹⁾. FRACAS는 시스템을 운용하는 동안에 발생한 고장을 보고하고, 고장 내용을 분석하여 필요한 수리 작업 및 사후 조치 등에 대한 일련의 과정을 지속적으로 시행하는 고장분석 업무체계이다.

성능/효과

1. 도어장치에 대한 개선조치가 이루어진 이후 신뢰성 분석결과에서 전동차와 도어장치의 주요부품 교환주기에 적용하는 MTBF와 MKBF 값은 26% 향상되었고, DCU의 MTBF 값은 30만 시간으로 57%의 신뢰성향상이 이루어졌다. 이는 MIL-HDBK-217FN2에서 정의하는 전자장치 15만 시간을 만족하는 값으로서 설계단계에서 RAMS가 적용되지 않았지만 운영단계에서 RAMS를 적용하고, 발열 특성 분석과 개선을 통하여 신뢰성 향상이 이루어졌음을 알 수 있다.
2. 도어시스템의 DCU는 주변온도상승 등 환경요인, 시간중심 정비방식의 문제, 도어 동작시간과 횟수의 증가, 그리고 콘덴서 내압선정의 문제점으로 열 상승에 의한 콘덴서 누액, PCB의 패턴부식, 그리고 EPLD의 발열현상으로 이어져 도어 개폐고장의 원인이 되었다.
3. 지속적으로 RAMS에 의한 고장분석과 열적, 전기적, 기계적 특성 분석을 유지보수과정에서 활용하여 개선사항을 RAMS에 적용하면 DCU의 안정적 운영이 기능하리라 판단된다.
8, 9는 발열 특성 분석에 따른 개선대책을 적용한 후 고장 및 운영데이터를 활용하여 다시 RAMS로 분석한 결과이다. DCU 등 핵심장치에 대하여 2017년을 기준으로 2012년~2016년과 2017년~2018년을 비교하였더니 도어장치 고장은 연평균 47건에서 37건으로 21% 감소하였고, MTBF는 1,877시간, MKBF는 46,860㎞으로 26% 상승하였음을 확인하였다. 또한 DCU의 MKBF는 7,497,600 ㎞, MTBF 값은 300,384시간으로 DCU 등 개선조치가 이루어진 2017년 이후 57%의 신뢰성이 향상되었고, 설계수명보다 사용수명이 2배 높게 나타났다.
DCU 등 핵심장치에 대하여 2017년을 기준으로 2012년~2016년과 2017년~2018년을 비교하였더니 도어장치 고장은 연평균 47건에서 37건으로 21% 감소하였고, MTBF는 1,877시간, MKBF는 46,860㎞으로 26% 상승하였음을 확인하였다. 또한 DCU의 MKBF는 7,497,600 ㎞, MTBF 값은 300,384시간으로 DCU 등 개선조치가 이루어진 2017년 이후 57%의 신뢰성이 향상되었고, 설계수명보다 사용수명이 2배 높게 나타났다.
도어장치에 대한 개선조치가 이루어진 이후 신뢰성 분석결과에서 전동차와 도어장치의 주요부품 교환주기에 적용하는 MTBF와 MKBF 값은 26% 향상되었고, DCU의 MTBF 값은 30만 시간으로 57%의 신뢰성향상이 이루어졌다. 이는 MIL-HDBK-217FN2에서 정의하는 전자장치 15만 시간을 만족하는 값으로서 설계단계에서 RAMS가 적용되지 않았지만 운영단계에서 RAMS를 적용하고, 발열 특성 분석과 개선을 통하여 신뢰성 향상이 이루어졌음을 알 수 있다.
또한, 도어시스템의 제어와 통신을 직접적으로 담당하는 EPLD의 이상 유무를 확인하기 위하여 정상적인 도어작동 조건에서 전원을 투입하여 도어 개폐동작을 시행하면서 열화상 카메라를 이용하여 DCU 672개를 전수 측정하였다. 측정결과 정상발열인 EPLD는 30℃ 내외로 측정되었고, 이상발열의 EPLD는 100℃내외로 높게 나타났다.

후속연구

D 도시철도 RAMS 결과를 종합적으로 분석하면 도어시스템에 대한 위험도(지연) 저감과 신뢰성 향상을 위해서는 핵심부품에 대한 추가적인 고장원인 분석을 통하여 구체적인 개선대책을 제시할 필요가 있다.
98E+03으로 나타났다. 이러한 결과는 현재 D 도시철도 차량의 MTBF가 미국 국방성에서 제시한 값을 약간 상회하는 190,000시간으로 나타났지만 고장감소를 위하여 DCU에 대한 추가적인 개선과 관리가 필요함을 알 수 있다.

참고문헌 (14)

Notice No. 2014-132 of the Ministry of Land, Rail Safety Management System Technical Standards, 2014.
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I. S. Jung, "Study on the Setting up and Demonstration of RAMS Requirements in Rolling Stock", Ph.D. Thesis, Seoul National University of Science and Technology, 2008.
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M O. Song, N. B. Lee, H. C. An and H. S. Ju, "A Case Study on the RCM of the Airport Railroad Engineering System", A Spring Conference Journal of the Korean Society for Railway, KSR2016S134, 2016.
C. H. Lee, S. S. Lim and M.O. Song, "System of Effective RAMS Management for AREX Railway System", Conference Journal of the Korean Society for Railway, pp. 709-714, 2007.
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Y. J. Yang and H. S. Lee, "Reliability Improvement Method of the Electrical Door System for the Railway Vehicles", Journal of Energy Engineering, Vol. 24, No. 1, pp. 17-23, 2015.
D Urban Railway RAMS Analysis System, D Urban Railroad Corporation, 2019.
J. S. Song "A Study on Reliability Evaluation of DCU (Door Control Unit) Power Modules for Railway Vehicles", Master's Thesis, Hanyang University, 2018.
H. K Lim, "System Safety Engineering", Issued by Hansol Academy, 2012.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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