[논문]화물열차 공기제동 완해불량 방지 밸브의 내구성 평가

이준구; 김철수

doi:10.5762/kais.2020.21.9.32

화물열차 공기제동 완해불량 방지 밸브의 내구성 평가
Durability Evaluation on the Air-Braking Release Failure Proof Valve of Cargo Train 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.9, 2020년, pp.32 - 38

이준구 (한국교통대학교 일반대학원) , 김철수 (한국교통대학교 철도공학부)

초록
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화차 제동은 공기 제동관의 압력변화를 이용해 제동 체결과 완해를 반복적으로 작동하여 수행한다. 화차 공기 제동 완해 불량은 기관사의 제동완해 취급 후에 제동 제어밸브의 오작동으로 인해 부분적인 제동체결상태를 의미한다. 이 현상은 화차 주행 동안 차륜 찰상과 열손상을 발생시킴으로서, 차륜파손 또는 열차 탈선사고를 일으킨다. 따라서 화차의 운행 지연 및 사고방지를 위해서는 공기제동 완해불량을 방지하는 체계적인 연구가 중요하다. 이를 해결하기 위하여 본 연구에서는 철도운영기관의 제작과 기능요구사항을 고려하여 완해불량 방지밸브를 개발하였다. 또한 본 밸브의 내구성 시험은 화차제동성능 시뮬레이터 성능시험기를 이용하였으며, 이의 작동성능은 반복적인 제동과 완해불량 조건하에 공압이력으로부터 평가하였다. 본 밸브의 보증수명은 화차 주행동안 제동횟수를 고려하여 무고장 시험기법에 준하여 12개 시제품에 대하여 총 16만회 성능시험을 수행하였다. 내구성 시험동안 본 밸브의 공압 입력 시간과 출력시간 및 출력속도의 차이는 거의 일정하였다. 본 밸브의 보증수명은 신뢰수준 95%에서 59,860회이며, 화차 대차에 본 밸브를 설치할 경우에 요구조건인 4년간 고장없이 운용될 수 있음을 의미한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Cargo train braking uses the pressure changes in the air braking pipe to operate the braking tightening and releasing service repeatedly. Air-braking release failure means partial braking caused by a failure of the variable load valve after the driver handling the brake release. This phenomenon causes wheel flaws while driving a wagon, resulting in wheel breakage or train derailment. This study developed the air-braking release failure proof valve considering the technical requirements of the railway operation corporations. In addition, a durability test of the valve was carried out using a braking performance simulator, and its operating performance was evaluated from the pneumatic history under cyclic braking conditions. The warranty life of this valve was assessed by performing 160,000 cycles of testing of 12 prototypes in accordance with the zero-failure test method, considering the number of braking cycles while driving the wagon. During the durability test, the pneumatic input time, output time, and release velocity were almost constant. The warranty life of this valve was 59,860 times the 95% confidence level, which means that it can be operated without trouble for four years when the valve is installed in the bogie of the wagon.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Schematic diagrams of malfunction of the air brake release
그림 Fig. 2. Installation example of BP and BC in air brake device
그림 Fig. 3. Operating mechanisms of the prototype valve to troubleshoot the air brake release malfunction of cargo Train
표 Table 1. Technical requirements of the air-braking release failure proof valve of cargo train
그림 Fig. 4. Durability test equipments of the air-braking release failure proof valve
그림 Fig. 5. Pneumatic histories of the prototype valve
표 Table 2. Design specifications of components
그림 Fig. 6. Analysis results of the operational information recorder for cargo train
표 Table 3. Zero failure test time calculation for durability test of the prototype valve for cargo train
표 Table 4. Operating times and speeds of the prototype valve during the durability test
그림 Fig. 7. Pneumatic histories of the prototype valve during the durability test
그림 Fig. 8. Major parts status after end of test

AI 본문요약
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문제 정의

본 방지 밸브는 4년간의 내구수명, 무전원방식의 화차 특성을 고려한 기계적 동작, 그리고 제동밸브의 종류에 상관없이 화차에 적용되어야 한다. Table 1의 기술사양으로부터 본 연구에서는 Fig. 2.와 같이 제동관과 제동실린더관 사이에 설치 가능한 제동완해불량 방지 밸브를 개발하고자 한다.
이에 반해 화차의 주행안정성 확보를 위한 제동장치의 내구성 평가에 관한 체계적인 연구는 아직 미미한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 화차의 주행안정성을 확보하기 위하여 공기제동 완해불량 방지밸브를 설계 및 제작하고, 무고장시험기법에 따른 내구성을 평가하고자 한다.
본 연구에서는 화차 공기제동 완해불량 방지밸브의 내구성평가를 위하여 보증수명에 따른 무고장 시험기법[6,8,9]을 이용하여 평가하고자 한다.
본 연구에서는 화차의 주행안정성을 확보하기 위하여 공기제동 완해불량 방지밸브를 설계하고 시제품을 제작하였다. 이로부터 무고장시험기법에 따른 내구성을 평가하였고, 이로부터 얻은 결론은 다음과 같다.

가설 설정

본 밸브의 와이블 분포 형상모수(shape parameter in Weibull distribution, β)값은 Weibull 데이터 베이스에 따라 1로 가정하고[10], 시료수는 12개이다.

제안 방법

(1) 화차 제동완해 불량 현상을 방지하기 위해 화차의 특성에 맞는 기계적 메커니즘 방식의 밸브를 개발하여 기초 설계하였다.
(2) 본 밸브에 대한 신뢰성 보증의 일환으로 무고장 시험을 시행하기 위해 실제 화차 제동장치와 같은 방식으로 화차제동 시험시뮬레이터를 개발하였다. 이로부터 본 밸브의 작동성능은 반복적인 제동과완해불량 조건하에 공압이력으로부터 평가하였다.
본 방지밸브는 시험기의 제동관과 제동 실린더관사이에 직접 연결되어야 하므로 본 시험기도 동일한 조건으로 체결하였다. 또한 본 시험기는 공압제어부를 통해 제동실린더의 공기압을 채워 완해불량 조건을 설정하고, 제동관을 증압함으로서 방지밸브에 의하여 제동실린더의 잔여공기압을 강제 배기한다.
는 본 시험기의 구성품에 대한 상세사양을 정리한 것이다. 본 화차 제동완해 불량 방지 밸브의 작동여부와 성능은 반복적인 제동과 완해불량 조건하에 본 밸브의 공압이력으로부터 평가한다.
Table 3은 본 방지밸브의 내구성 검증을 위한 무고장 시험의 요구조건을 정리한 것이다. 여기서 확률변수는 제동취급횟수이며, 신뢰수준(confidence level)은 95%, B10수명(failure probability 10%)을 적용하였다. 본 밸브의 와이블 분포 형상모수(shape parameter in Weibull distribution, β)값은 Weibull 데이터 베이스에 따라 1로 가정하고[10], 시료수는 12개이다.
과 같이 제동관의 충기된 공기압에 의해 스풀이 개방되어 제동실린더의 공기압을 본 밸브의 배기구로 배기시킨다. 이 때 설치된 압력센서로부터 제동 실린더 공압 배기이력을 체크하여 정상적으로 완해여부를 확인한다.
(2) 본 밸브에 대한 신뢰성 보증의 일환으로 무고장 시험을 시행하기 위해 실제 화차 제동장치와 같은 방식으로 화차제동 시험시뮬레이터를 개발하였다. 이로부터 본 밸브의 작동성능은 반복적인 제동과완해불량 조건하에 공압이력으로부터 평가하였다.
화차 제동장치의 이전연구[2,3]는 남성원 등[2]에 의하여 다양한 화차 공기제동장치들 사이의 균등한 공압을 얻기 위한 신속 완해밸브를 개발하여 시험을 수행하였다. 또한 철도차량 부품의 내구성 평가에 관한 연구[4-6]는 고속철도와 일반 철도차량의 부품을 대상으로 수행되어왔다.

대상 데이터

(b)는 본 시험에 사용된 시험장치의 구성도를 나타낸다. 본 시험기는 3개의 밸브를 동시에 시험하도록 제작되었다. 본 방지밸브는 시험기의 제동관과 제동 실린더관사이에 직접 연결되어야 하므로 본 시험기도 동일한 조건으로 체결하였다.

성능/효과

(3) 12개의 시제품들은 내구성 시험동안 모든 이력에서 잔여공압이 정상조건인 0.5kgf /cm2 이하로 되었다. 내구성 시험동안 본 밸브의 공압 입력 시간과 출력시간 및 출력속도의 차이는 거의 일정하였다.
5.(a) 공압이력은 입출력 이력이 일치하지만, 완해불량상태의 공압이력에서 입력과 출력공압은 차이가 발생한다. 이는 제동실린더의 공압이 완전히 배기되지 않고 잔여공압(residual air pressure)으로 기인한다.
각 부품은 표면에서 심각한 마모흔적을 볼 수 없었다. 따라서 본 밸브는 신뢰수준 95%에서 보증수명 59,860회를 보장하며, 화차에 본 밸브를 설치할 경우에 요구조건인 4년간 고장 없이 운용될 수 있음을 의미한다.
내구성 시험동안 본 밸브의 공압 입력 시간과 출력시간 및 출력속도의 차이는 거의 일정하였다. 본 밸브의 보증수명은 신뢰수준 95%에서 59,860회이었으며, 화차 대차에 본 밸브를 설치할 경우에 요구조건인 4년간 무고장으로 운용될 수 있음을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화차 운행동안 관련 탈선사고의 주 원인은?	이중 화차 제동은 공기제동관의 압력변화를 이용해 제동 체결과 완해를 반복적으로 작동하여 수행한다. 화차 운행동안 관련 탈선사고(derailment accident)는 공기제동 완해 불량(air-braking release failure)에 따른 차륜파손으로 주로 발생한다[1]. 공기제동 완해불량은 기관사의 제동완해취급 후에 제동제어밸브의 오작동으로 인해 제동 실린더의 공기압을 충분히 배기하지 못하여 잔류공기로부터 발생한 불완전한 제동완해현상이다.
	화차는 어떻게 주행하는가?	유라시아 대륙철도 연결에 따른 글로벌 철도물 류의 패러다임이 전환되면서 각국의 철도운영기관은 화물열차 (cargo train, 이하 화차)의 안전한 운행에 많은 관심을 두고 있다. 화차는 기계부품 조립 체인 대차위의 상판 (body floor)에 화물을 적재하고, 선두의 기관차로 견인과 제동작용에 따라 궤도위에서 차륜으로 주행한다. 이중 화차 제동은 공기제동관의 압력변화를 이용해 제동 체결과 완해를 반복적으로 작동하여 수행한다.
	차륜파손 또는 열차탈선사고가 발생 시 문제점은?	이는 부분적인 제동체결상태로서, 화차 주행동안 차륜 찰상과 열 손상을 발생시킴으로써 차륜파손 또는 열차탈선사고를 야기한다. 이러한 현상이 발생하면 철도운영기관은 열차지연의 승객불편과 함께 서비스 고장으로 막대한 영업손실 피해를 입는다. 따라서 화차의 운행 지연 및 사고방지를 위해서는 공기제동 완해불량을 방지하기 위한 체계적인 연구개발이 요구된다.

참고문헌 (10)

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원문보기 상세보기
S. R. Lee, H. E. Kim, "Determination of No-Failure Test Times for the Life Test of Hydraulic System Components ", Journal of Drive and Control, Vol. 3, No. 3, pp. 59-64, 2006.
https://reliabilityanalyticstoolkit.appspot.com/mechanical_reliability_data

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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