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상윤 신
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1 2014 년도한국철도학회춘계학술대회논문집 KSR2014S062 FTA 방법을사용한궤간가변대차주요고장모드도출 Failure Mode Analysis of Variable Gauge Bogie of Scale model by using Fail Tree Analysis 문형석 *, 서승일 **, 나희승 * Hyung-Suk Mun *, Sung-Il Seo **, Hee-Sung Na * Abstract The variable gauge bogie System is designed to develop cargo system between Korea, Russia and European countries. It must be reliability functioned and predictable its operational system. In this paper, scale model of variable gauge bogie is built and analyzed operational failure mode based FTA(Failure Tree Analysis) method. Scale model of variable gauge bogie is make possible to predict failure patterns as well as functional problems with low research cost. The operational failure mode of variable gauge bogie is presented and defined to improve system maintenance reliability under railway maintenance guideline and design improvement. Keywords : Variable Gauge Bogie, Failure Tree Analysis, Scale Model, Physical Analysis, Functional Analysis 초록궤간가변대차는한국과러시아의물류운송을위하여개발된차량이다. 한국, 러시아, 유럽의다른철도시스템에서운영되어야하므로차량의운영신뢰성과고장점검의판단은매우중요하다. 본논문에서궤간가변대차의축소형모형을제작하여그작동성을기초분석하였으며이를근거로궤간가변대차에서발생할수있는고장모드를 FTA 기법으로제시하였다. 축소구동모형은궤간가변대차의모든기능을보여주고실제차량에서발생할수있는고장을적은비용으로예측하게해준다. 본논문에서제시하는고장유형분석의결과는궤간가변이이루어지는중요한고장을명시하고있고안전과밀접한관계를가지는기계적고장의유형을기술하고있다. 이결과는향후궤간가변대차의현장운영시유지보수기술로활용될예정이다. 주요어 : 궤간가변대차, FTA 해석, 모형, 물리적분석, 기능적분석 1. 서론실제크기의제품을제작하여시험을수행하기어려울경우모형을통한공학적현상을연구하는노력은많이진행되어왔다. 일본쮸쿠바대학의사가이 ( 境有紀 ) 교수는실험을통하여공진문제를설명하면서, 지진동의주기특성에관한전문가적인견해를피력한사례가있다. 교신저자 : 한국철도기술연구원책임연구원 (hsmun@krri.re.kr) * 한국철도기술연구원수석연구원 ** 한국철도기술연구원책임연구원

모형을통한공학의연구는적은비용으로공학적요구조건을예측하고일반적인경향을알수있는반면에시험결과의정도에차이가있을수있다. 그러나일반적인경향은예측이가능하고실물크기시험에서발생할수있는실험적오류를줄일수있다. 본논문은실제크기의작동이어려운궤간가변대차의구동모형을제작하여그기능의신뢰성분석을실시하였다. 2. 본론 2.1 궤간가변스케일모형의제작과고장모드예측 Fig.

2 모형을통한공학의연구는적은비용으로공학적요구조건을예측하고일반적인경향을알수있는반면에시험결과의정도에차이가있을수있다. 그러나일반적인경향은예측이가능하고실물크기시험에서발생할수있는실험적오류를줄일수있다. 본논문은실제크기의작동이어려운궤간가변대차의구동모형을제작하여그기능의신뢰성분석을실시하였다. 2. 본론 2.1 궤간가변스케일모형의제작과고장모드예측 Fig. 1 Operational test of Scale model 궤간가변대차는표준궤의조건과광궤의조건에서 Roller Rig test로직선부임계속도및주행안전성시험을이미수행하였고그러나표준궤에서광궤, 또는광궤에서표준궤로변환하는시험은철도기술연구원에서건설예정인시험선에궤간가변시험장비를설치한후수행할예정이다. 이에대비하여사전에구동 Scale 모형을제작하여그작동성을검토해봄으로서차량의운영시발생할수있는고장의유형을예측하고현장적용시운영유지보수지침서작성에활용할예정이다. 특히본연구에서제시하는궤간가변대차의 FTA는승객의안전과직결된고장의유형을분석하고상위레벨에서의중요한항목을도출하는데그목적이있다. 2.2 궤간가변대차 Scale 구동모형개념설계및시스템요구조건궤간가변대차 Scale 모형은궤도인프라, 구동차량모형 ( 궤간가변대차 ), 모니터링컨트롤러작동시스템으로제작되었다. 궤도인프라모형은표준궤와광궤의조건을표현하고철도차량의차륜과도호환되는구조로궤간변형작동시철도차량의궤간가변을안정적으로유도할수있어야한다. 구동모형차량 ( 대차 ) 의경우에는궤간가변이가능한윤축을가지고표준궤와광궤구간을자체동력으로운행가능한구조여야한다. 모니터링컨트롤러작동시스템은대륙철도 3개구간의운행에따른독립적인제어가가능하고구간별차량운영상황을대륙철도운영노선에 LED Light로표현하게된다. 시스템요구조건과 4절의 Physical Analysis, FTA(Failure Tree Analysis) 에서분류상다소의차이를보이는것은분야별목적에따른것이며시스템요구조건에서는제작에주목하고있고 Physical Analysis, FTA에서는유지보수및차량주행안전에중요도를두고있기때문이다.

2.2.1 궤도인프라시스템요구조건 (1) 차륜의운행이가능한마모가적은금속성재료로구성 (2) 철도는유럽구간, 러시아구간, 한국구간으로나누어표기되고 (3) 각각의궤간은유럽구간, 러시아구간, 한국구간다른치수를가진다. (4) 궤간이가변하는구간의철로는차량의주행안전성을위하여보조선로제작 Fig.

3 2.2.1 궤도인프라시스템요구조건 (1) 차륜의운행이가능한마모가적은금속성재료로구성 (2) 철도는유럽구간, 러시아구간, 한국구간으로나누어표기되고 (3) 각각의궤간은유럽구간, 러시아구간, 한국구간다른치수를가진다. (4) 궤간이가변하는구간의철로는차량의주행안전성을위하여보조선로제작 Fig. 2 Top View of Variable Gauge Bogie Under the service condition 구동모형차량시스템요구조건 (1) 차량은 2개의 Wheelset을가지는대차 (Bogie) 를의미한다. (2) 1개의 Wheelset은 3개이상의부품으로구성되며 (3) 각각의부품은축방향의스프링또는 Suspernsion element를사용하여 (4) 자체적탄성력으로 Passive system으로궤간의변형을이룬다. (5) 차량은전기식모터동력으로움직인다. Fig. 3 Detail drawing of Variable Gauge Bogie

4 2.3 모니터링컨트롤러작동시스템요구조건 작동시스템1 : 부산에서유럽방향작동, 유럽에서정지 (1) 스위치를작동시에대차는유럽방향으로작동이되며, 패널에설치된 LED는레일구간에설치된센서를감지하여 LED램프의속도와비슷한속도로유럽방향으로작동한다. (2) LED 램프칼라는한국은녹색, 러시아는적색, 유럽은청색으로사용한다. 대차가유럽에도착하면정지스위치를감지하여정지한다. (3) 대차가궤간가변구간 ( 한국 러시아 유럽 ) 을지나가면바닥에설치된센서를감지하여패널에설치된 7인치모니터에그래프파장이작동된다. Fig. 4 Control panel of Variable Gauge Bogie 작동시스템2 : 유럽에서부산방향작동, 부산에서정지 (1) 체험자가스위치를작동시에대차는부산방향으로작동이되며, 패널에설치된 LED는레일구간에설치된센서를감지하여, LED램프의속도와비슷한속도로부산방향으로작동한다. (2) LED 램프칼라는유럽은청색, 러시아는적색, 한국은녹색으로사용한다. 대차가부산에도착하면정지스위치를감지하여정지한다. (3) 대차가궤간가변구간 ( 유럽 러시아 한국 ) 을지나가면바닥에설치된센서를감지하여패널에설치된 7인치모니터에그래프파장이작동된다. Fig. 5 Location of operational sensor of Variable Gauge Bogie

5 2.3.3 작동시스템 3 : 부산에서러시아 - 몽고 - 중국방향작동, 부산에서정지 (1) 체험자가스위치를작동시에대차는부산방향으로작동이되며, 패널에설치된 LED는레일구간에설치된센서를감지하여, LED램프의속도와비슷한속도로중국방향으로작동한다. (2) LED 램프칼라는한국은녹색, 러시아는적색, 몽고는황색, 중국은청색으로사용한다. 대차가부산에도착하면정지스위치를감지하여정지한다. (3) 대차가궤간가변구간 ( 한국 러시아 몽고 ) 을지나가면바닥에설치된센서를감지하여패널에설치된 7인치모니터에그래프파장이작동된다. 2.4 궤간가변고장모드분석 궤간가변대차는국내에서처음으로제작되는차량으로현재시제품제작과주행성능시험을수행하고있다. 향후궤간가변시험선이구축되면궤간가변기능에대한성능시험이있을예정이다. 궤간가변대차는 Scale 구동모형으로실제의차량에서보여주는부품체계와는다소의차이를보이게된다. 하지만구동 Scale 모형의부품체계도는실제차량의부품을간소화하고중요부품을고려하여제작되었기때문에실제부품체계도작성시기본골격을활용할수있을것이다. 궤도인프라와연계시켜서재구성해야하고급전시스템은기존에작성된가선과판토그라프의기능을추가해야할것이다 Physical Analysis 철도의시스템은전기신호급전, 궤도인프라, 차량으로분류된다. 구동모형역시기존의시스템에근간을두고 Level 1체계를분류하였다. Fig. 6 BOM level 1 of Variable Gauge Bogie

6 Level와 LRU에해당하는분류체계는 Fig.7과같은데윤축의경우차륜과코일스프링, 양단지지축으로분류했다. 추진장치의실제차량은감소기로구동모터의동력을차륜에전달하게되는데구동 Scale 모형은이기능을동력전달벨트가대신하게된다. Fig. 7 BOM level 2 of Variable Gauge Bogie Fig. 8 Monitoring system of Variable Gauge Bogie

7 Fig. 9 Monitoring system of Variable Gauge Bogie 전체적인 Physical Analysis는유지보수체계에기초하여작업하였으며 4개의 level과 9개의 level 2단계마지막으로고장발생시부품교체의최소단위인 23개의 LRU(Line Replace Unit) 으로구성하였다 Functional Analysis 궤간가변대차의전체구성과작동을표현하는시스템체계도로차량의주행과제어급전방식에대한체계적인기초구성을표현하고있다. Fig. 10 Functional Block Diagram of Variable Gauge Bogie

8 (1) 전원 (2) 터치스위치 (3) Controller (4) LED sensor (5) 차륜 (6) 궤간가변코일스프링 (7) 궤간가변중공축 (8) 전원공급탄소접지 (9) 동력전달밸트 (10) 구동모터 (11) 레일 (12) 진동센서 (13) 진동모니터 (14) LED light (15) 대륙철도노선도 Fig. 11 Scale Model of Variable Gauge Bogie FTA(Failure Tree Analysis) 궤간가변대차의고장유형의분석및신뢰성평가를위하여 FTA를다음과같이수행하였다. 주요분류방식이나 Table 1의기호는미국신뢰성분석본부의 Fault Tree Analysis Application Guide[1] 를따랐다. 주요 FTA 분석 Simbol는 Table 1과같으며고장의발생에서발생후원인을분석유추하는 Process를정의하고있다.

9 Table 1 Symbol of FTA Top Event Transfer Fault Event AND Gate Input Event Ordered AND Gate Basic Event OR Gate Undeveloped Event FTA 분석은대차구동스케일모형전공정작동정지시발생하는고장의원인을기계적전기적고장으로유추하였다. 전기적고장은전체전원공급이안되는경우, LED 패널에전원공급이안되는경우, control unit에전원공급이안되는경우, 이렇게 3가지경우로분류되며, 전체전원공급이안되는경우는고장의원인이비교적간단해 FTA 분석이종료된다. 그러나 Control unit 전원이들어오지않는경우에는 Hardware 또는 Programming의고장이예측되며 LED와관련된전원이들어오지않는경우는 LED 배선및전원공급장치를수리하여야한다. 기계적고장은실제궤간가변대차와유사한고장모드를유추할수있는데대차전기공급이없는경우, 대차가기계적으로작동을안하는경우, 대차의조립상태불량한경우, 차륜레일이상결합탈선의모습을보이는경우로분류된다. 13,14와같이대차의조립상태불량및차륜레일이상결합에의한기계적고장은실제차량에서발생시대형사고나인명피해가우려되는고장으로차량의제작불량과심각한정비불량에기인한다고볼수있다.

10 Fig. 11 Results of variable Gauge Bogie (1) 대차구동스케일모형전공정작동안함 (2) LED 노선패널작동정지 ( 전기, 전자장비고장 ) (3) 기계적구동대차작동정지 (4) LED 노선패널전기공급없음 (5) Control unite 전원공급없음 (6) Hardware 고장 (7) Programming 고장 (8) LED 노선전원공급없음 (9) LED 노선배선이상 (10) Adaptor 고장 (11) 구동모형대차전기공급없음 (12) 대차작동중지 (13) 대차조립상태불량 (14) 차륜레일이상결합 (15) 구동모터파손 (16) 동력전달벨트마모 (17) 궤간가변중심코일스프링기능상실

11 (18) 구동모터장착불량 (19) 차륜 Flage 부위파손 (20) 레일파손 (21) 가이드레일파손 (22) 전원공급 Cable 파손 (23) 전원공급탄성접지이물질 3. 결론 (1) 궤간가변대차개념설계및시스템요구조건에기초하여국내최초로구동스케일모형제작하였다. (2) 궤간가변대차의구동모형에부품구성과주요상관관계에따라 Physical Anlaysis 를수행하였고부품체계도를완성하였다. (3) 이부품체계도는 LRU level 까지완성하였고향후유지보수시교체부품관리및결정에활용될예정이다. (4) 전체궤간가변대차시스템의 Functional 기능분석을통하여전체시스템의이해에필요한기술적자료를제시하였고이를기초로 FTA 분석을완성하였다. (5) 궤간가변대창의 FTA 분석결과는향후제작되어운영되는한국형궤간가변대차의유지보수에활용될예정이다. 참고문헌 [1] Reliability Analysis Center (1990) Fault Tree Analysis Application Guide, Rome Air Development Cent Griffiss AFB NY [2] Bosso N, Gugliotta, Soma A (2000) Simulation of freight bogie with friction dampers, 5th ADAMS/Rail User s Conference Haarlem, The Netherlands, May 10th-11th ( 한국철도학회정기학술대회 Full Paper -Template 작성일 : )

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Microsoft Word - KSR2014S044 2014 년도한국철도학회춘계학술대회논문집 KSR2014S044 초고속자기부상철도용궤도검측차량개발및적용에관한연구 The Development and Application of Guideway Monitoring Vehicle for Super Speed Maglev 이진호 *, 조정민 *, 한영재 *, 이창영 * Jinho Lee *, Jeongmin Jo *,