2013 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2013A289 코레일공항철도전동차계전기수명예측을통한효율적유지관리방안연구 A Study on Effective Maintanance Plan by Life Prediction for Relays of AREX s EMU 김

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인혜 천
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1 2013 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2013A289 코레일공항철도전동차계전기수명예측을통한효율적유지관리방안연구 A Study on Effective Maintanance Plan by Life Prediction for Relays of AREX s EMU 김세겸 *, 구정서 *, 주형식 **, 이정모 **, 주해진 ** Se-Kyum Kim *, Jeong-Seo Koo *, Hyung-Sik Chu **, Jeong-Mo Lee **, Hae-Jin Joo ** Abstract The life of the electrical relays used in the electric train (EMU) has a variance depending on a lot of environmental factors. However, the manufacturers of the relays generally presented their life based on electrical/mechanical operation frequency without considering environmental factors. So, maintenance companies are facing much difficulty on the maintenance for the relays. In this paper, An efficient maintenance of the relays used in the Korail Airport Railroad s EMU was suggested by considering environmental factors suitable for Korail Airport Railroad s operation condition It matched the weighted values considered environmental factors (Criticality, Risk, Number of operations, Time of operation, Thermal condition) to the life prediction of the relays obtained by using a commercial statistics software. Keywords : Criticality, Risk, Thermal condition, Weighted value, Percentile of life 초록전동차에사용되는계전기의수명은사용환경에대한영향인자에따라많은차이를보인다. 그러나계전기제작사에서는사용환경이고려되지않은전기적 / 기계적동작횟수를기준으로수명사항을제시하기때문에철도운영기관에서는계전기유지보수에많은어려움을겪고있다. 본논문에서는코레일공항철도전동차계전기를대상으로계전기별사용환경에따른가중치를부여하고통계프로그램을이용하여고장이력에따른수명을접목시킴으로써공항철도사용환경에부합하는수명을예측하여효율적인유지관리방안을제시하고자한다. 주요어 : 치명도, 위험도, 발열조건, 가중치, 백분위수명 1. 서론 군수, 항공분야뿐만아니라최근철도분야에도신뢰성에대한관심이높아지면서 RAMS활동및유지보수최적화연구등이활발하게이루어지고있다. 철도운영기관에서는철도운영의신뢰성을높이기위하여차량의중요부품의수명을정하여수명주기가도래하기전에미리교체하는예방정비를시행하고있다. 여기서가장중요한요건중한가지는적정한수명을예측하는것이라할수있는데, 같은부품이라도운영기관마다의운행패턴및환경에따라수명은많은차이를보인다. 교신저자 : 서울과학기술대학교철도전문대학원철도차량시스템공학과 (koojs@seoultech.ac.kr cjkim@hk.ac.kr) * 서울과학기술대학교철도전문대학원철도차량시스템공학과 ** 코레일공항철도 차량처

2 특히이중계전기는그종류나동작횟수, 동작시간등사용환경이매우다양하여각계전기마다사용환경에대한영향인자에따라수명은천차만별이다. 그러나계전기제작사에서는이러한사용환경등이고려되지않은전기적 / 기계적동작횟수만을기준으로수명사항을제시하기때문에철도운영기관에서는신뢰도높은예방정비에많은어려움을겪고있다. 따라서좀더신뢰도높은예방정비즉, 유지관리를위해서는운행방식등의사용환경에대한분석을통하여그환경을반영한새로운유지관리기준이필요한상황이다. 본논문에서는코레일공항철도전동차에사용되는계전기를대상으로사용환경에대한분석을통하여치명도, 안전도, 사용빈도등 5가지사용환경별등급분류에따라가중치를부여하고통계프로그램을이용하여고장발생이력에따른수명을접목시킴으로써코레일공항철도환경에부합하는현실적인계전기의수명을예측하여효율적인유지관리방안을제시하고자한다. 2. 본론 2.1 코레일공항철도전동차의사용환경별계전기등급분류 사용환경별계전기등급분류기준계전기들의각각다른환경조건들을파악하기위하여 Table 1~ Table 4 와같이조건별 로등급을분류하였다. 치명도 (C) 에따른등급분류 Table 1 The classification according to Criticality 등급기준점수비고 C1 자력운행불가 ( 구원운전만가능 ) 7 자차, 기관차구원 C2 비상추진운행만가능 6 EO 모드운행 C3 운행은가능하나추진 / 제동력이부족한경우 5 연장급전운행 C4 비상운전모드로만운행가능 4 EM 모드운행 C5 운행은가능하나운행지연발생예상됨 3 바이패스취급운행 C6 운행은가능하나해당기능상실 ( 기교체필요 ) 2 서비스기기 OFF C7 운행은가능하나해당기능상실 ( 기교체불필요 ) 1 운행에지장없음 위험도 (R) 에따른등급분류 Table 2 The classification according to Risk 등급 기준 점수 비고 R1 승객의안전이중대하게위협우려가있음 6 출입문관련 R2 승객의안전이미세하게위협우려가있음 5 제동관련 R3 당장승객의안전위협은없지만문제우려가있음 4 구원운전 R4 당장승객의안전위협은없지만문제우려가있음 3 비상운전모드 R5 비상시승객등이필요로하는경우 2 비상관련 R6 승객의안전상문제없음 1 서비스기기

3 사용빈도 (N) 및사용시간 (T) 에따른등급분류 Table 3 The classification according to Number of operation and Time of operation 등급 사용빈도기준 ( 일 ) 점수 등급 사용시간기준 ( 일 ) 점수 N1 176회이상 N2 151회 ~ 175회 N3 126회 ~ 150회 6 T1 1251분이상 6 N4 101회 ~ 125회 5 T2 1001분 ~ 1250분 5 N5 76회 ~ 100회 4 T3 751분 ~ 1000분 4 N6 51회 ~ 75회 3 T4 501분 ~ 750분 3 N7 26회 ~ 50회 2 T5 251분 ~ 500분 2 N8 0회 ~ 25회 1 T6 0 ~ 250분 1 발열조건에따른등급분류 Table 4 The classification according to Thermal condition 등급 기준 점수 비고 F1 좌우측동작시간이모두 1000분이상 5 F2 좌우한쪽만동작시간이 1000분이상 4 F3 좌우측동작시간이 500분이상 3 F4 좌우한쪽만동작시간이 500분이상 2 F5 좌우측모두 500분이하 사용환경별계전기등급분류코레일공항철도전동차의배전반내에취부되어있는총 179 개의계전기를대상으로 사용환경별로등급을분류한결과 Fig. 1 과같이치명도에서는 C5 등급 ( 운행은가능하 나운행지연이예상됨 ), 안전도에서는 R6 등급 ( 승객의안전상문제없음 ), 사용빈도에서 는 N8 등급 (0~25 회 ), 사용시간에서는 T6(0~250 분 ), 발열조건에서는 F2 등급 ( 좌우한쪽만 동작시간이 1000 분이상 ) 이가장많은비율을나타내었다. Fig. 1 The classification rate according to environmental factors of relays 2.2 사용환경별가중치비율산정 가중치비율산정기준계전기의중요도와수명에미치는영향정도에따라환경조건별가중치점수를부여하여 [ 치명도 2배, 위험도 1.5배, 동작횟수 1배, 동작시간 0.5배, 발열조건 0.2 배 ] 의비율로산정하였다계전기별가중치총점수는식 (1) 과같이도출하였다.

총점수 = ( 2 CP ) (1.5 RP ) ( NP ) (0.5 TP ) (0.2 FP ) (1) 여기서 CP = 치명도가중치점수, RP = 안전도가중치점수, NP = 사용빈도가중치점수, TP = 사용시간가중치점수, FP = 발열조건가중치점수 2.2.2 계전기별총가중치점수산정계전기별총가중치점수산정결과, A 등급계전기에서는출입문상태관련계전기가해당되었고 B 등급계전기에서는제동과출입문동작관련계전기가해당되었다.

3 코레일공항철도고장이력에따른수명예측 2.3.1 고장이력데이터분석코레일공항철도가개통한 2007년 3월이후 2013년 7월까지약 6.5년간계전기고장발생현황을분석한결과총 32건의계전기고장이발생하였으며,Fig 2 와같이고장률추이를볼때고장률은점점증가하는것을확인하였다.

4 총점수 = ( 2 CP ) (1.5 RP ) ( NP ) (0.5 TP ) (0.2 FP ) (1) 여기서 CP = 치명도가중치점수, RP = 안전도가중치점수, NP = 사용빈도가중치점수, TP = 사용시간가중치점수, FP = 발열조건가중치점수 계전기별총가중치점수산정계전기별총가중치점수산정결과, A 등급계전기에서는출입문상태관련계전기가해당되었고 B 등급계전기에서는제동과출입문동작관련계전기가해당되었다. 또한 Table 3 에서와같이 F 등급계전기가가장많은비율을나타내었다. Table 4 Total weighted score of relays 계전기등급 계전기수량 가중치총점수 A 점이상 B 점이상 C 점이상 D 점이상 E 점이상 F 점미만 2.3 코레일공항철도고장이력에따른수명예측 고장이력데이터분석코레일공항철도가개통한 2007년 3월이후 2013년 7월까지약 6.5년간계전기고장발생현황을분석한결과총 32건의계전기고장이발생하였으며,Fig 2 와같이고장률추이를볼때고장률은점점증가하는것을확인하였다. 제작사에서제시하는동작횟수를감안해볼때계전기의수명은매우짧았으며이러한현상은코레일공항철도환경특성상염분이많은지역으로운행하는조건으로인해수명이짧게나타나는것으로생각해볼수있다. Fig. 2 Failure rate trend of relay for Korail Airport Railroad s EMU

2.3.2 고장이력에따른수명예측시뮬레이션 계전기고장발생데이터를통해통계프로그램 ( 미니탭 ) 을이용하여계전기의수명을시뮬레 이션결과,Fig.

3 Simulation Results for life prediction of relays 2.

효율적인유지관리를위해위 Table 4 의가중치점수별계전기등급을백분위 수명과접목시킴으로써정비주기별계전기정밀점검및교체주기를 Table 6 와같이 도출하였다.

Table 5 percentile life and mileage of relays 백분위수명예상수명 ( 일 ) 예상수명 ( 년 ) 주행거리 (km) L1 수명

0 L5 수명 3955 10.8 3034.0 L6 수명 4229 11.6 3244.2 L7 수명 4469 12.2 3428.3 L8 수명 4684 12.

5 2.3.2 고장이력에따른수명예측시뮬레이션 계전기고장발생데이터를통해통계프로그램 ( 미니탭 ) 을이용하여계전기의수명을시뮬레 이션결과,Fig. 3 와같이 MTTF 는 8,956 일로약 24.5 년으로확인되었다. Fig. 3 Simulation Results for life prediction of relays 2.4 계전기유지관리기준산정 시뮬레이션을통해산출된계전기의백분위수명과코레일공항철도주행거리는 Table 5 와 같다. 효율적인유지관리를위해위 Table 4 의가중치점수별계전기등급을백분위 수명과접목시킴으로써정비주기별계전기정밀점검및교체주기를 Table 6 와같이 도출하였다. D 등급이하 E, F 등급계전기는상대적으로가중치점수가낮으므로고장발생 시에만교체를기준으로한다. Table 5 percentile life and mileage of relays 백분위수명예상수명 ( 일 ) 예상수명 ( 년 ) 주행거리 (km) L1 수명 L2 수명 L3 수명 L4 수명 L5 수명 L6 수명 L7 수명 L8 수명 L9 수명 Table 6 percentile life and mileage of relays 백분위수명 정비주기 정비사항 L1 수명 120 만 km 정비시 A 등급정밀점검 L3 수명 240 만 km 정비시 A 등급일괄교체 B 등급정밀점검 L5 수명 300 만 km 정비시 B 등급일괄교체 C 등급정밀점검 L8 수명 360 만 km 정비시 C 등급일괄교체 D 등급정밀점검 L20 수명 480 만 km 정비시 D 등급일괄교체

6 3. 결론 (1) 코레일공항철도전동차에사용되어지는계전기의사용환경을고려하기위한데이터베이스를구축하고사용환경별가중치를산정하여계전기별가중치점수를도출함으로써계전기의우선순위를정하였다. (2) 코레일공항철도개통이후전동차계전기의고장발생이력데이터를분석하고통계프로 그램을이용하여수명예측시뮬레이션을실시한결과계전기의 MTTF 는약 24.5 년으로확 인되었다. (3) 코레일공항철도운행상황에부합하도록계전기별가중치점수와계전기의수명예측값 을접목시켜 120 만 km 정비시부터 480 만 km 정비시까지단계별로계전기의점검및교 체주기를산정함으로써효율적인유지관리기준을제시하였다. 참고문헌 [1] Shin K.Y., Ji J. K (2011) Life Analysis and Reliability Prediction of Relays based on Life Prediction Method, Journal of The Korean society for Railway, pp [2] Park J.H., Kim Ho. K., Lee K. S (2011) Improvement of VVVF Inverter of the Line 7 EMU by Applying FMECA process, Journal of The Korean society for Railway, pp [3] Shin K.Y., Lee D. K., Lee H. S (2010) Life Analysis of Relays based on Life Prediction Method, Journal of The Korean society for Railway, pp [4] Park M. H., Shin B. C., K C. S (2009) A Case Study on Determining the Replacement Interval for the CMB Contactor, Journal of The Korean society for Railway, pp [5] Park K S., Kim T. W., Jeong H, Y (2006) Development of the FMECA process And Analysis Methodology for the Railroad System, Journal of The Korean society for Railway, pp [6] Seo S. K (2009) Minitab Reliability Analysis, Eretech, pp. 159

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DBPIA-NURIMEDIA 한국소음진동공학회 2015추계학술대회논문집년 Study of Noise Pattern and Psycho-acoustics Characteristic of Household Refrigerator * * ** ** Kyung-Soo Kong, Dae-Sik Shin, Weui-Bong Jeong, Tae-Hoon Kim and Se-Jin Ahn Key Words