2013 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2013A261 유압식선로전환기의 Cause-consequence 분석에관한연구 A Study on Cause-consequence analysis of Hydraulic Switch machine 이종규 *, 최승호 Jong-Kyu Lee *, Seung-Ho Choi Abstract The types of switch machine are electric motor, pneumatic and hydraulic. When the switch machine, which is the critical component of railway system, has a problem and does not work exactly, it results in enormous hindrance. The hydraulic switch machine of Hydrostar is installed at Gyeong-bu Highspeed Railway Project Phase Ⅱ(Dongdaegu - Pusan) and it is now operating. Cause-consequence analysis is required to maintain performance of hydraulic switch machine. This paper proposes a FTA analysis method that use the functional analysis of hydraulic point machine and presents Cause-consequence diagram by performing Cause-consequence analysis for each function. Keywords : Hydraulic, switch machine, FTA, Cause-consequence analysis 초록선로전환기는전기모터식, 공압식및유압식등이있다. 선로전환기는철도시스템의핵심부품으로고장이발생하여기능을정확하게동작하지않을경우철도운용에막대한지장을초래한다. 경부고속철도 2 단계 ( 동대구 - 부산 ) 에 Hydrostar 의유압식선로전환기가설치되어운용되고있다. 이유압식선로전환기의요구된성능을유지하기위해서 Cause-consequece 분석을필요로한다. 본논문에서는유압식선로전환기의기능분석을통한모델링, FTA 를수행하였으며, 각기능에대한 Cause- Consequence 분석을수행하여 Cause-consequece diagram 을도출하였다. 주요어 : 유압식, 선로전환기, FTA, Cause-consequence 분석 1. 서론 열차의진로를변경해주는장치인선로전환기는철도신호시스템의중요한시스템중하나이다. 고속철도와고속으로주행하는노선의분기기의텅레일은기존철도보다길기때문에여러개의선로전환기를사용하여전환을한다. 현재사용되는선로전환기의종류는전기식과유압식이있다. 경부고속철도에사용되는선로전환기는첨단부와크로싱부분이움직이는노스가동분기기에전기식인 MJ81 과유압식인 Hydrostar 를사용되고있다. 경부고속철도 2 단계구간에유압분기기가설치되어운용되고있어, 이에고장분석이필요하다. 유압식선로전환기의기능분석을통한모델링, FTA(Fault Tree Analysis) 를수행하였으며, 각기능에대한 Cause-consequence 분석을수행하여 Cause-consequece diagram 을도출하였다. 교신저자 : 서울과학기술대학교전자 IT 미디어공학과교수 (shchoi@seoultech.ac.kr) * 서울과학기술대학교철도전문대학원철도시스템학과석사과정
2. 유압식선로전환기 2.1 분기기및유압식선로전환기 유압식선로전환기는 Fig. 1 과같이첨단부레일분기기를위한첨단부선로전환기와가동선로전환크로싱부을위한크로싱부선로전환기, 첨단부레일간밀착을검지하기위한밀착검지기로구성된다.[1] Fig. 1 Turnout and hydraulic Switch machine configuration 선로전환기나가동크로싱부의설정장치는유압장치에의해서만작동된다. 선로전환장치에연결된유압전송라인을통하여다양한설정장치들을동작시킨다. 2.2 유압식선로전환기구성요소 Fig. 2 와 Fig. 3 는유압식선로전환기구성도이며, Fig. 4 와 Fig. 5 는유압식선로전환기의유압회로도이다.[2] Fig. 2 Hydraulic Switch configuration 1 Fig. 3 Hydraulic Switch configuration 2 Fig. 4 Hydraulic circuit 1 Fig. 5 Hydraulic circuit 2
2.3 유압식선로전환기의기능 선로전환기의구동은유압회로를통하여오일을펌핑하며, 동작은 5 단계로구성된다. 1. 초기의무가압상태에서최첨단유압실린더의하나는스위치레일의접촉및쇄정의상태를유지하기위해확장동작된다. 제어밸브핸들은중앙위치에놓고, 오일흐름과회수라인을차단하고, 이동작은확장된유압실린더를쇄정한다. 포인트를정위에서반위로의전환요구에따라펌프모터와역방향밸브를동시에동작시킨다. 2. 밸브핸들은유압실린더공급및회수라인을개방하고, 고압상태의오일은반위실린더에공급된다. 3. 반위유압실린더는확장하고, 구동쇄정슬라이드사이의연결바의동작에의해서정위유압실린더가수축한다. 수축되는유압실린더의오일은탱크로회수된다. 4. 전환의끝과포인트의위치검지가완료될때, 검지릴레이는모터와솔레노이드제어밸브의에너지를차단한다. 5. 파워팩의에너지를차단할때, 콘트롤밸브핸들은중앙위치로되어유압실린더를쇄정하게된다. 3.1 Cause-consequence diagram 방법 3. 유압선로전환기고장분석 Cause-consequence diagram 방식은중요사건의발생을근거로하며, 그사건은위험한결과를발생시킬수있는부품혹은서브시스템의고장등을포함한다. 중요사건이발생되었을때, 타당한원인과잠재적결과들은 FTA(Fault tree analysis) 와 ETA(Event tree analysis) 두가지의형식적신뢰성분석방법을이용하여밝혀내었다. [3] FTA 는원하지않는사건의원인을설명하는데사용되고, ETA 는시스템이정상동작하지않는중요한이벤트가발생할경우중요이벤트의결과를보여준다. 두신뢰성방법사이의관계는 Fig. 6 과같다. Fig. 6 Cause-consequence diagram representation Cause-consequence diagram 의구성에쓰이는주요기호는시스템조건을포함하는의사결정박스이다. 이 'YES-NO' 의사결정박스는 Event tree 에서보여지는동일한표현이다. 의사결정박스의 YES 와 NO 출력가지에따라 Cause-consequence diagram 이나타난다. 시스템고장의원인은 FTA 를사용하여나타낸다. Cause-consequence diagram 는결과박스로종료된다.[4]
3.2 Cause-consequence 분석 Cause-consequence diagram 의목적은중요사건으로부터나오는각결과의가능성과빈도를평가하는것이다. Cause-consequence diagram 에서결정박스들의확률들이독립적일때, 다음단계에따라정량화한다. 1. 결정박스에서생기는각분기가지의확률을할당 ( 적절한 Fault tree 를정량화 ) 한다. 2. 어떤순서의확률은그순서안의각결정박스출로와관련된적절한확률들을곱하여얻는다. 3. 어떤결과의확률은그결과에서종료되는각순서의확률들을합하여얻는다. 순서에서각결정박스의고장들이독립적이지않다면이과정은쓰일수없다. 반복적, 일관성이없는사건은 Cause-consequence diagram 에존재할수있으며, 이는정량화전에다뤄져야한다. 반복적인오류이벤트는 Cause-consequence diagram 의동일한경로에있는적어도한개이상의 Fault tree 구조에존재한다. 이오류이벤트를다루기위해다음의 Andrews 와 Ridley 알고리즘을이용한다음과순서로수행한다.[5, 6] 1. Fault tree 구조에서반복적인오류이벤트를추출하고이오류이벤트를포함하는첫결정박스에서선행하여새로운결정박스에놓는다.( 새로운이벤트는반복적인오류이벤트의발생이다 ) 2. 새로운결정박스에서나오는각분기가지에있는기존의 Cause-consequence diagram 를복제한다. 3. 새로운결정박스의 NO 분기가지에서오류이벤트가발견되면 TRUE 로설정한다. 4. YES 출력가지에반복적인오류이벤트가발견되면 FALSE 로설정한다. 위의과정이성공적으로마쳤다면, Cause-consequence diagram 에서발생되는반복적인오류이벤트는다른시간, 상태에서서로다른기능을수행할수있다. 4. 유압식선로전환기 FTA 와 Cause-Consequence 분석 4.1 유압식선로전환기 FTA(Fault Tree Analysis) 유압식선로전환기는동력을생성하는파워팩, 전환을실행하는쇄정장치, 피스톤을연결하는파이프와호스및제어장치로구성되며 [1], 유압식선로전환기의고장모드를 Table 1 에분석정리하였다. Table 1 Hydraulic Switch Failure mode 장치부품기능고장모드발현현상 제어장치 제어계전기 모터구동 기기불량접점불량접속불량 모터구동불능
유압파워팩 (Powerpack) 쇄정장치 유압호스 케이블 전기분배기 전원연결 전기정보전달 단선누전기기불량접속불량 모터구동불능 전환확인불능 모터전환력생성기기불량유압발생불능 축압기 오일압력보상 기기불량공기유입이완 유압유지불능압력불량누유 압력제어스위치오일압력회로차단기기불량유압제어불능 감압밸브 스로틀밸브 유압설정실린더 쇄정로드 압력조절밸브 고정플레이트 볼트 / 나사 / 핀 호스 / 파이프 압력조절 유량압력차보상 텅레일전환기계적쇄정 실린더보호 압력조절 쇄정장치고정 쇄정장치고정 유압전달 기기불량이완 기기불량이완 파손기기불량내부접점불량간격설정불량이완 파손간격설정불량 기기불량공기유입이완 파손이완 파손이완 손상이완 유압유지불능누유 유압유지불능누유 텅레일전환불량텅레일전환불량전환확인불능텅레일전환불량누유 텅레일전환불량텅레일전환불량 유압유지불능압력불량누유 텅레일전환불량텅레일전환불량 텅레일전환불량텅레일전환불량 누유누유 연결밸브오일회로구성이완누유 유압식선로전환기의전환불능에대한 Fault Tree 는 Fig. 7 과같다. Fig. 7 Hydraulic Switch Fault Tree
4.2 유압식선로전환기 Cause-consequence 분석 유압식선로전환기의 Cause-consequence diagram 은 Fig. 8 과같다 Fig. 8 Hydraulic Switch Cause-consequence diagram 5. 결론 본논문에서는유압식선로전환기에대한 FTA 와 Cause-consequence 분석을시도하였다. FTA 와 Cause-consequence 분석을위해서는유압식선로전환기의기능을명확하게설정할필요가있으며, 각기능을구현하기위해서동작되는각서브시스템을명확하게명시해야한다. 본연구에서는가장기본적인기능을이용하여 FTA 와 Cause-Consequence 분석을통하여정성적인분석을하였다. 이정성적인분석은자세한시스템기능분석에의해서보다상세한 FTA 와 Cause-consequence 분석을수행할수있도록서브시스템의상세한분류가필요하다. 향후연구는각서브시스템의고장에대한데이터를수집하여고장률을설정하여유압식선로선로전환기시스템의동작에대한정량적인분석이필요하다.
참고문헌 [1] 한국철도공사 (2009) 하이드로스타매뉴얼 [2] 서울과학기술대학교산학협력단 (2011) 분기기관리운영시스템개발기획연구, pp.102-104 [3] Nielsen D.S. (1971) The Cause/consequence Diagram Method as a Basis for Quantitative Accident Analysis, Danish Atomic Energy Commission, RISO-M-1374 [4] Gintare Vyzaite, Sarah Dunnett and John Andrews (2006) Cause-Consequence Analysis of Nonrepairable Phased Missions, Reliability Engineering and System Safety, Volume 91, Issue 4, pp 398 406 [5] Andrews J.D. and Ridley L.M. (2002) Application Of Cause-Consequence Diagram Method To Static Systems, Reliability Engineering and System Safety, 75[1], pp.47-58 [6] Andrews J.D. and Ridley L.M. (2001) Reliability of Sequential Systems Using the Cause-Consequence Method, Proc Instn Mech Engrs Part E: Journal of Process Mechanical Engineering, 215[3], pp207-220