† 교신저자, 서울도시철도공사, 기술연구소, 차량기술단장 E-mail : [email protected] TEL : 02)6311-6800 * 서울도시철도공사, 기술연구소 차량연구팀
** 서울도시철도공사, 기술연구소장 *** 서울도시철도공사, 기술본부장 **** 서울도시철도공사, 사장
SR001 제작기법 및 기대효과에 관한 연구
A Study on Manufacturing Techniques and Expected Effects for SR001
이덕규† 신건영* 김일환* 서석철**
Duk-Gyu Lee Kun-Young Shin Il-Hwan Kim Seog-Chul Seo
박종헌*** 김기춘**** Jong-Hun Park Ki-Chun Kim
ABSTRACT
As a public transit playing an important role in the era of high gas prices, subway corresponds the national strategy 'Low carbon, Green growth'; accordingly, passengers who would use the transportation are steadily increasing. Subway operators are required to provide subway users with services based on higher-quality system, safety, convenience & high reliability level. Furthermore, as the legally allowed maximum life time of EMUs is extended, it is necessary to localize & standardize the parts of EMUs.
This paper presents a modelling of systematic EMU(SR001) manufacturing technique which enables us to reflect passenger and subway operator's demands in the whole EMU manufacturing process from the initial design phase to its completion by making full use of the know-how based on subway operators' experiences. SR001 enabled SMRT's staffs to participate in the EMU design & its equipment manufacturing; consequently, it realized the innovative system which meets passengers’ requirements. Moreover, the process lead time was reduced dramatically. The result of this research will be helpful in providing useful guidelines for railway industry policy and development making in Korea. 1. 서 론 우리 정부가『저탄소 녹색성장』을 새로운 국가 비전으로 제시한 이후 사회 각 분야에서 녹색 성장 창출을 위한 다양한 노력들이 이어지고 있는 가운데, 친환경 교통수단인 도시철도가 다시 주목을 받고 있다. 교통수단으로 승객 1명을 1㎞ 수송할 때 CO₂배출량은 도시철도가 18g, 승용차가 150∼173g으로써 도시철도가 8.5∼10배 이상이나 적으며 안전성도 도로교통보다 30배나 높다. 21세기 新교통시스템으로 주목받고 있는 도시철도는 수송
효율이 뛰어나고 환경 친화성을 갖추고 있어 現 자동차 위주의 도로교통체계가 가지고 있는 사회·경제적 문제들을 획기적으로 전환하고,『저탄소 녹색성장』의 국가 전략을 실현하는데 일조를 담당하고 있으며 이용 승객이 꾸준히 증가하고 있다. 이용자가 증가함에 따라 도시철도 운영기관은 승객으로부터 고품질의 시스템과 안전성, 편리성 및 높은 신뢰 수준의 지하철 이용 서비스를 요구받고 있다. 또한 2009년 3월 법령 개정으로 전동차의 사용내구연한이 최대 40년까지 연장되어 전동차 부품의 국산화 및 표준화에 대한 필요성이 대두됨에 따라, 서울도시철도공사는 “전동차 부품 국산화·표준화” 연구개발을 시작하고 연구개발을 기반으로 전동차 자체 제작에 착수하였다. 본 논문은 전동차 제작에 도시철도 운영기관의 운영 및 유지보수 knowhow를 도입하여 전동차 초기 개발단계부터 완성차 단계까지 승객 및 운영기관의 눈높이에서 제작될 수 있도록 전동차 제작에 대한 체계적인 제작기법의 모델링을 제시한다. 2. 서울도시철도공사 SR001 자체 제작 2.1 해외 도시철도 운영기관의 전동차 자체 제작 현황 2.1.1 일본 2.1.1.1 철도 현황 일본의 철도는 크게 JR(Japan Railway), 사철(私鐵), 지방선으로 나뉘며, 철도의 왕국답게 JR 2만여km를 비롯하여 약 150개 철도 사업자가 총 연장 약 27,000km의 궤도교통을 운영 하고 있다. 여기에서 운행되는 열차는 가와사키중공업(川崎重工業), 니혼차량(日本車両), 긴 키차량(近畿車両), 도큐차량(東急車両) 등 10여개의 중소 철도차량 제작 업체에서 제작하고 있다. 일본의 과거 국철(国鉄)은 1987년 민영화되면서 JR동일본(東日本), JR서일본(西日本) JR도카이(東海), JR큐슈(九州), JR홋카이도(北海道), JR시코쿠(四国), JR화물(貨物) 등 7개의 회사로 분리되었다. 이 중 수도 도쿄(東京)를 비롯하여 간토(関東), 도호쿠(東北)지역을 관할 하고 있는 회사가 JR동일본이다. 2.1.1.2 JR동일본 JR동일본은 신칸센, 특급열차 및 수도권 전철 등 총 70개 노선을 운영하고 있으며, 노선 의 총 연장거리는 7,526.8km으로 JR그룹 가운데 가장 길다. 또한 종업원수 약 7만명, 전동 차 보유량 13,173량, 일일 운송인원 약 1,600만명, 연간 매출 약 2조엔 등 종업원 수 및 운송 인원, 노선 거리를 통틀어 세계 정상급으로 손꼽히는 철도 회사이다. JR동일본은 1990년 이전만 하더라도 열차를 차량제작 전문 업체에 의뢰하고 직접 구매해서 운행하였다. 그러나 新 차량을 원하는 시기에 정확히 도입되고 부품의 일관성 및 통일성을 확보하여 차량 수리의 효율성을 향상시키고 차량 구입에 들어가는 비용을 절약하기 위해서 전동차를 직접 제작할 계획을 세웠다. 그리하여 1994년 10월, 기존 차량의 개조·수선·보수 업무를 수행했던 니이츠차량사업소를 차량제작 공장으로 개편하여 니이츠차량제작소를 설립
하고 차량 설계 및 제조를 시작하였다. 이후 지금까지 일본에서는 유일하게 철도 운영회사 에서 직접 차량을 제작하고 있는 곳이 니이츠차량제작소이다.
그림1. 니이츠차량제작소
2.1.1.3 니이츠차량제작소
1994년 발족 이후 니이츠차량제작소는 1995년 4월에 209계 첫 차량 제작을 완성했다. 이 후 E217계, E231계, E233계 등 다양한 통근형 일반열차를 개발·완성하여 현재 도쿄 및 수도 권 지역에서 운행하고 있다. 연간 생산능력은 약 250량으로 거의 하루에 한 대 꼴로 생산이 진행되고 있다. 2010년 9월 1일 현재 총 생산량은 3,406량에 이르며, 이는 현재 수도권에 운 행 중인 통근열차의 절반 이상을 차지하고 있다. 한국인들이 많이 이용하는 신주쿠, 시부야, 아키하바라 등을 지나는 야마노테선(山手線)의 최신형 E231계도 바로 이곳에서 제작된 열차 이다. 지난 2000년에는 E231계, 2007년에는 E233계 열차가 기술과 디자인이 우수한 차량에 수여되는 ‘로렐상(Laurel Prize)’을 수상하며 높은 차량 제작 기술력을 증명하고 있다. 공장 의 연면적은 약 150,000㎡이며, 발족 당시에는 약 250명으로 시작했으나 현재는 약 600명의 직원이 계획부/기술부/제작차량소에서 근무하며 생산성을 높이고 있다. 니이츠차량제작소에 서는 전동차의 차체와 대차를 자체 제작하고 있으며, 인버터/제동/냉난방장치/방송장치 등의 부품은 중소업체에서 제작한 부품을 구매하여 조립하고 있다. 생산 초기에는 3일에 1량 정 도로 제작했으나, 체계화된 자동화 설비를 갖추고 제작기술이 향상되면서 현재는 1일에 1량 완성이 가능하다. 그림2. 니이츠차량제작소 전동차 제작 모습
전동차 제작 계획에 따르면 이미 향후 3년간 약 750량의(‘10.3월 기준) 제작 물량이 모두 계 획되어 있어 당장 추가 주문은 어렵다고 한다. 부품이 모두 조립된 완성차는 구내 시운전을 거쳐 신에츠 본선(信越本線)의 니이츠∼니이가타 구간에서 본선 시운전을 하게 된다. 그리고 최고속도 주행, 비상제동 시험 등 약 200개 항목을 엄격히 테스트하여 합격 판정이 나야 비 로소 영업 운행이 가능하다. 이렇게 JR동일본이 직접 전동차를 자체 제작하면서 전동차 신 규 수요가 생기는 적시에 전동차를 공급하는 것이 가능해졌고, 전동차 구입비가 절약되었다. 그리고 자사 전동차뿐만 아니라 오다큐(小田急), 사가미철도(相模鉄道), 도에이지하철(都営地 下鉄) 등 타사 전동차 제작에도 참여하면서 제작 기술이 향상되고 경영효율성도 높아졌다. 그리고 니이츠차량제작소는 수도권 통근형 전동차 제작에 전념하고 있기 때문에 고속열차 또는 특급열차 제작에 주력하는 가와사키중공업, 니혼차량 등 대형 차량제조회사와는 달리 독자 영역을 넓혀가고 있다. 2.2 서울도시철도공사 전동차 자체 제작 추진 서울도시철도공사는 1995년 11월 15일 5호선 강동 구간 개통을 시작으로 2001년 3월 6호 선을 완전 개통하여 총 4개 노선, 148개역, 152km에서 전동차 1,561량을 운영하고 있다. 공 사는 지난 15년 동안 4가지 종류의 전동차를 운영하면서 많은 어려움을 겪어왔다. 공사가 운영하는 4가지 종류 전동차는 주요장치의 80%가 외국부품으로써, 외국 제품 제작업체가 생산을 중단하게 되면 전동차 유지보수를 위한 물품 조달이 원활하지 않을 뿐 아니라 구입 가격이 매우 높아졌다. 또한, 시스템 기능을 개선 또는 업그레이드하기 위해 외국기술자를 귀빈 대우해 주면서 초청해야 하는 경우도 빈번하였다. 그래서 서울도시철도공사는 전동차 부품의 단종과 외국기술의 종속을 해소하고 전동차 사용 수명 40년에 맞는 전동차 유지보수 시스템을 구축하기 위해 2008년에『전동차 부품 국산화/ 표준화 연구개발』을 추진하였으며, 2009년에는 전동차 부품 국산화/표준화 연구개발을 기 반으로 국내 철도 역사의 한 획을 그을 혁신적인『전동차 자체 제작 프로젝트』를 국내 도 시철도 운영기관 최초로 착수하였다. 공사가 자체 제작한 전동차(이하 “SR001”이라 한다)는 7호선 연장구간(온수∼부평구청)에 투입될 전동차로써, 운영기관의 knowhow 및 기술과 노 력을 바탕으로 내부 고객인 직원과 외부 고객인 승객의 요구 조건을 모두 충족시키는 시스 템을 구현하였다. 표1. 서울도시철도공사 운영 전동차 현황 구 분 5호선 6호선 7,8호선 1차분 7,8호선 2차분 차량수 608량 328량 499량 126량 종합제어장치 Adtrans(스웨덴) 미쓰비시(일본) GEC알스톰(영국) 도시바(일본) 자동운전장치 US＆S (미 국)Adtrans(스웨덴) GRS (미국) US＆S (미국) Adtrans(스웨덴) US＆S(미국)
인버터
Adtrans(스웨덴) 미쓰비시(일본) GEC알스톰(영국) 도시바(일본) 견인전동기
그림3. 서울도시철도공사 전동차 운행 장애 및 도중 입고 건수 2.2.1 SR001 제작 특징 도시철도 운영기관은 현재까지 전동차를 완성차량으로 구매하였으나, 서울도시철도공사는 기존방식과 달리 전동차를 크게 5개장치(차체장치, 대차장치, 컴퓨터장치, 인버터장치, 제동 장치)로 구분하여 각각 모듈 조립체 상태로 구매하고, 공사 직원과 자체 중정비 설비를 활 용하여 직접 완성차를 제작하였다. 그림4. New model 전동차 - SR001 SR001은 승객의 다양한 욕구에 부응하며, 안전 및 저비용․무보수 기간의 확대로 유지보수 편리성의 향상을 기하여 운영과 정비의 효율성을 높이고 기존 시스템과의 호환을 양호하게 하여 차량운용의 내실을 기할 수 있도록 설계한 새로운 형식의 전동차이다. SR001은 제작 비용절감, 안전성, 유지보수성을 향상시키고 IT기술과의 융합을 통한 편리한 고객서비스를 제공하는 차량시스템으로 개발 초기단계부터 제작의 모든 공정에 공사 직원들
이 직접 참여하여 신기술과 유지보수 knowhow를 접목시켜 전동차를 설계 및 제작함으로써 장치를 경량화․모듈화․소형화하여 도시철도 운영기관의 숙제인 저비용 고효율의 전동차 시스템을 구현하였다. 그림5. 공사 직원들의 SR001 제작 모습 2.2.2 SR001 제작 방식 SR001의 제작 공정은 크게 발주/계약, 설계, 장치 제작, 완성차 조립 4단계로 구분할 수 있다. 공사는 발주단계부터 전체 공정기간을 단축하기 위해 자체 발주를 시행하여 조달기간 을 단축하였다. 그리고 전체 공정 중 시간이 가장 많이 소요되는 설계 및 부품 제작에 직원 들이 직접 참여하여 불필요한 절차를 제거하고 빠른 의사 결정을 통해 제작 과정을 크게 단 축하였다. 그 결과 SR001은 2010년 6월에 5개장치를 계약한 후 장치별 제작을 시작하여 6개월만인 2010년 12월에 완성차 조립을 완료하였다. 이것은 기존 통상적인 완성차 제작공정의 패턴을 벗어난 새로운 제작방식이다. 그림6. SR001 제작 방식
2.2.3 SR001 - System Engineering 기술 적용 SR001은 신뢰성과 안전성을 보증하고 성능을 향상시키기 위해 공정 전반에 시스템 엔지 니어링 기술을 적용하였다. 시스템 엔지니어링의 핵심 기술인 RAMS 기술을 적용하기 위해 공사와 장치별 제작사 및 신뢰성 전문기관은 각각 신뢰성 담당자를 지정하고 공동 작업을 통해 제작 공정 전반에 RAMS를 적용하였다. SR001 RAMS 업무의 가장 큰 특징은 운영기 관의 knowhow와 제작사의 제작적인 측면 및 신뢰성 전문기관의 기술적인 측면을 모두 반 영하고 향후 운영단계를 지나 생애주기 동안의 신뢰성 활동을 고려하여 추진하고 있다는 것 이다. 신뢰성 분석을 위하여 ‘RELEX2011’라는 신뢰성 분석프로그램을 사용하였고, 신뢰도 예측을 위해 SR001의 부품 구성체계인 BOM(Bill Of Material)을 작성하였다. BOM은 12개 장치로 구분된 시스템/어셈블리/부품 등을 SR001 장치별 특성에 맞게 7레벨 약 4,000여개의 부품(Part)으로 선정하여 신뢰도 예측을 수행하였다. 신뢰도 예측에 사용된 고장률 또는 MTBF(Mean Time Between Failure)의 결과 값은 부품제작사에서 제공하는 신뢰도 데이터 를 우선 적용하였다(예 : LED직관등의 경우 50,000시간). 신뢰도 데이터가 없는 전기·전자 부품의 경우에는 개별 부품에 대해 신뢰도를 예측할 수 있는 여러 모델링 규격이 있으나, 기계류의 경우엔 제한적일 수 밖에 없어 기계류의 개별 부품의 고장률 예측은 NPRD95 (Non-electronic Parts Reliability Data)를 통해 예측하였다. 개별 부품의 조합체이라 할 수 있는 SR001의 시스템 수준에서는 MIL-HDBK-217FN2 모델을 적용하여 차량의 외적 요인, 즉 환경적 운용조건 등을 고려한 고장률 재조정 과정을 거치도록 하였다.
신뢰성 분석의 가장 핵심기술인 고장모드 및 영향분석은 약 20여개 주요 부품사와 운영기 관, 신뢰성 전문기관 등이 모여 수십 차례의 교육과 브레밍 스토밍을 통해 ASS’Y레벨에서 는 1,200여개의 고장모드, PART레벨에서는 3,200여개의 고장모드(Failure Mode)를 추출하 였으며, 고장나무분석을 위해 약 100개의 Top Event를 선정하여 분석하였다. 또한 향후 고 장관리 체계화를 위해 시운전 단계부터 FRACAS를 수행하고, 유지보수 단계에서는 RCM 기술을 적용하여 RAMS 분석 결과를 지속적으로 모니터링하면서 분석과 수정·보완함으로써 신뢰성 향상을 추진할 것이다.
2.3 SR001의 장치별 특징
2.3.1 자체장치
SR001의 운전실은 개방형 운전실을 적용함으로써 승객의 조망성을 향상시켰다. 종합제어 관리장치(TCMS: Train Control & Monitoring System)와 별도로 CSC 컴퓨터장치를 설치 하여 객실 냉/난방, 타 편성 열차위치, 객실 CCTV Monitoring, 승강장 CCTV Monitoring, 방송장치를 기관사가 일괄 제어할 수 있도록 함으로써 운용의 효율성을 높였다. 공조제어기 는 객실을 O₃로 살균하고 차량 별 승객 하중 및 CO₂량에 따라 환기와 냉/난방을 자동으 로 제어할 수 있는 시스템으로써 쾌적한 객실 내 환경을 유지할 수 있게 하였다. 객실 CCTV는 객실과 선로상황을 운전실 및 관제센터에서 실시간으로 모니터링할 수 있도록 시 스템을 구축하여 긴급상황 발생 시 신속한 대처가 가능하도록 하였다. 객실 난방기는 슬라 이딩 구조를 적용하여 유지보수성을 향상시켰으며, 각 량의 장애인석에는 난방기에 열풍기 를 설치하여 강제 대류를 통한 난방 효율성을 극대화시켰다. 운전실내 조명은 밝기 조절이 가능하도록 하여 기관사가 최적의 환경에서 운행이 가능하도록 하였다. 방송장치는 객실 내 소음에 따라 자동으로 음량이 조절되는 시스템으로 최상의 고객서비스가 제공되도록 구축하 였다. SR001의 객실 디자인은 이용승객의 다양한 특성을 충족시킬 수 있도록 3,6번째 차량의 좌 석을 중앙에 배치하였으며, 입석승객의 편의성을 위하여 측면에 쿠션 바(Bum Seat)를 설치 하였다. 또한 각종 정보이용과 DMB를 활용할 수 있도록 IT정보스크린(행복터치)전량에 설 치하였다. 객실의 넓은 공간감 및 쾌적성을 위하여 차량 중간의 인동문을 제거하고 차량과 차량사이를 승객이 안전하게 이동할 수 있도록 확장형 갱웨이(Wide Gangway)를 설치하였 다. 갱웨이의 실내측 폭은 기존 5678호선 전동차의 900mm에서 1,100mm로 확장되었으며, 갱웨이는 Double Bellows를 적용하여 우수한 방수, 방풍, 차음성을 확보함으로써 실내 쾌적 성을 확대하였다. 그림8. 객실 중앙의자, 범 시트 및 행복터치 2.3.2 인버터장치 VVVF인버터장치는 게이트 드라이브 유니트(GDU)를 하나의 PCB로 모듈화하고 LB 장치 를 통합하였으며, Stray Inductance 감소를 위해 일체형 Multi-Busbar를 적용하여 중량을
감소시키고 유지보수 효율성을 높였다. 또한, IGBT 발열 온도 감지센서 적용으로 과온에 의한 IGBT 소손을 사전에 예방할 수 있도록 하였다. 히트파이프는 냉각 용량을 늘려 모듈 화 및 소형화하였으며, 친환경 냉매(증류수+질소)를 사용하였다. 그림9. VVVF 인버터장치 2.3.3 대차장치 기존의 전동차는 대차프레임 트랜솜파이프의 규격을 직경 165.2㎜/두께 14.3㎜를 사용하였 으나, SR001은 직경 177.8㎜/두께 15㎜(직경 12.6㎜, 두께 0.7㎜↑)를 사용하여 기존 7호선 보다 약 14% 이상의 강도를 증가시켜 안전성을 강화하였다. 센터피봇은 구조가 단순하고 진동 발생이 적은 트랙션링크 타입을 적용하였으며, 대차의 흔들림을 저감시켜주는 1차 스 프링은 하중 분산이 잘되고 수명이 긴 코니컬 고무스프링을 적용하여 유지보수 비용을 저감 시키고 승차감을 향상시켰다. 또한 접지브러쉬는 수명이 길고(약 40년 사용) 유지보수가 거 의 필요 없는 카본-카본 타입을 적용하여 유지보수 비용의 저감 뿐 아니라 무보수가 가능 하도록 하였다. 그림10. 1차 현수장치, 접지브러쉬 및 센터피봇 2.3.4 컴퓨터장치
TCMS(Train Control & Monitoring System)는 고장 발생 시 안전성과 제어 효율 및 성 능 향상을 위해 완전한 이중계 시스템으로 구축하여 주 TCMS 고장으로 인한 절체 동작 시 모든 기능이 정상적으로 작동되도록 기능을 강화하였다. 열차운행 관련 컴퓨터(TCMS)
와 서비스 관련 컴퓨터(CSC)를 별도 설치함으로써 열차운행과 승객서비스 정보에 대해 실 시간 모니터링이 가능하여 전동차의 안전운행과 고품질의 고객서비스를 제공할 수 있도록 하였다. 또한 CSC컴퓨터는 현재 범용으로 사용되는 윈도우 기반 S/W로 구현하여 향후 기 능 변경이 용이하도록 하였다. 그림11. CSC컴퓨터 메인화면 및 승강장 화상 표출 장면 2.3.5 제동장치 주공기압축기 및 보조공기압축기는 Oil Free 타입의 피스톤 방식을 적용함으로써, 에어필 터 등 정기적인 부품 교환이 없어 유지보수 편리성을 향상시켰다. BOU코크 상태를 운전실 에 현시되도록 구축하여 안전성을 강화시켰으며, 제동장치를 모듈화하고 동 배관을 사용하 여 경량화와 유지보수 편리성을 향상시켰다. 그림12. 피스톤방식 주공기압축기 및 제동 배관 3. 결론 기존 전동차와 차별화된 개념에서 설계․제작된 SR001은 저비용 고효율의 전동차 운영시 스템과 쾌적한 고객서비스를 제공할 수 있는 전동차로서, 도시철도 운영기관의 운영 및 유 지보수 knowhow와 장치별 신기술이 유기적으로 융합된 결정체이다. 본 논문은 고객(승객, 운영자) 중심의 기술개발, IT분야 기술을 접목한 기술융합형, 핵심기술 및 핵심장치의 기술 자립 향상에 대한 로드맵을 제시하고 국내 도시철도 기술 수준을 한 단계 높이는 중요한 계
기가 될 것으로 사료된다. 국내 도시철도 운영기관으로서 최초로 성공한 전동차 자체 제작은 향후 전동차 리모델링 추진 시 제작기법의 모델링으로 활용될 수 있을 것이며, 철도산업 발 전과 정책결정에 중요한 출발점이자 토대가 될 것으로 기대된다. 참고문헌 1. “일본의 전동차 차량 제작 현장을 찾아서”, 5678 서울도시철도 웹진 행복미소 제32호 2. “7호선 연장구간 신규 전동차 제작 구매 규격서”, 서울특별시도시철도공사
