† 교신저자, 한국철도공사 차량기술단 E-mail : [email protected] * 한국철도대학
전기동차의 운행 신뢰성을 통한 유지보수주기의 타당성 검토 -안산선
전기동차의 주요부품을
중심으로-Feasibility Check of Maintenance Period by The Operating Reliability of
EMU-Focusing on the Main Components of Ansan Line EMU-
박수명† 송문석* 손영진** 이희성*** Su-Myung Park Moon-Shuk Song Young-Jin Son Hi Sung Lee
ABSTRACT
Safety is soaring up as a core value in accordance with the recent improvement of operating speed & incidents. rolling stock is a kind of system which works together with several components. one component has an effect on the sub-system, which can cause to the train safety operation, therefore reliability management of the major components of rolling stock is a kind of solution to the safety operation of train, but realistically maintenance in korea performed based on period rather than TBO of major components, but Japan does new maintenance system based on the major components, which optimizes maintenance tasks. actually Japan can apply to new maintenance system because they are ready in planning step but in this study, making a reliability data of major components and review the adaptability of new maintenance system to the rolling stock operating in Ansan line.
1. 서론
최근 속도의 향상과 국내외의 잇따른 철도사고에 따라 안전이 철도차량의 핵심가치로 떠오르고 있다. 철도차량은 수많은 부품에 의해 이뤄져 있고 이들 부품들이 유기적으로 움직여 기능을 하는 하나의 시 스템이라고 할 수 있다. 하나의 부품이 서브시스템에 영향을 미쳐 운행안전성에 영향을 미치는 경우가 많이 있어 주요부품에 대한 신뢰성관리가 철도차량의 안전운전에 중요한 영향을 미치고 있는 현실이다. 하지만 현실적으로 유지보수는 부품에 대한 TBO(Time Between Overhaul)에 따른 유지보수 즉 장치별 유지보수라기보다는 기간에 따른 유지보수가 시행되어지고 있다. 그러나 일본의 경우는 신보전체계를 적 용하고 있는 전기동차의 경우는 장치별 유지보수가 시행되어지고 있으며 이를 통해 유지보수 업무량을 최적화하고 있다. 물론 설계단계에서부터 유지보수를 감안해서 생산하였기 때문에 가능 하였을 것이다. 본 연구에서는 안산선 전기동차의 주요부품을 대상으로 신뢰성자료를 만들어내고 이를 바탕으로 현재 수행하고 있는 유지보수체계의 타당성에 대해서 검토하여 신규 제작되어지는 차량에 대해서 유지보수체 계에의 적용가능성에 대한 시사점을 도출하고자 한다. 2. 본론 2.1 전기동차의 유지보수 체계 전기동차를 비롯한 철도차량의 유지보수는 장기간의 구상단계인 개발계획단계를 거쳐 구체적인 개발 단계를 거쳐 디자인 즉 차량설계를 수행하고, 설계에 따라 제작이 이뤄지는 이러한 사이클로 되어있지 만 이는 연구개발에서 제작까지만을 고려한 내용이고 실제 철도차량 대부분의 생애주기를 갖는 운영기 간을 고려하지 않은 내용이다. 실제 철도차량의 생애주기를 25년으로 보았을때 계획에서 제작까지 소요 되는 기간이 5년 정도라면 보통운영에는 25년 정도를 활용하고 있다. 최상의 조건으로 운영하기 위해서
는 철도차량 운영사의 운영정책이 중요하다 우리나라에서의 철도차량운영은 유지보수와 개조 그리고 폐 기로 구성되어 있는데, 유지보수에는 사전예방적 유지보수와 고장후 수리 그리고 개조를 위주로 되어 지고 있다. 여기서 다루고자 하는 사전예방적 유지보수는 기간에 따른 유지보수 항목을 검사해서 정상 적인 운영이 가능하도록 하는 방식이다 현재까지의 유지보수는 기간에 따른 일괄적인 유지보수가 이뤄 졌다고 하면 향후에는 RAMS 데이터를 적용한 신뢰성 기반유지보수(RCM)가 적용되어 과학적인 유지 보수가 이뤄져야 할 것이다. 그림1. 철도차량의 생애주기 체계도 국내 철도차량의 유지보수 체계는 기간을 중심으로 유지보수를 수행해 오고 있으나 실제의 본 연구에 서는 안산선 전기동차의 주요부품을 대상으로 신뢰성자료를 만들어내고 이를 바탕으로 현재 수행하고 있는 유지보수체계의 타당성에 대해서 검토하여 신규 제작되어지는 차량에 대해서 유지보수체계에의 적 용가능성에 대한 시사점을 도출하고자 한다. 2.1.1 안산선 전기동차의 유지보수 규정 유지보수 규정은 철도차량 운영 안정화와 관계가 있다.즉 지속적으로 유지보수 규정은 운영현실에 적 합하게 개정되어왔다.처음 철도차량을 도입했을 때는 해당 철도차량의 특성을 제대로 파악하지 못해 초기 고장이 많이 발생하고 이러한 초기고장 때문에 기존의 검수체계를 따를 수밖에 없다.그러나 차량 의 운용 노하우의 누적 및 안정화를 거치면서 안전성을 고려한 적정한 검수주기를 결정하게 된다.그렇 지만 현재의 검수규정 또한 완벽하지는 않아 사용하면서 개조․개량의 과정을 거치고 주요 부품의 TBO 도래에 따른 전반적인 대수선 검수가 필요하게 된다. 물론 대수선과 개조개량이 TBO 따른 부품 교체만을 고려하여 수행하지는 않고 진부적 내구연한 측면에서 최신기술의 도입도 일정부분 따르고 있 다.이러한 유지보수는 정상적인 유지보수라기 보다는 이례적인 검수로 검수규정에 포함시키기는 어려 우나 대수선과 같이 주요 부품의 TBO에 따른 검수라면 유지보수 규정의 개정을 통한 일반 유지보수 규정에 삽입시킬 필요성이 있다. VVVF 철도차량의 유지보수는 주행거리와 회기 한도일을 기준으로 하며 일상검수와 월상검수는 주행거 리를 주로 기준으로 하고 일상검수의 경우 4일,월상검수 105일 초과시 주행거리에 미달되어도 회기일 을 먼저 적용한다.그러나 3년 검수와 6년 검수시는 주행거리와 회기한도 중 먼저 도달하는 기준을 적 용하여 유지보수를 수행한다.
LRU No VVVF 전기동차 분류체계 LRU ?Y/N Class Number MTTR 분석 검수시간 교환 및 재조립 시간 Ⅰ 차체(Car body)
1 차체구조(body structure) YES n/a n/a n/a 2 연결기(couplers) YES n/a n/a n/a
3 통로(gangway) YES n/a n/a n/a
4 창문장치(windows unit) YES n/a n/a n/a 5 출입문장치(doors unit) YES n/a n/a n/a 6 차체 부속(body additions) YES n/a n/a n/a Ⅱ 대차 및 주행장치(bogies and running gear)
7 대차프레임(bogie frame) NO n/a n/a n/a 8 현수장치(suspension) YES n/a n/a n/a 9 윤축(wheel set) NO n/a n/a n/a 10 구동장치(traction unit) YES n/a n/a n/a 11 대차부속장치(bogie additions) NO n/a n/a n/a Ⅲ 전원공급장치(power supply unit)
12 판토그래프(pantograph) YES n/a n/a n/a 13 고압애자(high tension insulator) YES n/a n/a n/a 14 비상접지스위치(emergency ground s/w) YES n/a n/a n/a 15 주차단기(main circuit breaker) YES n/a n/a n/a 16 주차단기용 진공차단 밸브(MCB) NO n/a n/a n/a 17 계기용 변압기(potential transformer) YES n/a n/a n/a
도표 2.1인버터형 전기동차 유지보수 기준 2.1.2 안산선 전기동차의 주요부품 구성 체계 VVVF 전기동차의 LCC분석을 위해서는 전반적인 WBS(work breakdown structure)를 구성하여 항목 별 검수체계에 따른 비용 산출이 요구된다.그러나 실제 UNIFE 분석체계에 따른 완벽한 비용분석을 위 해서는 최하위 단위인 부품별 사용시간,교환비용 등이 나와야 하고 그 중간단계인 제작업체는 부품별 사용시간의 데이터를 기준으로 주요 부품별 사용시간 및 유지보수 비용이 산출되어야 하고,그리고 이 연구의 목적인 운영자 측면에서는 아래의 두 단계가 명확하게 DB화 된 상태에서 검수종별 유지보수 비 용을 산출할 수 있으나 현재는 철도공사의 관리프로그램인 KOVIS상에서는 전체 차량에 대한 검수종별 유지보수 비용을 산출할 수 있어 전체 소요비용을 기준으로 비용산정을 하되 체계 정립을 위해 기존의 연구를 바탕으로 VVVF 전기동차에 대한 WBS를 만들었다. 도표 2.2VVVF전기동차 체계도
19 주 퓨즈(main fuse) YES n/a n/a n/a 20 변류기(current transformer) YES n/a n/a n/a 21 교직절환기(AC/DC changeover switch) YES n/a n/a n/a Ⅳ 주회로(main circuit)
22 주변압장치(main transformer unit) YES n/a n/a n/a 23 주변환장치(main converter/inverter unit) YES n/a n/a n/a 24 견인전동기(traction motor) YES n/a n/a n/a Ⅴ 보조회로(auxiliaries circuit)
25 보조전원장치(SIV inverter box) YES n/a n/a n/a 26 변압기함(SIV transformer box) YES n/a n/a n/a 27 인버터 고속도 차단기함(M-B box) YES n/a n/a n/a 28 보조전기장치(auxilary electric units) YES n/a n/a n/a Ⅵ 제동장치(brake unit)
29 제동작용장치(brake operating unit) YES n/a n/a n/a 30 주공기압축기(screw air compressor) YES n/a n/a n/a 31 제동중계장치(brake translating unit) YES n/a n/a n/a 32 제동장치부속(brake additions) NO n/a n/a n/a Ⅶ 제어 및 통신장치(control and communication)
33 신호보안장치(signalling unit) YES n/a n/a n/a 34 열차무선장치(train radio unit) YES n/a n/a n/a 35 열차운행정보 전송장치(train information transmmision device) YES n/a n/a n/a 36 모니터링 장치(TGS unit) YES n/a n/a n/a Ⅷ 승객서비스(passenger service)
37 방송장치(announcement unit) YES n/a n/a n/a 38 표시장치(display unit) YES n/a n/a n/a 39 냉난방장치(air conditoner unit) YES n/a n/a n/a Ⅸ 설비품(facility)
40 객실의자(chair unit) YES n/a n/a n/a 41 내장판(inside panel) YES n/a n/a n/a 42 바닥재(floor material) YES n/a n/a n/a 43 단열재(heat insulating material) YES n/a n/a n/a 44 통로연결막(gangway correction) YES n/a n/a n/a 45 기타 설비(other facilities) YES n/a n/a n/a
2.2 안산선 전기동차의 주요부품 TBO
1996년 철도기술연구원에서 차량분야 주요부품의 적정사용연수 기준작성이라는 당시 철도청의 연구용 역을 수행하였다.그 당시만 하더라도 적정사용연수는 TBO1)의 개념이 없어 부품별 신뢰성 관리를 하지
않고 있었다.물론 현재도 TBO에 의한 검수를 수행하고 있지는 않지만,KTX 같은 경우는 주요부품에 대해서 2009년 TBO용역을 수행하여 TBO를 관리하고 있다.TBO는 운행조건과 관리조건에 따라 변동 가능성이 크기 때문에 다년간의 운영노하우를 통해 TBO를 관리하는 것이 중요하다. 본 연구의 대상 차량인 VVVF전기동차의 경우는 1996년 철도기술연구원에서 연구를 수행 할 당시 갓 2년 운영한 시점이기에 최장 검수주기인 6년 1사이클도 사용하지 못한 상태에서 조사한 내용이지만,이 미 1974년 도입된 저항제어차량의 운영 노하우가 많이 적용되어서 상당부분 타당성이 높은 사용연수를 제시하고 있다.아래 표 2.3에서 제시하고 있는 112종의 부품에 대한 적정사용연수는 현재 16년이 지난 시점에서 대수선 및 개조개량과 상당부분 일치하고 있음을 보여준다.아래 표는 112종중 10개 항목에 대해서만 나타내고 있다.
도표 2.3주요 부품별 TBO 산정 순번 부품명 규격 사용연수 비고 1 운전실설비 속도기록계(119-K-39) 15 2 축전지 211-0-DED-60378-A축전지조립품 12~15 3 주퓨우즈 (302-1-HB 37264A주퓨우즈링크 12~15 퓨우즈3~4년 4 주차단기 주차단기조립 1494-10001, 10002 25 애자(차단부) 25 애자(링크부) 25 5 진공차단부 주차단기 304-1-209-311-3No 0473-A 15~25 6 계기용변압기(PT) 1437-500001,500002계기용변압기조립 25 7 피뢰기 교류 308-0-P 6720089조립품 12~15 8 피뢰기 직류 309-0-P 6720088조립품 12~15 9 주변압기 주변압기 조립1437-10041 25 냉각송풍기 15 10 주정류기 1434-10041, 10042주정류기조립 25 냉각송풍기 15 2.3 JR 동일본의 철도차량유지보수 관리현황 JR 동일본의 철도사업분야에서 사용하는 에너지가 2001년 기준 총 450억 kwh이고 이중 74%가 철도차 량운영에 의해 소비되고,동경 수도권지역에 철도차량 8,000량을 사용하여 1,400만명을 운송하고 있다. JR 동일본이 209계열과 E231계열의 차량을 개발하여 50%의 에너지를 절감하였다.유지보수의 비용절 감측면에서 VVVF 인버터제어,SIV보조전원장치 등 다양한 시도를 통해 103계 차량과 비교하여 50%를 감축하였다고 한다.위와 같은 에너지절감,유지보수비용절감과 같은 컨셉을 가지고 차량을 개발하기 위 해서는 기본적으로 개발,설계,제작,사용,유지보수,재생 등 일련의 Lifecycle관리가 필요했고,이것 을 가능하게 하기위해 1994년 니이쑤차량제작소를 설립하여 JR 동일본 철도는 아래 그림과 같이 Life cycle를 관리하고 있다. 2.3.1 JR 동일본의 VVVF차량의 유지보수 주기 일본의 검수주기는 6일,3M,1Y,60만km,120만km,240만km 마다 중정비를 실시하고 있다. 그림 2.동일본의 VVVF전기동차의 검수주기 종래의 검사체계는 한국철도공사에서 시행하고 있는 방식과 같이 차량단위로 검사주기나 검사항목을 규 정에 따라 시행하였으나 내구성이 향상된 장치의 채택 및 기술진보에 따른 유지보수 생략의 요청 등이
있어 신보전 체계라는 이름으로 시행하고 있다. 신보전체계의 대상차량인 신계열차량의 주요 특징은 구조가 간소화 되었고,부품의 마모에 따른 교체가 요구되었던 항목을 maintenancefree화 하였다.즉 볼스타레스 대차,브러시/정류자가 없는 유도전동기, 전자화․무접점화를 추구하고 있어 편성별 유지보수의 필요성을 약화 시켰다. 그림 3. 동일본 신보전검수체계 예시 3. 결론 현재까지 연구결과는 안산선 전기동차의 주요현황과 동일본의 유지보수 체계인 신보전체계에 대하여 정리하였으며,즉 유지보수 주기,주요부품체계,신뢰성 유지보수를 위한 LRU체계 그리고 TBO 현황을 정리하였는데 이는 현재의 기간별 유지보수체계와 주요부품 TBO와의 관계를 검토하여 JR 동일본의 신 보전체계로의 유지보수체계 전환이 가능한가를 검토해 보기 위한 중간단계이다.향후 연구에서는 안산 선 전기동차의 주요부품의 고장현황을 분석하여 유지보수 주기의 적정함을 판단하고,안산선 전기동차 의 유지보수 정책을 JR 동일본과 같은 신보전체계로의 전환을 검토하고자 한다. 참고문헌 1. 박수명, “철도차량의 LCC분석을 통한 경제적 내구연한 산정연구,” 철도공사 연구보고서, 연구원 -02-09032-01, 2009. 2. 최길대, 김선호, "철도공학개론", 2008. 3. 김종운 등, "철도차량 획득단계에 적용되는 수명주기비용 모형에 관한 연구", 2009.
