2012 년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집 KSR2012A073

도시철도 제동시스템 개선으로 유지보수비 절감 및 안전운행확보

Reduce maintenance costs by improving urban railway braking system and

securing the safe operation

김종배† 진차곤*

김상균**

구정환***

Jong-Bae Kim Cha-Gon Gin Sang-kyun Kim Jeong-Hwan Gu

Abstract. Paper to keep the repair cost savings and safe driving secure ways to improve urban railway braking

system are described. Measures for scientific analysis, and failure of the main device in the braking system of

the main line station and failure occurs repeatedly, increasing the number of fairy fixtures repair costs increase

and the efficiency degradation is the cause of the failure in the braking system of the device. to contribute to

ensure safe driving trains, reducing maintenance costs established systematically

Keywords : Majoring convert the relay valve, Dump valve, Solenoid valve, automatic drain

Parking brake system

초 록 본 논문에서는 도시철도 제동시스템 개선으로 유지보수비 절감 및 안전운행확보 방안에

대하여 기술하였다. 본선 운행 중 제동시스템 내 주요장치의 고장이 반복적으로 발생하고

고장건수가 증가함에 따라 요정비품 수선비용 증가 및 업무효율성이 저하되어 제동시스템 내

주요 장치의 고장원인을 과학적으로 분석하고, 이에 대한 대책을 체계적으로 수립

유지보수비를 감소시키고, 전동차 안전운행확보에 기여하고자 한다.

주요어 : 전공변환중계밸브, 덤프밸브, 자동배수전자밸브, 주차제동장치

1. 서 론

도시철도의 공기제동장치는 운전 중 열차 또는 차량의 속도를 조정하거나 정지시키기 위하여

장착된 것으로 일반적으로 두 개의 물체간에 마찰을 생기게 하여 이 마찰력으로서 물체의

운동을 억제하는 것이다.

본 논문에서는 공기제동장치의 고장이 반복적으로 발생하여 유지보수비 증가와 전동차

안전운행에 지장이 초래되어 전공변환중계밸브, 덤프밸브, 자동배수전자밸브, 주차제동장치의

부품개선을 통하여 부산도시철도에 적용한 결과 유지보수비 절감과 안전운행확보에 만족한

성과를 얻을 수 있었다.

† 부산교통공사 호포차량사업소 정비부(kjb6275@humetro.busan.kr) *

부산교통공사 호포차량사업소 정비부 **

부산교통공사 호포차량사업소 정비부

***

부산교통공사 차량검수팀

2. 본 론

2. 제동시스템

2.1 문제점

본선 운행 중 제동시스템 내 주요장치의 고장이 2007 년에 2 건이었으나 2009 년에 4 건으로

주요 제동 부품의 고장건수가 전반적으로 증가하고 있으며, 특히 전공변환중계밸브는

2007 년(39 건)에 비해 60% 증가(2008 년 : 62 건)하였고, 고장건수가 증가함에 따라

수선비용이 증가하고 전동차 안전운행확보에 치명적인 요인으로 나타난다.

Table 1. Braking System Status of major device malfunctions

품 명 규 격 총 계 2007 2008 증 감

총 계 311 125 186 △61

전공변환중계밸브 EPR2A 101 39 62 △23

덤프밸브 PC12 53 20 33 △13

자동배수전자밸브 YW78P 51 22 29 △7

주차제동장치 KLX-P 46 13 33 △20

조압기(CMG) LME29A 23 11 12 △1

레벨링밸브 345-G301-055 15 11 4 ▽7

수직오일댐퍼 20kg/cm/sec 10 5 5 -

공기건조기 JW2000A 6 1 5 △4

수평오일댐퍼 100kg/cm/sec 3 1 2 △1

상용제동장치 KLX 3 2 1 ▽1

2.2 개선점

제동시스템 내 주요장치의 고장원인을 과학적으로 분석하고, 이에 대한 대책을 체계적으로

수립하여 유지보수비 절감에 기여하고 , 전동차 안전운행확보를 도모하고자 한다.

2.3 개 요

제동시스템은 양질의 압축공기를 생성하는 압축시스템과 공기제동을 제어하여 기계적으로

작동하는 제동시스템으로 구분하며, 공기 압축시스템은 주공기압축기, 유분리기, 공기건조기,

자동배수 전자밸브, 자동배수밸브, Air Filter 로 구성되어 있고, 제동시스템은 제동을

제어하는 제동제어장치 (전공변환중계밸브, 응하중밸브, ECU, 압력센서 등), 덤프밸브,

기초/주차제동장치로 이루어져 있으며, 기타 장치는 조압기(CMG), 압력스위치(PBPS, MRPS),

체크밸브, 공기탱크(MR, SR, PR), 감압밸브 등으로 구성되어 있다

Fig 1. Brake system schematic diagram

2.3.1 전공변환중계밸브

평면 다이어프램에 의해 작동하는 자기유지 방식의 밸브이며, 2 개의 입력에 대하여 고위우선

출력하는 2 중 다이어프램식의 중계밸브, 상용제동 계통을 제어하는 상용제동전자제어밸브,

비상제동 계통을 제어하는 비상제동전자밸브로 구성되어 있다.

Fig 2.Majoring convert the relay valve

2.3.2 덤프밸브

덤프밸브는 공기제동작용 시 제동전자제어장치(ECU) 내 안티스키드 제어 유니트에서 발생된

제동완해 신호 및 제동신호를 수신하고, 제동 압력공기 공급의 개폐 및 배기를 행하며,

차륜의 찰상발생방지 및 제동거리 신장억제를 도모한다.

전동차 활주 및 비활주 시에 따라 작동모드가 분류되며, 활주 시 완해․중립․제동(활주 소멸)

등 세 가지 작용을 한다. 세부 작동원리는 아래와 같다.

Table 2. Remission and non-slide when braking

구 분 제 동 작 용 완 해 작 용

유지밸브 OFF OFF

완해밸브 OFF OFF

유지 측 다이어프램 공기통로 열림 공기통로 닫힘

완해 측 다이어프램 공기통로 닫힘 공기통로 열림

작 동

설 명

제동제어장치에서 제어된

제동압력이 제동통으로 전달

유지 측 다이어프램이 닫히고,

제동통의 공기는 완해 측을

통해 배기

작동도

2.3.3 자동배수전자밸브

자동배수전자밸브는 압축기 배관계통의 자동배수밸브 및 유분리기의 입력공기를 제어하는

밸브로 공기압축기의 기동과 연계되어 있으며, 세부 작동원리는 아래와 같다.

Table 3. Auto drain solenoid valve operation also

구 분 공기압축기 정지 시 공기압축기 기동 시

자동배수 전자밸브 OFF OFF

주 공기 공 급 차 단

제어공기 공 급 배기구로 배출

자동배수밸브 작 동 정 지

작 동

설 명

- MR 공기가 밸브상부로 연결 되어

피스톤 하강

- 자동배수밸브용 제어공기

공급되어 지시압력으로 작용

- 주 공기 차단되어 스프링에 의해

피스톤 상승

- 자동배수밸브용 제어공기배기

작동도

2.3.4 주차제동장치

주차제동장치는 기초제동장치의 일종으로 상용제동과 주차제동을 함께 작동시키는 장치로서

자동간격조정장치, 트루니언, 피스톤/실린더, 제동헤드 & 제동행거, 벨로우즈/조정너트,

주차제동실린더, 엑츄에이터 몸체로 구성되어 있다.

2.4 현상파악 및 원인분석

2.4.1 현 황

제동시스템 주요 장치 고장건수를 파레토도로 분석한 결과 전공변환중계밸브, 덤프밸브,

자동배수전자밸브, 주차제동장치의 고장 누적 점유율이 81%로 중점관리항목으로 선정하였다.

Fig 3. Braking system malfunctioning device number of cases Pareto also

2.4.2 전공변환중계밸브

가. 고장발생 현황

1) 2008 년 2 월(14 건), 6 월(10 건)이 전체의 35% 차지

2) 계절적으로 하․동절기가 75%로 고장이 다수 발생

Fig 4. Majoring convert the relay valve failure by Status

나. 고장유형별 현황

고장유형으로 비상/상용제동 시 누기, 제동불완해, 제동압력불량으로 구분되며, 비상제동

시 누기(30 건), 상용제동 시 누기 (27 건)으로 전체의 92% 차지

Fig 5. Majors converted relay valve failure type occurs Status

다. 주요 고장유형별 요인을 분석한 결과

1) 비상제동 시 누기 현상은 중계밸브 내 다이어프램 변형이 주요 원인

2) 상용제동 시 누기 현상은 유치선 및 검수고 유치 시 백업제동 과다작동과 중계밸브 내

다이어프램 변형이 주요 원인으로 분석

Fig 6. Majoring conversion factor relay valve failure analysis

2.4.3 덤프밸브

가. 고장발생 현황

1) 계절적 특성은 보이지 않으나 전동차 편성 별로 분석한 결과 특정 편성에서 집중적으로

고장 발생

2) 특정 편성의 이전 중수선 출장일이 유사한 것으로 추정할 때, 작업불량이나 주요 부품의

LOT 불량일 것으로 추정

3) 고장유형으로는 배기구 누기가 거의 대부분을 차지

Fig 7. Dump valve failure by Status Fig 8. By organizing dump valve failure Status

나. 고장원인 분석

1) 덤프밸브 배기구 누기의 주요 원인으로는 유지․완해 측 다이어프램의 접촉면적 감소에

의한 것으로 분석

2) 이와 함께 아마추어 내 밸브시트 및 전자밸브 내 코일의 품질 관리도 지속적으로 요구

Fig 9. Dump valve failure factors analysis

Fig 10. Phenomena existing diaphragm contacts analysis

2.4.4 자동배수전자밸브

가. 자동배수전자밸브의 고장은 총 29 건 발생

나. 동절기(12,1,2 월)의 고장 발생률이 45%로 계절적 특성을 보임

Fig 11. Auto drain solenoid valve failure by Status

2.4.5 주차제동장치

가. 동절기에 (1,2,11,12 월) 전체 고장의 76%로 집중적으로 누기 현상이 발생

Fig 12. Parking brake system failure occurs Status

나. 제동실린더 내 오링 현황

1) 2 호선 1단계 전동차 주차제동실린더 피스톤에 사용되는 오링은 전량 Westinghouse 제품

(G170, 경도 70)

2) 2단계 이후 Westinghouse 제품 수급이 어려워 동일 성능의 타사 제품을 공급받았으나

경도가 높아 조립상 어려움이 있어, 일본 Kyowa 제품(G170, 경도 50～60)으로 공급

3) 2006 년부터 국산 오링(G170, 경도 60)으로 교체

4) 현재 적용하고 있는 오링은 저온실험(냉동실 -17℃) 시에 경화 현상이 발생하지 않았으나,

그리스나 오일 영향으로 변형 나타남.

Table 4. Compare Line Star O-rings and packing specifications

호 선 구 분 제동

실린더 종류

실린더

내경

패 킹

종 류

패 킹

외 경

패 킹

내 경 패 킹 높 이

1 호선 상용 PC7 φ178.30 U 패킹 φ181.70 φ151.20 19.00

주차 PC7D φ190.00 패킹 φ192.80 φ166.20 7.07

2 호선 상용 KLX φ172.00 U 패킹 φ176.45 φ144.97 18.47

주차 KLX-P φ180.00 오링 φ180.70 φ169.30 5.70

3 호선 상용 MK φ178.15 U 패킹 φ181.50 φ149.00 15.00

주차 CKP-160 φ203.00 U 패킹 φ206.00 φ168.20 15.00

2.5 대책방안

2.5.1 전공변환중계밸브

가. 대책수립

1) 대책수립도를 활용하여 주요 고장 유형에 대한 대책 실시

2) 비상제동 시 누기 현상은 중계밸브 내 다이어프램 변형이 주요 원인으로 다이어프램 재질

개선을 목표로 제작업체와 협력하여 개선품 개발

3) 상용제동 시 누기 현상은 유치선 및 검수고 유치 시 백업제동 과다 작동과 중계밸브 내

다이어프램 변형이 주요 원인이고 이를 해결하기 위해 백업제동 작동시간을 일정시간 유지

후 해제하도록 백업제동 프로그램 변경

Fig 13. Majoring convert the relay valve measures

나. 중계밸브 내 다이어프램 개선

1) 2 호선 전동차 중계밸브의 작동조건에 적합하도록 다이어프램 재질을 변경하고(NBR→CR),

동시에 새로운 소재 배합 기술을 개발하여 적용

2) 개선된 다이어프램의 내구성 확인을 위해 100 만회 반복 작동 후 공기누설 및 기능 시험

실시

3) 기존 다이어프램 변형의 핵심요소인 내유성을 확보하기 위해 자체적으로 다이어프램을

오일에 일정시간 침지시킨 후 변형 여부 확인 및 공인인증기관에서 침지시험(내유성 시험)

실시

Table 5. Diaphragm five days immersion test results

항 목 시험 전 시험 후

다이어프램

사 진

측정결과 - 다이어프램 외경 측정 - (정성적인) 변형 여부 확인

4) 최종적으로 제동종합시험 및 현차시험을 거쳐 품질을 확보한 다이어프램을 전 편성 교체

완료

다. 백업제동 작동시간 개선

1) 비상제동이 해제될 때까지 백업제동이 지속되는 로직을 비상제동 정상작동 후(동시에

백업제동 작동) 100 초 동안 이상이 없을 경우 백업제동을 해제하도록 로직 변경

Fig 14. Change the backup braking logic concept

2) 제동전자제어장치(ECU) 내 ROM 의 프로그램을 변경하고, 개선된 ROM 이 적용된 ECU 의

단품시험 및 현차시험을 통해 신뢰성 확보

2.5.2 덤프밸브

가. 다이어프램 개선

1) 현재 사용 중인 다이어프램을 분석한 결과, 초기에 사용된 수입 제품에 비해 접촉부

곡률반경이 작아 접촉면적이 41% 수준으로 감소되어 누기 현상 발생

2) 다이어프램의 접촉부 곡률반경을 증가시켜(r=0.6 →1.5)누기 방지를 극대화

Fig 15. Improve the contacts after the diaphragm shape

3) 단품(성능, 누설시험) 및 현차시험을 3 개월간 실시하여 품질 확보

2.5.3 자동배수전자밸브

가. 대책수립 및 개선

1) 2007 년 상반기부터 3 호선 VM14-1H 형식의 도입여부 검토

2) 단품(누설 및 성능시험) 및 3 개월간 현차시험을 거쳐 개선품의 품질 확보

Table 6. Compare auto drain solenoid valve specifications

항 목 기 존 품 개 선 품

제품형식 YW78P (기계밸브+전자밸브) VM14-1H (전자밸브)

정격전압 DC 100V DC 100V

최저작동전압 DC 60V 이하 DC 60V 이하

개방전압 DC 5V 이상 DC 5V 이상

작동 도

공기압축기 ON

자동배수밸브 OFF

2.5.4 주차제동장치

가. 대책수립 및 개선

1) 타 호선과 동일한 패킹 구조로 변경하고, 신형 패킹을 취부하기 위하여 주차제동실린더의

패킹 취부홈을 반경방향으로 2mm 추가 가공 (오링 내경 170 → 패킹 내경 166mm)

2) 최종 개선된 패킹 형식의 주차제동장치 단품 및 현차시험 실시하고 제품 신뢰성 확보하여

전 편성에 적용

Fig 16. Upper parking braking device juchaje pain improvement structure

3. 결 론

제동시스템 내 주요 장치들의 다양한 고장유형에 대한 원인을 과학적으로 분석하고 이에 대한

대책을 체계적으로 수립․ 추진함으로써 고장을 미연에 방지하여 제동시스템의 신뢰성과

업무효율성 향상에 기여하였고,

주요장치의 부품 특성을 보다 깊이 있게 이해하고 분석할 수 있어 품질 관리 능력 향상과

제품 수명 연장을 기하고 제동시스템의 주요장치가 안정화됨에 따라 전동차 안전 운행 및

유지보수비 절감에 기여할 것으로 기대된다.

참고문헌 : 부산도시철도 2호선 전동차 정비지침서. 끝.