박수중
(Soo Choong Park)
1
김시곤
(Si Gon Kim)
2†
-
정회원 ․ 서울과학기술대학교 철도전문대학원 박사과정
(Seoul National University of Science and Technology ․ hakusuing@hanmail.net)
-
종신회원 ․ 교신저자 ․ 서울과학기술대학교 철도전문대학원 철도경영정책학과 교수
(Corresponding Author ․ Seoul National University of Science and Technology ․ sigonkim@seoultech.ac.kr)
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Keywords
CBM(Condition Based Maintenance), Failure physics approach, Main air compressors, Failure mechanisms
핵심용어
상태기반정비(CBM), 고장물리, 피스톤방식 주공기 압축기, 고장메커니즘
1. 서 론
고장 물리학은 고장의 근본적인 원인을 이해하고, 고장이 발생하기 전이나 발생 초기에 이를 예측할 수 있는 방법을 제시하는 데 중요한 역할을
한다. 상태기반 정비(CBM, Condition-Based Maintenance)는 이러한 고장 물리학의 발전을 기반으로, 기계와 시스템의 실시간
상태 모니터링을 통해 고장을 미리 예측하고, 고장이 발생하기 전 정비를 수행하는 혁신적인 접근법이다. CBM은 고장이 발생하는 타이밍과 원인을 파악하여
불필요한 정비를 줄이고, 장비의 가동 시간을 최대화하는 데 중점을 둔다(Tsang, 1995). 이는 특히 고도의 기술이 요구되는 철도분야에서 신뢰성 및 효율성을 극대화하는 데 큰 기여를 한다. 본 연구는 주공기 압축기의 상태기반 정비를 위해서,
상태기반 정비의 이론적 배경과 이를 뒷받침하는 고장 물리학의 관점에서, 어떻게 적용될 수 있는지에 대해 논의할 것이다(Lee, 2016; Lee and Kim, 2016).
2. 배경이론
2.1 시스템 계층적 구조와 고장 인과관계
시스템은 일반적으로 계층적으로 구성되며, 각 계층은 상위 계층의 요구 사항을 충족해야 한다. 이러한 계층적 구조에서 고장은 부품이나 하위
시스템에서 발생한 결함이 상위 계층으로 전파되어 시스템 전체의 기능 저하를 초래하는 방식으로 발생한다. 부품의 열화나 손상은 구성 요소의 형상 변화,
표면 상태 변화, 강도 변화 등을 초래하며, 이러한 변화는 상위 시스템의 성능 저하로 이어진다. 따라서 각 계층에서 요구되는 기능을 유지하기 위해서는
부품 수준에서의 정비가 필수적이다(Bevilacqua and Braglia, 2000).
2.2 열화와 스트레스의 상호작용
Fig. 1. System Hierarchy and Failure Causality
열화는 부품이나 시스템의 성능을 저하시킬 수 있는 중요한 원인 중 하나이다. 열화는 부품의 속성 변화로 나타나며, 그 원인은 기계적, 열적,
화학적, 전자기적 스트레스에 의한 영향이다. 스트레스는 재료역학에서는 응력으로 정의되지만, 고장 물리학과 신뢰성 분야에서는 열화를 유발하는 다양한
역학적, 화학적, 전자기적 요인을 포괄한다. 부품은 다양한 종류의 스트레스에 노출되며, 이로 인해 열화가 발생한다. 이러한 열화가 상위 계층으로 전파되어
시스템 고장으로 이어질 수 있다.
2.3 고장 메커니즘 분석
고장 메커니즘은 고장 원인과 스트레스가 결합하여 특정 고장 형태를 일으키는 과정이다. 고장 메커니즘의 분석은 고장이 발생하는 원인과 그 전파
경로를 이해하는 데 필수적이다. 스트레스의 종류와 부품의 속성에 따라 다양한 고장 형태가 발생할 수 있다. 예를 들어, 과도한 기계적 응력이나 열적
스트레스는 부품의 변형이나 열화를 초래하고, 이는 고장의 원인으로 작용할 수 있다. 또한, 전기적 스트레스는 전자기적 고장을 유발할 수 있으며, 화학적
스트레스는 부식이나 산화를 초래하여 부품의 성능을 저하시킬 수 있다. 이러한 메커니즘을 이해하는 것은 고장 예측 및 예방을 위한 중요한 기초가 된다(Park, 2015; Shozo Takada, 2006).
Table 1. Failure Mechanisms
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Separation
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Stress breakdown
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Failure mechanism type
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Physical stress
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temperaturehumidiyRadiation
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Property change, property instabilityThermal fatigueNeutron irradiation weakening
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Mechanical stress
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vibrationpressureshockabrasion
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FatigueBreakage, cracks, defectsDeformationAbrasion
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Chemical stress
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ionizingcorrosion
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All-round corrosion, localized corrosion, pitting, intergranular corrosion, galvanic
corrosion, corrosion fatigue
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Electromagnetic waves Stress
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EMI
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Attribute Value Instability
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Electrical stress
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over voltageover currentsurge & spikeelectrostatic discharge
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DisconnectionShort circuitCharacteristic value changeCharacteristic value instability
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Fig. 2. DIPF Curve
* References: http://reliability.com/pdf/Reliability-vs-Safety.pdf(2021)
2.4 고장 메커니즘과 상태기반 유지보수 관계
상태기반정비 시스템은 시스템이나 부품의 상태를 실시간으로 모니터링하고, 그 데이터를 바탕으로 고장의 발생 가능성을 예측하는 시스템이다(USDoD, 2008). 고장물리학과 고장메커니즘은 이 시스템의 핵심적 이론적 기초를 제공한다. 예를 들어, 고장물리학을 통해 부품에 가해지는 다양한 스트레스와 열화 과정을
분석함으로써, 부품의 상태를 정확하게 평가할 수 있다. 또한, 고장메커니즘을 통해 고장이 발생하는 원인과 전파 과정을 이해하면, 특정 고장이 발생하기
전에 이를 예측하고 예방할 수 있다.
상태기반정비의 성공적인 구현을 위해서는 부품이나 시스템의 실시간 상태를 정확히 파악할 수 있는 센서와 데이터 수집 시스템이 필요하다. 고장물리학의
분석을 통해, 특정 부품의 열화가 진행되는 패턴을 식별하고, 이를 모니터링할 수 있는 센서를 설계할 수 있다. 예를 들어, 기계적 스트레스나 열적
변화를 실시간으로 측정하고, 이를 통해 부품의 상태를 추적할 수 있다. 고장메커니즘 분석을 통해, 고장이 발생하는 구체적인 원인과 과정에 대해 예측할
수 있으며, 이를 바탕으로 고장의 가능성이 높은 시점을 예측하고 정비를 미리 수행할 수 있다(Jardine et al., 2006).
3. 전동차 주공기압축기의 고장물리기법 적용
Fig. 3. Main Air Compressor Structure
* References: Seoul Metro Main Air Compressor Maintenance Manual
3.1 주공기 압축기 기능분석
공기압축기는 여러 중요한 부품들이 협력하여 원활하게 작동하는 복합적인 시스템이다. LP 실린더와 HP 실린더의 기능적 분리는 압축 효율을
높이며, 냉각기와 냉각팬은 시스템의 열 관리를 돕고, 안전밸브와 전자밸브는 압축기의 안전성을 보장한다. 또한, 공기여과기는 시스템의 신뢰성을 높이는
데 중요한 역할을 한다. 이처럼, 각 구성 요소들이 상호작용하며 공기압축기의 성능과 효율을 최적화하는 데 중요한 역할을 한다(Shin, 2021).
3.1.1 압축블럭
압축블럭은 공기압축기의 핵심 구성 요소로, 압축기 내부에 크랭크축, 피스톤, 플랙시블 커플링 등이 조립되어 있다. 피스톤은 수평으로 설치되어
공기 압축을 담당하며, 플랙시블 커플링은 전동기와 결합되어 동력을 전달한다. 압축블럭의 기능은 공기를 압축하고, 이를 냉각기 및 배기 시스템으로 이송하는
것이다. 압축블럭이 원활히 작동하기 위해서는 기계적 안정성과 효율적인 동력 전달이 필수적이다.
3.1.2 LP 실린더와 HP 실린더
공기압축기는 LP(저압) 실린더와 HP(고압) 실린더로 구성된다. LP 실린더는 흡입된 공기를 1차적으로 압축하는 역할을 하며, 피스톤의
왕복 운동을 통해 압축된 공기는 1단 냉각기로 이송된다. 반면 HP 실린더는 1단 냉각기에서 냉각된 공기를 받아 2차 압축을 수행하고, 이 압축된
공기는 2단 냉각기로 이송된다. 두 실린더는 공기 압축의 단계별 효율성을 높이는 중요한 역할을 하며, 각각의 실린더가 담당하는 압축 단계는 공기압축기의
성능을 최적화하는 데 기여한다.
3.1.3 냉각기
냉각기는 압축된 공기의 온도를 낮추는 중요한 기능을 담당한다. 압축된 공기는 냉각기를 통해 열을 방출하여 온도를 낮추고, 공기압축기의 부하를
감소시킨다. 1단 냉각기는 상부에 위치하여 LP 실린더에서 압축된 공기를 1차 냉각시키며, 2단 냉각기는 하부에 위치하여 HP 실린더에서 압축된 공기를
최종 냉각시킨다. 이 두 냉각기의 협력은 공기압축기의 효율을 높이고, 과열을 방지하는 데 중요한 역할을 한다.
3.1.4 냉각팬
냉각팬은 압축블럭과 냉각기 사이에 위치하여 공기를 순환시키고 냉각기 온도를 일정하게 유지하는 역할을 한다. 냉각팬은 압축기 동력축에 연결되어
있으며, 주공기압축기(CM)의 기동 시 함께 작동한다. 이는 냉각기 온도를 적정 수준으로 유지하여, 압축기 시스템이 과열되지 않도록 보호한다.
3.1.5 안전밸브
안전밸브는 과압 상황에서 압축기를 보호하는 중요한 장치이다. 1단 및 2단 냉각기에 각각 장착되어 있으며, 압축기 시스템이 설정된 압력
한도를 초과할 경우, 압력을 방출하여 시스템을 보호한다. 1단 냉각기에 설치된 안전밸브는 LP 실린더 측면 상부에 위치하며, 2단 냉각기에 설치된
안전밸브는 HP 실린더 측면 하부에 위치한다. 안전밸브의 정상적인 작동은 압축기 시스템의 안전성과 신뢰성을 보장하는 데 필수적이다.
3.1.6 전자밸브(Solenoid Valve)
전자밸브는 압축공기를 배기시키는 기능을 담당하며, 각 냉각기 시스템에 장착된다. DC 110V의 전원을 사용하여 작동하며, 압축기 시스템의
압축 공기가 배기되어야 할 때 이를 자동으로 제어한다. 전자밸브의 작동은 공기압축기의 효율적인 운전과 공기 배출을 원활하게 하는 데 중요한 역할을
한다.
Fig. 4. Application of Failure Physics Techniques for Functional Analysis of Main Air Compressor
3.1.7 플랙시블 커플링
플랙시블 커플링은 압축블럭과 전동기 사이에서 동력 전달을 담당한다. 이를 통해 회전 모멘트가 원활하게 전달되며, 비틀림 진동을 감쇄시켜
기계적 안정성을 확보한다. 플랙시블 커플링은 공기압축기의 원활한 운전 상태를 유지하며, 동력 전달 시 발생할 수 있는 진동이나 불균형을 최소화하는
기능을 한다.
3.1.8 공기여과기
공기여과기는 외부에서 유입되는 공기를 필터링하는 역할을 한다. 필터 엘리먼트는 공기 중 이물질을 제거하고, 이를 압축블럭으로 이송하여 시스템의
안정성을 유지한다. 공기여과기는 사이클로닉 운동을 통해 공기 중 이물질을 효과적으로 분리하고, 필터 엘리먼트의 오염 여부를 육안으로 확인할 수 있도록
설계되어 있다. 필터 교환 시점을 알려주는 진공표시기를 통해 관리가 용이하다.
3.2 주공기 압축기의 기능 분석에 따른 고장물리기법 적용방안
3.2.1 열분석(Thermal analysis)
열분석(Thermal analysis)은 압축기 부품 표면 온도의 실시간 측정을 통해 열적 이상 징후를 감지하는 핵심적인 비파괴 진단 기법이다.
본 기법은 압축기 내부에서 발생하는 마모, 윤활 부족, 및 열화와 같은 잠재적 고장 원인을 식별하는 데 매우 유용하며, 모터, 밸브, 배관 등의 주요
적용 부위에서 발생하는 과열 현상을 신속하게 파악한다. 이처럼 측정된 온도 변화가 고장이나 마모와 직접적으로 연관될 경우, 시스템의 신뢰성 확보 및
다운타임 최소화를 위한 예방적 조치요소로 활용가능하다.
3.2.2 진동 모니터링(Vibration Monitoring)
진동 모니터링(Vibration monitoring)은 압축기의 모터, 베어링, 커플링 등 핵심 부품의 진동 상태를 실시간으로 측정하고
분석하여 이상 진동 패턴을 식별하는 필수적인 예지 정비(Predictive Maintenance, PdM) 기법이다. 본 기법은 기계 시스템에서 발생하는
기계적 결함, 불균형, 정렬 문제 등의 초기 징후를 조기에 발견할 수 있도록 한다. 특히 모터, 베어링, 커플링 부위의 고장 초기 징후를 신속하게
식별하며, 베어링 마모나 불균형과 같은 문제를 조기에 진단가능하여 유지보수를 최적화할 수 있다(Shim et al., 2021).
3.2.3 오일 분석(Oil Analysis)
오일 분석(Oil Analysis)은 압축기 내부 윤활 시스템의 윤활유 상태를 종합적으로 분석하는 진단 기법이다. 이 분석은 윤활유 내의
마모 입자, 오염물질, 및 오일의 화학적 변화를 파악하는 데 중점을 두며, 이는 내부 마모나 부품 손상 상태를 정량적으로 평가하는 데 결정적인 정보를
제공한다. 구체적으로, 오일에서 검출되는 금속 입자나 오염물질의 종류와 농도를 통해 기계적 마모나 부품 손상을 미리 예측할 수 있어, 불필요한 고장을
예방한다. 또한, 오일의 상태 변화를 모니터링하여 오일 교환 주기를 최적화함으로써 유지보수 효율성을 극대화 할 수 있다.
3.2.4 압력 분석(Pressure Monitoring)
압력 분석은 압축기의 압축 공기 흐름을 모니터링하여, 압력의 이상 변화를 감지하는 기법이다. 압력의 급격한 변화나 불규칙적인 변동은 기계의
고장 신호일 수 있다. 적용 부위는 압축기 출력, 흡입 및 배출 시스템의 압력 변화가 고장이나 시스템 장애를 나타내는 신호일 경우 이를 빠르게 감지할
수 있으며, 압력 감소나 불안정한 압력 패턴을 분석하여 문제의 원인을 파악할 수 있다.
3.2.5 전기 분석(Electrical Monitoring)
전기 분석은 압축기의 전기적 성능을 측정하여, 전류, 전압, 전력 소모 등의 변화를 감지하는 기법이다. 전기적 결함은 기계적 고장으로 이어질
수 있으므로, 전기 분석은 필수적이다. 적용 부위는 모터, 전원 공급 장치, 전기 회로 등의 전기적 이상 징후를 통해 모터의 과부하, 단선, 회로
불량 등의 문제를 미리 감지할 수 있으며, 전기적 문제로 인한 시스템 장애를 예방할 수 있다(Milne, 1992).
3.3 주공기 압축기 고장사례 분석 통한 CBM 방안
운용초기 발생한 커플링 파손에 의한 주공기 압축기 고장 분석 사례로, 커플링의 파손원인 분석을 통하여 고장예방대책 및 CBM방안을 모색한다.
3.3.1 주공기 압축기 운용조건
Fig. 5. Photo of Main Air Compressor Failure due to Broken Coupling
* References: Seoul Metro (hyundai-rotem) Main Air Compressor Failure Analysis Report
커플링의 적절한 운용 조건을 판단하고자 온도 측정과 가동률 분석을 수행하였다. 온도 측정은 온도테이프를 커플링 고무, 모터 축, 아답터에
부착하는 방식으로 진행하였으며, 가동률 분석은 TCMS(Traction Control and Monitoring System)에 기록된 공기압축기의
기동 시간을 기반으로 하였다. 온도 측정 결과, 커플링이 설치된 공간의 온도는 60°C, 커플링 고무의 표면 온도는 65°C로 확인되었다. 이는 제작사에서
제시한 허용 온도 조건(최대 80°C)을 충족하는 수치로, 현재 운용 환경이 열적 안정성 측면에서 적합함을 시사한다. 공기압축기의 평균 가동시간은
42초，평균 휴지시간은 2분59초로 가동율은 약 20.9 %로 높지 않은 것으로 확인되었다.
3.3.2 커플링토크 안전성 평가
Table 2. Coupling Torque Safety Evaluation Results
|
Separation
|
Criteria (Nm)
|
Result
|
Safety Factor
|
|
Rated torque
|
360
|
127.7
|
2.82
|
|
Max Torque
|
900
|
400.4
|
2.25
|
|
Fatigue torque
|
180
|
190.8
|
0.94
|
* References: Seoul Metro Main (hyundai-rotem) Air Compressor Failure Analysis Report
피로 토크(Tw)에 대한 안전성 평가 결과, 정격토크 및 최대토크 모두 기준치 이하이며, 피로 토크 비율이 0.94로 1 이하임이 확인되었다.
이는 운용조건 및 피로 조건 하에서의 운용 안정성이 확보되었음을 의미한다.
3.3.3 커플링 진동안전성
커플링의 토크 안전성 외에도 진동 안전성 측면에서의 검토가 추가적으로 수행되었다. 본 절에서는 커플링의 고유진동수(fe)와 주공기압축기의
구동주파수(fₙ) 간의 이격 여부를 중심으로 진동 공진 가능성을 분석하였다. 진동 안전성 설계 기준진동 공진 현상을 회피하기 위해, 시스템의 고유진동수는
구동 주파수와 충분히 이격되어야 한다. 진동해석 결과, 커플링의 고유진동수(fe)는 27.1 Hz로 확인되었다. 이에 따른 공진 회피 기준값은 18.1
Hz로 산정된다. 그러나, 주공기압축기의 구동 주파수(fₙ)는 19.3 Hz로 측정되었으며, 이는 공진 회피 범위를 초과하는 값이다. 따라서, 주공기압축기는
커플링의 고유진동수에 근접한 주파수에서 구동되고 있으며, 이에 따라 구조물 내 진동 증가 및 고무 부품의 발열 증가가 예상된다. 이는 결과적으로 부품
수명 단축의 원인이 될 수 있다. 진동 공진은 구조적 안정성 및 부품 신뢰성에 주요한 영향을 미치므로, 커플링의 고유진동수 재설계를 통한 회피가 필요하다.
3.3.4 커플링 파손품 분석
커플링의 파손 원인을 규명하기 위해 경도 측정 및 파단면 분석을 수행하였다. 고무의 표면 및 심부 경도를 측정하였으며, 파단면 관찰을 통해
재료의 결합 상태 및 제조 결함 여부를 확인하였다. 파단면 관찰 결과, 고무와 허브 간의 결합 상태는 양호한 것으로 확인되었으며, 접합부에서의 박리
또는 기타 결함은 발견되지 않았다. 또한, 제조 공정상의 결함 역시 관찰되지 않았다. 고무의 경도를 표면 및 심부로 나누어 측정한 결과, 다음과 같은
경화 현상이 확인되었다. (표면 경도: Hs 81~90, 심부 경도: Hs 75~80) 이는 제조 기준인 Hs 65±5를 초과하는 수치로, 고무의
과도한 경화가 발생하였음을 시사한다. 고무 경화 및 파손 원인은 경도 측정 결과와 파단면 분석을 종합해볼 때, 본 부품의 파손은 반복적인 피로 하중에
의한 내부 발열로 인해 고무가 경화되었고, 이로 인해 발생한 물성 변화가 주요 원인으로 판단된다. 경화된 고무는 표면과 심부 간의 경도 차이를 유발하며,
이러한 비균일성은 토크 전달 시 고무 내부에 불균일한 변위를 발생시킨다. 결과적으로 응력이 집중되는 취약 부위에서 초기 크랙이 발생하고, 반복 하중에
따른 크랙의 성장으로 인해 최종적인 파손에 이른 것으로 사료된다.
3.3.4 커플링 파손 원인
커플링은 적정 온도 범위 내에서 운용되었으며, 가동률 또한 설계 기준 내에 있었음을 확인하였다. 이에 따라 운용 조건 자체는 파손의 직접적인
원인이 아닌 것으로 판단된다. 토크 분석 결과, 반복 하중에 대한 피로 토크의 안전율이 기준 이하로 나타났다. 이는 장기적인 반복 하중에 의해 피로
누적이 발생할 가능성을 시사한다. 진동 분석 결과, 해당 공기압축기의 구동 주파수가 커플링의 공진 주파수 범위 내에 위치함이 확인되었다. 이는 공진
현상에 의해 진동이 증폭되고, 결과적으로 반복 하중의 크기가 증가했을 가능성을 나타낸다. 파손된 커플링의 고무 소재에 대한 경도 측정 결과, 경도
상승 현상이 관찰되었다. 이는 반복적인 기계적 하중 및 내부 발열에 의한 열화로 인해 고무가 경화된 것으로 해석된다. 또한, 육안 및 현미경 검사를
통해 제조상 결함은 발견되지 않았다. 파손된 커플링은 다음과 같은 요인에 의해 파손된 것으로 추정된다. 구동 주파수가 공진 주파수 범위에 포함되어
공진 현상이 발생하였으며, 이로 인해 반복적인 진동 하중이 커플링에 작용하여 피로도가 급격히 증가하였고, 결과적으로 내부 발열 및 고무 경화 현상이
복합적으로 작용하여 커플링이 파손된 것으로 판단된다. 향후 유사한 조건에서의 커플링 설계 시, 공진 주파수 회피 설계 및 피로 강도 향상을 고려한
재료 선택이 필수적이다.
3.3.5 CBM 방안
고장분석 결과, 커플링의 파손은 공진에 의한 진동 증폭, 반복 하중 증가, 그리고 고무의 열화가 복합적으로 작용한 결과로 판단되므로, 동종
고장을 예방하기 위한 CBM 방안으로는 진동센서를 사용한 진동 모니터링을 통해 압축기의 주요 부품인 커플링의 진동 상태를 실시간으로 측정하여, 이상
진동 패턴을 분석 적용하는 것이 방안이 될 것으로 사료된다.
4. 결론 및 향후과제
본 연구에서는 고장물리학적 관점에서 주공기압축기의 기능을 분석하고, 그에 따른 고장 메커니즘을 규명하였다. 또한 실제 고장 사례를 기반으로
물리적·화학적 변화 과정을 분석하여, 고장 진단 및 예측 시스템의 기반 정보를 도출하였다. 이를 바탕으로 CBM 적용 방안으로는 다음과 같은 기술들을
제안한다. 진동 모니터링 기법을 통해 압축기의 핵심 구성요소인 모터, 베어링, 커플링 등의 진동 데이터를 실시간으로 수집하고, 이를 바탕으로 이상
진동 패턴을 식별할 수 있는 분석 기법을 적용한다. 이와 같은 시스템은 철도차량의 신뢰성 향상과 운행 효율성 증대에 기여할 수 있으며, 궁극적으로는
예지보전 체계의 효과적인 구현을 통해 유지보수 비용 절감 및 설비 가동률 향상에 이바지할 수 있는 전략이다.
향후 연구과제로는 고장데이터분석과 FMEA 등 신뢰성분석 통한 주공기 압축기의 기능정지에 기여한 부품의 평가가 이루어져야하며, 품목별 신뢰성
모니터링 통한 상세 분석 및 운영 유지보수 전락 수립 등의 연구가 이루어져야 한다.