유한요소해석을 활용한 에스컬레이터 스텝롤러의 구조적 교체 주기 및 안전성 평가

2.1 에스컬레이터 스텝 및 스텝롤러의 구조

에스컬레이터 스텝은 승객이 직접 하중을 가하는 주요 구성요소로서, 반복하중과 충격하중을 동시에 받는 구조체이다. 일반적으로 알루미늄 합금 주조 또는 프레스 가공 방식으로 제작되며, 경량성과 충분한 구조 강성을 동시에 확보하도록 설계된다[1][2][7]. 스텝은 크게 디딤판(Tread), 라이저(Riser), 측판(Side frame)으로 구성된다. 디딤판은 미끄럼 방지를 위해 표면에 요철 가공이 되어 있으며, 이와 맞물리는 라이저는 계단 사이의 간극을 좁혀 끼임 사고를 방지하는 밀착 구조로 형성되어 있다. 또한 스텝의 측면 프레임은 구동 체인이 롤러와 결합되는 지지체 역할을 하며, 이를 통해 순환운동을 수행한다.

한편, 스텝롤러는 스텝 하단에 장착되어 가이드레일을 따라 구름 운동을 수행하는 부품으로, 가이드레일 위를 구르며 전체 하중을 분산시키는 핵심 부품이다. 이는 주행 경로 내에서 스텝이 흔들림 없이 평형을 유지하며 구동될 수 있도록 물리적인 안정성을 제공한다. 일반적으로 전륜과 후륜으로 구분되며, 각 롤러는 축, 베어링, 외륜부로 구성된다. 외륜부는 내마모성과 충격 흡수 특성을 고려하여 폴리우레탄 또는 플라스틱 등의 재질이 사용되며, 내부에는 볼베어링이 삽입되어 회전마찰을 최소화한다. 승객의 하중이 디딤판을 통해 전달될 때에는 접촉면에서 압축응력을 받으며, 이동 중에는 반복적인 회전으로 인한 피로 하중과 레일 접촉에 따른 마찰 하중이 발생하여, 롤러 재질의 피로 특성과 구조적 안정성이 중요하다.

2.2 유한요소 해석 모델

본 연구에서는 에스컬레이터 스텝롤러의 구조적 거동과 피로수명을 분석하기 위하여 유한요소해석 모델을 구성하고, 하중 조건 및 경계조건을 포함한 해석 절차와 교체 주기 평가 방법을 제시한다[8][9]. 또한 에스컬레이터 스텝 너비 변화가 구조적 안전성에 미치는 영향을 분석하고, 각 규격별 응력 분포 특성에 따른 상대적인 교체 주기 예측 및 비교를 위하여 가장 범용적으로 사용되는 세 가지 규격의 에스컬레이터 스텝을 그림 1과 같이 모델링하였다.

Fig. 1.

Comparison of escalator step models according to step width (a) 800 mm, (b) 1000 mm, (c) 1200 mm

해석을 위해 각 규격별 에스컬레이터 스텝은 스텝 본체와 베어링을 포함한 스텝롤러, 하중 인가를 위한 강판으로 부품별 모델링을 진행하였다. 본 해석에서 적용된 하중판의 규격은 과거 ‘자율안전확인대상 공산품 안전기준’의 시험 규격을 준용하였으며, 해당 기준은 법적 폐지 이후에도 실무적인 기술 지침으로 활용되고 있어 해석의 객관성을 확보하기 위해 채택하였다. 또한, 국내 지하철역의 ‘한 줄 서기’ 이용 문화로 인해 발생하는 스텝 롤러의 비대칭적 집중 하중을 실제 물리 현상과 유사하게 구현하고자, 하중판을 스텝의 중앙이 아닌 실제 하중이 편중되는 지점에 배치하였다.

그림 2는 1,000 mm 너비 스텝 모델의 형상을 다각도에서 나타낸 것이며, 그림 3은 구조 및 피로 해석 진행을 위해 각 파트에 생성된 유한요소 격자(Mesh)를 나타낸다.

Fig. 2.

3D modeling and various views (a) Top view, (b) Front view, (c) Side view, (d) Bottom view, (e) Rear view, (f) Tremetric view

Fig. 3.

Finite element mesh and various views of the escalator step model (a) Top view, (b) Front view, (c) Side view, (d) Bottom view, (e) Rear view, (f) ISO view

그림 4는 에스컬레이터 스텝의 구조해석을 위해 설정된 하중 및 구속 조건을 나타내며, 도시된 바와 같이 실제 구동 환경을 모사하기 위해 스텝 롤러가 체인 및 레일과 접촉하는 부위를 고정하여 해석의 경계조건을 설정하였다.

Fig. 4.

Loading and constraint conditions of the escalator step model (a) Loading condition, (b) Constraint condition

한편, 해석의 신뢰성을 높이기 위해 스텝 Assembly를 구성하는 각 요소에 실제 제작 사양에 기반한 재질 특성 및 물성치를 반영하였다. 주요 구조체인 스텝 프레임에는 Aluminum Alloy 6061, 스텝롤러와 프레임을 연결하는 구조재에는 Stainless Steel 304를 적용하였고, 하중 인가 강판에는 강성 확보를 위한 Structural Steel, 스텝롤러에는 베어링에 해당하는 Chrome Steel과 비금속 재질인 Polypropylene 및 Polyurethane 물성치를 부여하여 복합 재질 모델을 설정하였다.

2.3 구조해석 결과

에스컬레이터 스텝 및 롤러의 피로수명을 예측하기에 앞서, 제시한 세 가지 표준 규격 모델을 대상으로 하중 조건에 따른 구조적 건전성 및 응력 분포 특성을 분석하기 위해 그림 5와 같이 정적 구조해석을 수행하였다. 일반적으로 피로수명은 응력 집중 정도에 영향을 받으므로, 등가응력(Equivalent stress) 분석을 통해 각 규격별 응력 흐름을 파악하는 것은 피로 해석의 정밀도를 확보하기 위한 필수 선행 단계이다. 또한, 변형률(Total deformation) 결과를 검토하여 스텝 너비 변화에 따른 강성 저하 여부를 확인하였으며, 이를 통해 피로수명 예측 및 교체 주기 검토를 위한 수치해석 모델의 타당성을 검증하고자 하였다.

Fig. 5.

Structural analysis results of the 1000-type escalator step modell (a) Total deformation analysis, (b) Equivalent stress analysis

해석 결과, 스텝의 폭이 넓어짐에 따라 Total Deformation과 Equivalent Stress가 모두 소폭 증가하는 경향을 확인하였다. 800형 대비 1000형에서 약 1.15배, 1000형 대비 1200형에서 약 1.12배의 최대 변형량 증가가 관찰되었으며, 등가 응력 또한 폭의 증가에 비례하여 상승하는 양상을 보였다.

이러한 응력 상승은 반복 하중 하에서 재료의 피로 한도에 도달하는 시간을 단축시키는 주요 원인이 된다. 따라서 본 해석을 통해 도출된 규격별 응력 지점과 응력 값을 기초 데이터로 활용하여, 피로수명을 예측하고 이를 바탕으로 합리적인 스텝롤러 부품 교체 주기를 제안하고자 한다.

3.1 피로수명 분석 방법

에스컬레이터 스텝 시스템의 전체 수명은 각 구성 요소들의 상호작용에 의해 결정된다. 따라서 본 연구에서는 개별 부품인 스텝롤러의 피로수명을 정밀하게 분석 및 예측하기 위해 차감법을 적용하였다. 식 (1)과 같이 ANSYS Workbench의 Fatigue Tool을 통해 도출된 전체 스텝 구성품 어셈블리에 대한 통합 피로수명을 산출한 후, 구조적 강성이 높은 스텝 본체 및 체결 볼트의 피로수명 기여도를 제외함으로써, 롤러 자체의 내구성을 독립적으로 평가하였다.

여기서 L_{roller_cyc}는 스텝롤러의 독립 피로수명(Cycles), L_total은 전체 스텝 어셈블리의 통합 피로수명(Cycles), L_body는 스텝 본체의 피로수명(Cycles), L_bolt는 체결 볼트의 피로수명(Cycles)을 의미한다.

한편, ANSYS Workbench를 통해 도출된 기본 해석 결과에 실제 운용 환경에서 발생할 수 있는 가변적 요소를 반영하여 수명 예측의 정밀도를 제고하였다. 구체적으로 지하철역의 실질적인 운용 환경을 모사하기 위해 운행 속도와 일일 집중 이용 시간을 변수로 설정하였다. 특히 에스컬레이터의 순환 운행 특성을 고려하여, 전체 사이클 중 하중이 인가되지 않는 귀환 구간을 제외한 유효 하중 인가 사이클을 적용함으로써 실제 피로 누적 가중치를 산출하였다.

본 논문에서 설정한 8시간의 일일 집중 이용 시간은 단순한 물리적 운행 시간이 아닌, 이용 강도 변동에 따른 스텝롤러의 피로 누적 속도 상관관계를 분석하고자 도출된 변수이다[10]. ‘서울시 지하철 호선별 역별 시간대별 승하차 인원 정보’ 2026년 4월 기준의 공공데이터를 바탕으로 분석한 결과, 전체 이용객의 과반수 이상(58.6%)이 오전 3시간(07~10시) 및 오후 5시간(15~20시)에 밀집되는 현상을 확인하였다. 특히 ‘한 줄 서기’로 대변되는 편중 하중 현상은 이처럼 유동 인구가 급증하는 시점에 집중적으로 심화된다는 점에서, 해당 8시간의 설정값은 실제 이용객의 밀집도와 역학적 부하 특성을 반영한 기준이다[11].

또한 운행 속도가 롤러의 단위 시간당 피로 손상도에 미치는 영향을 파악하기 위해 안전성 강화 목적의 저속(15 m/min), 민원 발생을 고려한 적정 속도(20 m/min), 기존 고속 운행(25 m/min) 조건으로 계산을 수행하였다. 이 과정에서 에스컬레이터 스텝이 승객을 태우고 상부로 이동하는 구간과 하부로 회귀하는 하중 비인가 구간을 구분하여 분석에 적용하였다.

본 연구에서 제안하는 스텝롤러의 기대 수명 산출 과정은 다음과 같다. 먼저, 에스컬레이터의 운행 속도와 이용 강도를 고려한 일일 기본 사이클(N_base)은 식 (2)와 같이 계산된다.

여기서 V는 운행 속도(m/min), T_usage는 일일 집중 이용 시간(hr)을 의미한다. 운행 속도와 이용 시간을 곱하여 산출된 사이클을 기준으로 하되, 에스컬레이터의 왕복 순환 구조를 반영하여 하중이 인가되지 않는 귀환 구간을 제외하고자 전체 사이클을 2로 나누어 실제 피로가 누적되는 유효 사이클을 산출하였다.

다음으로, ANSYS Fatigue Tool을 통해 도출된 스텝롤러의 해석상 피로수명(L_{roller_cyc})을 앞서 계산된 일일 기본 사이클로 나누어, 일(Day) 단위의 기대 수명(L_roller(day))을 식 (3)과 같이 도출하였다.

최종적으로, 일 단위 수명을 연(Year) 단위의 교체 주기(P_replacement)로 환산하기 위해 식 (4)를 적용하였다. 이때 K_maint는 베어링 볼의 마모율 및 유지보수 환경을 고려한 보정 계수를 의미하며, 이론적 피로 수명과 실제 마모에 의한 열화 현상을 통합적으로 반영한 최종 기대 수명을 예측하였다.

3.2 피로수명 기반 교체 주기 검토

실제 운행 환경을 모사하여 식 (1)~(4)로 계산한 스텝 롤러의 권장 교체 주기는 표 1에 나타난 바와 같다. 분석 결과, 스텝의 규격(800형, 1000형, 1200형)과 운행 속도(15~25 m/min)가 스텝 롤러의 피로수명에 직접적인 영향을 미치는 것을 확인하였다. 부하가 비교적 적은 800형 모델이 15 m/min으로 저속 구동될 때 교체 주기는 3.94년으로 나타났으며, 대형 규격인 1200형 모델이 25 m/min의 고속으로 운행되는 조건에서는 교체 주기가 1.92년까지 단축되었다. 이러한 결과는 운행 속도의 증가와 스텝 자체의 중량 및 하중 조건 변화가 롤러 내부의 피로 누적을 가속하는 주요인임을 보여준다.

Table 1.

Recommended replacement cycles based on fatigue life

국내외 주요 에스컬레이터 제조·수입 업체 10개에서 제시하는 권장 교체 주기를 검토한 결과, 8개 업체는 ‘디딤판 및 그 부속품’에 대해 7~10년의 고정된 주기를 부여하고 있으며, 스텝 롤러에 대해 구체적 기준을 제시한 업체는 파손 시 교체 혹은 3년으로 명시하고 있다. 이러한 3년의 주기는 본 연구에서 도출된 중간 부하 환경의 결과와 유사하게 나타났으나, 15~20 m/min의 속도 범위 내에서 운용되어야 하는 제약이 있어, 혼잡도가 높고 고속으로 구동되는 특수 환경의 안전성을 보장하기에는 어려움이 있다. 이는 고부하 구동 조건에서 고정 주기 기반의 정비 체계가 지닌 한계를 보여준다.

결과적으로 에스컬레이터 스텝 롤러의 피로수명은 이용자 보행 패턴, 스텝 규격, 운행 속도와 같은 복합적인 환경 요인에 의해 영향을 받음을 확인하였다. 따라서 부품 고장 및 마모 등으로 인해 발생하는 안전사고 예방 및 효율적인 유지보수를 위해서는 고정된 기간의 교체 방식이 아닌 환경 맞춤형 가변 교체 방식이 도입되어야 할 것으로 판단된다.