스펙트럼에서 베어링 결함 패턴 찾는 방법

진동 분석을 통한 베어링 결함 진단의 기초

산업 현장에서 모터, 펌프, 팬, 압축기처럼 회전하는 설비를 관리하다 보면 베어링의 상태를 얼마나 정확하게 파악하느냐가 설비의 안정성을 좌우한다는 것을 알 수 있습니다.

베어링은 크기는 작지만 회전축을 지지하고 마찰을 줄이는 핵심 부품입니다. 정상적으로 작동할 때는 특별한 문제가 없지만, 윤활 부족이나 과부하, 정렬 불량, 오염 등이 발생하면 내부 궤도면과 전동체에 손상이 발생하기 시작합니다.

문제는 베어링의 초기 손상을 육안으로 확인하기 어렵다는 것입니다. 겉으로는 멀쩡해 보여도 내부에서는 이미 미세한 박리나 피팅이 진행되고 있을 수 있습니다.

이때 활용할 수 있는 대표적인 방법이 진동 스펙트럼 분석입니다.

진동 스펙트럼 분석은 기계에서 발생하는 진동을 주파수별로 나누어 어떤 주파수에서 이상 에너지가 발생하는지 확인하는 방법입니다. 단순히 “진동이 크다”는 사실을 확인하는 것이 아니라, 어떤 종류의 문제가 발생하고 있는지 추정할 수 있다는 점에서 큰 의미가 있습니다.

진동 스펙트럼 분석이란?

기계에서 발생하는 진동은 하나의 단순한 진동으로 이루어져 있지 않습니다.

회전축의 불균형, 베어링의 결함, 기어의 맞물림, 구조물의 공진 등 여러 가지 진동이 동시에 발생합니다.

시간에 따른 진동을 그대로 확인하면 복잡한 파형으로 나타나기 때문에 원인을 구분하기 어렵습니다.

이때 FFT를 이용해 시간 영역의 신호를 주파수 영역으로 변환하면 각각의 주파수 성분을 확인할 수 있습니다.

예를 들어 모터가 1,800RPM으로 회전한다면 회전주파수는 다음과 같습니다.

1,800 ÷ 60 = 30Hz

따라서 진동 스펙트럼에서

• 1X = 30Hz
• 2X = 60Hz
• 3X = 90Hz

와 같은 성분을 기준으로 기계의 이상 여부를 분석할 수 있습니다.

베어링 결함이 발생하면 이 회전주파수와는 다른 특정 결함주파수가 나타나기 때문에, 회전주파수와 베어링 결함주파수를 비교하면 이상 원인을 좁혀갈 수 있습니다.

베어링 결함주파수의 종류

일반적인 구름 베어링은 외륜, 내륜, 전동체, 케이지로 구성됩니다.

각 부품에 결함이 발생하면 서로 다른 주파수 특성이 나타납니다.

대표적인 결함주파수는 다음과 같습니다.

• BPFO: 외륜 결함주파수
• BPFI: 내륜 결함주파수
• BSF: 전동체 결함주파수
• FTF: 케이지 결함주파수

이 네 가지를 이해하면 베어링 진동 분석의 기본적인 구조를 파악할 수 있습니다.

BPFO는 외륜 결함을 나타낸다

BPFO는 Ball Pass Frequency Outer Race의 약자로 외륜 결함주파수를 의미합니다.

외륜에 피팅이나 균열, 박리 등이 발생하면 전동체가 결함 부위를 지나갈 때마다 반복적인 충격이 발생합니다.

외륜은 일반적으로 하우징에 고정되어 있기 때문에 결함 위치가 움직이지 않습니다. 이 때문에 스펙트럼에서 BPFO 성분과 그 고조파가 비교적 뚜렷하게 나타나는 경우가 있습니다.

특히 정상 상태의 데이터와 비교했을 때 특정 주파수와 그 배수 성분이 지속적으로 증가한다면 외륜 상태를 자세히 확인할 필요가 있습니다.

BPFI는 내륜 결함을 나타낸다

BPFI는 Ball Pass Frequency Inner Race의 약자입니다.

내륜에 손상이 발생하면 전동체가 해당 결함 부위를 통과하면서 반복적인 충격이 발생합니다.

내륜은 회전축과 함께 회전하기 때문에 외륜 결함과는 다른 특성을 보입니다.

특히 BPFI 성분 주변에 회전주파수인 1X 간격으로 사이드밴드가 나타나는 경우가 있어, 단순히 BPFI 하나만 확인하는 것보다 주변 주파수 패턴을 함께 확인하는 것이 중요합니다.

BSF는 전동체 결함을 나타낸다

BSF는 Ball Spin Frequency의 약자입니다.

볼이나 롤러와 같은 전동체 자체에 손상이 발생했을 때 관련된 주파수 성분입니다.

전동체는 베어링 내부에서 공전하면서 동시에 자전하기 때문에 움직임이 복잡합니다. 따라서 BSF는 다른 결함주파수에 비해 해석이 까다로운 편입니다.

또한 실제 운전에서는 전동체의 미세한 슬립이 발생할 수 있기 때문에 계산된 이론값과 실제 측정값이 약간 차이 날 수도 있습니다.

따라서 BSF가 의심될 때는 특정 피크 하나만 확인하기보다 고조파와 사이드밴드, 시간파형 등을 함께 분석하는 것이 좋습니다.

FTF는 케이지 결함을 확인하는 지표다

FTF는 Fundamental Train Frequency의 약자로 케이지의 회전과 관련된 주파수입니다.

케이지는 베어링 내부의 전동체가 일정한 간격을 유지하도록 해주는 역할을 합니다.

케이지가 변형되거나 마모되면 전동체의 움직임이 불안정해지면서 비정상적인 진동이 발생할 수 있습니다.

FTF는 일반적으로 비교적 낮은 주파수 영역에서 나타나며, 윤활 부족이나 과도한 하중, 고온 등의 영향을 받을 수 있습니다.

따라서 FTF가 의심된다면 단순히 베어링을 교체하는 것보다 케이지가 왜 손상되었는지 원인을 함께 확인하는 것이 중요합니다.

베어링 결함은 어떻게 진행될까?

베어링 결함은 처음부터 큰 진동으로 나타나는 경우가 많지 않습니다.

일반적으로 초기에는 아주 미세한 충격이 발생하고, 결함이 진행되면서 점점 명확한 주파수 성분이 나타나는 방식으로 변화합니다.

초기 단계

초기 결함은 진동 전체값에 큰 영향을 주지 않을 수 있습니다.

이 단계에서는 고주파 충격이 발생하기 때문에 일반적인 RMS 값만 확인해서는 이상을 놓칠 가능성이 있습니다.

따라서 엔벨로프 분석이나 고주파 분석을 활용하면 초기 결함을 발견하는 데 도움이 됩니다.

중기 단계

결함이 어느 정도 진행되면 BPFO, BPFI, BSF 또는 FTF와 관련된 주파수 성분이 스펙트럼에서 점점 뚜렷하게 나타납니다.

이와 함께 베어링 온도가 상승하거나 평소와 다른 소리가 발생할 수도 있습니다.

현장에서 베어링을 점검하다 보면 이 시점부터 작업자가 “평소보다 소리가 거칠어졌다”거나 “진동이 조금 더 느껴진다”고 이야기하는 경우가 있습니다.

이러한 현장 감각과 진동 데이터를 함께 비교하면 진단의 정확도를 높일 수 있습니다.

말기 단계

결함이 상당히 진행되면 기본 결함주파수뿐만 아니라 고조파와 사이드밴드가 뚜렷하게 나타날 수 있습니다.

전체적인 진동 수준 역시 증가하고 온도 상승, 이상 소음, 회전 불안정 등이 동시에 나타날 수 있습니다.

이 단계에서는 단순한 추적 관찰보다 정비 계획을 구체적으로 수립하는 것이 좋습니다.

스펙트럼에서 무엇을 먼저 봐야 할까?

처음 FFT 데이터를 접하면 수많은 피크 때문에 어디부터 봐야 할지 어려울 수 있습니다.

하지만 순서를 정해놓고 확인하면 훨씬 쉽게 접근할 수 있습니다.

1. 현재 RPM을 확인합니다.
2. 1X 회전주파수를 계산합니다.
3. 1X, 2X, 3X 등 회전주파수 배수 성분을 확인합니다.
4. 베어링의 BPFO, BPFI, BSF, FTF를 확인합니다.
5. 해당 결함주파수에서 피크가 나타나는지 확인합니다.
6. 고조파가 함께 나타나는지 확인합니다.
7. 사이드밴드가 형성되어 있는지 확인합니다.
8. 과거 데이터와 진폭을 비교합니다.

이 순서만 익혀도 처음 보는 스펙트럼을 훨씬 체계적으로 분석할 수 있습니다.

베어링 결함과 다른 기계 이상을 구분하는 방법

진동이 높다고 해서 무조건 베어링이 고장 난 것은 아닙니다.

실제 회전기계에서는 다양한 원인으로 진동이 증가할 수 있습니다.

대표적인 예가 불균형과 정렬 불량입니다.

불균형

회전체의 질량 불균형은 일반적으로 회전주파수인 1X 성분에서 강하게 나타나는 경우가 많습니다.

따라서 1X 성분이 갑자기 증가했다면 베어링을 바로 교체하기보다 회전체의 불균형 여부를 확인하는 것이 좋습니다.

정렬 불량

축 정렬이 제대로 이루어지지 않은 경우 1X뿐만 아니라 2X 이상의 성분이 함께 증가할 수 있습니다.

특히 커플링이 연결된 설비라면 모터와 펌프의 축 정렬 상태도 함께 확인해야 합니다.

베어링 결함

베어링 결함은 회전주파수와 단순히 일치하는 것이 아니라 BPFO, BPFI, BSF, FTF와 같은 고유한 결함주파수에서 특징적인 성분이 나타납니다.

따라서 주파수가 어디에 나타나는지 확인하는 것이 베어링 문제와 다른 기계적 문제를 구분하는 중요한 과정입니다.

현장에서 센서 위치가 중요한 이유

아무리 좋은 진동 분석 장비를 사용하더라도 센서를 잘못 설치하면 정확한 데이터를 얻기 어렵습니다.

베어링 진동을 측정할 때는 가능한 한 베어링 하우징에 가까운 단단한 금속면을 선택하는 것이 좋습니다.

특히 다음과 같은 부분은 주의해야 합니다.

• 얇은 커버
• 고무 패킹이 있는 부위
• 진동이 쉽게 변형되는 판넬
• 페인트가 두껍게 쌓인 표면
• 다른 기계의 진동이 강하게 전달되는 위치

측정할 때마다 센서 위치가 달라지는 것도 좋지 않습니다.

저는 베어링 상태를 추적할 때 같은 위치에서 같은 방향으로 측정하는 것이 생각보다 중요하다고 봅니다. 측정 위치가 바뀌면 실제 베어링 상태가 변하지 않았더라도 진동값이 다르게 나타날 수 있기 때문입니다.

가능하다면 측정 포인트를 현장에 표시해 두고 항상 동일한 위치에서 데이터를 확보하는 것이 좋습니다.

진동 데이터와 온도를 함께 확인하자

베어링 상태를 진단할 때 진동 데이터만 확인하는 것보다 온도까지 함께 기록하면 훨씬 많은 정보를 얻을 수 있습니다.

예를 들어 평소 50℃ 정도를 유지하던 베어링 하우징의 온도가 갑자기 상승하고 동시에 고주파 진동까지 증가한다면 윤활이나 내부 마찰 문제를 의심할 수 있습니다.

반대로 진동은 크게 변하지 않았는데 주변 환경이나 부하 변화로 온도만 상승한 경우도 있습니다.

따라서 온도 하나만으로도, 진동 하나만으로도 결론을 내리기보다는 여러 데이터를 함께 비교해야 합니다.

비용을 줄이는 베어링 관리 방법

모든 설비에 고가의 상시 진동 모니터링 시스템을 설치하는 것은 현실적으로 부담이 될 수 있습니다.

이럴 때는 설비의 중요도에 따라 관리 수준을 구분하는 것이 효과적입니다.

• 생산 중단 시 손실이 큰 핵심 설비는 정밀 진동 분석을 실시합니다.
• 일반적인 보조 설비는 휴대용 진동 측정기로 정기 점검합니다.
• 정상 상태의 데이터를 미리 확보합니다.
• 측정 위치와 측정 조건을 일정하게 유지합니다.
• 이상이 확인된 설비만 FFT와 엔벨로프 분석을 이용해 정밀 진단합니다.
• 진동과 온도, 소음, 윤활 상태를 함께 기록합니다.

특히 중요한 것은 데이터를 꾸준히 기록하는 것입니다.

한 번 측정한 값보다 3개월, 6개월 동안 축적된 데이터가 훨씬 많은 정보를 제공합니다.

자주 묻는 질문

Q. 진동값이 높으면 무조건 베어링을 교체해야 하나요?

그렇지 않습니다.

불균형, 정렬 불량, 느슨함, 공진 등 다양한 원인으로 진동이 증가할 수 있습니다.

따라서 전체 진동값만 보고 베어링 교체를 결정하기보다는 FFT를 통해 주파수 패턴을 확인하는 것이 좋습니다.

Q. 베어링 결함주파수가 보이면 바로 정지해야 하나요?

결함주파수가 확인되었다는 사실만으로 즉시 정지를 결정해서는 안 됩니다.

진폭의 크기, 증가 속도, 고조파와 사이드밴드의 발생 여부, 온도와 소음 변화 등을 종합적으로 판단해야 합니다.

다만 진동과 온도가 동시에 급격하게 증가하거나 회전 상태가 불안정해지는 경우에는 즉각적인 점검이 필요합니다.

Q. 베어링 결함주파수가 계산값과 조금 다른데 정상인가요?

실제 운전에서는 슬립과 하중 변화, 회전속도 변화 등의 영향으로 이론적인 계산값과 실제 측정값에 차이가 발생할 수 있습니다.

따라서 몇 Hz 차이가 난다는 이유만으로 결함을 부정하거나 확정하기보다는 전체적인 주파수 패턴을 확인해야 합니다.

Q. 초기 베어링 결함을 발견하려면 무엇을 봐야 하나요?

초기 결함은 일반적인 전체 진동값보다 고주파 충격에서 먼저 나타날 수 있습니다.

따라서 가속도 데이터를 이용한 고주파 분석이나 엔벨로프 분석을 활용하면 초기 베어링 결함을 발견하는 데 도움이 됩니다.

마무리

진동 스펙트럼 분석은 처음 접하면 복잡해 보이지만 기본적인 원리를 알고 접근하면 생각보다 어렵지 않습니다.

가장 먼저 회전속도를 확인하고, 1X 회전주파수를 기준으로 스펙트럼을 살펴본 다음 BPFO, BPFI, BSF, FTF와 같은 베어링 결함주파수를 비교하면 됩니다.

그리고 단순히 특정 피크가 있다는 사실보다 그 피크가 시간이 지나면서 어떻게 변하고 있는지를 확인하는 것이 중요합니다.

실제 베어링 관리에서 가장 가치 있는 데이터는 한 번의 정밀 측정값이 아니라 정상 상태부터 고장에 가까워지는 과정까지 축적된 연속적인 데이터입니다.

베어링은 완전히 파손된 후 교체하는 것보다 이상 징후가 나타나는 단계에서 원인을 찾아 정비하는 것이 훨씬 효율적입니다.

오늘 측정한 진동값을 단순한 숫자로 넘기지 말고, 정상 상태의 데이터와 비교해 보시기 바랍니다. 그 작은 변화 속에 베어링이 보내고 있는 고장 신호가 숨어 있을 수 있습니다.