오더 분석으로 회전기계 이상 찾기

오더 분석이란 무엇인가

모터, 펌프, 팬, 압축기, 터빈, 기어박스와 같은 회전기계는 운전 중 지속적으로 진동을 발생시킵니다. 정상적인 진동도 존재하지만 불평형, 정렬불량, 풀림, 기어 이상, 공진과 같은 문제가 발생하면 특정한 패턴의 진동이 나타날 수 있습니다.

이러한 회전기계의 이상을 분석하는 대표적인 방법 중 하나가 오더 분석(Order Analysis)입니다.

일반적인 FFT 분석은 진동을 Hz 단위의 주파수로 표현합니다. 반면 오더 분석은 회전속도를 기준으로 진동 성분을 표현합니다. 여기서 오더는 회전 주파수에 대한 배수를 의미합니다.

예를 들어 설비가 1,800 RPM으로 회전한다면 회전 주파수는 30Hz입니다.

• 1 Order = 30Hz
• 2 Order = 60Hz
• 3 Order = 90Hz

회전속도가 1,200 RPM으로 바뀌면 1X는 20Hz로 이동하지만, 회전속도의 2배에 해당하는 성분은 여전히 2 Order로 표현할 수 있습니다.

이러한 특징 때문에 오더 분석은 회전속도가 변하는 가변속 설비의 상태를 분석할 때 특히 유용합니다.

일반 FFT와 오더 분석은 어떻게 다른가

일반적인 FFT는 특정 시간 구간에서 신호에 어떤 주파수 성분이 포함되어 있는지를 확인하는 데 효과적입니다.

회전속도가 일정한 설비라면 FFT만으로도 상당히 많은 정보를 얻을 수 있습니다. 예를 들어 1,800 RPM으로 일정하게 운전되는 모터에서 30Hz 성분이 크게 나타난다면 1X 회전성분과 관련된 문제를 검토할 수 있습니다.

하지만 설비가 가속하거나 감속하면 회전 주파수 역시 계속 이동합니다.

예를 들어 1,000 RPM에서 3,000 RPM까지 가속하는 동안 회전 주파수는 약 16.7Hz에서 50Hz까지 이동합니다. 이 상태에서 일정 시간 구간을 FFT로 분석하면 하나의 회전성분이 여러 주파수에 걸쳐 퍼져 나타날 수 있습니다.

이러한 현상을 스미어링(Smearing)이라고 합니다.

오더 분석에서는 회전속도 정보를 기준으로 진동 데이터를 재구성하기 때문에 이러한 속도 변화 속에서도 회전속도와 관련된 성분을 추적할 수 있습니다.

따라서 두 분석법 중 하나가 무조건 우수하다기보다는 목적에 따라 적절하게 사용하는 것이 중요합니다.

오더는 어떻게 계산하는가

오더 분석의 기본은 회전 주파수를 계산하는 것입니다.

회전 주파수(Hz) = RPM ÷ 60

예를 들어 3,000 RPM으로 회전하는 설비라면 회전 주파수는 50Hz입니다.

따라서,

• 1 Order = 50Hz
• 2 Order = 100Hz
• 3 Order = 150Hz
• 4 Order = 200Hz

가 됩니다.

반대로 1,500 RPM이라면 회전 주파수는 25Hz이므로 2 Order는 50Hz가 됩니다.

이처럼 절대적인 Hz 값은 회전속도에 따라 변하지만 회전속도와 동기화된 성분은 오더라는 동일한 기준으로 추적할 수 있습니다.

오더 분석을 위해 회전속도 정보가 필요한 이유

정확한 오더 분석을 위해서는 회전속도 정보가 중요합니다.

가장 일반적인 방법은 타코미터, 광학식 회전센서, 근접 센서, 엔코더 등의 회전 기준 신호를 진동 데이터와 함께 취득하는 것입니다.

특히 가속 및 감속 과정에서는 회전속도가 계속 변하기 때문에 단순히 측정 시작 시점의 RPM 하나만 입력하는 것보다 시간에 따른 RPM 변화를 함께 기록하는 것이 중요합니다.

현장에서 오더 분석을 수행한다면 일반적으로 다음과 같은 순서로 접근할 수 있습니다.

1. 설비의 정상 운전 범위와 회전속도를 확인합니다.
2. 타코미터 또는 적절한 회전 기준 신호를 확보합니다.
3. 베어링 하우징 등에 진동 센서를 설치합니다.
4. 가속 또는 감속 구간의 진동과 RPM 데이터를 동시에 수집합니다.
5. 회전속도에 맞춰 데이터를 오더 영역으로 변환합니다.
6. 1X, 2X, 3X 등의 주요 성분을 확인합니다.
7. 기계 구조와 결함 가능성을 비교하여 원인을 추적합니다.
8. 필요하면 일반 FFT와 시간파형, 엔벨로프 분석 등을 추가합니다.

1 Order에서 진동이 크게 나타날 때

1 Order는 회전속도와 동일한 주파수입니다.

대표적으로 불평형이 1X 성분과 강하게 관련될 수 있습니다. 회전체의 질량 분포가 균일하지 않으면 회전할 때 반복적인 원심력이 발생하기 때문입니다.

하지만 1 Order가 나타났다고 해서 무조건 불평형이라고 판단해서는 안 됩니다.

축 휨, 정렬불량, 기계적 풀림, 공진 등에서도 1X 성분이 발생할 수 있습니다.

따라서 1 Order를 확인했다면 다음과 같은 항목을 함께 살펴보는 것이 좋습니다.

• 수평·수직·축방향 진동 크기
• 위상 변화
• 회전속도 변화에 따른 진동 변화
• 커플링 상태
• 축의 상태
• 베이스와 소프트풋
• 과거 진동 데이터

특히 밸런싱 작업은 1X가 보인다는 이유만으로 바로 진행하기보다 불평형이라는 진단 근거를 확보한 후 실시하는 것이 좋습니다.

2 Order가 나타날 때 확인해야 할 것

2 Order는 회전 주파수의 두 배입니다.

정렬불량이 있는 회전기계에서는 2X 성분이 나타날 수 있기 때문에 오더 분석에서 자주 확인하는 항목입니다.

그러나 “2 Order가 크면 무조건 정렬불량”이라는 식으로 판단하는 것도 적절하지 않습니다.

정렬불량 외에도 축의 상태, 커플링, 구조적 풀림, 공진 등 다양한 원인이 2X 성분에 영향을 줄 수 있습니다.

따라서 2 Order가 증가했다면 축 정렬 상태를 확인하는 동시에 커플링과 베이스, 기계적 체결 상태 등을 함께 점검하는 것이 좋습니다.

특정 RPM에서 진동이 급격하게 증가한다면

오더 분석의 중요한 활용 분야 중 하나가 공진과 운전속도의 관계를 확인하는 것입니다.

설비의 회전속도를 서서히 변화시키면서 진동을 측정하면 특정 RPM 구간에서 특정 오더의 진폭이 급격하게 증가하는 현상을 확인할 수 있습니다.

예를 들어 1X 성분이 특정 속도에서 급격하게 증가했다가 다시 감소한다면 구조물의 고유진동수와 회전 가진 주파수가 가까워지는 공진 가능성을 검토할 수 있습니다.

이런 분석은 단순히 정상 운전 중 한 번의 FFT를 측정하는 것보다 가변속 운전 과정에서 기계의 동적 특성을 파악하는 데 유리합니다.

다만 특정 RPM에서 진동이 높다는 사실만으로 공진을 확정할 수는 없습니다. 위상, 구조 응답, 속도 변화 과정 등을 함께 분석해야 합니다.

기어 이상은 기어 맞물림 주파수를 확인한다

기어박스가 포함된 회전기계에서는 오더 분석을 통해 기어의 회전 및 맞물림 성분을 추적할 수 있습니다.

기어 맞물림 주파수(GMF)는 일반적으로 다음과 같이 계산합니다.

기어 맞물림 주파수 = 기어 회전 주파수 × 기어 잇수

예를 들어 어떤 기어가 30Hz로 회전하고 잇수가 40개라면 기어 맞물림 주파수는 1,200Hz입니다.

기어박스의 회전속도가 변화하면 GMF 역시 함께 이동합니다. 오더 분석에서는 이러한 변화가 회전속도와 어떤 관계를 가지고 있는지 확인할 수 있습니다.

기어 이상을 조사할 때는 GMF의 진폭뿐만 아니라 주변 사이드밴드, 고조파, 회전축별 성분 등을 함께 확인하는 것이 좋습니다.

베어링 이상도 오더 분석으로 확인할 수 있을까

베어링 진단에서도 오더 분석을 활용할 수 있지만, 베어링 결함은 불평형이나 정렬불량과 동일한 방식으로 해석해서는 안 됩니다.

베어링의 외륜, 내륜, 전동체, 케이지에는 각각 구조적인 운동 관계에 따른 특성 주파수가 존재합니다.

대표적으로 다음과 같은 성분을 사용합니다.

• BPFO: 외륜 결함 관련 주파수
• BPFI: 내륜 결함 관련 주파수
• BSF: 전동체 회전 관련 주파수
• FTF: 케이지 회전 관련 주파수

이러한 주파수는 회전속도에 따라 함께 변합니다.

따라서 가변속 설비에서 베어링을 진단할 때는 실제 RPM을 기준으로 특성 주파수를 계산하고, 진동 데이터에서 해당 성분이 회전속도에 맞춰 이동하는지를 확인할 수 있습니다.

다만 베어링 국부 결함은 충격성 신호를 발생시키기 때문에 단순한 오더 스펙트럼만으로 결함 위치를 확정하기 어려울 수 있습니다.

이때는 시간파형과 엔벨로프 분석, 고주파 진동, Crest Factor 등을 함께 확인하는 것이 도움이 됩니다.

0.5 Order와 비정수 오더를 어떻게 해석해야 하는가

오더 분석에서는 1X, 2X, 3X처럼 정수 오더만 나타나는 것은 아닙니다.

0.5 Order와 같은 비정수 오더도 관찰될 수 있습니다.

0.5 Order는 회전 주파수의 절반에 해당하는 성분입니다. 즉 회전축이 두 바퀴 회전하는 동안 한 번의 반복적인 진동이 발생하는 형태로 이해할 수 있습니다.

하지만 0.5 Order가 나타났다는 사실만으로 특정 부품의 결함을 확정할 수는 없습니다.

기계의 구조와 구동 방식, 여러 회전체 사이의 관계, 실제 시간파형 등을 함께 확인해야 합니다.

특히 베어링 결함을 단순히 “비정수 오더”라고만 표현하는 것도 주의해야 합니다. 베어링 특성 주파수는 베어링 형상과 회전속도에 따라 결정되며, 특정 설비에서는 정수 또는 비정수 오더로 표현될 수 있습니다.

오더 분석에서 타코미터 신호의 품질이 중요한 이유

오더 분석은 회전속도를 기준으로 진동 데이터를 해석하기 때문에 기준이 되는 RPM 신호가 불안정하면 분석 결과도 영향을 받을 수 있습니다.

예를 들어 광학식 타코미터를 사용하는 경우 반사 테이프가 제대로 인식되지 않거나 주변 조명 때문에 신호가 불안정하면 회전속도 추적에 오류가 발생할 수 있습니다.

따라서 측정할 때는 다음과 같은 부분을 확인하는 것이 좋습니다.

• 회전 기준 신호가 안정적으로 들어오는지 확인
• 반사 테이프 또는 센서 설치 상태 확인
• 회전속도 측정 범위 확인
• 가속·감속 과정에서 신호가 끊기지 않는지 확인
• 진동 데이터와 RPM 데이터의 시간 동기화 확인

특히 고속으로 가속하거나 감속하는 설비에서는 회전속도 신호의 품질이 더욱 중요합니다.

샘플링 주파수는 어떻게 결정해야 하는가

오더 분석에서 샘플링 주파수는 단순히 “최대 오더의 몇 배”라고만 정하는 것이 아닙니다.

가장 먼저 실제로 분석하려는 최대 주파수를 결정하고, 그 주파수를 충분히 포함할 수 있도록 샘플링 속도와 센서의 주파수 응답 범위를 설정해야 합니다.

나이퀴스트 기준에서는 관심 주파수보다 최소 2배 높은 샘플링 주파수가 필요하지만, 실제 진동 측정에서는 필터 특성, 안티앨리어싱, 분석 여유 등을 고려하여 더 높은 샘플링 속도를 사용하는 경우가 많습니다.

또한 가변속 설비에서는 최대 회전속도가 얼마인지, 몇 Order까지 분석할 것인지, 센서가 어느 주파수 영역까지 유효한지 등을 함께 고려해야 합니다.

오더 분석 결과를 한 번의 측정으로 판단하면 안 되는 이유

오더 분석에서도 가장 중요한 것은 추세(Trend)입니다.

한 번의 측정에서 특정 오더가 높게 나타났다고 해서 바로 부품 교체나 정비를 결정하기보다는 정상 상태의 데이터를 확보하고 이후 변화 과정을 비교하는 것이 좋습니다.

예를 들어 동일한 모터를 매월 같은 측정 위치에서 측정하여 다음과 같은 정보를 축적할 수 있습니다.

측정 시점	RPM	1 Order	2 Order	주요 변화
초기	1,800	낮음	낮음	정상 기준
1개월	1,800	소폭 증가	정상	추세 관찰
2개월	1,800	증가	소폭 증가	추가 점검
3개월	1,800	크게 증가	증가	원인 분석 필요

이런 방식으로 관리하면 단순히 “진동이 높다”는 판단을 넘어 어느 시점부터 변화가 시작되었는지 확인할 수 있습니다.

단, 측정 위치와 방향, RPM, 부하, 온도 등의 조건이 크게 달라지면 데이터 비교의 신뢰도가 떨어질 수 있으므로 가능한 한 동일한 조건에서 측정하는 것이 좋습니다.

오더 분석의 한계

오더 분석은 회전속도와 관련된 진동을 분석하는 데 매우 강력하지만 모든 종류의 진동을 설명해주는 것은 아닙니다.

예를 들어 다음과 같은 문제는 별도의 분석이 필요할 수 있습니다.

• 유체 흐름에 의한 난류
• 비주기적인 외부 충격
• 구조물에서 전달되는 외부 진동
• 일부 전기적 가진
• 회전속도와 동기화되지 않는 진동

따라서 실제 설비 진단에서는 오더 분석과 일반 FFT를 서로 경쟁하는 분석법으로 보기보다 목적에 따라 함께 활용하는 것이 좋습니다.

특히 베어링 진단에서는 오더 분석과 함께 엔벨로프, 시간파형, 고주파 진동, 온도, 윤활 상태 등을 종합적으로 확인해야 합니다.

비용 효율적으로 오더 분석을 활용하는 방법

오더 분석을 도입하기 위해 모든 설비에 고가의 온라인 시스템을 설치할 필요는 없습니다.

먼저 고장 발생 시 생산에 미치는 영향이 큰 핵심 설비를 선정하는 것이 좋습니다.

예를 들어 다음과 같은 설비를 우선 관리 대상으로 선정할 수 있습니다.

• 핵심 생산라인의 모터
• 대형 펌프
• 고속 팬
• 압축기
• 기어박스
• 터빈 및 기타 중요 회전설비

이후 휴대용 진동분석기와 타코미터를 이용하여 정기적으로 데이터를 확보하고, 이상 징후가 발견된 설비에 대해 정밀한 오더 분석을 실시하는 방식으로 단계적으로 확대할 수 있습니다.

또한 장비보다 중요한 것이 데이터 관리입니다.

설비별로 정상 상태의 RPM과 오더 스펙트럼을 저장해두면 이후 측정 결과와 비교하기가 훨씬 쉬워집니다.

현장에서 오더 분석을 적용하는 실전 순서

오더 분석을 처음 적용한다면 복잡한 분석부터 시작하기보다 다음과 같은 기본 절차를 익히는 것이 좋습니다.

1. 설비의 회전속도 범위를 확인합니다.
2. 베어링, 커플링, 기어 등의 기계 구조를 파악합니다.
3. 타코미터나 적절한 회전 기준 신호를 확보합니다.
4. 베어링 하우징 등에 진동 센서를 설치합니다.
5. 정상 운전 상태에서 기준 데이터를 확보합니다.
6. 가속 및 감속 구간의 데이터를 수집합니다.
7. 1X, 2X, 3X 등 주요 오더의 변화를 확인합니다.
8. 특정 RPM에서 진동이 증가하는 구간을 확인합니다.
9. 기어 맞물림 주파수나 베어링 특성 주파수 등을 계산합니다.
10. 일반 FFT와 시간파형, 엔벨로프 분석으로 결과를 교차 확인합니다.
11. 정렬, 불평형, 풀림, 윤활, 베어링 상태 등을 실제 설비에서 점검합니다.
12. 정비 후 동일한 조건에서 재측정합니다.

이러한 과정을 반복하면 단순한 진동 측정에서 한 단계 더 발전한 상태기반 유지보수가 가능합니다.

자주 묻는 질문

Q. 오더 분석을 하려면 반드시 타코미터가 필요한가요?

반드시 그런 것은 아닙니다. 일부 분석 시스템은 진동 신호에서 회전속도를 추정하거나 별도의 회전 기준 없이 오더를 추정하는 기능을 제공합니다. 하지만 가변속이 크거나 신호가 복잡한 설비에서는 독립적인 타코미터나 엔코더 등의 기준 신호를 사용하는 것이 일반적으로 더 안정적입니다.

Q. 1 Order가 높으면 불평형이라고 보면 되나요?

아닙니다. 1 Order는 회전 주파수와 동일한 성분이라는 의미일 뿐입니다. 불평형과 관련될 수 있지만 축 휨, 정렬불량, 풀림, 공진 등에서도 나타날 수 있으므로 추가적인 분석이 필요합니다.

Q. 2 Order가 높으면 정렬불량인가요?

정렬불량 가능성을 검토할 수 있는 중요한 단서이지만 2 Order만으로 정렬불량을 확정할 수는 없습니다. 진동 방향과 위상, 커플링 상태, 축 상태, 베이스와 소프트풋 등을 함께 확인해야 합니다.

Q. 오더 분석만으로 베어링 교체 시기를 알 수 있나요?

오더 분석만으로 교체 시점을 일률적으로 결정하기는 어렵습니다. 베어링 결함 주파수, 진동 진폭과 추세, 시간파형, 엔벨로프, 온도, 윤활 상태, 설비 중요도 등을 종합적으로 판단해야 합니다.

Q. 오더 분석과 FFT 중 어떤 것을 사용해야 하나요?

가변속 회전기계에서 회전속도와 동기화된 성분을 추적하려면 오더 분석이 유리하고, 특정 운전 조건에서 전체 주파수 성분을 확인하려면 일반 FFT가 유용합니다. 실제 현장에서는 두 방법을 함께 사용하여 서로 다른 정보를 교차 확인하는 것이 효과적입니다.

오더 분석은 회전기계의 변화를 추적하는 도구다

오더 분석은 단순히 진동을 측정하는 기술이 아니라 회전속도가 변화하는 상황에서도 회전과 관련된 진동 성분을 추적할 수 있도록 데이터를 바라보는 방법입니다.

1X, 2X와 같은 회전 관련 성분부터 기어 맞물림 주파수, 베어링 특성 주파수까지 회전속도와 연관된 여러 신호를 체계적으로 분석할 수 있다는 것이 가장 큰 장점입니다.

특히 가속과 감속이 반복되는 가변속 모터, 펌프, 팬, 압축기, 기어박스 등을 관리한다면 일반 FFT만 사용하는 것보다 오더 분석을 함께 적용했을 때 설비의 동적 특성을 더욱 명확하게 파악할 수 있습니다.

다만 특정 오더가 나타났다는 사실만으로 고장 원인을 확정해서는 안 됩니다. 회전속도, 진동 크기, 위상, 시간파형, 주파수 스펙트럼, 베어링 특성 주파수, 윤활 상태, 정렬 상태와 과거의 변화 추세를 함께 확인하는 것이 정확한 진단의 핵심입니다.

결국 오더 분석의 진정한 가치는 고장 신호 하나를 찾아내는 데 있는 것이 아니라, 회전속도가 변하는 동안 기계의 진동이 어떻게 변화하는지를 지속적으로 관찰하고 그 변화에서 이상 징후를 찾아내는 데 있습니다.