가변속 장비의 오더 트래킹 분석이란?

오더 트래킹이란 무엇인가

산업 현장에서 모터, 펌프, 팬, 압축기와 같은 회전기계를 진동분석할 때 가장 까다로운 조건 중 하나가 회전속도가 계속 변하는 경우입니다. 일반적인 FFT 분석은 특정 시간 동안 측정한 신호를 주파수 성분으로 변환하는 방식이기 때문에 회전속도가 일정하지 않으면 동일한 회전 관련 진동이 여러 주파수에 걸쳐 퍼져 보일 수 있습니다.

이러한 상황에서 활용되는 대표적인 분석 방법이 오더 트래킹(Order Tracking)입니다.

오더 트래킹은 진동이나 소음 신호를 회전속도와 연계하여 분석하는 방법입니다. 여기서 오더(Order)는 절대적인 Hz 값이 아니라 회전 주파수에 대한 배수를 의미합니다.

예를 들어 설비가 1,800 RPM으로 회전한다면 회전 주파수는 30Hz입니다. 이때 30Hz는 1 Order, 60Hz는 2 Order, 90Hz는 3 Order가 됩니다.

설비가 1,200 RPM으로 감속하면 회전 주파수는 20Hz로 바뀌지만, 회전축과 동기화된 1 Order 성분은 여전히 1 Order로 표현할 수 있습니다. 이처럼 회전속도가 변하는 상황에서도 회전과 관련된 진동 성분을 추적할 수 있다는 것이 오더 트래킹의 핵심입니다.

일반 FFT 분석만으로 가변속 장비를 분석하기 어려운 이유

일반적인 FFT는 진동 신호를 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환하여 어떤 주파수에 에너지가 집중되어 있는지를 보여줍니다.

회전속도가 일정한 설비라면 매우 유용한 방법입니다. 예를 들어 1,800 RPM으로 계속 운전되는 모터에서 30Hz 부근에 강한 진동이 나타난다면 1X 회전 성분으로 해석할 수 있습니다.

하지만 설비가 1,000 RPM에서 3,000 RPM까지 가속하는 상황이라면 이야기가 달라집니다.

가속하는 동안 1X 회전 주파수는 약 16.7Hz에서 50Hz까지 이동합니다. 일정한 시간 구간을 한 번에 FFT로 분석하면 이 이동하는 성분이 넓은 주파수 영역에 퍼져 나타날 수 있습니다. 이러한 현상을 일반적으로 스미어링(Smearing)이라고 합니다.

이 때문에 실제로는 하나의 회전 관련 성분인데도 스펙트럼에서 선명한 하나의 피크로 나타나지 않을 수 있습니다.

오더 트래킹은 이러한 문제를 해결하기 위해 진동 신호와 회전속도를 연계하여 분석합니다.

오더(Order)의 개념을 이해하면 분석이 쉬워진다

오더는 회전 주파수를 기준으로 진동 성분을 표현한 값입니다.

예를 들어 회전속도가 1,800 RPM이라면 회전 주파수는 30Hz입니다.

• 1 Order = 30Hz
• 2 Order = 60Hz
• 3 Order = 90Hz
• 0.5 Order = 15Hz

그런데 회전속도가 1,200 RPM으로 바뀌면 회전 주파수는 20Hz가 됩니다.

• 1 Order = 20Hz
• 2 Order = 40Hz
• 3 Order = 60Hz
• 0.5 Order = 10Hz

절대 주파수는 계속 변하지만 회전속도와 동기화된 성분의 오더는 같은 값을 유지합니다.

따라서 가변속 장비에서 “몇 Hz에서 진동이 발생하는가?”뿐만 아니라 “회전속도의 몇 배에서 진동이 발생하는가?”를 확인할 수 있습니다.

오더 트래킹으로 확인할 수 있는 대표적인 문제

오더 트래킹은 모든 종류의 진동을 자동으로 진단하는 기술은 아니지만, 회전속도와 관련된 문제를 분석하는 데 상당히 유용합니다.

불평형

회전체의 질량 중심이 회전축과 일치하지 않는 불평형은 대표적으로 1X 성분과 관련될 수 있습니다.

가변속 설비에서 RPM을 변화시키면서 1 Order 성분의 크기를 확인하면 특정 속도에서 진동이 크게 증가하는지 확인할 수 있습니다.

다만 1X 성분이 나타났다고 해서 반드시 불평형이라는 의미는 아닙니다. 축 휨, 정렬불량, 풀림, 공진 등에서도 1X 성분이 나타날 수 있기 때문에 다른 진단 결과와 함께 판단해야 합니다.

정렬불량

축과 축의 중심선이 적절하게 정렬되지 않은 경우 회전속도와 관련된 1X 또는 2X 등의 성분이 나타날 수 있습니다.

특히 가변속 운전 중 특정 오더 성분이 지속적으로 증가한다면 정렬 상태와 커플링, 소프트풋, 기초 상태 등을 함께 확인할 필요가 있습니다.

공진

오더 트래킹이 특히 유용한 부분 중 하나가 공진 분석입니다.

설비의 회전속도를 변화시키면서 특정 오더 성분의 진폭을 관찰하면 특정 RPM 영역에서 진동이 급격하게 증가하는 구간을 확인할 수 있습니다.

예를 들어 1X 성분의 진폭이 특정 RPM에서 크게 상승했다가 다시 감소한다면 구조물의 고유진동수와 회전 가진 주파수의 관계를 검토할 수 있습니다.

다만 이러한 패턴만으로 공진을 확정하는 것은 적절하지 않으며, 위상이나 구조 응답 등을 추가로 확인하는 것이 좋습니다.

기어박스에서는 기어 맞물림 주파수도 확인할 수 있다

기어박스가 포함된 설비에서는 오더 트래킹을 통해 기어와 관련된 진동 성분을 추적할 수 있습니다.

기어의 맞물림 주파수는 일반적으로 기어 맞물림 주파수(GMF, Gear Mesh Frequency)로 표현하며, 특정 기어의 회전 주파수와 기어 잇수를 이용해 계산할 수 있습니다.

예를 들어 어떤 기어가 30Hz로 회전하고 잇수가 40개라면 해당 기어의 기본적인 기어 맞물림 주파수는 1,200Hz가 됩니다.

이러한 성분이 운전속도 변화에 따라 함께 이동하는지 확인하면 기어 맞물림과 관련된 문제를 분석하는 데 도움이 됩니다.

따라서 오더 트래킹을 적용하기 전에는 기어박스의 기어비와 각 기어의 잇수, 축별 회전속도 등을 미리 파악해두는 것이 좋습니다.

베어링 진단에서도 오더 트래킹을 활용할 수 있을까

베어링 진단에서도 오더 트래킹은 유용하게 활용할 수 있지만, 오더 트래킹만으로 베어링 결함을 확정하는 것은 적절하지 않습니다.

베어링의 BPFO, BPFI, BSF, FTF와 같은 특성 주파수 역시 회전속도에 따라 변화합니다.

따라서 가변속 설비에서는 실제 RPM을 기준으로 베어링 특성 주파수가 어디에 위치하는지 계산하고, 진동 데이터에서 해당 성분이 회전속도에 맞춰 이동하는지를 확인할 수 있습니다.

다만 베어링의 국부 결함은 회전속도와 완전히 동일한 형태로 나타나는 회전동기 성분과는 분석 방식이 다를 수 있습니다. 특히 베어링 결함은 엔벨로프 분석, 시간파형, 고주파 진동 등을 함께 확인하는 것이 중요합니다.

오더 트래킹은 베어링 진단의 모든 것을 대신하는 방법이 아니라 회전속도 변화와 결함 관련 성분의 관계를 이해하는 보조적인 분석 도구로 활용하는 것이 적절합니다.

오더 트래킹을 위한 회전속도 신호는 어떻게 얻는가

정확한 오더 트래킹을 위해서는 회전속도를 기준으로 사용할 수 있는 신호가 필요합니다.

대표적으로 다음과 같은 방법이 사용됩니다.

• 광학식 타코미터
• 레이저 타코미터
• 근접 센서
• 엔코더
• 키페이저(Keyphasor)와 같은 기준 신호
• 일부 분석 시스템의 회전속도 추정 기능

가장 중요한 것은 단순히 RPM 숫자 하나를 입력하는 것보다 진동 데이터와 회전속도 신호가 시간적으로 정확하게 연결되는 것입니다.

특히 빠르게 가속하거나 감속하는 설비에서는 회전속도가 언제 어떻게 변화했는지 정확하게 기록해야 오더 분석의 신뢰도를 높일 수 있습니다.

타코미터를 이용한 오더 트래킹 과정

현장에서 타코미터와 진동 측정기를 함께 사용한다면 다음과 같은 순서로 접근할 수 있습니다.

1. 설비의 회전속도 범위를 확인합니다.정상 운전 RPM과 최소·최대 운전속도를 파악합니다.
2. 회전속도 기준 신호를 확보합니다.타코미터나 적절한 회전센서를 설치하고 안정적인 RPM 신호가 들어오는지 확인합니다.
3. 진동 센서를 설치합니다.베어링 하우징 등 적절한 측정 위치를 선정하고 동일한 위치에서 데이터를 취득합니다.
4. 가속 또는 감속 구간의 데이터를 수집합니다.일정한 속도로 운전할 때뿐만 아니라 속도가 변화하는 구간의 진동을 기록합니다.
5. 오더 스펙트럼을 확인합니다.1X, 2X, 3X 등 주요 오더 성분이 속도 변화에 따라 어떻게 움직이는지 확인합니다.
6. 진폭 변화 구간을 확인합니다.특정 RPM에서 특정 오더의 진폭이 급격하게 증가하는지 확인합니다.
7. 기계 구조와 함께 원인을 검토합니다.불평형, 정렬불량, 공진, 풀림, 기어 문제 등 가능한 원인을 비교합니다.
8. 필요한 경우 일반 FFT와 엔벨로프 분석을 추가합니다.오더 트래킹 결과만으로 원인을 확정하지 않고 다른 분석 결과와 교차 검증합니다.

가속 구간과 감속 구간을 비교해야 하는 이유

가변속 설비에서는 가속할 때와 감속할 때의 진동 패턴을 비교하는 것도 중요합니다.

예를 들어 특정 속도 구간에서 진동이 크게 증가한다면 단순히 해당 RPM에서 진동이 높다는 사실만 확인하는 것보다 가속과 감속 과정에서 같은 패턴이 반복되는지를 확인하는 것이 도움이 됩니다.

또한 특정 RPM 구간에서 진동이 급격하게 증가했다가 다시 감소하는 경우에는 구조적 공진 가능성을 검토할 수 있습니다.

하지만 가속·감속 패턴만으로 특정 결함을 확정할 수는 없습니다. 회전속도 변화율, 하중, 제어 방식, 구조물의 응답 특성 등을 함께 고려해야 합니다.

오더 트래킹에서 샘플링 속도만 중요한 것은 아니다

오더 트래킹을 할 때 흔히 샘플링 속도만 높이면 정확한 분석이 가능하다고 생각하지만 실제로는 여러 조건이 중요합니다.

회전속도 신호의 품질

타코미터 신호가 불안정하면 오더 기준 자체가 흔들릴 수 있습니다. 반사 테이프나 센서 설치 상태, 신호 품질 등을 먼저 확인해야 합니다.

관심 주파수 범위

관심 있는 진동 주파수가 충분히 포함되도록 샘플링 주파수와 센서의 주파수 응답 범위를 선정해야 합니다.

단순히 회전속도가 높다는 이유만으로 무조건 높은 샘플링 속도를 사용하는 것이 아니라, 분석하려는 최대 주파수와 센서 특성, 필터 및 안티앨리어싱 조건을 함께 고려해야 합니다.

회전속도 변화율

가속과 감속이 너무 빠르면 분석 설정에 따라 오더 성분이 충분히 분리되지 않을 수 있습니다. 따라서 장비의 속도 변화 특성과 분석기의 오더 트래킹 설정을 적절하게 맞추는 것이 중요합니다.

소프트웨어로 회전속도를 추정하는 방법의 한계

일부 진동분석 시스템은 별도의 타코미터 없이 진동 신호에서 회전속도를 추정하는 기능을 제공합니다.

센서를 추가로 설치하기 어려운 현장에서는 편리한 방법입니다.

하지만 진동 신호 자체에서 회전속도를 추정하는 경우 1X 성분이 명확해야 하며, 여러 회전원이 존재하거나 진동 신호가 복잡한 경우에는 추정값이 불안정할 수 있습니다.

따라서 중요한 설비나 정밀한 분석에서는 가능하다면 독립적인 타코미터 또는 회전 기준 신호를 확보하는 것이 좋습니다.

오더 트래킹의 한계도 알아야 한다

오더 트래킹은 강력한 분석 방법이지만 모든 진동 문제를 해결하는 만능 도구는 아닙니다.

오더 트래킹은 기본적으로 회전속도와 연관된 성분을 추적하는 데 강점을 가지고 있습니다.

반면 다음과 같은 신호는 별도의 분석이 필요할 수 있습니다.

• 유체 흐름에 의한 난류
• 비주기적인 충격
• 외부에서 전달되는 진동
• 전기적 가진
• 특정 구조물에서 발생하는 비동기성 진동

따라서 일반 FFT, 시간파형, 엔벨로프 분석, 초음파, 온도 측정 등 다른 진단 방법과 함께 사용하는 것이 효과적입니다.

특히 베어링 결함을 분석할 때는 오더 트래킹 결과만 보고 베어링 교체를 결정하기보다는 진동 추세와 결함 주파수, 시간파형, 온도, 윤활 상태 등을 종합적으로 판단해야 합니다.

비용 효율적으로 오더 트래킹을 적용하는 방법

모든 설비에 고가의 온라인 오더 분석 시스템을 설치할 필요는 없습니다.

먼저 고장 위험과 생산 영향도가 큰 설비부터 선정하는 것이 현실적인 접근입니다.

예를 들어 핵심 모터, 펌프, 팬, 압축기, 기어박스 등 생산 중단 시 손실이 큰 설비를 우선 대상으로 선정할 수 있습니다.

이후 휴대용 진동분석기와 타코미터를 이용해 정기적으로 데이터를 확보하고, 필요할 때만 정밀한 오더 분석을 수행하는 방법도 있습니다.

데이터를 저장할 때는 다음 항목을 함께 기록하면 좋습니다.

• 설비명
• 측정 날짜
• 실제 RPM
• 부하 조건
• 가속·감속 조건
• 진동 RMS
• Peak
• 주요 오더
• 베어링 사양
• 윤활 상태
• 정비 이력
• 특이사항

이렇게 데이터를 축적하면 단일 측정 결과보다 설비의 정상 상태와 변화 추세를 파악하기 쉬워집니다.

자주 묻는 질문

Q. 오더 트래킹을 사용하면 일반 FFT는 필요 없나요?

그렇지 않습니다. 두 방법은 서로 다른 정보를 제공합니다. 오더 트래킹은 회전속도와 관련된 성분을 추적하는 데 강하고, 일반 FFT는 특정 시점의 주파수 구성과 다양한 비동기 성분을 확인하는 데 유용합니다. 실제 진단에서는 두 분석을 함께 사용하는 경우가 많습니다.

Q. 1 Order가 항상 불평형을 의미하나요?

아닙니다. 1X 또는 1 Order는 회전 주파수와 동일한 성분을 의미할 뿐입니다. 불평형에서도 나타날 수 있지만 축 휨, 정렬불량, 풀림, 공진 등 다양한 원인에서도 발생할 수 있습니다.

Q. 0.5 Order는 어떤 의미인가요?

0.5 Order는 회전 주파수의 절반에 해당하는 성분입니다. 이러한 성분은 특정 기계적 또는 구조적 현상과 관련될 수 있지만, 0.5 Order만으로 특정 결함을 확정해서는 안 됩니다. 실제 원인을 찾기 위해서는 시간파형, 회전속도, 기계 구조와 다른 진동 성분을 함께 확인해야 합니다.

Q. 오더 트래킹에 반드시 타코미터가 필요한가요?

정확한 분석에서는 타코미터나 엔코더와 같은 독립적인 회전 기준 신호를 사용하는 것이 유리합니다. 다만 일부 분석 시스템에서는 진동 신호에서 회전속도를 추정하는 기능을 제공하기도 합니다. 설비의 중요도와 신호 품질에 따라 적절한 방법을 선택해야 합니다.

Q. 오더 트래킹으로 베어링의 고장 위치까지 알 수 있나요?

오더 트래킹만으로 내륜, 외륜, 전동체 등의 결함 위치를 확정하는 것은 어렵습니다. 베어링 모델과 실제 RPM을 기준으로 BPFO, BPFI, BSF, FTF를 계산하고 엔벨로프 분석과 시간파형 등을 함께 검토해야 결함 위치를 보다 구체적으로 판단할 수 있습니다.

가변속 설비 진단의 핵심은 회전속도와 진동의 관계를 보는 것

가변속 설비의 진동을 분석할 때 단순히 특정 Hz에서 진동이 높다는 사실만 확인하면 중요한 정보를 놓칠 수 있습니다. 회전속도가 변하면 회전과 관련된 진동 주파수도 함께 이동하기 때문입니다.

오더 트래킹은 이러한 변화를 회전속도의 배수인 Order를 기준으로 표현하여 회전기계의 진동 패턴을 보다 쉽게 추적할 수 있도록 해줍니다.

특히 불평형, 정렬불량, 공진, 기어 맞물림과 같이 회전속도와 밀접하게 연결된 문제를 분석할 때 유용하며, 베어링 진단에서도 실제 RPM과 특성 주파수의 관계를 확인하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

다만 오더 트래킹 하나만으로 모든 결함을 진단할 수 있는 것은 아닙니다. 정확한 상태진단을 위해서는 실제 회전속도, 진동 스펙트럼, 시간파형, 엔벨로프, 온도, 윤활 상태, 부하 조건과 과거의 측정 추세를 함께 확인하는 것이 중요합니다.

결국 오더 트래킹의 핵심은 복잡한 수학적 분석 자체가 아니라 회전속도가 변하는 상황에서도 회전과 관련된 진동 성분을 놓치지 않고 추적하는 것입니다. 가변속 모터나 펌프, 팬, 압축기, 기어박스 등을 관리하고 있다면 일반 FFT와 함께 오더 트래킹을 활용해 보는 것만으로도 설비의 이상 원인을 더욱 체계적으로 좁혀갈 수 있습니다.