BSF와 FTF가 의미하는 베어링 결함

베어링 상태를 진단하는 핵심 지표 BSF와 FTF 완벽 이해

산업 현장에서 사용하는 모터, 펌프, 팬, 감속기 같은 회전 설비에는 대부분 베어링이 사용됩니다. 베어링은 회전축을 안정적으로 지지하면서 마찰과 손실을 줄이는 중요한 부품이지만, 장시간 운전하면 전동체나 궤도면, 유지기 등에 손상이 발생할 수 있습니다.

특히 베어링의 초기 결함은 육안으로 확인하기 어렵고, 사람이 귀로 듣거나 손으로 느끼기 전에 미세한 진동 신호로 먼저 나타나는 경우가 많습니다. 그래서 현장에서는 진동 데이터를 분석해 베어링의 어느 부분에 문제가 발생했는지를 판단합니다.

이때 알아두면 좋은 대표적인 결함 주파수가 BSF와 FTF입니다.

BSF는 전동체 자체의 회전과 관련된 주파수이고, FTF는 유지기의 회전과 관련된 주파수입니다. 두 값을 이해하면 단순히 “베어링에 이상이 있다”는 수준을 넘어 어떤 부품을 집중적으로 확인해야 하는지 판단하는 데 도움이 됩니다.

베어링 결함 주파수는 어떻게 만들어질까

베어링은 일반적으로 내륜, 외륜, 전동체, 유지기로 구성됩니다.

정상적인 상태에서는 전동체가 궤도면을 따라 원활하게 구르면서 회전합니다. 하지만 전동체 표면에 흠집이 있거나 유지기가 변형되면 특정 위치를 지날 때마다 반복적인 충격이 발생합니다.

이러한 충격은 진동 센서로 측정할 수 있으며, FFT와 같은 주파수 분석을 이용하면 특정 주파수 성분으로 확인할 수 있습니다.

대표적인 베어링 결함 주파수는 다음과 같이 구분합니다.

• BPFO: 외륜 결함 주파수
• BPFI: 내륜 결함 주파수
• BSF: 전동체 결함과 관련된 주파수
• FTF: 유지기 결함과 관련된 주파수

여기서 중요한 점은 이 주파수들이 베어링마다 동일하지 않다는 것입니다. 전동체 개수, 전동체 직경, 피치 직경, 접촉각, 회전속도 등에 따라 값이 달라집니다.

따라서 실제 진단에서는 베어링 품번이나 제조사 데이터를 확인한 뒤 이론적인 결함 주파수를 계산하고 측정 결과와 비교해야 합니다.

BSF란 무엇인가

BSF는 Ball Spin Frequency의 약자로, 전동체가 자신의 축을 중심으로 회전하는 것과 관련된 주파수입니다.

볼 베어링을 예로 들면 전동체는 단순히 한 방향으로 이동하는 것이 아닙니다. 베어링 중심을 기준으로 공전하면서 동시에 자기 축을 중심으로 자전합니다.

이때 전동체 표면에 피팅, 스크래치, 박리와 같은 손상이 발생하면 손상된 부분이 궤도면과 접촉할 때마다 충격이 발생합니다.

이러한 반복적인 충격이 진동 신호에 나타나는 것이 BSF 관련 결함의 대표적인 특징입니다.

BSF 결함에서 확인할 수 있는 현상

전동체 손상은 외륜이나 내륜 결함에 비해 진단이 까다로운 편입니다. 전동체의 위치와 회전 상태에 따라 신호가 일정하지 않게 나타날 수 있기 때문입니다.

현장에서는 다음과 같은 현상을 함께 살펴보는 것이 좋습니다.

• 고주파 충격 성분이 증가한다.
• BSF 주변에서 반복적인 피크가 나타난다.
• BSF의 배수 성분이 함께 나타날 수 있다.
• 엔벨로프 스펙트럼에서 BSF 관련 성분이 더욱 뚜렷하게 나타날 수 있다.
• 베어링에서 평소와 다른 거친 소리가 발생할 수 있다.

다만 BSF 주파수가 검출됐다는 사실만으로 전동체 교체를 바로 결정해서는 안 됩니다. 진폭의 크기와 증가 추세, 고조파 발생 여부, 운전 조건 등을 함께 확인해야 합니다.

FTF란 무엇인가

FTF는 Fundamental Train Frequency의 약자로, 베어링 유지기(Cage)의 회전 주파수와 관련된 값입니다.

유지기는 베어링 내부의 전동체가 서로 일정한 간격을 유지하도록 잡아주는 역할을 합니다. 유지기가 정상적으로 움직이지 못하면 전동체의 위치가 불안정해지고 베어링 전체의 회전 상태에도 영향을 줄 수 있습니다.

FTF는 일반적으로 BPFO나 BPFI보다 낮은 주파수 영역에서 나타나는 특징이 있습니다.

FTF 결함에서 확인할 수 있는 현상

유지기 손상이나 비정상적인 움직임이 발생하면 다음과 같은 현상이 나타날 수 있습니다.

• FTF 주변에서 진동 성분이 증가한다.
• FTF의 고조파가 함께 나타날 수 있다.
• 저주파 영역에서 불규칙한 진동이 발생한다.
• 전동체 간격이 불안정해지면서 충격성 신호가 증가한다.
• 윤활 부족이나 과도한 하중, 설치 상태 등의 영향을 함께 받을 수 있다.

특히 유지기 손상은 단순히 베어링 내부 부품 하나의 문제로 끝나지 않을 수 있습니다. 유지기가 심하게 손상되면 전동체의 움직임이 불안정해지고 결국 다른 궤도면에도 추가적인 손상을 일으킬 수 있기 때문입니다.

BSF와 FTF는 어떻게 계산할까

BSF와 FTF를 계산하려면 베어링의 기하학적 정보가 필요합니다.

일반적으로 다음과 같은 정보를 사용합니다.

• 전동체 개수
• 전동체 직경
• 피치 직경
• 접촉각
• 회전속도

FTF는 일반적으로 다음과 같은 형태로 계산할 수 있습니다.

FTF = 1/2 × Fr × [1 − (d/D)cosθ]

BSF는 일반적으로 다음과 같은 형태를 사용합니다.

BSF = D/(2d) × Fr × [1 − ((d/D)cosθ)²]

여기서 Fr은 회전 주파수, d는 전동체 직경, D는 피치 직경, θ는 접촉각입니다.

실제 현장에서는 계산식을 직접 적용하는 것보다 베어링 제조사의 카탈로그나 진동 분석 소프트웨어에서 제공하는 결함 주파수 데이터를 사용하는 경우가 편리합니다.

특히 베어링 품번을 정확하게 알고 있다면 해당 모델의 전동체 개수와 치수 등을 기반으로 보다 정확한 값을 얻을 수 있습니다.

FFT 분석에서 BSF와 FTF 확인하기

진동 분석에서는 센서를 베어링 하우징에 설치한 뒤 진동 데이터를 수집합니다. 이후 FFT를 이용해 시간 영역의 진동 신호를 주파수 영역으로 변환합니다.

이때 중요한 것은 단순히 그래프에서 높은 피크 하나를 찾는 것이 아닙니다.

예를 들어 계산된 BSF가 120Hz라고 가정해 보겠습니다.

FFT 스펙트럼에서 120Hz 부근에 명확한 피크가 나타나고, 240Hz, 360Hz 등 배수 성분까지 함께 증가한다면 전동체와 관련된 결함을 의심할 수 있습니다.

FTF 역시 동일한 방식으로 확인할 수 있습니다.

다만 실제 측정값은 이론값과 완전히 일치하지 않을 수 있습니다. 베어링의 슬립, 하중 변화, 회전속도 변화, 센서 위치 등의 영향을 받기 때문입니다.

따라서 몇 Hz 차이가 난다고 해서 무조건 다른 결함이라고 판단하기보다는 전체적인 주파수 패턴을 함께 살펴보는 것이 중요합니다.

엔벨로프 분석을 함께 사용해야 하는 이유

베어링의 초기 결함을 확인할 때는 일반적인 FFT만으로 부족한 경우가 있습니다.

초기 결함은 매우 짧은 시간 동안 발생하는 작은 충격으로 나타나기 때문에 주변의 회전 진동이나 구조물 진동에 묻힐 수 있습니다.

이때 사용하는 대표적인 방법이 엔벨로프 분석(Envelope Analysis)입니다.

엔벨로프 분석은 고주파 영역에 포함된 반복적인 충격 신호를 추출하여 베어링 결함 주파수를 보다 쉽게 확인할 수 있도록 해줍니다.

특히 초기 단계의 BPFO, BPFI, BSF와 같은 결함 성분을 확인할 때 유용합니다.

현장에서 베어링 진단을 할 때는 다음과 같은 순서로 접근하면 이해하기 쉽습니다.

1. 정상 상태의 진동 데이터를 확보합니다.
2. FFT 스펙트럼을 확인합니다.
3. 베어링의 이론적 결함 주파수를 계산합니다.
4. 해당 주파수 주변의 피크를 확인합니다.
5. 엔벨로프 분석으로 반복 충격 성분을 추가 확인합니다.
6. 진폭의 변화 추세를 비교합니다.
7. 온도, 윤활 상태, 소음, 회전속도 등을 함께 확인합니다.

실제 현장에서 느끼는 베어링 이상 신호

베어링 진동을 측정하다 보면 숫자만 보는 것보다 기계의 상태를 함께 관찰하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있습니다.

예를 들어 평소에는 일정한 진동값을 유지하던 모터에서 어느 순간 고주파 성분이 조금씩 증가하기 시작했다고 가정해 보겠습니다.

처음에는 전체 RMS 값이 크게 변하지 않을 수도 있습니다. 하지만 엔벨로프 스펙트럼을 확인했을 때 특정 베어링의 BSF 주변에 피크가 반복적으로 나타난다면 상황이 달라집니다.

이 경우 바로 베어링을 교체하기보다는 먼저 윤활 상태와 측정 조건을 확인하고, 동일한 조건에서 다시 측정해 추세를 확인하는 것이 좋습니다.

실무에서는 이런 작은 변화가 상당히 중요합니다. 처음에는 “조금 이상한데?” 정도로 보이던 신호가 일정 기간 후에는 명확한 결함 주파수와 함께 증가하는 경우가 있기 때문입니다.

그래서 진동 분석에서 한 번의 측정값보다 중요한 것이 정상 상태에서 얼마나 변화했는가입니다.

BSF와 FTF를 잘못 해석하면 안 되는 이유

진동 스펙트럼에서 특정 주파수가 나타났다고 해서 무조건 해당 부품이 손상됐다고 단정해서는 안 됩니다.

다른 기계적 원인으로 유사한 주파수 성분이 나타날 수도 있기 때문입니다.

특히 다음과 같은 요소를 함께 확인해야 합니다.

• 회전속도가 변했는지
• 측정 위치가 동일한지
• 센서가 제대로 고정되어 있는지
• 윤활 상태가 정상인지
• 베어링 온도가 상승했는지
• 축 정렬 상태에 문제가 없는지
• 회전체 불균형이 발생했는지
• 주변 설비에서 진동이 전달되고 있는지

또한 BSF와 FTF가 검출되더라도 반드시 즉각적인 파손을 의미하는 것은 아닙니다.

결함 주파수의 존재보다 진폭과 추세, 그리고 다른 진단 지표와의 연관성을 함께 보는 것이 중요합니다.

BSF와 FTF 관리에 도움이 되는 진동 측정 방법

비싼 온라인 모니터링 시스템을 모든 설비에 설치할 필요는 없습니다.

설비의 중요도를 기준으로 관리 수준을 나누는 것이 현실적인 방법입니다.

핵심 설비

생산라인이 멈출 경우 큰 손실이 발생하는 모터나 펌프 등은 주기적인 정밀 진동 분석이나 온라인 모니터링을 고려할 수 있습니다.

일반 설비

휴대용 진동계를 이용해 일정한 주기로 측정하고 정상 상태의 데이터를 기준으로 변화 추이를 확인하는 방법이 효율적입니다.

보조 설비

진동과 온도, 소음 등을 간단하게 점검하면서 이상 징후가 발생했을 때 정밀 측정을 실시하는 방법도 활용할 수 있습니다.

무엇보다 중요한 것은 측정 조건의 표준화입니다.

센서 위치가 매번 달라지거나 회전속도와 부하가 크게 달라진 상태에서 측정하면 데이터 비교 자체가 어려워집니다.

가능하면 측정 포인트를 표시해두고 동일한 위치와 방향에서 데이터를 수집하는 것이 좋습니다.

BSF와 FTF에 대한 흔한 오해

오해 1. BSF가 나타나면 바로 베어링을 교체해야 한다

결함 주파수가 나타났다는 것만으로 즉시 교체를 결정해서는 안 됩니다.

진폭이 계속 증가하는지, 고조파가 발생하는지, 온도와 RMS 값도 함께 상승하는지 확인해야 합니다.

오해 2. FTF는 낮은 주파수이기 때문에 중요하지 않다

FTF는 상대적으로 낮은 주파수에서 나타나지만 유지기 상태를 판단하는 중요한 지표입니다.

특히 유지기 손상은 전동체의 움직임에도 영향을 줄 수 있으므로 무시해서는 안 됩니다.

오해 3. 진동값이 낮으면 베어링은 정상이다

초기 결함은 전체 진동값에 큰 영향을 주지 않을 수 있습니다.

따라서 전체 RMS만 확인하기보다는 필요에 따라 FFT와 엔벨로프 분석을 함께 활용하는 것이 좋습니다.

오해 4. 모든 베어링에서 동일한 BSF와 FTF를 사용한다

베어링 모델과 구조가 다르면 결함 주파수도 달라집니다.

정확한 진단을 위해서는 사용하는 베어링의 품번과 제조사 데이터를 확인해야 합니다.

베어링 진단에서 가장 중요한 것은 추세 분석

BSF와 FTF를 공부하다 보면 계산 공식이나 주파수 값에 집중하기 쉽습니다.

하지만 실제 설비 관리에서 더욱 중요한 것은 시간에 따른 변화입니다.

예를 들어 정상 운전 중인 베어링에서 BSF 관련 성분이 장기간 일정하게 유지된다면 당장 문제가 있다고 판단하기 어렵습니다.

반대로 처음에는 미미했던 BSF 성분이 측정할 때마다 조금씩 증가하고 있다면 이야기가 달라집니다.

이런 경우에는 베어링 상태를 더욱 자주 확인하고 윤활, 정렬, 하중 조건 등을 함께 점검해야 합니다.

결국 진동 분석은 한 번의 시험으로 결론을 내리는 기술이 아니라 데이터를 계속 축적하면서 설비의 변화를 관찰하는 기술에 가깝습니다.

자주 묻는 질문

Q. BSF와 FTF 중 어떤 것이 더 중요한가요?

두 지표의 중요성은 결함 종류에 따라 달라집니다.

전동체 손상을 확인하려면 BSF가 중요하고, 유지기 상태를 확인하려면 FTF가 중요합니다. 어느 하나가 항상 더 중요하다고 말하기는 어렵습니다.

Q. FTF가 여러 배수로 나타나면 문제가 심각한가요?

FTF의 기본 주파수뿐 아니라 고조파 성분이 나타날 수 있습니다. 다만 고조파가 있다는 사실만으로 심각도를 단정하기보다는 진폭과 추세, 다른 진동 성분을 함께 분석해야 합니다.

Q. 베어링 품번을 모르면 진단이 불가능한가요?

불가능한 것은 아닙니다. 진동 신호와 회전속도, 베어링 구조 등을 이용해 추정할 수 있지만 정확도를 높이려면 베어링 품번이나 제조사 데이터를 확보하는 것이 좋습니다.

Q. BSF와 FTF를 일반 진동계로 확인할 수 있나요?

기본적인 진동 크기를 측정하는 장비만으로는 한계가 있습니다. 특정 결함 주파수를 분석하려면 FFT 기능이나 주파수 분석 기능을 지원하는 장비가 필요합니다. 초기 결함을 확인하려면 엔벨로프 분석 기능까지 지원하는 장비가 더욱 유용합니다.

마무리

베어링 진동 분석에서 BSF와 FTF는 단순한 숫자가 아닙니다.

BSF는 전동체의 상태를 확인하는 중요한 단서이고, FTF는 유지기의 상태를 파악하는 중요한 단서입니다.

두 주파수를 정확하게 이해하고 FFT와 엔벨로프 분석을 적절하게 활용하면 베어링이 완전히 파손되기 전에 이상 신호를 발견할 가능성을 높일 수 있습니다.

다만 특정 주파수가 검출됐다는 이유만으로 바로 베어링 교체를 결정하기보다는 진동 진폭의 변화, RMS와 Peak 값, 온도, 윤활 상태, 회전속도 등을 종합적으로 확인해야 합니다.

결국 좋은 베어링 진단은 단순히 높은 진동값을 찾는 것이 아니라 평소와 다른 변화를 발견하고 그 원인을 찾아가는 과정입니다.

오늘 측정한 작은 변화 하나를 기록해두는 습관이 나중에는 갑작스러운 설비 정지를 예방하는 중요한 데이터가 될 수 있습니다.