베어링 회전주파수와 결함주파수 관계

베어링 회전주파수와 결함주파수 완벽 이해하기

산업 현장에서 모터, 펌프, 팬, 감속기처럼 회전하는 설비를 관리하다 보면 진동 분석이라는 말을 자주 접하게 됩니다. 특히 베어링의 이상 여부를 확인할 때는 단순히 진동이 크고 작은지만 보는 것이 아니라, 어떤 주파수에서 진동이 발생하고 있는지를 확인하는 것이 중요합니다.

베어링은 외관만 봐서는 내부의 미세한 손상을 확인하기 어렵습니다. 하지만 정상 상태의 회전주파수와 베어링 고유의 결함주파수를 알고 있다면 진동 데이터를 통해 외륜, 내륜, 전동체, 유지기 중 어느 부분에서 문제가 발생하고 있는지 추정할 수 있습니다.

저 역시 베어링 진동 데이터를 확인할 때 단순한 전체 진동값만 보고 판단하기보다는 먼저 회전속도를 확인하고, 그다음 FFT 스펙트럼에서 1X 성분과 베어링 결함주파수 주변의 변화를 비교하는 방식으로 접근하는 것이 훨씬 정확하다고 느꼈습니다.

이번 글에서는 베어링 진단의 기본이 되는 회전주파수와 결함주파수의 관계를 실제 현장에서 활용할 수 있도록 정리해보겠습니다.

회전주파수란 무엇일까?

회전주파수는 회전하는 축이 1초에 몇 번 회전하는지를 나타내는 값입니다.

진동 분석에서는 일반적으로 1X 성분이라고 표현합니다. 여기서 X는 회전주파수를 의미합니다.

예를 들어 모터가 1,800 RPM으로 회전한다고 가정해보겠습니다.

RPM은 1분 동안 회전하는 횟수이므로 이를 Hz로 변환하면 다음과 같습니다.

1,800 ÷ 60 = 30 Hz

따라서 해당 모터의 회전주파수는 30Hz입니다.

이때 진동 스펙트럼에서는 다음과 같은 성분이 나타날 수 있습니다.

• 1X = 30Hz
• 2X = 60Hz
• 3X = 90Hz
• 4X = 120Hz

이러한 회전주파수의 배수 성분을 분석하면 불균형, 정렬 불량, 기계적 느슨함 등 다양한 이상 원인을 추정할 수 있습니다.

따라서 베어링 결함주파수를 분석하기 전에 현재 축이 몇 RPM으로 회전하고 있는지 확인하는 것이 기본적인 출발점입니다.

베어링 결함주파수란?

베어링은 단순히 하나의 부품으로 이루어진 것이 아닙니다.

일반적인 구름 베어링은 크게 다음과 같은 구성요소로 이루어집니다.

• 외륜(Outer Race)
• 내륜(Inner Race)
• 전동체(Rolling Element)
• 유지기(Cage)

각 부품은 회전 과정에서 서로 다른 운동을 하기 때문에 특정 부위에 결함이 발생하면 서로 다른 주기의 충격이 발생합니다.

이러한 충격이 반복되는 주파수를 베어링 결함주파수(Bearing Defect Frequency)라고 합니다.

대표적인 결함주파수는 다음 네 가지입니다.

• BPFO: 외륜 결함주파수
• BPFI: 내륜 결함주파수
• BSF: 전동체 회전주파수
• FTF: 유지기 회전주파수

이 네 가지를 이해하는 것이 베어링 진동 분석의 기본이라고 할 수 있습니다.

BPFO는 외륜 결함을 나타낸다

BPFO는 Ball Pass Frequency Outer Race의 약자입니다.

쉽게 말하면 전동체가 베어링 외륜의 특정 지점을 지나갈 때 발생하는 반복적인 충격의 주파수입니다.

외륜은 일반적으로 하우징에 고정되어 있기 때문에 결함 위치가 움직이지 않습니다. 전동체가 계속해서 해당 결함을 통과하면서 일정한 간격의 충격이 발생합니다.

따라서 FFT 분석에서 BPFO에 해당하는 주파수와 그 주변의 고조파가 뚜렷하게 나타난다면 외륜 결함을 의심할 수 있습니다.

특히 외륜 결함은 결함 위치가 고정되어 있기 때문에 진동 패턴이 비교적 명확하게 나타나는 편입니다.

BPFI는 내륜 결함을 나타낸다

BPFI는 Ball Pass Frequency Inner Race의 약자입니다.

내륜에 흠집이나 박리, 균열 등이 발생하면 전동체가 해당 결함을 통과할 때마다 충격이 발생합니다.

외륜과 달리 내륜은 일반적으로 회전축과 함께 회전합니다.

이 때문에 실제 진동 스펙트럼에서는 BPFI 성분뿐만 아니라 회전주파수인 1X와 관련된 사이드밴드가 함께 나타나는 경우가 많습니다.

현장에서 BPFI를 확인할 때는 단순히 특정 주파수 하나만 확인하기보다는 BPFI 주변에 1X 간격으로 사이드밴드가 형성되어 있는지 함께 확인하는 것이 중요합니다.

BSF는 전동체 결함을 확인하는 지표다

BSF는 Ball Spin Frequency의 약자입니다.

전동체인 볼이나 롤러는 베어링 내부에서 단순히 공전만 하는 것이 아니라 자기 축을 중심으로 자전합니다.

전동체 자체에 손상이 발생하면 이러한 회전 과정에서 반복적인 충격이 발생할 수 있습니다.

BSF는 외륜이나 내륜 결함에 비해 해석이 까다로운 편입니다.

전동체는 회전과 공전이 동시에 이루어지고 슬립의 영향도 받을 수 있기 때문입니다. 따라서 계산된 BSF와 실제 측정된 주파수가 정확하게 일치하지 않을 수도 있습니다.

이 때문에 BSF가 의심될 때는 해당 주파수 하나만 보고 결론을 내리기보다는 주변의 고조파와 사이드밴드, 시간파형 등을 함께 확인하는 것이 좋습니다.

FTF는 유지기 상태를 보여준다

FTF는 Fundamental Train Frequency의 약자로, 베어링 유지기의 회전주파수와 관련된 성분입니다.

유지기는 베어링 내부의 전동체가 일정한 간격을 유지하도록 잡아주는 역할을 합니다.

유지기가 손상되거나 변형되면 전동체의 움직임이 불안정해지고 비정상적인 충격이 발생할 수 있습니다.

FTF는 다른 베어링 결함주파수보다 상대적으로 낮은 주파수 영역에서 나타나는 경우가 많습니다.

특히 유지기 손상은 윤활 부족, 과도한 하중, 고온 환경, 설치 불량 등의 영향을 받을 수 있기 때문에 FTF가 의심된다면 단순히 베어링만 교체하기보다 왜 유지기가 손상되었는지 원인을 함께 확인해야 합니다.

베어링 결함주파수는 어떻게 계산할까?

베어링 결함주파수는 베어링의 기하학적인 구조와 회전속도에 따라 결정됩니다.

대표적으로 다음과 같은 정보가 필요합니다.

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

일반적인 계산식은 다음과 같습니다.

BPFO = (n/2) × Fr × [1 – (d/D)cosθ]

BPFI = (n/2) × Fr × [1 + (d/D)cosθ]

여기서

• n = 전동체 개수
• Fr = 회전주파수
• d = 전동체 직경
• D = 피치 직경
• θ = 접촉각

을 의미합니다.

다만 실제 현장에서는 계산식을 직접 적용하기보다는 베어링 제조사의 카탈로그나 진동 분석 소프트웨어에서 제공하는 결함주파수 데이터를 사용하는 것이 편리합니다.

같은 번호 체계의 베어링이라도 제조사나 설계에 따라 내부 형상이 다를 수 있기 때문에 가능하면 정확한 제조사와 베어링 품번을 확인하는 것이 좋습니다.

실제 현장에서 FFT로 확인하는 방법

베어링 결함주파수는 계산만 해서는 의미가 없습니다.

실제로 측정한 진동 데이터와 비교해야 합니다.

일반적인 진단 과정은 다음과 같습니다.

1. 베어링의 정확한 품번과 사양을 확인합니다.
2. 현재 축의 RPM을 측정합니다.
3. 회전주파수(1X)를 Hz로 환산합니다.
4. BPFO, BPFI, BSF, FTF를 계산하거나 소프트웨어에서 불러옵니다.
5. 베어링 하우징에 진동 센서를 설치합니다.
6. 진동 데이터를 수집합니다.
7. FFT를 이용해 주파수 스펙트럼을 확인합니다.
8. 계산된 결함주파수와 실제 피크 위치를 비교합니다.
9. 고조파와 사이드밴드가 함께 나타나는지 확인합니다.
10. 시간에 따른 진폭 변화를 추적합니다.

여기서 중요한 것은 한 번의 측정으로 베어링 교체를 결정하지 않는 것입니다.

정상 상태의 데이터를 확보해 놓고 시간이 지나면서 특정 주파수 성분이 어떻게 변화하는지 확인해야 진단의 신뢰도가 높아집니다.

결함주파수가 계산값과 정확히 일치하지 않는 이유

실제 현장에서 측정한 주파수가 이론적인 계산값과 약간 다르게 나타나는 것은 흔한 일입니다.

대표적인 원인이 바로 슬립(Slip)입니다.

전동체가 이상적인 조건에서 완벽하게 구르는 것처럼 보이지만 실제 운전에서는 하중과 윤활 상태 등에 따라 미세한 미끄러짐이 발생할 수 있습니다.

또한 다음과 같은 요인도 영향을 줄 수 있습니다.

• 실제 회전속도의 변화
• 부하 변화
• 베어링 내부 간극
• 윤활 상태
• 전동체 슬립
• 센서 설치 위치
• 측정 장비의 주파수 해상도

따라서 계산값과 측정값이 약간 다르다고 해서 바로 결함이 아니라고 판단해서는 안 됩니다.

주파수의 위치뿐 아니라 전체적인 패턴과 변화 추세를 함께 확인하는 것이 중요합니다.

고조파와 사이드밴드를 함께 확인해야 하는 이유

베어링 결함이 진행되면 기본 결함주파수 하나만 나타나는 것이 아니라 그 배수 성분이 함께 나타날 수 있습니다.

예를 들어 BPFO가 150Hz라면

• BPFO: 150Hz
• 2×BPFO: 300Hz
• 3×BPFO: 450Hz

와 같은 성분이 나타날 수 있습니다.

이러한 고조파가 반복적으로 확인된다면 단순한 우연의 피크인지 실제 결함과 관련된 신호인지 더욱 면밀하게 확인해야 합니다.

또한 BPFI 주변에서 회전주파수 간격의 사이드밴드가 반복적으로 나타나는 경우에는 내륜 결함을 판단하는 중요한 단서가 될 수 있습니다.

따라서 FFT 그래프를 볼 때는 특정 피크 하나만 확대해서 보는 것보다 주변 주파수와 전체적인 패턴을 함께 보는 습관이 필요합니다.

베어링 진동 분석에서 흔히 하는 실수

현장에서 가장 흔하게 발생하는 실수 중 하나는 진동값이 높으면 무조건 베어링 문제라고 생각하는 것입니다.

하지만 높은 진동은 다양한 원인으로 발생할 수 있습니다.

• 축 불균형
• 축 정렬 불량
• 기계적 느슨함
• 커플링 문제
• 기어 이상
• 구조물 공진
• 베어링 결함

따라서 단순히 전체 진동값이 높다는 이유만으로 베어링을 교체하는 것은 바람직하지 않습니다.

실제로 베어링을 점검하다 보면 처음에는 베어링 문제라고 생각했던 진동이 축 정렬 불량이나 커플링 문제에서 비롯된 경우도 있습니다.

저도 베어링을 점검할 때 진동값이 평소보다 높다는 이유만으로 바로 베어링을 의심하기보다는, 먼저 RPM과 1X 성분을 확인하고 이후 결함주파수와 비교하는 방식으로 원인을 좁혀가는 것이 훨씬 효율적이라고 생각합니다.

상태 기반 정비가 중요한 이유

과거에는 일정한 운전 시간이 지나면 베어링을 교체하는 방식이 많이 사용되었습니다.

하지만 모든 베어링이 동일한 조건에서 작동하는 것은 아닙니다.

같은 베어링이라도

• 하중
• 회전속도
• 윤활 상태
• 온도
• 설치 상태
• 오염 환경

에 따라 수명이 크게 달라질 수 있습니다.

따라서 최근에는 베어링의 실제 상태를 확인하면서 정비 시점을 결정하는 상태 기반 정비(CBM)가 중요해지고 있습니다.

예를 들어 정상 상태에서 BPFO 성분이 거의 나타나지 않았는데 시간이 지나면서 해당 주파수의 진폭이 지속적으로 증가한다면, 갑자기 베어링이 파손되기를 기다리는 것이 아니라 계획된 정비 일정에 맞춰 교체할 수 있습니다.

이렇게 하면 불필요한 교체를 줄이면서도 돌발적인 설비 정지를 예방할 수 있습니다.

베어링 결함주파수만 보고 판단하면 안 되는 이유

결함주파수가 나타났다고 해서 반드시 즉시 베어링을 교체해야 하는 것은 아닙니다.

중요한 것은 진폭의 크기와 변화 추세입니다.

예를 들어 특정 결함주파수가 처음 발견되었지만 진폭이 매우 낮고 수개월 동안 거의 변화가 없다면 정기적인 추적 관찰을 고려할 수 있습니다.

반대로 짧은 기간 동안 진폭이 급격하게 증가하거나 고조파와 사이드밴드가 뚜렷하게 증가한다면 보다 적극적인 점검이 필요합니다.

특히 진동 증가와 함께 다음과 같은 현상이 나타난다면 주의해야 합니다.

• 베어링 온도 상승
• 이상 소음
• 윤활유 또는 그리스 오염
• 회전 불안정
• 진동의 급격한 증가
• 특정 결함주파수의 지속적인 상승

결국 진동 데이터 하나만 보는 것이 아니라 진동, 온도, 소음, 윤활 상태, 운전 조건을 종합적으로 판단하는 것이 정확한 진단 방법입니다.

비용을 줄이는 베어링 관리 방법

모든 설비에 고가의 온라인 진동 모니터링 시스템을 설치할 필요는 없습니다.

설비 중요도에 따라 관리 수준을 다르게 설정하는 것이 현실적입니다.

1. 생산에 직접적인 영향을 주는 핵심 설비를 먼저 선정합니다.
2. 주요 베어링의 정상 상태 데이터를 확보합니다.
3. 일정한 위치와 조건에서 정기적으로 진동을 측정합니다.
4. RPM과 온도도 함께 기록합니다.
5. 이상이 발견된 설비만 FFT와 엔벨로프 분석을 이용해 정밀 진단합니다.
6. 결함이 확인되면 계획 정비를 통해 교체합니다.

특히 측정 위치와 운전 조건을 일정하게 유지하는 것이 중요합니다.

측정할 때마다 센서 위치가 달라지거나 기계의 부하가 크게 달라지면 데이터 자체를 비교하기 어려워집니다.

자주 묻는 질문

Q. 베어링 결함주파수가 보이면 바로 교체해야 하나요?

반드시 그렇지는 않습니다. 결함주파수의 진폭과 증가 추세, 고조파, 사이드밴드 등을 종합적으로 판단해야 합니다. 다만 진폭이 빠르게 증가하거나 온도와 소음까지 동시에 증가한다면 정밀 점검과 교체 계획을 서둘러야 합니다.

Q. RPM이 바뀌면 결함주파수도 바뀌나요?

그렇습니다. 베어링 결함주파수는 회전주파수에 비례하기 때문에 RPM이 변화하면 BPFO, BPFI, BSF, FTF도 함께 변합니다. 따라서 FFT 데이터를 비교할 때는 측정 당시의 RPM을 함께 기록하는 것이 중요합니다.

Q. 스마트폰으로 베어링 결함주파수를 확인할 수 있나요?

스마트폰은 간단한 진동 변화나 이상 여부를 확인하는 보조적인 방법으로는 활용할 수 있지만, 정확한 베어링 결함주파수 분석에는 한계가 있습니다. 정밀한 진단이 필요한 경우에는 적절한 가속도 센서와 데이터 수집 장비를 사용하는 것이 좋습니다.

Q. 결함주파수가 계산값과 조금 다르면 문제가 없는 것인가요?

그렇지 않습니다. 슬립, 실제 RPM 변화, 하중 조건, 측정 오차 등으로 인해 실제 측정값은 이론값과 차이가 날 수 있습니다. 일정한 범위의 차이를 고려하면서 주파수 패턴과 추세를 함께 분석해야 합니다.

마무리

베어링 진동 분석에서 회전주파수는 가장 기본적인 기준점이고, BPFO, BPFI, BSF, FTF는 베어링 내부에서 발생하는 이상을 추적할 수 있는 중요한 단서입니다.

처음에는 1X, BPFO, BPFI, BSF, FTF 같은 용어가 복잡하게 느껴질 수 있습니다. 하지만 실제 데이터를 하나씩 비교해 보면 생각보다 구조가 단순합니다.

회전속도를 확인하고 → 1X를 찾고 → 결함주파수를 계산하고 → FFT에서 피크를 비교하고 → 시간에 따른 변화를 추적하는 것.

이 기본적인 순서만 익혀도 베어링 진단의 수준을 크게 높일 수 있습니다.

무엇보다 중요한 것은 한 번의 측정값에 집착하지 않는 것입니다. 정상 상태의 데이터를 꾸준히 쌓아두면 어느 순간부터 평소와 다른 주파수 변화가 눈에 들어오기 시작합니다.

베어링은 고장 난 순간에 관리하는 부품이 아니라 고장 나기 전부터 데이터를 통해 관리해야 하는 부품입니다. 회전주파수와 결함주파수의 관계를 이해하는 것부터 시작해 보시기 바랍니다.