ความสั่นสะเทือนในงานอุตสาหกรรม
(Vibration in Industries)

ในบทความนี้จะได้กล่าวถึงหลักการเกิดและสาเหตุของความสั่นสะเทือนอย่าง ง่ายที่ทุกคนสามารถเข้าใจได้พร้อมตัวอย่างของงาน การคำนวณอย่างง่าย ซึ่งจะรวมถึงเทคนิค และวิธีการวัดฯ  ส่วนในช่วงท้ายจะสรุปถึงผลของความสั่นฯและวิธีการแก้ไขเพื่อเป็นแนวทางในการ ตัดสินใจดำเนินการแก้ไขต่อไป

ในการทำงานทุกรูปแบบย่อมต้องมีการเคลื่อนที่ของทั้งวัตถุดิบ และเครื่องจักร เพราะการเคลื่อนที่ทำให้เกิดงาน โดยสามารถแบ่งแยกลักษณะการเคลื่อนที่ออกได้เป็น2 ลักษณะใหญ่ๆด้วยกันคือ

1. การเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องรอบจุดใดจุดหนึ่งในทิศทางเดียว

2. การเคลื่อนที่กลับไปกลับมาทั้งตามเชิงเส้นและเชิงมุม (Linear or Angular movement)

แต่ที่เราพบมากที่สุดในงานอุตสาหกรรมนั้นจะเป็นการเคลื่อนที่ ในลักษณะที่

1. หรือที่เราเรียกว่าการหมุน (Rotation) ซึ่งจัดอยู่ในประเภทระบบงานที่มีการเคลื่อนที่ (Dynamics)

การเคลื่อนที่ของชิ้นส่วนอุปกรณ์ และวัตถุดิบนั้น ถ้าเป็นการเคลื่อนที่ที่ความเร็วช้ามากๆ หรือไม่เคลื่อนที่เลย ( Statics) แรงต่างๆที่มีผลมาจาก
มวลของระบบคงไม่สามารถแสดงอิทธิฤทธิ์ใดๆต่อสิ่งแวดล้อมได้คงจะมีเพียงแรงที่ เกิดจากความโน้มถ่วงของโลกที่ทำให้เกิดน้ำหนักที่ต้อง
รองรับเพียงอย่างเดียวที่บทความนี้จะขอข้ามไปโดยไม่ขอกล่าวถึงรายละเอียดให้มากความ

ในส่วนของงานหมุนนั้น องค์ประกอบของระบบจะต้องประกอบด้วยชิ้นส่วนใหญ่ๆ ส่วนด้วยกันคือ
1. เพลา ( Shaft )
2. รองลื่น ( Bearing )

เพลา (Shaft) คือ อุปกรณ์ที่ใช้สำหรับติดตั้งอุปกรณ์ทำงาน หรือใช้ส่งกำลังจากจุดหนึ่งไปยังจุดอื่นๆ ตัวอย่างเช่น พัดลมระบายอากาศ
( Ventilating fan )  จะประกอบด้วย ใบพัดที่ติดตั้งอยู่บนเพลา  และที่ปลายเพลาทั้งสองด้านจะถูกรองรับไว้ด้วยรองลื่น (Bearing)
ถ้าเป็นพัดลมชนิดที่ทิศทางการไหลของอากาศไหลตามแนวรัศมี ( พัดลมของเครื่องปรับอากาศ จะมีเสื้อ (Casing)
หุ้มอยู่ภายนอกอีกชั้นหนึ่งเพื่อบังคับให้ลมไหลได้อย่างมีประสิทธิภาพ  โดยที่ปลายเพลาด้านใดด้านหนึ่งจะมีล้อสายพาน ( Pulley )
ยึดติดอยู่เพื่อรับการส่งกำลังการหมุนจากต้นกำลังที่อาจจะเป็น มอเตอร์ ฯ มาทำให้พัดลมหมุน หรือติดตั้งต้นกำลังขับตรงที่ปลายเพลาก็ได้

รองลื่น (Bearing) คืออุปกรณ์ที่ใช้รอง รับปลายเพลาทั้งสองด้าน โดยมีหน้าที่หลักในการรับน้ำหนักของอุปกรณ์ต่างๆที่ติดตั้งอยู่บนเพลา และรวมทั้งยอมให้เพลาหมุนไปได้โดยมีแรงต้านการหมุน ( ความฝืด / Frictions ) น้อยที่สุด

ถ้าเราพิจารณาองค์ประกอบของระบบจะเห็นว่าการทำงานของพัดลมคงจะไม่มีปัญหาใดๆถ้าจุดเชื่อมต่อต่างๆในระบบทำงานได้อย่างเต็ม
ประสิทธิภาพ  แต่ในทางปฏิบัติมักจะมีปัญหาให้ต้องแก้ไขปรับปรุงอยู่หลายจุดโดยพอจะสรุป ปัญหาหรือความผิดปกติได้ 4  สาเหตุดังต่อไปนี้

1. ความล้มเหลวของรองลื่นแบบต่างๆ  (  Bearing  failure  )

2. การสึกหรอหรือการหลุดหลวม  (  Losseness  )

3. การจัดศูนย์กลางของการส่งกำลังไม่ตรงกัน  (Mis – alignment )

4. ความไม่สมดุลย์ของงานหมุน  (  Out  of  balance  )

จากลักษณะของปัญหาที่ได้ยกมาให้เห็นในข้อที่ 1.ถึง ข้อที่ 3. นั้น  เราสามารถตรวจสอบและสัมผัสได้ด้วยประสาทสัมผัสภายนอก เช่น
มีระยะคลอน  มีความร้อน  และมีเสียงดัง เป็นต้น จะเห็นว่าลักษณะของปัญหามีลัษณะเป็นรูปธรรมที่สามารถสังเกตุเห็นได้ง่ายและ ชัดเจน
จะมีเพียงหัวข้อที่ 4. ความไม่สมดุลย์ของงานหมุนเท่านั้นที่ไม่สามารถสัมผัสได้ด้วยประสาทสัมผัสภาย นอกได้อย่างทั้ง 3 ข้อข้างต้น
แต่อย่างไรก็ตามเราสามารถตรวจวัดผลที่เกิดด้วยเครื่องมือที่ทันสมัยและมี ความเชื่อถือได้ที่สูงสุดในปัจจุบันโดยใช้เทคนิคดังต่อไปนี้คือ

เทคนิคการตรวจสอบด้วยวิธีการวัดความสั่นสะเทือนโดยรวม (  Overall  Vibration )

เทคนิคในการตรวจสอบด้วยวิธีนี้จะพิจารณาจากความสั่นตลอดย่านของการวัด  แต่จะนำภาพรวมที่อ่านได้มาพิจารณาเพียงค่าเดียว โดยทำการวัดได้จากทั้ง  Displacement mode ,  Velocity  mode  และ  Acceleration  mode

Displacement  mode  จะตอบสนองดีมากที่ความถี่ต่ำ และใช้ได้เป็นอย่างดีสำหรับการพิจารณาในส่วนของความไม่สมดุลย์ หรือปัญหาต่างๆที่เกิดขึ้นที่ความถี่ต่ำ  เช่น ความเยื้องศูนย์  และการหลวมคลอน โดยสามารถอธิบายหลักการทำงานอย่างง่าย
ได้ว่าเป็นการวัดระยะขจัดหรือระยะที่ระบบงานเคลื่อนตัวออกไปจากระนาบการทำงานโดยแรงหนีศูนย์ที่เกิดจากมวลของระบบ
ที่ไม่เท่ากัน เราสามารถหาความไม่สมดุลย์ของมวลของระบบได้ด้วยการใส่มวลทดสอบ (Trial weight )

Velocity  mode  มีความตอบสนองดีปานกลางตลอดย่านความถี่และสามารถใช้ได้ดีกับการตรวจสอบความ ผิดปกติที่เกิดจาก ความไม่สมดุลย์  ความเยื้องศูนย์  การหลุดหลวม และ ความเสี่ยหายที่เกิดขึ้นในรองลื่นชนิดลูกปืนแท่ง (  Roller  bearing  )

Acceleration mode  มีความตอบสนองที่ดีต่อการวัดในย่านความถี่สูง  เหมาะที่จะใช้ในการตรวจสอบความเสียหายในรองลื่นชนิดลูกปืนแท่ง

เทคนิคการตรวจสอบด้วยวิธีการวัดแถบความถี่  ( Vibration  spectrum )

แถบความถี่  เป็นเครื่องมือตรวจสอบที่มีประโยชน์มากที่สุดแบบหนึ่ง โดยสามารถใช้เป็นเครื่องมือในการหาความผิดพลาดทั้งหลายที่เกิด
ตัวอย่างเช่น การเกิด  Cavitation  (การยุบตัวของฟองอากาศที่ผิวของชิ้นส่วนที่กำลังทำงาน) อย่างรุนแรงที่ใบพัดของปั๊ม  อีกทั้งยังเป็น
เครื่องมือที่มีความเที่ยงตรงในการวิเคราะห์สูงโดยเฉพาะ ความไม่สมดุลย์ของการหมุน

แถบความถี่ คืออะไร ?  คือภาพรายเส้นของความสั่นสะเทือนจากเครื่องจักรที่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ที่ความถี่ต่างๆกัน เช่น เมื่อเพลาข้อเหวี่ยง
ของเครื่องยนต์หมุนไปที่  4000 รอบ/นาที  จะทำให้เกิดความสั่นสะเทือน  4000  คาบ/นาที โดยเราจะใช้เครื่องวิเคราะห์แถบความสั่นสะเทือน
(  Spectrum  Analyser ) วิเคราะห์กวาดไปตามความถี่ต่างๆอย่างช้าๆ  เพื่อดูว่ามีความสั่นสะเทือนอย่างไร โดยสามารถพิมพ์ผลการสั่นสะเทือน
ออกมาทางเครื่องพิมพ์ในรูปของภาพรายเส้นที่แสดงการเปรียบเทียบระหว่างขนาดของความสั่นสะเทือน กับ ความถี่ของการสั่นสะเทือน

ในทางปฏิบัติเรามักจะติดตามดูพฤติกรรมการสั่นสะเทือนเพื่อดูแนว โน้ม ( Trends ) ว่าเกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างไร ซึ่งจะเป็นประโยชน์อย่างมาก
ต่อการพิจารณาการทำการบำรุงรักษา

มาถึงตรงจุดนี้หลายท่านยังคงนึกภาพไม่ออกอยู่ดีว่าการที่ระบบงานหมุนขาดความสมดุลย์นั้นมีผลอย่างไรต่อการใช้งาน เรามาลองพิจารณา
ระบบตัวอย่างต่อไปนี้ ซึ่งประกอบด้วย เพลาที่ติดตั้งอยู่บนรองลื่น และบนเพลาติดตั้งไว้ด้วยจานโลหะที่กึ่งกลางระยะระหว่างรองลื่นทั้งสอง
ที่ปลายด้านหนึ่งมีต้นกำลังขับเพลาให้หมุนที่ความเร็วรอบที่กำหนด

จากรูปจะเห็นว่าระบบคงทำงานได้อย่างราบเรียบโดยปราศจากปัญหาใดๆเนื่องจากระบบมีความสมดุลย์  ( Balance ) ดี  แต่จะเกิดอะไรขึ้น
ถ้าเรานำน้ำหนักส่วนเกินติดเข้าไปที่จานโลหะนั้น

ก่อนที่เราจะพิจารณาถึงผลของน้ำหนักที่ติดเพิ่มเข้าไป  จะขอวกกลับมาเข้าเรื่องทางทฤษฎีอีกสักนิดดังต่อไปนี้
จากกฎข้อที่สองของนิวตัน  :
เมื่อ

F = แรงกระทำ (N)
m = มวลของระบบ (kg)
a = อัตราเร่ง

จากกฏข้อที่สองสามารถอธิบายเชิงอรรถได้ว่า มวลใดๆที่ถูกกระทำโดยความเร่ง (Acceleration , ซึ่งที่จริงก็คือแรงนั่นแหละเพียงแต่เป็นแรง
ที่เพิ่มขึ้นทุกทุกวินาที ) ให้เคลื่อนที่ไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง และตราบใดที่ยังมีความเร่งมากระทำกับมวลดังกล่าว มวลก็จะยังคงเคลื่อนที่
ต่อไป  แต่ถ้าหากมีสิ่งใดมาขวางทางการเคลื่อนที่ของมวล  มวลนั้นก็จะพุ่งชนสิ่งที่มาขวางทางด้วยแรง F  โดยการเคลื่อนที่ดังกล่าวข้างต้น
เป็นการเคลื่อนที่เชิงเส้น  แต่ในอีกทางหนึ่งถ้ามวลเคลื่อนที่รอบจุดใดๆดังที่ได้กล่าวๆไว้แล้วตั้งแต่ ตอนต้นเราจะต้องใช้ความสัมพันธ์สำหรับ
หาขนาดของแรงซึ่งมีทิศทางหนีออกจากศูนย์กลาง

อาการดังกล่าวเหล่านี้เกิดขึ้นกับเครื่องจักรกลในโรงงานของท่านจะเกิดอะไรขึ้น คำตอบมีหลายคำตอบซึ่งพอจะสรุปได้เป็นข้อๆดังต่อไปนี้

1.   อายุของรองลื่นจะสั้นลงอย่างมากๆ

2.  โครงสร้างต่างๆที่ต่อเนื่องกันอยู่จะแตกร้าวและพังลงในที่สุด

3.   ประสิทธิภาพของระบบจะลดลงอันจะส่งผลให้

4.   สิ้นเปลืองพลังงานเพิ่มขึ้น  ( ไฟฟ้า  น้ำมันเชื้อเพลิง  )

5.   ค่าใช้จ่ายในการซ่อมบำรุงเพิ่มขึ้น ฯลฯ

ทั้งหมดนั้นเป็นเพียงตัวอย่างเล็กๆน้อยๆ ซึ่งในความเป็นจริงยังมีผลตามมาอีกมากมาย แต่สิ่งที่เกิดย่อมมีหนทางแก้ไขซึ่งเราจะมาพิจารณา
ถึงสาเหตุของความสั่นสะเทือนว่าเกิดขึ้นได้อย่างไรโดยในบทความนี้จะเน้นเฉพาะในส่วนของความไม่สมดุลย์ของงานหมุนเท่านั้น
จริงๆแล้วต้นเหตุของความสั่นสะเทือนก็มีผลมาจากหลายส่วนโดยพอจะสรุปได้เป็นข้อๆดังต่อไปนี้

1.      เกิดจากการออกแบบ และ ผลิตชิ้นงานไม่ได้มาตราฐาน

2.      เกิดจากการบิดงอผิดรูป ( โดยเฉพาะบรรดาพัดลมทั้งหลาย ) เมื่ออายุงานมากๆ หรือใช้งานผิดประเภท

3.      เกิดจากการสึกหรอของชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ ( มวลของระบบหายไป ) เนื่องจากการเสียดสีกับวัตถุทำงานของระบบ

4.      เกิดจากการก่อตัวของวัตถุที่ไม่ต้องการขึ้นบนชิ้นส่วนเคลื่อนที่ ฯลฯ

จากสาเหตุดังกล่าวข้างต้นเป็นเพียงตัวอย่างบางส่วนเท่านั้น สำหรับวิธีการแก้ไขก็สามารถทำได้ไม่ยาก โดยสาเหตุที่ 1 ถึง สาเหตุที่  3.
แก้ไขได้ด้วยการส่งเข้าโรงงานเพื่อทำการปรับสมดุลย์(Dynamic Balancing) ที่ใช้ทั้งเทคโนโลยี และความสามารถเฉพาะที่ถูกต้อง
ตามหลักวิชาการเสียใหม่ปัญหาก็จะหมดไป ส่วนข้อที่ 4. นั้นดูจะเบาที่สุด สามารถแก้ไขได้ในโรงงานที่ติดตั้งเครื่องจักรนั้นๆได้เลย
ก็คือ ทำความสะอาดระบบเสียปัญหาต่างๆก็จะหมดไป

เอกสารอ้างอิง

1.The Petroleum Institute of Thailand .,  a course on  “ Vibration Analysis and Predictive Maintenance , SASA  International House , Bangkok ., August 1989 .

2. ดำรงมาศญ์  อึ๊งโสภาพงษ์  เอกสารประกอบการสอนวิชา “ 10-3933 : Plant Maintenance Engineering “ ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล  สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ 2543

3. Operating Manual  , Balancing Machine with Analog Measurement Unit  by  Hofmann Maschinenbau  GmbH  64319
Pfungstadt ., 1993

ขอบคุณที่มา: http://www.specmechanical.com/tips.htm

credit ภาพ: https://go.pardot.com/l/585193/2019-07-19/fxlrb