18
Oct

พื้นฐานการวิเคราะห์ความสั่นสะเทือน เพื่องานบำรุงรักษาตามสภาพ

(Basic Vibration analysis for Condition-Based Monitoring)

อัษฎายุธ รอดพ่าย
อุตสาหกรรมพัฒนามูลนิธิสถาบันไทย-เยอรมัน
อำเภอเมือง จังหวัด ชลบุรี 20000
โทร: (038)215-033-44 Ext 1805 โทรสาร: (038)743-708
Email: autsadayut.r@tgi.or.th

1. บทนำ

ปัจจุบันการบำรุงรักษาเครื่องจักรในงานอุตสาหกรรมนั้น กลยุทธ์งานบำรุงรักษาแบบตามสภาพ (condition based maintenance) มีความสำคัญมากยิ่งขึ้น โดยกลยุทธ์งานบำรุงรักษาตามสภาพนั้น เป็นกลยุทธ์ที่สามารถตรวจสอบสภาพเครื่องจักรได้ว่า เครื่องจักรที่ใช้ในการผลิตสินค้าต่างๆ ในโรงงานอุตสาหกรรม สามารถใช้งานได้ตามปกติหรือไม่ เป็นกลยุทธ์ที่สามารถป้องกันความเสียหายเนื่องจากเครื่องจักรหยุดกะทันหัน (break down) ได้ดี โดยกลยุทธ์การบำรุงรักษาตามสภาพนั้น สิ่งสำคัญ หรือ หัวใจในงานบำรุงรักษาตามสภาพ คือ การตรวจสอบเครื่องจักร(inspection) ซึ่งดัชนีที่ได้รับความนิยมในการตรวจสอบเครื่องจักร คือการวิเคราะห์การสั่นสะเทือน (vibration analysis) เนื่องจากการวิเคราะห์การสั่นสะเทือน เป็นเทคโนโลยีที่สามารถทำนายความเสียหายของเครื่องจักร [2] เช่น การเสียสมดุล
(unbalance), การเยื้องศูนย์ (misalignment) , การสึกหรอของฟันเกียร์ (worn gear) และความเสียหายของแบริ่ง (bearing defect) เป็นต้น และยังสามารถทราบแนวโน้มที่อุปกรณ์หรือเครื่องจักรต้องตำแหน่งที่วัดว่ากำลังเกิดความเสียหายขึ้น ดังรูปที่1
Trending Data

รูปที่1 ค่าแรงสั่นสะเทือนที่วัดได้ในแต่ละเดือน
จากรูปที่1 แสดงแนวโน้มความเสียหายของเครื่องจักรโดยแกนนอน คือเวลาที่ไปเก็บค่า (operating time) แกนตั้ง แสดงค่าการสั่นสะเทือนในหน่วยความเร่ง โดยเส้นประแสดงแนวโน้มที่เพิ่มขึ้น ซึ่งแสดงว่าเครื่องจักรมีความเสียหายมากขึ้น เส้นทึบแสดงว่าเมื่อทำการแก้ไขแล้วเครื่องจักรกลับสู่สภาวะปกติ
2. การสั่นสะเทือน
การสั่นสะเทือน คือ ปรากฏการณ์ของการเคลื่อนที่ไปกลับไปกลับมาของวัตถุภายใต้แรงกระทำ [1] ซึ่งโดยทั่วไปนั้น การสั่นสะเทือนเป็นสิ่งที่ไม่ต้องการให้เกิดขึ้นกับเครื่องจักร แต่มักหลีกเลี่ยงไม่ได้ อย่างดีที่สุดก็คือการพยายามจำกัดขนาดของการสั่นให้อยู่ในขอบเขตที่ยอมรับได้ โดยในการศึกษาการวิเคราะห์การสั่นสะเทือนของเครื่องจักรนั้น พื้นฐานที่ ต้องทำความเข้าใจ คือ โดเมนเวลา (wave form), โดเมนความถี่ (spectrum),การแปลงฟูริเยร์อย่างเร็ว (Fast Fourier Ttransform), ขนาดของการสั่นสะเทือน(amplitude), ความถี่(frequency), หน่วยวัดขนาดของการสั่นสะเทือน
2.1 ความถี่
ความถี่ในที่นี้หมายถึง จำนวนรอบของการสั่นสะเทือน ต่อหน่วยเวลา ซึ่งสามารถอธิบายอยู่ในรูปของ รอบต่อวินาที( cycle per second, Hz), รอบต่อนาที (cycle per minute, CPM) แต่ถ้าต้องการอธิบายถึงความเร็วของเครื่องจักรจะใช้ รอบ ต่อ นาที (revolution per minute, RPM) ซึ่งในการศึกษางานด้านการวิเคราะห์การสั่นเทือน พารามิเตอร์ที่มีความสำคัญ อีกตัวหนึ่งคือ ลำดับขั้น (order) เป็นพารามิเตอร์ที่แสดงว่าเมื่อเครื่องจักรเกิดการสั่นสะเทือนแล้ว แรงกระทำที่เกิดขึ้นเมื่อเทียบกับความเร็วของเครื่องจักร มีค่าเป็นเท่าไหร่ ดังสมการ

Formula (1)
Example1

ซึ่งจากตัวอย่างพบว่า ชุดพัดลม เกิดแรงกระทำ เกิดขึ้นสามแบบ คือ เมื่อพัดลมหมุนหนึ่งรอบ เกิดแรงขึ้นหนึ่งครั้ง แบบที่สอง คือ เมื่อพัดลมหมุนหนึ่งรอบ เกิดแรงกระทำขึ้นสองครั้ง และแบบที่สามคือ เมื่อพัดลมหมุนหนึ่งรอบ เกิดแรงกระทำขึ้นหกครั้ง ซึ่งแรงที่เกิดขึ้นสามารถทำให้ผู้วิเคราะห์ทราบถึงปัญหาที่เกิดขึ้นกับตัวเครื่องจักรได้ จากตารางพบว่า เครื่องจักรชุดนี้มีปัญหา การเยื้องศูนย์ และ มีความเสียหายเกิดขึ้นในใบของพัดลม ด้วยนั่นเอง
ตารางที่1 แสดงตัวอย่างของ ลำดับขึ้นที่เกิดขึ้นกับเครื่องจักรสัมพันธ์กับความเสียหาย

ความเสียหาย(fault)
ลำดับขั้น (order)
การเสียสมดุล
unbalance
1x
การเยื้องศูนย์
misalignment
1x,2x
ความเสียหายที่เกิดกับใบพัด ยกตัวอย่าง 6 ใบ
6x
2.2 ขนาดของการสั่นสะเทือน (Amplitude)
เป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญที่ใช้ในการบ่งบอกสภาพของเครื่องจักร โดยในที่นี้จะกล่าวถึงพารามิเตอร์หลักที่นิยมใช้ได้แก่
1. การกระจัด (displacement)
2. ความเร็ว (velocity)
3. ความเร่ง (acceleration)
โดยส่วนใหญ่นั้นในการตรวจสอบแรงสั่นสะเทือนของเครื่องจักรนิยมใช้ พารามิเตอร์ทั้งสามชนิดในการวิเคราะห์หาความผิดปกติของเครื่องจักรอาทิเช่น การกระจัด (displacement) เป็นพารามิเตอร์ที่ใช้ศึกษาการเคลื่อนที่ของเครื่องจักร ของโครงสร้าง หรือของส่วนที่มีการหมุนของเครื่องจักร สำหรับพารามิเตอร์ความเร็ว(velocity) คือความเร็วในการเคลื่อนที่กลับไปกลับมาของเครื่องจักรเมื่อเกิดการสั่น แสดงถึงความเสียหายของเครื่องจักรที่เกิดการแรงล้า(fatigue) ของเครื่องจักรนั่นเอง ยิ่งเครื่องจักรมีขนาดของความเร็วมากแสดงว่า เครื่องจักรมีโอกาสเกิดความเสียหายจากแรงล้ามากนั่นเอง ความเร่ง(acceleration) คืออัตราการเปลี่ยนแปลงความเร็วของมวลในการเคลื่อนที่กลับไปกลับมา ซึ่งเมื่อพิจารณาจากกฎข้อสองของนิวตัน F=maพบว่า ค่าความเร่งมีความสัมพันธ์กับแรงที่กระทำกับเครื่องจักร กล่าวคือ เมื่อสนใจพารามิเตอร์ความเร่งแสดงว่ากำลังสนใจแรงที่เกิดการกระแทกภายในเครื่องจักร อาทิเช่น แรงกระแทกที่เกิดจากการขบกันของฟันเกียร์ ว่ามีความผิดปกติหรือไม่ เป็นต้น โดยสามารถแปลงหน่วยระหว่างการกระจัด, ความเร็ว และความเร่งได้ จากสมการที่ 2 และ สมการที่ 3 ตามลำดับ


Formula
โดย
D = การกระจัด หรือ การเคลื่อนที่, µm-Pk
V = ความเร็ว, mm/sec –pk
A = ความเร่ง mm/sec2-pk
f = ความถี่ ,cycle per sec
p = ค่าคงที่มีค่าเท่ากับ 22/7


Vibration

รูปที่ 2 แสดงคุณภาพแรงสั่นสะเทือนแบบ RMS,
ซึ่งในด้านคุณภาพของแรงสั่นสะเทือนที่นิยมใช้วัด ได้แก่ Peak value คือ ค่าสูงสุดของขนาดที่เกิดขึ้นในช่วงเวลาหนึ่ง, Root mean square value (RMS) คือ ค่าเฉลี่ยของผมรวมของแรงสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้น ดังสมการที่ 4
Formula (4)
โดย n คือจำนวนข้อมูลทั้งหมด
ส่วนค่า peak to peak คือค่าสูงสุด ถึงค่าต่ำสุดของขนาดที่เกิดขึ้นในช่วงเวลาหนึ่งๆ ค่าทั้งสามแบบที่กล่าวมาข้างต้น มักจะปรากฏอยู่ทั้งในมาตรฐานของการวัดการสั่นสะเทือนของเครื่องจักร และอุปกรณ์วัดแรงสั่นสะเทือนต่างๆ และยังพบว่าส่วนของความเร็ว และความเร่งจะมีมุมเฟสนำการกระจัดอยู่ 90 องศา และ 180 องศา ตามลำดับ ดังรูปที่ 3

Measure
รูปที่ 3 ความสัมพันธ์ระหว่างการกระจัด ความเร็ว และความเร่ง
ตัวอย่างที่ 2 จงทำการแปลงค่าจากหน่วยของการกระจัด 50 µm pk-pk ที่ 1,500 CPM ไปเป็นหน่วยของความเร็ว mm/sec pk
50 µm pk-pk = 0.025 mm pk
f = 1,500 CPM; f = 1,500/60 = 25 Hz
จากสมการ 2 จะได้ว่า
Solution
2.3 การวิเคราะห์แบบสเปกตรัม (Spectrum Analysis)
การที่กล่าวมาข้างต้นเป็นการกล่าวถึง สัญญาณในรูปของคลื่นไซน์ หรือ แบบฮาร์โมนิกส์อย่างง่าย (Simple harmonic) ซึ่งประกอบไปด้วยแกนของเวลา และแกนของขนาดของการสั่น ดังรูปที่2 ซึ่งเรียกว่า โดเมนเวลา หรือ waveform โดยในความเป็นจริงนั่น สัญญาณที่นำมาวิเคราะห์การสั่นสะเทือนนั้น เป็นสัญญาณในรูปแบบ complex waveform ดังรูปที่ 4 ซึ่งเป็นการยากที่จะแยกปัญหาที่เกิดขึ้นกับเครื่องจักรนั้นๆ ได้
Complex Waveform
รูปที่4 Complex waveform
2.3.1 การแปลงฟูริเยร์อย่างเร็ว(Fast Fourier Transform, FFT)
การแปลงฟูริเยร์อย่างเร็วเป็นกระบวนการทางคณิตศาสตร์ ที่ทำการแปลงจากโดเมนของเวลา หรือ waveform มาอยู่ในรูปของโดเมนความถี่ หรือ spectrum นั่นเอง ซึ่งเป็นกระบวนการที่มีความสำคัญอย่างมาก สำหรับงานวิเคราะห์การสั่นสะเทือนในปัจจุบันทำให้เกิดเครื่องมือวิเคราะห์การสั่นสะเทือนแบบ FFT ซึ่งเป็นเครื่องมือวิเคราะห์การสั่นสะเทือน ที่สามารถวิเคราะห์ปัญหาที่เกิดกับเครื่องจักรได้แม่นยำมากขึ้น ซึ่งหลักการทำงานเป็นไปดังรูปที่ 5
Fast Fourier Transform
รูปที่5 แผนภาพการทำงานของเครื่องวิเคราะห์การสั่น สะเทือน เมื่อผ่านกระบวนการ FFT
โดยในปัจจุบันนั้นเครื่องมือที่ใช้ในการวิเคราะห์ค่าการสั่นสะเทือนแบบFFT จะมีกระบวนการทางคณิตศาสตร์นี้อยู่เพื่อช่วยในการ แปลง wave form ไปเป็น spectrum
3 ตัวอย่างมาตรฐานในการวิเคราะห์การสั่นสะเทือน
การพิจารณาค่าแรงสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นกับเครื่องจักรนั้น มาตรฐานที่ถูกนำมาอ้างอิงในการกำหนดความรุนแรงของปัญหา คือ มาตรฐานสากล ISO 10816 ประกอบไปด้วยทั้งหมด 6 ส่วน โดยค่ามาตรฐานที่กล่าวมานี้ จะวัดค่าแรงสั่นสะเทือนในรูปแบบของความเร็วหน่วยเป็น mm/sec, rms สำหรับหน่วยแบบเมตริกซ์ และ in/sec ,rms สำหรับหน่วยแบบ อังกฤษ
ตารางที่2 มาตรฐาน ISO 18016 part 1 ถึง part 6

ISO
10816 - 1
ข้อมูลทั่วไปในเรื่องเครื่องจักรที่สามารถตรวจสอบได้ วิธีการ และตำแหน่งในการวัดค่าแรงสั่นสะเทือน
10816 - 2
ใบจักรได้น้ำและตัวกำเนิดไฟฟ้า ที่มีขนาดกำลังไฟฟ้ามากกว่า 50 กิโลวัตต์ ทำงานที่ความเร็วรอบ 1,500, 1800, 3,000 และ 3,600 รอบต่อนาที
10816 - 3
เครื่องจักรอุตสาหกรรมที่มีขนาดกำลังไฟฟ้ามากกว่า15 กิโลวัตต์ ทำงานที่ความเร็วรอบ 120 ถึง 15,000 รอบต่อนาที
10816 - 4
ชุดแก๊สเทอร์ไบน์ที่ใช้ในอุตสาหกรรมไม่นับรวมชุดเทอร์ไบน์ในอุตสาหกรรมการบิน
10816 - 5
เครื่องจักรที่ใช้ต้นกำลังแบบลูกสูบที่มีขนาดมากกว่า 100 กิโลวัตต์
10816 - 6
ปั๊มแบบหมุนที่ใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ

ที่มา: ดร. หทัยเทพ วงศ์สุวรรณ (2550)
มาตรฐานนี้จะนำไปใช้ได้เฉพาะ การวัดขนาดของการสั่นสะเทือนที่เกิดกับเครื่องจักรว่า มีความรุนแรงอยู่ในระดับใด ไม่สามารถบอกถึงปัญหาที่เกิดขึ้นกับเครื่องจักรนั้นๆได้

ISO 10816-1
ตารางที่ 3 หมวด ISO 10816-1 ข้อมูลทั่วไปในเรื่องเครื่องจักรที่สามารถตรวจสอบได้ วิธีการ และตำแหน่งในการวัดค่าแรงสั่นสะเทือน
Zone A คือ เครื่องจักรใหม่เริ่มทำงาน ซึ่งถ้าค่าการสั่นสะเทือนตกที่โซนนี้แสดงว่าเครื่องจักรทำงานปกติ
Zone B คือเครื่องจักรมีการสั่นอยู่ในโซนนี้เป็นเครื่องจักรที่สามารถ ยอมรับได้ (acceptable) และสามารถทำงานได้ในระยะยาว(long term)
Zone C คือ เครื่องจักรมีการสั่นสะเทือนอยู่ในโซนนี้นั้น เป็นเครื่องจักรที่การสั่นสะเทือนรุนแรงไม่น่าพอใจ (unsatisfactory) ซึ่งจะมีผลกับเครื่องจักรในระยะยาว โดยทั่วไปเมื่อเครื่องจักรอยู่ในโซนนี้ เครื่องจักรจะต้องทำงานสลับกับเครื่องจักรตัวอื่น หรือ ควรจะทำการตรวจสอบอย่างใกล้ชิด จนกว่าจะมีการแก้ไข
Zone Dคือ เครื่องจักรที่มีการสั่นสะเทือนอยู่ในโซนนี้นั้น เป็นเครื่องจักรที่มีระดับความรุนแรง ที่จะนำไปสู่สาเหตุความเสียหายของเครื่องจักร
ตัวอย่างที่ 3 จากการวิเคราะห์การสั่นสะเทือนของเครื่องจักร 30 kW จะได้สเปกตรัมดังรูป พบว่าปัญหาที่เจอในเครื่องจักรชนิดนี้คือ ปัญหา การเสียสมดุลของเครื่องจักร โดยความเร็ว มีค่าเท่ากับ 3,493 rpm และพบว่าขนาดของการสั่นสะเทือนมีค่าเท่ากับ 3.75 mm/sec, rms จากตารางที่ 3 พบว่าเครื่องจักรชนิดนี้ตกอยู่ใน zone B ซึ่งทำให้ประเมินการทำงานของเครื่องจักรได้ว่า มีความเหมาะสมมากน้อยเพียงใดในการทำงาน

Example2
รูปที่ 6 สเปกตรัมของเครื่องจักร 30 kW, 3,943 rpm
4. สรุป
วิธีการตรวจสอบค่าการสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นกับเครื่องจักรทำให้สามารถประเมิน หรือ ทำนายความเสียหายที่เกิดขึ้นกับเครื่องจักรและช่วยในการแก้ไขปัญหาที่เกิดขึ้นกับเครื่องจักรได้แม่นยำ และรวดเร็วมากขึ้น และยังเป็นเครื่องมือที่มีความเหมาะสม กับงานบำรุงรักษาตามสภาพ โดยควรเก็บข้อมูล ทุกๆ วัน หรือ ทุกสัปดาห์ หรือ ทุกเดือน เพื่อทำให้ข้อมูลที่ได้มีความแม่นยำมากขึ้นนั้นเอง
5. เอกสารอ้างอิง
1). ก่อเกียรติ บุญชูกุศล, สมศักดิ์ ไชยะภินันท์ และชัยโรจน์ คุณพนิชกิจ. (2540). การวิเคราะห์การสั่นสะเทือน การเฝ้าตรวจและการจัดการการบำรุงรักษา. ส่วนตำราสนับสนุนเทคนิคอุตสาหกรรม สมาคมส่งเสริมเทคโนโลยี (ไทย – ญี่ปุ่น).
2). หทัยเทพ วงศ์สุวรรณ. (2550). การตรวจสอบเครื่องจักรกลจากค่าความสั่นสะเทือน วารสาร:Mechanical Technology Magazine ฉบับที่ 6 เล่มที่ 69 หน้า 80-83
3). Eshleman L. Ronald (2005). Basic Machinery Vibration. United States of America: Clarendon Hills.


BACK