• 18 October 2010
• Author: Administrator
• Tags: articles, technical
• 1 Comments Read 6236

การวิเคราะห์การสั่นสะเทือนของฟันเฟือง กรณีศึกษา:เฟืองดอกจอก

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

1. บทนำ

ปัจจุบันกลยุทธ์การบำรุงรักษาตามสภาพเชิงรุก(Condition based Maintenance) เป็นกลยุทธที่นำวิธีการตรวจสอบวิเคราะห์สภาพของเครื่องจักรกล ในปัจจุบันมีหลายวิธีการเพื่อบ่งบอกถึสภาพการทำงานของอุปกรณ์ภายในเครื่องจักร เช่น การตรวจวัดอุณหภูมิ, ความดัน, สภาพสารหล่อลื่น และ การวัดค่าการสั่นสะเทือน[1] สำหรับการวัดค่าการสั่นสะเทือนนั้น เป็นวิธีการที่สามารถตรวจสอบความผิดปกติที่เกิดขึ้นกับเครื่องจักรได้ อาทิเช่น การเสียสมดุลย์, การเยื้องศูนย์, ความเสียหายของตลับลูกปืน และ ความเสียหายของชุดเกียร์ เป็นต้น โดยสามารถตรวจสอบความผิดปกติเหล่านี้ได้จาก การวิเคราะห์ความผิดปกติผ่านทาง รูปแบบเฉพาะของ สเปกตรัม(Spectrum) และ กราฟรูปคลื่น (Waveform) เนื่องจากข้อมูลดังตารางที่ 1 พบว่า ปัญหาที่ทำให้ชุดเกียร์เกิดความเสียหายมาจากการแตกหัก มากถึง 61 เปอร์เซ็นต์ ในรายละเอียดพบว่าปัญหาการแตกหัก หรือ การชำรุด ที่เกิดขึ้นกับฟันเกียร์มีมากถึง 56.6 เปอร์เซ็นต์ ประกอบไปด้วย การแตกหักของฟันเกียร์ที่เกิดจากการล้าตัว(Fatigue Breakage, Teeth) 32.8 เปอร์เซ็นต์, การแตกหักของฟันเกียร์ที่จากการรับภาระกรรมมากเกินไป(Overload Breakage , Teeth) 19.5 เปอร์เซ็นต์ และ ฟันเกิดการ Chipping (Chipping, teeth) 4.3 เปอร์เซ็นต์

ตารางที่ 1 แสดงชนิดความเสียหายของเกียร์( Type of Failure, %)

ที่มา: [2]
จากข้อมูลดังกล่าว จะพบว่าความเสียหายส่วนใหญ่ที่เกิดขึ้นกับชุดเกียร์นั้น จะเกิดความเสียหายกับฟันเกียร์ เป็นส่วนใหญ่ ซึ่งวิธีการวัดการสั่นสะเทือน สามารถตรวจพบความผิดปกติที่เกิดกับฟันเกียร์ได้ดีโดยไม่ต้องหยุดเครื่องจักร บทความฉบับนี้จะกล่างถึงความผิดปกติที่เกิดขึ้นกับชุดเฟืองดอกจอก(Bevel Gear) โดยจะเปรียบเทียบรูปแบบ ที่ชุดเฟืองปกติ (Normal Gear) กับ ชุดเฟืองที่เกิดความเสียหายเนื่องจาก ฟันชำรุด (Broken Gear Teeth)

2. พื้นฐานการวัดการสั่นสะเทือนของชุดเกียร์

การวิเคราะห์การสั่นสะเทือนนั้น สำหรับชุดเกียร์นั้น จะต้องมีความเข้าใจถึงพารามิเตอร์พื้นฐานที่มีความสำคัญสำหรับการวิเคาระห์การสั่นสะเทือนของชุดเฟืองเกียร์ คือ ความถี่ที่ฟันเฟืองขบกัน (Gear Mesh Frequency, GMF) ซึ่งสามารถหา

รูปที่ 1 แสดงรายละเอียดของเฟืองดอกจอก

จากรูปที่ 1 สามารถเขียนได้ดังสมการที่1

ของเฟืองเกียร์จะพิจารณาจาก GMF ของเฟืองเป็นส่วนสำคัญ จาก [3] แสดงตัวอย่างลักษณะความผิดปกติของฟันเฟืองไว้ดังนี้

2.1 เกียร์ฟันเฟืองปกติ (Normal Gear)

โดยทั่วไปแล้วความถี่ของเฟืองเกียร์จะต้องแสดงความถี่ GMF โดยจะต้องไม่มี ฮาโมนิกส์ (Harmonic) ของ GMF หรือ ถ้ามีต้องมีค่าน้อยมาก รวมไปถึงจะมีความถี่เคียงข้าง (Sideband) เท่ากับ 1X ของเพลาทั้งด้านซ้ายและด้านขวา ซึ่งขนาดของแอมพลิจูดของความถี่ข้างเคียงจะต้องมีค่าน้อยมาก หรือไม่มีเลยเช่นกัน และต้องไม่แสดงความถี่ธรรมชาติของเกียร์

รูปที่ 2 สเปกตรัมแสดงเกียร์มีฟันเฟืองปกติ

2.2. การแตกของฟันเกียร์ (Cracked/Broken Tooth)

การร้าวหรือแตกของฟันเกียร์อาจจะกระตุ้นให้เกิดความถี่ธรรมชาติ ( ) และจะต้องมีความถี่ข้างเคียง(Sideband) ของ GMF มีค่าเท่ากับ 1X ของรอบการหมุนของเฟืองเกียร์ที่เกิดการแตก และจะต้องตรวจสอบร่วมกับกราฟรูปคลื่น(Waveform) ด้วย โดยถ้าเฟืองมีการแตกหักจะพบว่า ทุกครั้งที่ฟันของเฟืองเกียร์ที่มีการแตกมาขบกับฟันคู่ขบ จะแสดงแรงเนื่องจากการกระแทกมีลักษณะดังรูปที่ 3 โดยมีระยะห่างมีค่าเท่ากับ 1 รอบการหมุน หรือ สอดคล้องกับ 1/ RPM ( ) หน่วยเป็นวินาที

รูปที่ 3 Waveform แสดงเกียร์ฟันหัก

3. ผลการวิเคราะห์การสั่นสะเทือน

ซึ่งบทความนี้ อาศัยชุดจำลองความเสียหาย (Machine Fault Simulation, MFS) ดังรูปที่ 4

รูปที่ 4 Machine Fault Simulations (MFS)

เพื่อจำลองความเสียหายของฟันเฟืองดอกจอก แบ่งเป็น ฟันเฟืองปกติ และ ฟันเฟืองที่มีการแตกหัก โดยรายละเอียดของฟันเฟือง ประกอบไปด้วย เฟืองขับ(Driver) มีจำนวนฟัน เท่ากับ 18 ฟัน และ เฟืองตาม(Driven) มีจำนวนฟัน เท่ากับ 27 ฟัน ความเร็ว อินพุท มีค่าเท่ากับ 591 rpm

รูปที่ 5 แสดงตำแหน่งการวัดค่าการสั่นสะเทือน

การทดสอบหาความถี่ธรรมชาติของชุดฟันเฟืองด้วยวิธีการ Bump Test (Equipment off) ได้ค่าความถี่ธรรมชาติมีค่าเท่ากับ 505 CPM ดังรูปที่ 6

รูปที่ 6 Bump test (Equipment off)

รูปที่7 แสดงสเปกตรัมของฟันเฟือง ปกติ

จากรูปที่7 พบว่าแท่งความถี่จะแสดงค่า GMF เพียงค่าเดียว โดยไม่มีแท่งความถี่ข้างเคียง (Side band) นอกจากขนาด (Amplitude) ของฮาโมนิกส์ (2xGMF, 3xGMF) ซึ่งมีค่าน้อยมาก

รูปที่ 8 สเปกตรัมแสดงลักษณะเกียร์ฟันหัก

รูปที่9 waveform แสดงลักษณะเกียร์ฟันหัก

จากรูปที่ 8 พบว่า ที่ 18 order จะมีความถี่เทียบเคียง (Sideband) มีขนาด(Amplitude)ที่มีค่าสูง โดยความถี่ของ Sideband มีค่าเท่ากับ ความเร็วรอบของ เพลา อินพุท คือ 591 rpm และจากรูปที่ 9 พบว่า จะมีแรงกระทำจากการขบกันของฟันเกียร์ เกิดขึ้นทุก 1 รอบการหมุน แสดงว่าเกียร์เกิดความผิดปกติ โดยเกียร์มีอาการฟันหัก (Broken Gear tooth) ดังรูปที่10

รูปที่10 แสดงสภาพฟันเฟืองที่ใช้ทดสอบ

4. สรุป

จากการศึกษาพบว่า ในการวิเคราะห์หาความผิดปกติของฟันเฟืองดอกจอกนั้น สามารถตรวจสอบได้จากค่า GMF ของฟันเฟืองนั้นๆ โดยดูจากความผิดปกติของ สเปกตรัม และ กราฟรูปคลื่น ไปพร้อมกัน จะพบว่า ถ้าฟันเฟืองเกิดการแตกหัก สัญญาณการสั่นสะเทือนจะปรากฎ ความถี่ของ sideband มีค่าสูงและมีจำนวนมาก ส่วนสัญญาณที่ได้จาก waveform นั้น จะปรากฎ แรงกระแทก หนึ่งครั้ง ต่อ หนึ่งรอบ ซึ่งจะแตกต่างจากสัญญาณการวัดค่าการสั่นสะเทือนที่ฟันเฟืองมีสภาพปกติ อย่างชัดเจน โดยฟันเฟืองที่มีสภาพปกตินั้น จะไม่ปรากฎจำนวนความถี่ข้างเคียง(sideband) และ จำนวน ฮาโมนิกส์ (2xGMF, 3xGMF) จะมีขนาด(Amplitude) มีค่าน้อยมากนั้นเอง แต่ในการทำการทดสอบ โดยการจำลองฟันเฟืองหักนั้น ไม่พบความถี่ธรรมชาติของฟันเฟืองเกิดขึ้น การวิเคราะห์การสั่นสะเทือนของฟันเฟืองนั้น อาจกล่าวได้ว่า ข้อมูลที่ได้จาก สเปกตรัม และ กราฟรูปคลื่น(Waveform) และ ข้อมูลทั่วไปของชุดเกียร์อาทิ เช่น ฟันเกียร์ และ ความเร็วรอบ นั้น เพียงพอต่อการวิเคราะห์ปัญหาเฟืองฟันแตก แล้วนั่นเอง

เอกสารอ้างอิง

1). เศรษฐพงษ์ ฮามคำไพ, สุจินต์ บุรีรัตน์ และ นวภัค เอื้ออนันต์ (2550). การเปรียบเทียบเทคนิคประมวลสัญญาณเพื่อตรวจจับความเสียหายในชุดเฟืองเฉียง วิศวกรรมสาร มข. 34(1) : 59 - 72
2). MAINTENANCE TECHNOLOGY INTERNATIONAL INC. Troubleshoot Gear Drive [Online]. Available: http://fileserver.urimarketing.com/LU/CourseCatalog/GearDrives.pdf
3.) Technical Associates of Charlotte, P.C. (1996). Vibration Diagnostic Handbook (Table I): 1-5