Coupling คืออะไร และสำคัญอย่างไร?

โดยปกติแกนหมุนของมอเตอร์ไฟฟ้าซึ่งต่อเข้ากับเพลาของเครื่องจักรกลหมุนจะต้องเชื่อมต่อกันเป็นแนวตรง และได้ระดับต่อกัน เรียกว่า 'Alignment' การเชื่อมต่อกันของเพลาทั้ง 2 ส่วนดังกล่าว หากทำได้ไม่ดีพอก็จะเกิดผลเสียต่อประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องจักร และยังทำให้อายุการใช้งานสั้นลงด้วย

ทั้งนี้ หากแกนหมุนของมอเตอร์กับเพลาขับของเครื่องจักรกลหมุนเกิดการเยื้องศูนย์ หรือ 'Misalignment' เราจะสังเกตุเห็นการสั่นสะเทือนผิดปกติหรือมีเสียงดังผิดปกติ และสัมผัสได้ถึงอุณหภูมิที่ร้อนผิดปกติบริเวณชิ้นส่วนกลไกที่มีการเคลื่อนที่ หรือหมุน เช่น ตลับลูกปืนมอเตอร์ เพลาขับของปั๊มน้ำ หรือตลับลูกปืนของเครื่องจักรหมุน เป็นต้น

หากผู้ใช้งานพบว่าแบริ่งเสียบ่อย อายุการใช้งานสั้นกว่ากำหนด ชิ้นส่วน Seal รั่วหรือหลวม ชิ้นส่วนทางกลชำรุดเสียหาย รั่ว ท่อสั่น หน้าแปลนแตกบ่อย เครื่องจักรสั่น มีเสียงดัง อายุการใช้งานสั้น สิ้นเปลืองค่าใช้จ่ายในการซ่อมบำรุง ปัญหาเหล่านั้น 60-70% เป็นสัญญาณบ่งบอกว่ามาจากปัญหาการส่งถ่ายแรงบิดที่มีการเยื้องศูนย์

การเยื้องศูนย์เกิดขึ้นจากหลายสาเหตุ ยกตัวอย่างเช่น การประกอบชิ้นส่วนมอเตอร์ที่ต่อเพลาเข้ากับปั๊มน้ำอย่างไม่เที่ยงตรง ทำให้เกิดการเลื่อนตำแหน่งหลังจากประกอบเสร็จ ส่งผลให้เกิดความเสียหายได้ ทั้งนี้ รูปแบบของการเชื่อมต่อระหว่างแกนหมุนกับเพลาซึ่งไม่ได้แนวนั้นแบ่งออกเป็น 3 ลักษณะ ได้แก่

1. การเยื้องศูนย์เชิงมุม (Angular Misalignment) เป็นลักษณะการเชื่อมต่อระหว่างแกนหมุนของมอเตอร์กับเพลาหมุนของเครื่องจักรที่ไม่ได้แนวตรง แต่ทำมุมระหว่างกัน ทั้งนี้มีสาเหตุมาจากการติดตั้งระบบไม่ดี หรือเกิดการเลื่อนตำแหน่ง เลื่อนระยะห่าง ทำมุมค่าใดค่าหนึ่งระหว่างกัน การเชื่อมต่อที่ไม่ได้แนวเชิงมุมนี้ จะเกิดการโก่งตัวขึ้นที่แกนหมุน และส่งผลให้เกิดการสั่นสะเทือนขึ้นในอัตราตั้งแต่ 1-2 เท่าของความเร็วรอบและแรงสั่นสะเทือนจะส่งไปยังตลับลูกปืนของเพลาหมุนทั้ง 2 ฝั่ง ทั้งนี้ มุมที่เกิดการเชื่อมต่อไม่ได้แนวแบบนี้อาจเป็นไปได้ทั้ง 4 แนว คือมุมเอียงซ้าย ขวา บน หรือล่าง และถ้าแนวศูนย์กลางของเพลาทั้ง 2 ยื่นออกมากขึ้นจนเกยกัน ก็จะทำความเสียหายกับเครื่องจักรหมุนได้ทันที
2. การเยื้องศูนย์แนวขนาน (Parallel Misalignment) จะเกิดขึ้นเมื่อแนวศูนย์กลางของเพลาทั้ง 2 ขนานกัน แต่ไม่ได้อยู่ในแนวระนาบเดียวกัน
3. การเยื้องศูนย์แบบผสม (Combined Misalignment) รูปแบบการเชื่อต่อที่ไม่ดีระหว่างเพลาหมุน ซึ่งมีรูปแบบทั้งไม่ได้ขนานและทำมุมเอียงต่อกัน หากความเร็วรอบของเครื่องจักรมีการเปลี่ยนแปลง จะส่งผลให้ระดับการสั่นสะเทือนซึ่งเกิดความไม่สมดุลของเพลาหมุนเพิ่มขึ้นเป็นกำลังสองเท่าของความเร็วรอบ ยกตัวอย่างเช่น หากความเร็วรอบเพิ่มขึ้น 2 เท่า จะส่งผลให้เกิดการสั่นสะเทือนเพิ่มขึ้นได้ถึง 4 เท่า

การสั่นสะเทือนผิดปกติในเวลาเพียงไม่นานก็อาจทำให้เกิดความเสียหายต่อระบบได้ ดังนั้น มอเตอร์ที่มีขนาดใหญ่ โดยปกติจะเชื่อมต่อเพลาเพื่อขับโหลดด้วยอุปกรณ์ที่เรียกว่า คัปปลิ้ง (Coupling)

1. คัปปลิ้งแบบอ่อน (Flexible Coupling) ที่ใช้กันในงานอุตสาหกรรมมี 4 ชนิด ทั้งนี้แต่ละชนิดจะมีลักษณะการใช้งานที่แตกต่างกัน ดังนี้
   1. Mechanical Coupling เป็นคัปปลิ้งแบบที่ใช้ชิ้นส่วนของลูกกลิ้งหมุน หรือข้อต่อโลหะเป็นตัวเชื่อมเพลาหมุน และในการใช้งานจะต้องมีสารหล่อลื่นที่ตัวคัปปลิ้งอยู่ตลอดเวลา เช่น คัปปลิ้งแบบใช้เฟืองเกียร์ (Gear Coupling) ซึ่งเหมาะกับงานที่มีแรงบิดสูง หรือแบบกริด (Grid Coupling) ซึ่งคล้ายแบบเกียร์ แต่ต่างกันที่จะใช้ในงานที่มีแรงบิดน้อยกว่า นอกจากนี้ยังมีแบบที่ใช้โลหะ (Chain Coupling) และ Universal Joint แบบที่ใช้ในรถยนต์ เป็นต้น
   2. Elastomeric Coupling โดยทั่วไปแบบนี้อาศัยความยืดหยุ่นของวัสดุประเภทยางหรือพลาสติก เป็นชิ้นส่วนที่ทำให้เกิดการยืดหยุ่นในระหว่างการขับเพลาหมุน แต่การใช้งานจะต้องระมัดระวังเรื่องความร้อนสูง ซึ่งเกิดจากค่าความสูญเสียของวัสดุจากผลของ Hysteresis และต้องระวังเรื่องของสารเคมีที่จะทำปฏิกิริยากับยางและพลาสติก จนทำให้คุณสมบัติของคัปปลิ้งเสียไป
   3. Metallic Membrane Coupling อาศัยความยืดหยุ่นจากแผ่นโลหะบางๆ เช่น ไดอะแฟรม (Diaphragms) ยกตัวอย่างเช่น คัปปลิ้งแบบ Disc ซึ่งใช้แผ่นโลหะรูปทรงหกเหลี่ยม ทั้งนี้ แบบไดอะแฟรมจะต้านทานต่อแรงบิดได้ดีกว่าแบบ Disc
   4.  Miscellaneous Coupling เป็นแบบที่อาศัยความยืดหยุ่นจากการผสมผสานของกลไกทางกลของคัปปลิ้งชนิดต่างๆ ที่กล่าวมากับกลไกของสปริงแบบต่างๆ เช่น Spring Coupling, Spiral Spring Coupling หรือ Slider Block Coupling เป็นต้น

ลักษณะการทำงานของคัปปลิ้งแบบอ่อน

1. ขับเคลื่อนได้อย่างลงตัวและพอดี เป็นลักษณะที่เกิดขึ้นจากการเลือกใช้คัปปลิ้งที่มีความยืดหยุ่นเหมาะกับความเร็วรอบในการหมุนของเพลาและแกนหมุน
2. ยอมให้เกิดการเอียงของเพลาหมุนได้บ้าง สำหรับเพลาขับและแกนหมุนที่อาจเกิดการไม่ตรงแนวระหว่างกัน หรือเพลาเอียงเล็กน้อยในขณะเริ่มหมุนที่แรงบิดสูง
3. เกิดการเคลื่อนที่ไปมาของเพลาขับ ในขณะหมุนคัปปลิ้งแบบอ่อนจะช่วยรักษาการขับเคลื่อนต่อไปได้

โดยปกตินั้นหากเราสามารถใช้คัปปลิ้งแบบอ่อนเพื่อส่งแรงหมุนทางกลได้อย่างมีประสิทธิภาพ จะช่วยแก้ปัญหาการไม่ตรงแนวระหว่างกันของเพลาขับทั้ง 2 ได้ ทั้งนี้เพราะความสูญเสียทางกลที่เกิดขึ้นในตัวคัปปลิ้งมีค่าต่ำ และหากเลือกชนิดที่ประสิทธิภาพสูงก็จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพได้มาก

คัปปลิ้งแบบอ่อนจึงเป็นชิ้นส่วนสำคัญในระบบส่งกำลังทางกล แต่การออกแบบและการใช้งานคัปปลิ้งซึ่งมีระยะยืดหยุ่น หรือระยะช่องว่างด้วยคุณสมบัติการยืดหยุ่นของคัปปลิ้งนี้ก็อาจสร้างปัญหาในการใช้งานได้ ในขณะที่หากเลือกใช้คัปปลิ้งแบบอ่อนอย่างไม่เหมาะสม เช่น ระยะช่องว่างมากเกินไป หรือการยืดหยุ่นของคัปปลิ้งสูง ก็อาจเกิดผลกระทบต่อการทำงานของเพลาหมุนได้ ทั้งนี้ก็เป็นเพราะคัปปลิ้งแบบอ่อนมีให้เลือกใช้มากมายหลายชนิดตามที่ได้กล่าวมา

2. คัปปลิ้งแบบแข็ง (Rigid Coupling) นิยมใช้กับการต่อเพลาที่มีระยะห่างปลายเพลาและศูนย์กลางของเพลาทั้งสองที่ตรงกัน อยู่ในแนวเดียวกัน ซึ่งสามารถจำแนกได้ดังนี้

1. คัปปลิ้งฝาประกบ (Split Coupling) เป็นคัปปลิ้งที่ต่อพลายเพลาที่อยู่ในระนาบเดียวกัน มีลักษณะเป็นเหล็กประกับ 2 ชิ้น รัดหัวเพลาทั้งคู่ให้แน่น ใช้กับงานส่งกำลังน้อยๆ หรือที่ความเร็วรอบต่ำในลักษณะที่ปราศจากการกระแทก โดยรับแรงได้ไม่เกิน 140 kW ที่รอบ 100 รอบต่อนาที ข้อดี: มีชิ้นส่วนน้อยชิ้น ถอดประกอบง่าย ต้นทุนการผลิตต่ำ ข้อด้อย: ใช้งานความเร็วรอบสูงไม่ได้ จะเกิดความไม่สมดุลขณะหมุน
2. คัปปลิ้งแบบหน้าแปลน (Flange Coupling) เป็นคัปปลิ้งแบบยึดหน้าแปลนเข้าด้วยกันโดยใช้สลักเกลียว เหมาะสำหรับรับแรงกระแทกหรือภาระสลับได้ดี ข้อดี: มีโครงสร้างแบบง่ายมีชิ้นส่วนน้อยชิ้น เมื่อประกอบแล้วเพลาทั้งสองมีความเที่ยงตรง ข้อด้อย: ใช้ได้เฉพาะงานรอบต่ำ และในการถอดประกอบเพลายุ่งยาก เพราะสามารถเลื่อนขยับได้ตามความยาวของเพลาเท่านั้น

อย่างไรก็ตามการเลือกใช้อุปกรณ์เชื่อมต่อเพลา (Coupling) อาจช่วยแก้ปัญหาการเยื้องศูนย์ที่ผิดพลาดเล็กน้อยได้บ้าง เพราะอุปกรณ์เชื่อมต่อเพลาจะช่วยชดเชยระยะผิดพลาดได้ คัปปลิ้งชนิดแข็งนั้นจะไม่ชดเชยระยะผิดเพี้ยนของเพลาที่เชื่อมต่อกันได้เลย เพราะการที่จะใช้คัปปลิ้งแบบนี้ได้นั้นแกนหมุนทั้งสองจะต้องถูกวางตำแหน่งอย่างได้แนวและตรงกันพอดี จึงจะสามารถใส่คัปปลิ้งแบบแข็งเข้าไปได้ ส่วนคัปปลิ้งแบบอ่อนนั้นจะยอมให้มีระยะที่ผิดเพี้ยนได้บ้าง จึงช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นในการใช้งานได้เป็นอย่างดี นอกจากนี้ยังช่วยลดแรงสั่นสะเทือนทางกลที่ส่งหากันระหว่างชิ้นส่วนทางกลของทั้งสองฝั่งด้วย

ในทางปฏิบัตินั้นเราจัดระยะและแนวของเพลาให้ตรงได้ยาก หากไม่ใช้อุปกรณ์ช่วย อย่างเช่น Dial Indicator หรือเครื่องจัดแนวตรงด้วยเลเซอร์ (Laser Alignment Tools) เครื่องดังกล่าวนี้จะช่วยจัดแนวของเพลาให้อยู่ในแนวเดียวกัน โดยมีหลักการง่ายๆ เริ่มจากการจัดแนวของเครื่องจักรหมุนก่อน เช่น ปั๊มน้ำ ซึ่งมีการเชื่อมต่อระบบท่อน้ำเอาไว้เรียบร้อยแล้ว จากนั้นติดตั้งคัปปลิ้งกับเพลาแล้วจึงค่อยเลื่อนและจัดแนวแกนหมุนของมอเตอร์เข้าไป

เมื่อทุกอย่างเชื่อมต่อกันเป็นอย่างดีแล้ว จะต้องทำการทดสอบหมุนเป็นระยะเวลาหนึ่งเพื่อทำให้อุณหภูมิของเครื่องจักรทั้งสองอยู่ตัว แล้วจึงค่อยหยุดเดินเครื่อง และทดสอบวัดแนวเชื่อมต่อของเพลาอีกครั้ง เพื่อดูว่ามีการเลื่อนตำแหน่งหรือไม่ สาเหตุก็เพราะว่า เพลาโลหะที่วางเชื่อมต่อกันนั้นอาจเกิดการขยายตัวและหดตัวเมื่ออุณหภูมิของโลหะสูงขึ้นและเย็นลงตามลำดับ ซึ่งพฤติกรรมดังกล่าวเป็นผลมาจากคุณสมบัติทางฟิสิกส์ของโลหะนั่นเอง เราจึงควรทดสอบการหมุนของเครื่องจักรด้วยสภาพแวดล้อมของอุณหภูมิของการใช้งานจริงด้วย

อุณหภูมิที่สูงขึ้นส่งผลให้แท่งโลหะขยายตัวได้ด้วยอัตราที่กำหนดจากสัมประสิทธิ์เฉพาะของการขยายตัว และโดยปกติของการใช้งานอุตสาหกรรม มอเตอร์ไฟฟ้า และเครื่องจักรกลหมุน จะได้รับอิทธิพลความร้อนจากสภาพแวดล้อม เช่น ความร้อนจากเตาหลอมโลหะ ความร้อนจากหม้อต้มไอน้ำ ความร้อนที่สะสมและส่งผ่านออกจากขดลวดมอเตอร์และความร้อนจากของเหลวที่ปั๊มน้ำสูบ/อัดอยู่ตลอดเวลา เมื่อความร้อนส่งผ่านมายังชิ้นส่วนของแกนหมุนโลหะและคัปปลิ้งโลหะ จะส่งผลให้โลหะเกิดการขยายตัวยาวขึ้นจนส่งผลกับระยะ และแนวของการเชื่อมต่อระหว่างเพลาได้ ซึ่งผลกระทบนี้เรียกว่า ผลกระทบที่เกิดจาก Thermal Growth

เมื่อชิ้นส่วนโลหะได้รับความร้อน จะทำให้เกิดการขยายตัวด้วยอัตราที่กำหนดจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นของโลหะชนิดต่างๆ ยกตัวอย่างเช่น แท่งโลหะ เมื่อได้รับความร้อนจะยืดออกด้วยความยาวเล็กน้อย (0.0005 นิ้ว) ทั้งนี้ระยะการขยายตัวของโลหะและวัสดุแต่ละชนิดจะขยายตัวไม่เท่ากัน

รูปแสดงความยาวของของแข็งที่เพิ่มขึ้นเมื่อของแข็งนั้นได้รับความร้อน

มอเตอร์ตัวหนึ่งเริ่มเดินเครื่องที่ระดับอุณหภูมิ 70 องศาฟาเรนไฮต์ โดยถูกต่อเพื่อขับปั๊มน้ำ ในขณะใช้งานอุณหภูมิของมอเตอร์สูงขึ้นเป็น 120 องศาฟาเรนไฮต์ ภายใต้สภาวะการทำงานปกติ ตัวถังของมอเตอร์ซึ่งทำจากเหล็กหล่อมีค่า C เท่ากับ 0.0000059 และระยะห่างจากฐานยึดของมอเตอร์ไปยังศูนย์กลางของเพลาวัดได้ 15 นิ้ว จะสามารถคำนวณระยะที่เปลี่ยนไปของเพลาอันเนื่องมาจากผลของอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นได้ดังนี้

ระยะที่เพิ่มขึ้น = T x L x C

จะได้ (120°F-70°F) 15 นิ้ว x 0.0000059 (นิ้ว/นิ้ว°F) = 0.0044 นิ้ว

จากตัวเลขที่คำนวณได้ แสดงให้เห็นว่ามอเตอร์จะขยายตัวขึ้น 0.0044 นิ้ว หรือ 4.4 mm ทั้งนี้ถ้าการขยายตัวเกิดขึ้นที่ด้านปลายทั้งสองของมอเตอร์ ก็จะส่งผลให้เพลาหมุน เกิดการไม่ตรงแนวแบบขนาน (Parallel Misalignment) เป็นระยะ 4 mm ส่วนการเลื่อนระยะเชิงมุมจะไม่เกิดขึ้น ดังนั้นการติดตั้งเพลาสำหรับงานนี้จึงต้องลดระยะเพลาของมอเตอร์ถอยออกจากเพลาของปั๊มด้วยระยะ 4 mm เพื่อชดเชยกับการขยายตัวดังกล่าว

ระดับการไม่ตรงแนวของเพลาหมุนที่มากเกิน 2 mm สำหรับมอเตอร์หมุนความเร็วรอบ 3,600 rpm ในสภาวะการทำงานปกติจะสร้างแรงมากพอส่งตรงไปยังตลับลูกปืนจนทำให้เกิดการหลวม ร้าว หรือแตกหักได้ ทั้งนี้ตลับลูกปืนแบบ Ball และแบบ Roller ซึ่งมีการคำนวณอายุการใช้งานเอาไว้เรียกว่า L10 Life ของตลับลูกปืน ค่าดังกล่าวนี้จะใช้เพื่อวิเคราะห์ถึงอายุการใช้งานของตลับลูกปืนเมื่อเกิดแรงกระทำจากการหมุนไม่ตรงแนวของเพลา

โดยคำนวณได้จากสมการดังนี้

การเยื้องศูนย์ของเพลาหมุนสามารถป้องกันและแก้ไขได้ด้วยการตรวจเช็คระบบเครื่องจักรเป็นระยะ ตามตารางการซ่อมบำรุง ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับประเภทของเครื่องจักรและชั่วโมงการทำงานด้วย นอกจากนี้การเลือกใช้อุปกรณ์ให้เหมาะกับงานก็เป็นอีกวิธีหนึ่งที่ช่วยให้การสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นกระทบต่อการเยื้องศูนย์ลดลงได้ ยกตัวอย่างเช่นการเลือกใช้มอเตอร์ ตลับลูกปืน คัปปลิ้ง หรือสายพาน ทั้งนี้การเลือกใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพอาจพิจารณาจากข้อแนะนำของผู้ผลิตอุปกรณ์ดังกล่าว

บริษัท พลวัตร จำกัด ตัวแทนจำหน่ายอุปกรณ์ระบบส่งกำลัง ออกแบบและประกอบชุดระบบขับเคลื่อน โดยใช้อุปกรณ์มาตรฐานเพื่อนำไปใช้งานเฉพาะด้านเหล่านั้น ตามวัตถุประสงค์ที่ท่านต้องการเป็นพิเศษ ซึ่งผลิตภัณฑ์เฉพาะด้านตามสั่งอาจเป็นเรื่องยุ่งยากสำหรับที่อื่น แต่สำหรับเราแล้ว เราทำมันทุกวันในโรงงานของเรา พร้อมวิศวกรที่ชำนาญงานคอยแนะนำและให้บริการพร้อมประกันหลังการขายอย่างครบครัน

ต้องการคำปรึกษา หรือสอบถามรายละเอียดเพิ่มเติมสามารถติดต่อได้ที่

Email: marketing@palawatr.co.th

Line Official: @palawatr

โทร. 02-019-9100