การ Field Balance ด้วยเครื่องวัด Vibration

การบำรุงรักษาเครื่องจักรกลในโรงงานอุตสาหกรรม ค่าใช้จ่ายส่วนใหญ่จะเกิดจากการบำรุงรักษาในส่วนของการเปลี่ยนแบริ่ง เนื่องจากแบริ่งจะเป็นชิ้นส่วนที่ต้องทำงานตลอดเวลาของการทำงานของเครื่องจักร  สาเหตุประการหนึ่งที่ทำให้แบริ่งเกิดความเสียหายได้แก่ความสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นที่เครื่องจักรมีค่าสูงปัจจัยหลักทำให้เครื่องจักรมีค่าความสั่นสะเทือนสูง มักจะมีสาเหตุมาจากการเกิดการไม่สมดุล ของชิ้นส่วนเครื่องจักรที่มีการหมุนขณะทำงาน ซึ่งอาจเป็น มู่เล่  โรเตอร์  เพลา คัปปิ้ง หรือ ชิ้นส่วน อื่น ๆ

วิธีการแก้ไขการเกิดการไม่สมดุลของเครื่องจักร สามารถแก้ไขได้โดยการนำชิ้นส่วนที่มีการหมุนทุกชิ้นขณะที่มีการทำงาน ไปทำการถ่วงสมดุลด้วยเครื่องถ่วงสมดุล  (Balancing Machine ) วิธีการดังกล่าวจะไม่ค่อยได้ผลหรือได้ผลน้อย หากชิ้นงานที่นำมาทำการถ่วงสมดุล เป็นแบบที่สามารถเปลี่ยนแปลงรูปร่างได้ แปรผันตามความเร็วของชิ้นงาน  เพราะเครื่องถ่วงสมดุลไม่สามารถขับชิ้นงานให้หมุนเร็วเท่ากับความเร็วใช้งานได้  หมายความว่ารูปร่างของชิ้นงานขณะทำการถ่วงสมดุลมีรูปร่างไม่เหมือนกันกับขณะใช้งานจริง ทำให้การถ่วงสมดุลวิธีนี้ไม่สามารถแก้ปัญหานี้ได้  วิธีการแก้ไขสามารถทำได้โดยการใช้เครื่องถ่วงสมดุลสนาม ( Field Balancing Machine )ไปทำการถ่วงสมดุลเครื่องจักร ณ บริเวณสถานที่ติดตั้งเครื่องจักร และใช้ความเร็วในการถ่วงสมดุลที่ความเร็วใช้งานของเครื่องจักร

หลักการทำงานของเครื่องถ่วงสมดุลสนาม จะถูกแบ่งออกเป็น 2 ส่วน คือ ส่วนที่ตรวจวัดมุมองศา และส่วนที่ใช้ตรวจจับค่าความสั่นสะเทือน ตัวเครื่องจะนำค่าที่ตรวจวัดได้ทั้งสองส่วนมาคำนวณ และแสดงผลออกมาเป็นน้ำหนักและมุมองศาที่จะต้องมีการแก้ไข และด้วยหลักการอันนี้  หากเรามีเครื่องวัดความสั่นสะเทือนแบบธรรมดา และใช้การคำนวณทางคณิตศาสตร์เล็กน้อย จะทำให้สามารถทำการถ่วงสมดุลเครื่องจักรได้เองโดยไม่ต้องใช้เครื่องถ่วงสมดุลสนาม และแก้ปัญหาเรื่องค่าความสั่นสะเทือนนี้ได้

ข้อจำกัดของการถ่วงสมดุลด้วยวิธีนี้

การทำการถ่วงสมดุลด้วยวิธีนี้สามารถใช้ได้กับการถ่วงสมดุลกับชิ้นงานที่ไม่มีความสลับซับซ้อนและสาเหตุหลักที่ทำให้เกิดความสั่นสะเทือน มาจากความไม่สมดุลของชิ้นส่วนของเครื่องจักร วิธีนี้เหมาะสมกับเครื่องจักรที่มีความเร็วรอบมากกว่า 600 รอบ และโรเตอร์มีรูปทรงเป็นแบบระนาบเดี่ยว ( Single Plane ) ซึ่งหมายถึง ชิ้นงานหรือโรเตอร์ที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางมากกว่าความหนาของโรเตอร์

วิธีการถ่วงสมดุล

ขั้นตอนการทำงานจะเริ่มจากการหมุนชิ้นงานตัวเปล่าและวัดค่าความสั่นสะเทือนจำนวน 1 ครั้ง และนำน้ำหนักทดสอบไปติดที่ชิ้นงานและหมุนชิ้นงานอีกจำนวน 3 ครั้ง ในแต่ละครั้งจะต้องมีการหมุนชิ้นงานหรือโรเตอร์เพื่อทำการวัดค่าความสั่นสะเทือนที่ตำแหน่งของแบริ่ง  น้ำหนักทดสอบจะถูกเปลี่ยนจุดยึดติดหรือถ่วงในแต่ละครั้งของการหมุนไปเป็นระยะมุม 120 องศารอบเส้นรอบวงของชิ้นงาน น้ำหนักและตำแหน่งของมวลที่จะใช้แก้ไขการเกิดการไม่สมดุล ( Un-Balance)จะถูกคำนวณจากภาพวาดโดยใช้ วงเวียนและ บาลานซ์ซิ่งฟอร์ม (Balancing Form)

การอ่านค่าครั้งแรก

ใช้เครื่องวัดความสั่นสะเทือนวัดค่าความสั่นสะเทือน ณ. ตำแหน่งแบริ่ง โดยมีทิศทางวัดในแนวรัศมี และหาจุดที่มีค่าความสั่นสะเทือนสูงสุดซึ่งปกติจะอยู่ในทิศทางแนวนอน (Horizontal Direction) ทำการหมุนชิ้นงานและจดค่าโดยกำหนดให้ค่าที่ได้เป็น V0 การหมุนชิ้นงานและวัดค่าในครั้งต่อไปครั้งที่ 2-4 ให้ใช้จุดวัดและความเร็วรอบเดียวกันกับครั้งแรก

จุดที่ใส่น้ำหนักทดสอบ

ให้หาจุดที่สามารถใส่น้ำหนักทดสอบให้ได้ 3 จุด และทำเครื่องหมายดังภาพที่ 1 โดยจุดเหล่านี้ต้องมีระยะห่างกัน 120 องศา และมีระยะห่างจากจุดศูนย์กลางของเพลาเท่าๆกัน และให้ใส่หมายเลข 1 , 2 และ 3  ทิศทางทวนเข็มนาฬิกา

น้ำหนักที่ใช้ในการทดสอบ

น้ำหนักใช้ในการทดสอบต้องหนักเพียงพอที่สามารถสร้างความไม่สมดุลของชิ้นงานหรือโรเตอร์(Out of Balance ประมาณ 10-30 กรัม ) การจับยึดน้ำหนักทดสอบจะต้องยึดติดด้วยตะปูควง ( Screw ) หรืออุปกรณ์จับยึดชนิดอื่น เพื่อป้องกันการหลุดร่วงขณะที่ชิ้นงานมีการหมุน น้ำหนักที่จะใช้ทดสอบ (ในภาพจะใช้ตัวย่อ Mt) จะมีหน่วยเป็นกรัมและจะต้องมีการชั่งน้ำหนักหรือรู้ค่าก่อนการจับยึดติดกับชิ้นงาน

การอ่านค่าครั้งที่ 2-4

ทำการยึดน้ำหนักทดสอบที่จุด 1 และหมุนชิ้นงานด้วยความเร็วรอบใช้งาน จากนั้นบันทึกค่า ความสั่นสะเทือน V1  เปลี่ยนจุดยึดน้ำหนักทดสอบและหมุนชิ้นงานไปยังจุด 2 และ 3 บันทึกค่า V2 และ V3 ตามลำดับ

การคำนวณหามวลที่จะใช้แก้ไขการเกิดไม่สมดุล ( Un-Balance )

นำวงเวียนมาเขียนส่วนโค้งตัดกับแกนทั้ง 3 ในบาลานซิ่งฟอร์ม โดยมีรัศมีเท่ากับค่าของ V0  ( ในภาพที่ 2 มีค่า = 6.1 ) ค่าของV0 อาจจะต้องนำมาเพิ่มหรือลดขนาดตามอัตราส่วนหรือการเข้าสเกล ( Scale ) เพื่อทำให้สามารถนำมาเขียนในกราฟของบาลานซิ่งฟอร์มได้ ทำให้เกิดจุดตัด 3 จุดที่เท่ากัน จากนั้นกำหนดตัวเลขเป็น 1 , 2 และ 3 ทิศทางทวนเข็มนาฬิกา

นำค่าความสั่นสะเทือนของการทดสอบหมุน ทั้ง 3 ครั้งมาพิจารณา ในตัวอย่างจะเห็นว่า ค่า ของ V3 และ V1 จะมีค่ามากกว่า V2    เราจะนำค่าสูงสุด 2 ค่ามาใช้ในการคำนวณหานำหนักของมวลในการทำการถ่วงสมดุล   โดยจะใช้ค่าที่น้อยที่สุดมาช่วยในการปรับแต่ง ( Tunning )

วาดเส้นโค้งโดยมีรัศมี V3 ซึ่งมีค่ามากที่สุด ( 10.3 ) จากจุดที่ 3 บนกราฟ ไปยังกราฟจุดที่ 2  จากนั้นวาดเส้นโค้งที่มีรัศมี V1 ( 7.7 ) จากจุดที่ 1 บนกราฟ ไปตัดกับเส้นโค้งเส้นแรก

วัดระยะระหว่างจุดตัดของเส้นโค้งทั้งสองไปยังจุดเริ่มต้นของกราฟ ในกรณีที่มีการเพิ่มหรือลดขนาดด้วยอัตราส่วนต้องนำค่าที่วัดได้ไปคำนวณกลับเพื่อหาขนาดที่แท้จริง ในตัวอย่างจะได้ค่า 4.6 นำค่าที่ได้ไปคำนวณในสมการข้างล่าง

สมการที่ใช้ในการหาน้ำหนักของมวลที่ใช้แก้ไขการเกิดไม่สมดุล                                                         

                                           Mb = (Mt x Vo) / Vt

       Mb = น้ำหนักของมวลที่จะใช้ยึดติดเพื่อแก้ปัญหาการเกิดไม่สมดุล ( กรัม )

       Mt =   น้ำหนักของมวลที่ใช้ในการทดสอบ ( กรัม )

       Vo = ค่าแรงสั่นสะเทือนของการหมุนชิ้นงานครั้งแรก

       Vt = ค่าแรงสั่นสะเทือนผลลัพธ์ที่ได้จากการคำนวณด้วยกราฟบาลานซิ่งฟอร์ม    

จากตัวอย่าง   ค่าที่ได้คือ 12.3 x 6.1 / 4.6=16.3 ( กรัม ) ฉะนั้นจะได้ว่ามวลที่มีน้ำหนัก 16.3 กรัม จะเป็นมวลที่ถูกใช้ในการแก้ไขการเกิด การไม่สมดุล

ตำแหน่งที่ใช้ติดมวล

ให้ทำการวัดมุมระหว่างเส้น V1 และ Vt ( วัดมุมจาก V1 ไปยัง Vt มีทิศทางทวนเข็มนาฬิกา ) จะทำให้ได้ตำแหน่งที่จะใส่มวลน้ำหนัก ฉะนั้นมวลน้ำหนักที่จะใช้ยึดติดที่ชิ้นงานเพื่อที่ใช้แก้การเกิดการไม่สมดุล จะถูกยึดติดที่มุมองศานี้ ( ในภาพที่ 3 มีค่า 91 องศา ) โดยมีระยะห่างจากจุดกึ่งกลางเพลาและจุดที่ใส่น้ำหนัก  เท่ากับระยะห่างของจุดกึ่งกลางเพลาและจุดติดตั้งน้ำหนักทดสอบ

การตรวจสอบความแม่นยำ

ค่าที่ต่ำที่สุด V2 ( 3.2 ) จะถูกช่วยใช้ในการตรวจสอบผลลัพธ์ที่ได้จากการถ่วงสมดุล ก่อนที่จะทำการยึดติดมวลน้ำหนักอย่างถาวร  ให้ทำการวาดเส้นโค้งรัศมี V2  ( 3.2 ) จากจุดที่ 2 ไปตัดกับจุดตัดของเส้นโค้งอื่น ๆ

ถ้าผลของการวาดเส้นโค้งไปตัดเส้นโค้งทั้ง 3 ได้เป็นจุดเดียวกัน จะสรุปได้ว่าค่าความสั่นสะเทือนของชิ้นงานมีสาเหตุเกิดจากความไม่สมดุลแต่เพียงอย่างเดียว และจะมีผลทำให้น้ำหนักที่ได้จากการคำนวณจะสามารถลดความสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นที่ชิ้นงานได้อย่างมาก

สาเหตุอื่นๆ ที่ทำให้เกิดค่าความสั่นสะเทือน

ในกรณีที่ค่าความสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นไม่ได้มีสาเหตุมาจากการเกิดการไม่สมดุลของชิ้นงานแต่เพียงอย่างเดียว แต่อาจจะเกิดจากสาเหตุความผิดปกติในทางกลอื่นๆ เช่น การหลุดหลวม การคัปปิ้งที่ไม่ดี และอื่นๆ เพราะถ้าเป็นเช่นนั้นเส้นโค้งทั้ง 3 จะไม่มาบรรจบกัน แต่จะทำให้เกิดสามเหลี่ยมและไม่มีจุดตัดเกิดขึ้นเลย

ประสิทธิภาพของการถ่วงสมดุลด้วยวิธีนี้ จะขึ้นอยู่กับขนาดของสามเหลี่ยม ขนาดยิ่งเล็กจะทำให้ได้ผลการถ่วงสมดุลที่ดี แต่ถ้าเป็นสามเหลี่ยมขนาดใหญ่จะต้องมีการแก้ไขปัญหาทางกลอื่นๆ ก่อนที่จะมีการถ่วงสมดุลด้วยวิธีนี้ 

การวัดมุม

ในกรณีของชิ้นงานที่ต้องมีการถ่วงสมดุลทุกๆปี เพื่อเป็นการลดเวลาควรจะต้องมีการเตรียมตำแหน่งที่จะต้องติดยึดน้ำหนัก โดยทำเครื่องหมายบอกตำแหน่งของมุมเอาไว้ เพื่อจะได้นำไปใช้ในโอกาสต่อไป

และกรณีที่ต้องติดชิ้นน้ำหนักผ่านช่องขนาดเล็กของฝาครอบ ( ดูภาพที่ 4 ) การใช้สายวัด วัดความยาวของส่วนโค้งแล้วนำมาเป็นวิธีที่ใช้กำหนดมุมหรือตำแหน่งของจุดติดตั้งน้ำหนักก็เป็นวิธีที่สะดวกวิธีหนึ่ง  เมื่อนำความรู้ทางคณิตศาสตร์มาพิจารณาจะได้ว่า ตำแหน่งที่ทำมุม 120 องศาจากจุดเริ่มต้น จะมีความยาวของส่วนโค้ง 2.1 เท่าของความยาวรัศมี หรือ ความยาวของส่วนโค้งของมุม 1 องศา จะมีค่าเท่ากับ 0.0175 เท่าของความยาวรัศมี

คำแนะนำการถ่วงสมดุลของชิ้นงานที่มีลักษณะเหมือนในภาพที่ 4  ให้ทำเครื่องหมาย 3 ตำแหน่งเพื่อแบ่งเพลาเป็นมุมห่างกัน 120 องศา ( อาจจะเป็นชิ้นส่วนอื่นที่สามารถเคลื่อนที่ไปพร้อมกับชิ้นส่วนที่ต้องการถ่วงสมดุลและสามารถเข้าถึงได้ ) และอีก 1 ตำแหน่งที่ชิ้นส่วนที่อยู่กับที่และใช้เป็นจุดอ้างอิง ( Reference )  ( ตามภาพที่ 4 วงกลม A )  จากนั้นที่ช่องของฝาครอบที่เป็นช่องที่สามารถเข้าถึงใบพัดลมได้ให้ทำเครื่องหมายที่ช่องฝาครอบอีกหนึ่งตำแหน่ง  ( ภาพที่ 4 วงกลม B ) เพื่อใช้เป็นตำแหน่งที่บอกตำแหน่งที่ใส่น้ำหนัก จากการกำหนดตำแหน่งของชิ้นงานทั้งสอง ทำให้สามารถกำหนดมุมองศาของชิ้นงาน ( ใบพัดลม ) เพราะเมื่อทำการหมุนใบพัดลม มุมองศาของใบพัดลมจะเคลื่อนที่สัมพันธ์กับตำแหน่งของเพลา และเมื่อต้องการวัดหามุมองศาของชิ้นงานก็สามารถทำได้โดยการวัดมุมและกำหนดมุมที่เพลาแทน โดยใช้การวัดส่วนโค้งของเพลาตามสูตรคำนวณทีได้กล่าวไปแล้วข้างต้น  ส่วนการใส่น้ำหนักทำได้โดยการใส่มวลน้ำหนักผ่านช่องของฝาครอบ

น้ำหนักทดสอบและมวลที่ใช้ในการแก้ไข

น้ำหนักทดสอบ อาจจะใช้สกรูหรือน๊อตที่สามารถกำหนดหรือรู้น้ำหนัก แต่ถ้าเป็นชิ้นน้ำหนักประเภทจับยึดในตัว(Clamp )ก็จะทำให้สะดวกในการทำงาน สำหรับชิ้นงานที่ทำงานที่ความเร็วสูงควรใช้น้ำหนักทดสอบที่มีค่าต่ำกว่า 10 กรัม เพราะปกติชิ้นงานที่มีความเร็วการทำงานสูง มักจะมีค่าของมวลที่ทำให้เกิดความไม่สมดุลต่ำ

การถ่วงสมดุลด้วยการเพิ่มมวล

การแก้ไขการเกิดการไม่สมดุล  ปกติจะแก้ไขโดยวิธีการเชื่อมหรือบัดกรีมวลที่เป็นโลหะเข้ากับชิ้นงาน ตารางที่ 1  แสดงน้ำหนักของมวลที่เป็นโลหะชนิดต่าง ๆ ที่จะช่วยทำให้ง่ายและสะดวกในการจัดทำชิ้นน้ำหนักที่จะใช้ในการถ่วงสมดุลแก่ชิ้นงานโดย ไม่ต้องนำมวลไปชั่ง

การถ่วงสมดุลด้วยการลดมวล

การถ่วงสมดุลด้วยการเพิ่มมวลไม่อาจทำได้ในทุกกรณี โดยมีปัจจัยที่จะต้องนำมาพิจารณาเช่น การเพิ่มมวลแล้วทำให้รูปร่างของชิ้นงานเปลี่ยนแปลง  ความเร็วของชิ้นงานที่มีความเร็วรอบสูง ๆ  การจับยึดชิ้นงานกับมวลน้ำหนักที่เป็นโลหะกระทำได้ยาก และ อื่นๆ      การถ่วงสมดุลด้วยการลดมวลโดยวิธีการเจาะหรือเจียรที่ชิ้นงานจะสามารถทำให้การถ่วงสมดุลเกิดประสิทธิผลมากกว่า แต่วิธีนี้ก็ไม่เหมาะกับการถ่วงชิ้นงานที่ต้องมีการลดมวลน้ำหนักที่มีค่ามาก  การลดมวลน้ำหนักจะใช้วิธีการเจาะรู ( 1 รู หรือมากกว่า ) ณ ตำแหน่งที่ห่างจากจุดที่คำนวณได้แล้ววัดมุมองศาเพิ่มไปอีก 180 องศา ตารางที่2 ด้านขวามือจะแสดงน้ำหนักของมวลของโลหะที่เกิดจากการเจาะออก