อาจหาญ ณ นรงค์
แผนกวิศวกรรมและซ่อมบำรุง
บริษัท โยโกฮาม่า ไทร์ แมนูแฟคเจอริ่ง (ประเทศไทย) จำกัด           

เมื่อกล่าวถึงเรื่องการสั่นสะเทือน หลายคนอาจบอกว่าเข้าใจยากในทางทฤษฎี แต่ในทางปฏิบัติแล้วเป็นเรื่องง่ายที่จะทำความเข้าใจและนำมาใช้เป็นเครื่องมือในการวิเคราะห์และติดตามสภาพของเครื่องจักรได้เป็นอย่างดี

การสั่นสะเทือน (Vibration) ในความหมายก็คือ “การสั่นหรือการแกว่งของวัตถุหรือชิ้นส่วนต่าง ๆ เมื่อเปรียบเทียบกับจุดที่ใช้อ้างอิง” เช่นการสั่นสะเทือนของเครื่องจักรเมื่อเปรียบเทียบกับฐานของเครื่อง หรือการสั่นสะเทือนของตลับลูกปืน (Bearing) เมื่อเทียบกับตัวเรือน (Cage or Housing)

การสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นอย่างรุนแรงจะสามารถทำให้เครื่องจักรเกิดความเสียหายได้โดยการแตกหักหรือล้าตัวซึ่งความเสียหายที่เกิดขึ้นจะมากน้อย เร็วหรือช้าก็จะขึ้นอยู่กับขนาดและทิศทางของแรงที่เกิดจากการสั่นสะเทือนเมื่อเทียบกับขนาดโครงสร้างและคุณสมบัติทางฟิสิกส์ของวัสดุนั้น ๆ

โดยปกติแล้วการทำงานของชิ้นส่วนของเครื่องจักรหรือเครื่องจักรนั้นย่อมมีการสั่นสะเทือนเป็นธรรมชาติของมันอยู่แล้ว ถ้าระดับการสั่นสะเทือนนั้นไม่มากหรืออยู่ในเกณฑ์ปกติก็ถือว่าเป็นเรื่องธรรมดา แต่ถ้าการสั่นสะเทือนมากเกินไปก็อาจส่งผลให้ชิ้นส่วนตลอดจนเครื่องจักรนั้น ๆ มีอายุการใช้งานที่สั้นลง เราจึงต้องหาสาเหตุและที่มาของการสั่นสะเทือนนั้นเพื่อทำการแก้ไขให้การสั่นสะเทือนนั้นอยู่ในระดับปกติ ซึ่งการสั่นสะเทือนนั้นมาจากหลายสาเหตุ เช่น  

- ความไม่สมดุลในการหมุน (Unbalance)จะเกิดขึ้นเมื่อจุดศูนย์กลางของการหมุนและจุดศูนย์กลางของมวลไม่อยู่ในจุด ๆ เดียวกัน เช่น การไม่สมดุลหรือการแกว่งของเพลาที่คดงอหรือชำรุด การไม่สมดุลของใบพัด ล้อช่วยแรง ชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ในแนวรัศมีหรือในรูปวงกลม

- ความไม่ได้ศูนย์ (Misalignment) ระหว่างเพลาของมอเตอร์และปั้มหรือเพลาของต้นกำลังกับเพลาของเครื่องจักร 
- การหลุดหลวมของชิ้นส่วนต่าง ๆ ของเครื่องจักร
- การที่แบริ่งหรือบูช เกิดการชำรุดสึกหรอ หรือขาดการหล่อลื่น
- แท่นเครื่องหรือจุดจับยึดของเครื่องจักรไม่แน่น หรือไม่แข็งแรง

สำหรับความเสียหายที่เกิดจากการสั่นสะเทือนนั้นจะเกิดเนื่องจากแรงที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของวัตถุที่สั่นสะเทือนนั้น ๆ โดยที่แรงที่เกิดขึ้น จะเป็นไปตามกฎข้อที่สองของนิวตัน (2nd Newton Laws) ดังสมการ

* อัตราเร่งก็คืออัตราส่วนของความเร็วที่เปลี่ยนแปลงต่อหน่วยเวลา เช่นรถยนต์เคลื่อนที่จากความเร็ว 0–100 กิโลเมตรต่อชั่วโมงภายในเวลา 10 วินาที อัตราเร่งก็จะเท่ากับ 100/10 = 10 กิโลเมตร/วินาที2 หรือ = 2.8 m/s² ซึ่งหมายความว่าในแต่ละวินาทีความเร็วของรถจะเพิ่มขึ้นจากความเร็วเดิม 2.8 เมตร/วินาที

สำหรับการเคลื่อนที่เชิงมุมนั้นความไม่สมดุลของชิ้นส่วนที่หมุนก็จะเป็นต้นเหตุให้เกิดการสั่นสะเทือน โดยแรงที่เกิดจากการสั่นสะเทือนจะเป็นไปตามสมการ

ตัวอย่างที่ 1 จากรูปที่ 1 เป็นรูปล้อช่วยแรง (Fly Wheel) อันหนึ่งติดอยู่กับมอเตอร์ที่หมุนด้วยความเร็วรอบ 1,500 รอบ/นาที และบนล้อช่วยแรงอันนี้มีวัตถุที่ไม่สมดุล น้ำหนัก 100 กรัม (0.1kg) ติดอยู่ห่างจากจุดศูนย์กลางของการหมุนเป็นระยะทาง 200 มิลลิเมตร แรงที่เกิดจากความไม่สมดุลจากวัตถุดังกล่าวจะเป็นไปตามสมการที่ 2 ซึ่งจะเท่ากับ    

รูปที่ 1 ส่วนประกอบของการไม่สมดุลตามตัวอย่างที่ 1

จากตัวอย่างที่ 1 เราจะเห็นว่าเพียงน้ำหนักของมวลที่ไม่สมดุลเพียง 0.1 กิโลกรัมในสภาพตามตัวอย่างก็สามารถทำให้เกิดแรงเหวี่ยงจากการหมุนได้ถึง 78.53 กิโลกรัมที่ความเร็วรอบ 1,500 รอบ/นาที และเมื่อความเร็วรอบเพิ่มขึ้นเป็น 3,000 รอบต่อนาที แรงดังกล่าวก็เพิ่มขึ้นไปถึง 314.15 กิโลกรัมซึ่งสามารถส่งผลให้เกิดความเสียหายกับชิ้นส่วนต่าง ๆ ของเครื่องจักรได้ถ้าหากเดินเครื่องต่อกันเป็นระยะเวลานาน

* การสั่นสะเทือนโดยอิสระ (Free Body Vibration) คือการสั่นสะเทือนที่ทิศทางของการสั่นสะเทือนเป็นไปได้โดยอิสระตามทิศทางของแรงที่เกิดขึ้นจากการสั่นสะเทือนโดยไม่มีส่วนที่เป็นวัตถุแข็งเกร็งมาขัดขวางทิศทางของชิ้นส่วนที่สั่นสะเทือนนั้น ๆ เช่น เครื่องจักรหรือมอเตอร์ที่วางอยู่บนฐานรองรับที่มีความยืดหยุ่นและฐานที่มีความเป็นสปริง หรือใบพัดที่หมุนอยู่บนเพลายาวดังรูปที่ 2

รูปที่ 2 การสั่นสะเทือนโดยอิสระ (Free Body Vibration) ของชิ้นส่วนต่าง ๆ ของเครื่องจักร

* การสั่นสะเทือนแบบขบกันหรือเคลื่อนที่ผ่าน (Meshing or Passing Vibration) คือการสั่นสะเทือนของชิ้นส่วนของเครื่องจักรที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องเมื่อเปรียบเทียบกับจุดอ้างอิงจุดใดจุดหนึ่งที่ชิ้นส่วนที่เราวิเคราะห์การสั่นสะเทือนหมุนหรือเคลื่อนที่ผ่าน เช่น การสั่นสะเทือนของเฟืองที่ขบกันและหมุนไปเรื่อย ๆ โดยในตอนที่ฟันแต่ละฟันขบและจากกันก็จะมีการสั่นสะเทือนเกิดขึ้น หรือการสั่นสะเทือนของใบพัดของพัดลมดังรูปที่ 3

รูปที่ 3 การสั่นสะเทือนแบบขนกันหรือเคลื่อนที่ผ่าน

รูปที่ 4 การสั่นสะเทือนจากแรงเสียดทาน

* การสั่นสะเทือนจากแรงเสียดทาน (Frictional Vibration) คือการสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นจากแรงเสียดทานในการหมุนหรือเคลื่อนที่ของชิ้นส่วนต่าง ๆ ของเครื่องจักร เช่นการหมุนหรือเคลื่อนที่ของเม็ดลูกปืนหรือตลับลูกปืน การเคลื่อนที่และไถล (Slide) ของบูชที่รองรับการหมุนของชิ้นส่วนเครื่องจักรดังรูปที่ 4

ในการวัดการสั่นสะเทือนนั้นเราจะต้องใช้ค่ามิติหรือหน่วยต่าง ๆ ในการอ้างอิง ดังนั้นเราจะต้องรู้จักและทำความเข้าใจค่า มิติและหน่วยต่าง ๆ ที่เกี่ยวของกับการวัดการสั่นสะเทือนก่อนที่เราจะลงลึกในรายละเอียดต่อไป

* รอบของการสั่นสะเทือน (Cycle of Vibration) ในการเคลื่อนที่ของชิ้นส่วนต่าง ๆ ที่มีการเคลื่อนที่ในแนวรัศมีและแบบกลับไปกลับมา เช่นการหมุนของเพลาหรือการแกว่งของวัตถุต่าง ๆ นั้น การเคลื่อนที่จะเริ่มจากจุดเริ่มต้นและสิ้นสุดที่ตำแหน่งเดิม เราเรียกว่า 1 รอบของการเคลื่อนที่ (Cycle) หรืออาจเรียกว่าคาบ (Period) การเคลื่อนที่ ดังรูปที่ 5 รูปบน เป็นการหมุนของเพลาซึ่งใน 1 รอบของการเคลื่อนที่ของเพลานั้นมี 360 องศา

โดยการเคลื่อนที่แต่ละช่วงจะแบ่งเป็นควอเตอร์ ๆ ละ 90 องศา เมื่อเพลาหมุนครบ 1 รอบก็จะเป็นมุมในการเคลื่อนที่ครบ 360 องศาพอดี เราจะเห็นว่าเมื่อถ่ายทอดมุมของการเคลื่อนที่ของเพลามาอยู่ในรูปของแอมปลิจูดแล้ว มุมที่เป็นส่วนยอดของแอมปลิจูดด้านบนคือมุม 90 องศา มุมที่เป็นส่วนยอดในด้านล่างคือมุม 270 องศา ส่วนมุม 0 องศาจะอยู่ในระนาบเดียวกับ 180 และ 360 องศา

รูปที่ 5 รอบของการเคลื่อนที่ (Cycle of Motion)

ส่วนรูปที่ 5 รูปล่างเป็นการเคลื่อนที่ในรูปของการแกว่งของสปริงแผ่น จะเห็นว่าในการเคลื่อนที่โดยการแกว่งครบ 1 รอบนั้นเริ่มต้นจากจุดเริ่มต้นที่ 0 องศาคือจุดที่สปริงอยู่ในลักษณะตรง จากนั้นก็เคลื่อนที่ขึ้นไปยังจุดบนสุดซึ่งก็คือมุม 90 องศา และเคลื่อนที่ผ่านมายังจุดแรก ที่ตำแหน่ง 180 องศา   

จากนั้นก็เคลื่อนที่เลยลงไปยังจุดต่ำสุดที่ 270 องศาและสุดท้ายเคลื่อนที่มาครบรอบที่จุดเดิมคือ 360 องศาก็จะได้เป็น 1 รอบของการเคลื่อนในรูปของการแกว่งของสปริงแผ่นดังกล่าว 

จะเห็นว่าถ้าเรามองเผิน ๆ แล้วการเคลื่อนที่ของเพลาซึ่งเป็นการเคลื่อนที่เชิงมุมและสปริงแผ่นซึ่งเป็นการเคลื่อนที่แบบแกว่งนั้นจะต่างกัน แต่เมื่อเรานำมาพิจารณาอย่างละเอียดแล้วเราจะพบว่ามีลักษณะที่เหมือนกันในแง่ของรอบการเคลื่อนที่

* ขนาดความรุนแรงของการสั่นสะเทือนหรือแอมปลิจูด (Amplitude) จากหัวข้อที่ผ่านมาเป็นเรื่องของรอบของการเคลื่อนที่และได้กล่าวว่าใน 1 รอบของการเคลื่อนที่นั้นมี 360 องศา จุดที่สูงสุดด้านบนและด้านล่างของการเคลื่อนที่จะเท่ากับที่ 90 องศาและ 270 องศา ส่วนขนาดความสูงจากจุดบนที่ 90 องศา มาถึงจุดล่างที่ 270

องศานั้นเราเรียกว่าขนาดของแอมปลิจูด ซึ่งมีขนาดเป็นหน่วยระยะทางอาจเป็นมิลลิเมตรหรือนิ้วหรืออื่น ๆ ในหน่วยของระยะทางซึ่งก็แล้วแต่จะนำมาเป็นหน่วยวัด ในงานวัดความสั่นสั่นสะเทือนนั้นเราแบ่งขนาดความสูงของแอมปลิจูดออกเป็น 3 ประเภท (เพื่อความเข้าใจให้ดูรูปที่ 6 ประกอบ) ซึ่งก็คือ

รูปที่ 6 ประเภทของแอมปลิจูด

- แบบเต็มคลื่น (Peak to Peak) เป็นการวัดขนาดของแอมปลิจูดจากยอดคลื่นบนที่ 90 องศาถึงยอดคลื่นล่างที่270 องศา ถ้าเราพิจารณาจากรูปที่5เราจะเห็นว่าเป็นการวัดขนาดของการขึ้นสุดและลงสุดของการสั่นสะเทือนซึ่งจะมีค่าเท่ากับระยะการสั่นสะเทือนทั้งหมดของวัตถุ การวัดขนาดการสั่นสะเทือนแบบเต็มคลื่น (Peak to Peak) นี้จะใช้กับการวัดการสั่นสะเทือนในหน่วยการวัดแบบการวัดระยะทาง (Displacement) ของเครื่องจักรที่มีรอบของการสั่นสะเทือนต่ำ ๆ เช่นเพลาที่หมุนด้วยความเร็วที่ไม่เกิน 600 รอบ/นาที 

- แบบครึ่งคลื่น (PeakหรือZero to Peak) เป็นการวัดขนาดของการเคลื่อนที่หรือการสั่นสะเทือนโดยจะวัดระยะจากจุดเริ่มต้นที่ 0 องศาของแอมปลิจูดไปถึงจุดสูงสุดที่ 90 องศาหรือจาก 180 องศาไปยัง 270 องศา หรือค่าครึ่งหนึ่งของขนาดแอมปลิจูดของการสั่นสะเทือน

- แบบ Root Mean Square, RMS หรือค่ามาตรฐานความเฉ (Standard Deviation) ของขนาดแอมปลิจูดในกรณีที่วัดค่าแอมปลิจูดที่ไม่มีความสม่ำเสมอค่า Root Mean Squareนี้จะไม่ใช่ค่าเฉลี่ย การหาค่า RMSทำได้โดยเอากำลังสองของระยะแอมปลิจูดมารวมกันแล้วถอดรากที่สองออกมาโดยจะอยู่ในรูปสมการ

จากสมการในการหาค่าRMSดังสมการที่ 3 และสมการที่ 4 นั้นจะใช้ในการหาค่า RMSที่ขนาดแอมปลิจูดเท่า ๆ กันทุกคลื่น แต่ในทางปฏิบัติแล้วในการวัดการสั่นสะเทือนของเครื่องจักรนั้นขนาดของแอมปลิจูดอาจจะไม่เท่ากันโดยตลอดแต่จะเป็นลักษณะดังรูปที่ 7 ดังนั้นเพื่อความเข้าใจเกี่ยวกับค่าRMSมากขึ้นและมองภาพออกจะขอยกตัวอย่างดังต่อไปนี้  

จากรูปที่ 7 แสดงแอมปลิจูดของการสั่นสะเทือนชุดหนึ่งที่มีขนาดไม่สม่ำเสมอโดยค่า Peak ทั้งด้านล่างและด้านบนของยอดคลื่นเท่ากับ –2, 5, -8, 6, -4 และ 3 โดยที่ถ้าเรานำค่าทั้งหมดมาบวกกัน  (–2)+(5)+(-8)+(9)+(-4)+3 ซึ่งจะได้ผลลัพธ์เท่ากับ 0 และถ้าเราตัดเครื่องหมายลบ (-) ด้านหน้าออกแล้วนำมาบวกกันจากนั้นนำมาหาค่าเฉลี่ยเราก็จะได้เท่ากับ (2+5+8+9+4+3)/6 = 5.16 ซึ่งค่าดังกล่าวเป็นค่าเฉลี่ยไม่ใช่ค่า RMS

รูปที่ 7 ค่า RMS ของคลื่นที่ไม่สม่ำเสมอ

3.= 6.16 ซึ่งจะเห็นว่าค่าเฉลี่ยของแอมปลิจูดตามตัวอย่างจะเท่ากับ 5.16 ในขณะที่ค่า RMS จะมีค่ามากกว่าค่าเฉลี่ยคือมีค่าเท่ากับ 6.16 จากตัวอย่างดังกล่าวคงจะทำให้เรามองภาพของความหมายของคำว่า Root Mean Squareหรือ RMS ในงานวัดการสั่นสะเทือนของเครื่องจักรออก สำหรับรายละเอียดของค่าความสัมพันธ์ของขนาดการสั่นสะเทือนแบบต่าง ๆ แสดงในตารางที่ 1

* ความถี่ (Frequency) คือความสัมพันธ์ระหว่างจำนวนรอบของการเคลื่อนที่หรือรอบของการหมุนต่อหน่วยเวลา ในหน่วย SI ซึ่งเป็นที่นิยมใช้กันในปัจจุบันจะวัดเป็นรอบต่อวินาที (Rev/s หรือ rps, Hz) จากตัวอย่างข้างต้นถ้าหากเพลาหมุนด้วยความเร็ว 1500 รอบต่อนาที (rpm) ความถี่ในการหมุนก็จะเท่ากับ 1500/60 = 25 รอบต่อวินาทีหรือ 25 Hz ความถี่ที่เรามักจะพูดถึงกันนั้นจะมีอยู่สองชนิดก็คือ

- ความถี่ในการสั่นสะเทือนของเครื่องจักร คือความถี่ที่เกิดจากการหมุนหรือการเคลื่อนที่จากการทำงานของชิ้นส่วนต่าง ๆ ของเครื่องจักร เช่นมอเตอร์หมุนด้วยความถี่ 25 Hz (1500 rpm) ซึ่งความถี่ที่เกิดจากการทำงานหรือการเคลื่อนที่ของเครื่องจักรนี้จะมากหรือน้อยก็จะขึ้นอยู่กับองค์ประกอบหลายอย่างซึ่งจะอธิบายในรายละเอียดภายหลัง โดยที่ความถี่และเวลาในการสั่นสะเทือนจะเป็นไปตามสมการ

รูปที่ 8 ความถี่ธรรมชาติของสปริง

เพื่อให้มองภาพออกจะขอยกตัวอย่างจากรูปที่ 9 เป็นการทดสอบหาความถี่ธรรมชาติของแท่งวัตถุที่มีวัตถุทรงกลมติดอยู่ที่ปลายทั้งหมด 4 อันไล่กันตามขนาดความสูงดังรูป วัตถุดังกล่าวทั้ง 4 อันยึดติดอยู่กับชุดรองรับซึ่งต่อกับกระบอกเขย่าด้านขวามือ เริ่มการทำงานเมื่อเราเขย่ากระบอกเขย่าไปมาวัตถุทั้ง 4 แท่งจะเคลื่อนที่ไปมาพร้อมกันในทิศทางเดียวกัน  

แต่หลังจากเราหยุดการเคลื่อนที่ของกระบอกเขย่า แท่งวัตถุทั้ง 4 จะยังคงแกว่งต่อด้วยความถี่ที่เป็นความถี่ธรรมชาติของแท่งวัตถุแต่ละอันโดยที่อันที่สั้นที่สุดจะมีความถี่ในการแกว่งมากที่สุดคือ 3.9Hz, 2.6 Hz, 1.8 Hz และอันที่ยาวที่สุดแกว่งที่ความถี่ 1.4 Hz เราจะเห็นว่าวัตถุอันที่สั้นที่สุดจะมีความถี่ในการแกว่งหรือความถี่ธรรมชาติที่มากที่สุด และอันที่ยาวที่สุดจะมีความถี่ในการแกว่งหรือความถี่ธรรมชาติที่น้อยที่สุด

รูปที่ 9 การทดสอบความถี่ธรรมชาติของวัตถุที่มีขนาดไม่เท่ากัน

สำหรับเครื่องจักรและชิ้นส่วนเครื่องจักรนั้นแต่ละชิ้นส่วนก็จะมีความถี่ธรรมชาติของตัวมันเอง  ซึ่งถ้าความถี่ในการสั่นสะเทือนหรือความถี่ในการทำงานของเครื่องจักรนั้นสั่นตรงกับความถี่ธรรมชาติก็จะเกิดการสั่นพ้อง (Resonance) จะทำให้เกิดการสั่นอย่างรุนแรง เช่น สะพานทาโคม่าในรูปที่ 10 ซึ่งในการก่อสร้างในครั้งแรกไม่ได้มีการคำนวณหาความถี่ธรรมชาติหลังจากการใช้งานปรากฏว่าความถี่ธรรมชาติในการสั่นของสะพานตรงกับความถี่ที่เกิดจากลมจึงทำให้สะพานดังกล่าวต้องพังลงในภายหลังดังรูป

รูปที่ 10 ความเสียหายของสะพานแขวนที่เกิดจากความถี่ธรรมชาติ

ในกรณีที่เครื่องจักรต้องทำงานที่ความถี่ที่ตรงกับความถี่ธรรมชาติ หรือความถี่ในการเดินเครื่องต้องผ่านความถี่ธรรมชาติเป็นประจำสามารถที่จะแก้ไขได้โดยการเปลี่ยนรูปทรงของชิ้นส่วนของเครื่องจักร เช่น ดามให้หนาขึ้นหรือเสริมฐานจุดจับยึดของเครื่องจักรให้แข็งแรงมากยิ่งขึ้นก็จะสามารถแก้ไขปัญหาการสั่นพ้องกับความถี่ธรรมชาติได้

* หน่วยวัดการสั่นสะเทือน (Vibration Measurement Unit) คือหน่วยที่ใช้ในการบอกปริมาณของการสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นกับชิ้นส่วนที่ต้องการวัดว่ามีค่ามากน้อยขนาดไหน โดยหน่วยที่ใช้ในการวัดการสั่นสะเทือนจะแบ่งออกเป็น 3 แบบคือ

- การวัดระยะทางของการสั่นสะเทือน (Displacement) คือการวัดระยะทางการเคลื่อนที่ของวัตถุที่มีการสั่นสะเทือนว่า “มีการเคลื่อนที่ไปจากจุดอ้างอิงเท่าไดในการสั่นสะเทือนแต่ละรอบ” โดยปกติจะนิยมวัดเป็นมิลลิเมตร (mm) หรือนิ้ว ในการวัดระยะทางจะวัดแบบเต็มคลื่น (Peak to Peak) ส่วนมากจะใช้กับการเคลื่อนที่ที่มีความเร็วรอบต่ำ ๆ ที่ไม่เกิน 1200 รอบ/นาทีหรือ 20Hz เช่นเครื่องอัดขึ้นรูปชิ้นงาน หรือเครื่องจักรที่หมุนหรือเคลื่อนที่ช้าเพราะว่าที่ความเร็วรอบในการหมุนหรือเคลื่อนที่ต่ำ ๆ วัตถุจะมีระยะการเคลื่อนที่ได้มาก

การสั่นสะเทือนที่ความเร็วต่ำ ๆ นั้นระยะการเคลื่อนที่ของการสั่นสะเทือนเป็นสิ่งที่เราสามารถมองเห็นได้ดีที่สุด ตัวอย่างเช่นเพลาดังรูปที่ 11 เราจะเห็นว่าในการเคลื่อนที่ที่ความเร็วต่ำ ๆ นั้นเมื่อเพลาหมุนและเพลานั้นมีความหลวมคลอนอยู่เพลานั้นก็จะเกิดการแกว่ง ดังนั้นถ้าเพลาหลวมมากก็จะเกิดการแกว่งมากในขณะที่เพลาที่มีความฟิตพอดีก็จะมีระยะแกว่ง (X) น้อยกว่า  

รูปที่ 11 ระยะทางในการเคลื่อนที่ของเพลาต่อการหมุน 1 รอบ

- การวัดความเร็ว (Velocity) เป็นการวัดความเร็วในการเคลื่อนที่ของวัตถุที่สั่นสะเทือนว่า “มีความเร็วเท่าไหร่ในแต่ละรอบของการสั่นสะเทือน” โดยปกตินิยมวัดเป็นมิลลิเมตร/วินาที (mm/s) และนิ้ว/วินาที (inch/sec) ในการวัดความเร็วเรามักจะวัดแบบ RMS เราจะใช้หน่วยนี้กับการวัดการสั่นสะเทือนที่มีความถี่ระหว่าง 20Hz -1,000Hz (หรือความเร็วรอบในการหมุนที่สูงกว่า1, 200รอบ/นาที)

- การวัดอัตราเร่ง (Acceleration) เป็นการวัด “การเปลี่ยนแปลงอัตราส่วนของความเร็วในการเคลื่อนที่ต่อหน่วยเวลาของวัตถุที่มีการสั่นสะเทือน” ใช้ในการวัดการสั่นสะเทือนที่ความถี่สูงคือตั้งแต่ 10,000 Hz ขึ้นไป เพราะว่าการสั่นสะเทือนที่ความถี่สูงนั้นระยะทางการเคลื่อนที่จะน้อยและในขณะเดียวกันความเร็วในการเคลื่อนที่จะสูงมาก

ดังนั้นค่าที่เราสามารถที่จะมองเห็นได้ชัดเจนในการวัดการสั่นสะเทือนที่ความถี่สูงก็คืออัตราเร่งหรืออัตราการเปลี่ยนแปลงของความเร็วต่อหน่วยเวลา จากรูปที่ 11และรูปที่ 12 ในหัวข้อที่ผ่านมาเราจะเห็นว่าที่จุดบนสุดและจุดล่างสุดของตัวเรือนเพลานั้นความเร็วจะเป็นศูนย์

ดังนั้นในการวัดแบบอัตราเร่งเราจะวัดหาความเปลี่ยนแปลงของความเร็วของการเคลื่อนที่ของเพลาว่าจากจุดต่ำสุดถึงจุดสูงสุดของเพลามีการเปลี่ยนแปลงของความเร็วเมื่อเทียบกับเวลามีค่าเท่าใด โดยปกติอัตราเร่งจะวัดเป็นหน่วยมิลลิเมตรต่อเวลายกกำลังสอง (mm/s²) หรือ G (1G = 9.81 m/s²) ส่วนมากเราจะใช้ค่าอัตราเร่งเป็นตัววัดและวิเคราะห์การสั่นสะเทือนของตลับลูกปืน(Bearing)

จากรูปที่ 12 ซึ่งเป็นการแสดงความสัมพันธ์ระหว่างระยะทาง ความเร็วและอัตราเร่งในการเคลื่อนที่ของการสั่นสะเทือนนั้นเราจะเห็นว่ามุมในการเคลื่อนที่นั้นจะเริ่มตั้งแต่มุม 0 องศาจนถึงมุม 90 องศาซึ่งจุดนี้จะเป็นจุดที่ระยะการเคลื่อนที่มากสุด แต่เมื่อการเคลื่อนที่เลย 90 องศาไปความเร็วในการเคลื่อนที่จะเริ่มเพิ่มมากขึ้นเรื่อย ๆ ดังนั้นที่มุม 90 องศาคือจุดเริ่มต้นที่ความเร็วในการเคลื่อนที่จะค่อย ๆ เพิ่มขึ้น จนไปถึงมุม 180 องศาจะเป็นจุดที่ความเร็วในการเคลื่อนที่สูงสุดและหลังจากนั้นความเร็วในการเคลื่อนที่จะค่อย ๆ ลดลงจนเป็นศูนย์ที่มุม 270 องศา

ในส่วนของอัตราเร่งเราจะเห็นว่าที่มุม 180 องศาความเร็วในการเคลื่อนที่สูงสุดและค่อย ๆ ลดลงหลังจากนั้น ดังนั้นอัตราเร่งจะเป็นศูนย์ที่มุมดังกล่าวและจะเปลี่ยนแปลงมากขึ้นหลังจากนั้นจนอัตราเร่งมากที่สดเมื่อการเคลื่อนที่เลยจากจุดนั้นไปอีก 90 องศา ดังนั้นเราจะเห็นว่ามุมในการเคลื่อนที่ของแต่ละเฟส (Phase) ระหว่างระยะทาง ความเร็วและอัตราเร่งจะต่างกันอยู่ 90 องศา

รูปที่ 12 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างการวัดระยะทาง ความเร็วและอัตราเร่งในการเคลื่อนที่ในรูปคลื่นไซน์ของการสั่นสะเทือน

สำหรับความสัมพันธ์ในรูปของสมการระหว่างระยะทาง  ความเร็วและอัตราเร่งในการเคลื่อนที่นั้นให้เราพิจารณาจากการเคลื่อนที่แบบ Simple Harmonics ดังรูปที่ 13 เป็นการเปลี่ยนการสั่นสะเทือนของวัตถุดังรูปเป็นคลื่นไซน์แกน X เป็นเวลาและแกน Yเป็นระยะทางของการเคลื่อนที่หรือระยะของการสั่นสะเทือน จากรูปดังกล่าวเมื่อเขียนความสัมพันธ์ออกมาในรูปสมการก็จะได้ออกมาในรูป

รูปที่ 13 การเคลื่อนที่แบบ Simple Harmonics

จากสมการที่ 8-10 ด้านบนนั้นเป็นกระบวนการทางคณิตศาสตร์ที่อาจจะยุ่งยาก ดังนั้นในการเปลี่ยนหน่วยในการวัดความสั่นสะเทือนนั้นจึงใช้ตามตารางที่ 2

ตารางที่ 2 แสดงความสัมพันธ์ของการเปลี่ยนหน่วยของความสั่นสะเทือน

ตัวอย่าง เพลาอันหนึ่งหมุนด้วยความเร็ว1500รอบ/นาที (f=25Hz) เกิดการเคลื่อนที่เนื่องจากการหลวมของเพลา (D) เท่ากับ 1mm (Peak) ให้หาความเร็วและอัตราเร่งในการสั่นสะเทือนของเพลาอันนี้

ที่จุดการสั่นสะเทือนจุดเดียวกันที่ความเร็วรอบหรือความถี่ในการเคลื่อนที่หรือหมุนที่รอบต่ำเราจะเห็นว่าระยะทางการเคลื่อนที่จะมีมาก แต่ที่ความถี่ในการสั่นสะเทือนสูงขึ้นไประยะทางการเคลื่อนที่จะลดลงแต่ค่าความเร่งจะสูงขึ้น  ส่วนความเร็วนั้นสามารถเห็นได้ทุกย่านความถี่การสั่นสะเทือนดังกราฟแสดงความสัมพันธ์ดังรูปที่ 14

รูปที่ 14 กราฟแสดงความสัมพันธ์ของค่าต่าง ๆ ของการสั่นสะเทือน

สำหรับการวัดและวิเคราะห์การสั่นสะเทือนของเครื่องจักรโดยใช้เครื่องมือวัดการสั่นสะเทือนนั้นมีรายละเอียดในการวัดและพิจารณาในส่วนต่าง ๆ ดังต่อไปนี้คือ

ในการวัดการสั่นสะเทือนของเครื่องจักรนั้นนอกจากมีเครื่องวัดการสั่นสะเทือนแล้ว สิ่งหนึ่งที่เราต้องรู้ก็คือจุดที่เราจะต้องเอาเครื่องมือไปวัดว่าจะต้องวัดที่จุดไหนบ้าง เราได้รู้จากข้างต้นแล้วว่า “การสั่นสะเทือนคือการแกว่งหรือการสั่นของวัตถุเมื่อเปรียบเทียบกับจุดอ้างอิง” ดังนั้นในการวัดการสั่นสะเทือนของวัตถุหรือชิ้นส่วนต่างๆของเครื่องจักรเราจึงต้องวัดในจุดที่เป็นจุดต่อของจุดที่หมุนหรือเคลื่อนที่กับจุดที่อยู่กับที่ซึ่งก็คือจุดที่รองรับการหมุนหรือการเคลื่อนที่ในการหมุนที่เป็นแบริ่ง (Bearing) หรือชุดแบริ่ง (Bearing Unit) 

ในการวัดความสั่นสะเทือนนั้นโดยปกติแล้วจะทำการวัดใน2แนววัดโดยแยกเป็น3จุดวัดคือ
1. จุดวัดในแนวแกน (Axial, A)
2. จุดวัดในแนวรัศมี (Radius) ที่เป็นแนวนอน (Horizontal, H)
3. จุดวัดในแนวรัศมี (Radius) ที่เป็นแนวตั้ง (Vertical, V) 

ในการวัดนั้นจุดที่วัดจะต้องเป็นจุดที่เป็นตัวเรือนเครื่องจักรหรือตัวเรือนของมอเตอร์ ไม่แนะนำให้วัดบนฝาครอบหรือชิ้นส่วนอื่น ๆ เพราะจะทำให้ค่าที่ได้จากการวัดผิดเพี้ยนไปจากความเป็นจริงและในการวัดนั้นแรงกดของทุกครั้งที่วัดของทุกจุดจะต้องเท่ากัน ในกรณีที่ต้องใช้คนหลายคนในการทำการวัดนั้นจะต้องมาฝึกวัดการสั่นสะเทือนของจุดใดจุดหนึ่งแล้ววัดให้ค่าที่วัดได้ของทุกคนเท่ากันก่อนเพื่อจะได้รู้จังหวะการวัดและแรงกดที่ใช้การกดหัววัดการสั่นสะเทือน

ในการวัดแต่ละแนวนั้น ค่าที่ได้จากแต่ละแนวของการวัดจะเป็นตัวที่บ่งบอกถึงสาเหตุที่ทำให้เกิดการสั่นสะเทือนขึ้นซึ่งจะขออธิบายเบื้องต้นต่อไป

รูปที่ 15 แนวของจุดที่วัดการสั่นสะเทือน

รูปที่ 16 เครื่องมือวัดการสั่นสะเทือนแบบต่าง ๆ

- แนวแกน (Axial, A) คือจุดวัดที่อยู่ในแนวขนานกับเพลาของเครื่องจักรที่ต้องการวัด ในการวัดนั้นเราต้องวัดในจุดที่อยู่ใกล้กับเพลาให้มากที่สุด การสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นมากผิดปกติหรือเกิดขึ้นอย่ารุนแรงในแนวนี้มีสาเหตุมาจากการรุนของเพลา การคดงอของเพลา และการ Misalignment ระหว่างต้นกำลังกับตัวตามไม่ดีเช่นการMisalignmentระหว่างมอเตอร์กับปั้มของชุดปั้มน้ำ

- แนวรัศมี (Radius) หรือแนวรัศมีในการหมุนของเพลา ใบพัด มอเตอร์หรือส่วนที่หมุนของเครื่องจักร คือแนวการวัดที่ตั้งฉากกับแนวการวัดในแนวแกน แบ่งเป็นสองแนวคือ

1. แนวนอน (Horizontal, H) คือจุดวัดที่อยู่ในแนวนอนหรือแนวขนานกับพื้น หรือตั้งฉากกับจุดยึดของฐานมอเตอร์หรือเครื่องจักร ซึ่งจะวัดทางด้านขวาหรือด้านซ้ายของชิ้นส่วนหรือเครื่องจักรที่ต้องการวัดก็ได้แต่มุมการวัดต้องได้ 90 องศาหรือใกล้เคียงกับจุดวัดที่เป็นแนวตั้ง (Vertical, V) การสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นมากผิดปกติหรือเกิดขึ้นอย่างรุนแรงในแนวนี้มีสาเหตุมาจากความสมดุล (Balance) ของเพลา ใบพัด ล้อช่วยแรง ชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่เป็นวงกลม หรือการแกว่งของเพลา ของเครื่องจักรนั้น ๆ

2. แนวตั้งฉากหรือแนวดิ่ง (Vertical, V) คือจุดวัดที่อยู่ในแนวตั้งฉากกับกับพื้นหรือด้านที่อยู่ตรงกันข้ามกับจุดจับยึดมอเตอร์หรือเครื่องจักร โดยทั่ว ๆ ไปแล้วจุดที่ทำการวัดคือจุดวัดที่อยู่ด้านบนของเครื่องจักรที่ต้องการจะวัด  เช่นด้านบนของมอเตอร์หรือปั้มโดยจุดที่วัดจะต้องมีมุมขนาน 90 องศา หรือใกล้เคียงกับจุดวัดในแนวนอน      

การสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นมากผิดปกติหรือเกิดขึ้นอย่างรุนแรงในแนวนี้มีสาเหตุมาจากการหลุดหลวมของอุปกรณ์จับยึดเช่นโบลต์หรือนัต การสึกหรอของแบริ่งและบูช แท่นเครื่องที่ไม่แข็งแรงเพราะว่าเมื่อจุดจับยึดเหล่านั้นหลุดหลวมหรือแบริ่งและบูชสึกหรอก็จะสามารถเคลื่อนที่ในทิศทางขึ้นลงได้มากจึงทำให้เกิดการสั่นสะเทือนในแนวนี้มาก

ในการวัดการสั่นสะเทือนนั้นเราจะต้องวัดทุกจุดที่เป็นจุดรองรับการหมุนหรือจุดที่เป็นแบริ่ง (Bearing) หรือชุดแบริ่ง (Bearing Unit) ดังรูปที่ 15 สำหรับมอเตอร์จะต้องวัดที่แบริ่งด้านหน้าและแบริ่งด้านหลังรวมสองจุดวัดเท่ากับ 6 แนวที่จะต้องวัดต่อมอเตอร์1ตัว สำหรับจุดวัดที่เป็นเครื่องจักรแบบต่าง ๆ และชุดแบริ่ง (Bearing Unit) แสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 17 จุดที่ต้องทำการวัดการสั่นสะเทือนเครื่องจักร ตัวมอเตอร์และชุดแบริ่ง (Bearing Unit)

* หน่วยที่ใช้วัดการสั่นสะเทือนกับความเร็วรอบในการหมุน หน่วยที่ใช้วัดการสั่นสะเทือนนั้นเราจะเลือกใช้ตามความเร็วรอบและชนิดของการสั่นสะเทือนที่ใช้วัดดังรายละเอียดในตารางที่ 3

เมื่อเราได้ค่าการสั่นสะเทือนที่วัดตามจุดต่าง ๆ แล้วขั้นตอนต่อไปคือการเอาค่าการสั่นสะเทือนที่ได้จากการวัดนั้นมาทำการวิเคราะห์และเปรียบเทียบกับค่ามาตรฐานว่าค่าการสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นกับจุดต่าง ๆ ที่ทำการวัดนั้นมีค่ามากน้อยเพียงใด ซึ่งในการพิจารณานั้นเราจะพิจารณาจากขนาดของการสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้น

เปรียบเทียบกับขนาดของเครื่องจักร  ลักษณะของเครื่องจักร ความเร็วรอบของเครื่องจักร สำหรับเครื่องจักรโดยทั่วไปเราจะใช้มาตรฐาน ISO 2372–1974E ซึ่งจะแบ่งการสั่นสะเทือนตามขนาดของเครื่องจักรและขนาดของการสั่นสะเทือนที่วัดได้ดังตารางที่ 4

สำหรับรายละเอียดในการเปรียบเทียบขนาดของการสั่นสะเทือนที่วัดได้ตามจุดต่าง ๆ กับตาราง ISOของการสั่นสะเทือนนั้น อันดับแรกให้เราหาขนาดของเครื่องจักรว่าเครื่องจักรของเรามีกำลังเท่าไหร่ตรงกับช่องไหนของตาราง จากนั้นให้เราเอาค่าการสั่นสะเทือนที่วัดได้ในหน่วยเดียวกับตารางคือหน่วยที่มีขนาดการสั่นสะเทือนเป็น RMSมาทำการเปรียบเทียบกับในตารางว่าความรุนแรงของการสั่นสะเทือนอยู่ในระดับไหน ดังรายละเอียดดังต่อไปนี้คือ

ตารางที่ 4 แสดงระดับความรุนแรงของการสั่นสะเทือนตามขนาดของเครื่องจักรตามมาตรฐาน ISO2372–1974E

ดี คือค่าระดับการสั่นสะเทือนอยู่ในเกณฑ์น้อยเมื่อเทียบกับขนาดของเครื่องจักร
พอใช้ คือค่าระดับการสั่นสะเทือนไม่มากและเครื่องจักรยังสามารถทำงานได้ตามปกติ  

เฝ้าระวัง คือระดับการสั่นสะเทือนเมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องจักรอยู่ในเกณฑ์สูง ให้หาสาเหตุการสั่นสะเทือนของเครื่องจักรว่ามาจากสาเหตุไดเพื่อที่จะเตรียมตัวทำการแก้ไข และในกรณีที่เครื่องจักรเครื่องนั้นทำงานตลอดเวลาก็ให้เตรียมการสำหรับการหยุดตรวจสอบและซ่อมบำรุง

หยุดเพื่อตรวจสอบ คือระดับการสั่นสะเทือนของเครื่องจักรเมื่อเปรียบเทียบกับขนาดของเครื่องจักรสูงมาก ให้ทำการหยุดทำการตรวจสอบหาสาเหตุและทำการแก้ไขโดยด่วนเพราะไม่เช่นนั้นแล้วอาจทำให้เครื่องจักรดังกล่าวชำรุดเสียหายได้

นอกจากนี้แล้วยังมีมาตรฐานอีกตัวหนึ่งที่นิยมใช้กันคือมาตรฐาน ISO10816-3 ดังแสดงในตารางที่5โดยจะจำแนกเครื่องจักรตามขนาดของเครื่องจักรและประเภทของฐานของเครื่องจักรเป็นฐานแบบ Flexible เช่นเครื่องจักรที่มียางรองแท่นเครื่อง และเครื่องจักรที่มีฐานรองเครื่องจักรที่เป็นฐานแข็งเกร็ง (Rigid) เช่นเครื่องจักรที่มีฐานรองรับเครื่องที่เป็นเหล็กหรือคอนกรีต

สำหรับหน่วยวัดก็จะใช้เป็นการวัดเป็นความเร็ว (Velocity, mm/s [RMS]) ดังรายละเอียดในตารางที่4 สำหรับเกณฑ์ในการปฏิบัติต่อเครื่องจักรที่ระดับการสั่นสะเทือนที่ต่าง ๆ ก็เหมือนกับที่กล่าวมาแล้วข้างต้น

ในกรณีที่เรามีเครื่องวัดการสั่นสะเทือนแบบธรรมดาที่แสดงแค่ตัวเลขบอกค่าการสั่นสะเทือนอย่างเดียว หลังจากที่เราวัดค่าการสั่นสะเทือนที่จุดต่าง ๆ ตามที่กล่าวมาในข้างต้นตามลำดับแล้ว จากนั้นเราก็เอาค่าที่ได้มาเทียบกับค่ามาตรฐานตามตารางที่ 4 หรือตารางที่ 5 ว่าเครื่องจักรเราเป็นเครื่องจักรประเภทไหนและมีขนาดการสั่นสะเทือนเท่าไหร่ การสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นเกินมาตรฐานหรือไม่ ถ้าระดับการสั่นสะเทือนอยู่ในระดับปกติหรือระดับที่เครื่องจักรสามารถทำงานต่อไปได้     

ทางหนึ่งที่เราจะทำการติดตามสภาพของเครื่องจักรจากการวัดการสั่นสะเทือนได้ก็คือการวัดค่าเป็นช่วงเวลาตามที่กำหนดแล้วทำการบันทึกค่าไว้ จากนั้นก็ทำการเปรียบเทียบการเปลี่ยนแปลงของเครื่องจักรจากการสั่นสะเทือน โดยทั่ว ๆ  ไปแล้วจะนิยมทำไว้เป็นกราฟ เพราะว่าจะทำให้ดูความเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นกับเครื่องจักรได้ง่ายดังรูปที่ 18

รูปที่ 18 กราฟแสดงการเปลี่ยนแปลงของระดับการสั่นสะเทือนของเครื่องจักร

ในการวัดการสั่นสะเทือนด้วยเครื่องวัดแบบธรรมดาที่มีเฉพาะการแสดงค่าความสั่นสะเทือนนั้น  การวัดทั้งสามแนววัด คือแนวระดับ แนวตั้งและแนวแกน ค่าที่ได้จากการวัดนั้นจะเป็นค่าการสั่นสะเทือนโดยรวม (Overall Vibration) ของการสั่นสะเทือนทั้งหมดโดยที่หัววัดการสั่นสะเทือนจะแสดงค่าที่สูงที่สุดของแต่ละจุดของการวัดให้เราพิจารณาค่าที่สูงสุดที่วัดได้เป็นเกณฑ์ในการพิจารณา ถ้าหากค่าที่วัดได้ในแนวแกนไดแกนหนึ่งสูงที่สุดให้ถือเป็นเกณฑ์ในการพิจารณา

* การวิเคราะห์หาสาเหตุของการสั่นสะเทือนจากค่าที่จุดวัดต่าง ๆ
ในการวัดที่จุดวัดทั้งสามแนวของเครื่องจักรคือแนวแกน (Axial, A) แนวระดับ (Horizontal, H) และแนวดิ่ง (Vertical, V) นั้นค่าการสั่นสะเทือนที่จุดต่าง ๆ ที่ได้จากแต่ละจุดนั้นจะบ่งบอกถึงสาเหตุของการสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้น ซึ่งรายละเอียดแสดงในตารางที่ 6

ตารางที่ 6 แสดงสาเหตุของการสั่นสะเทือนในแนววัดต่าง ๆ

จากเนื้อหาข้างต้นคงพอที่จะทำให้ผู้อ่านมีความเข้าใจในเรื่องการสั่นสะเทือนและสามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้  ซึ่งในกรณีที่เครื่องจักรที่มีส่วนประกอบง่าย ๆ ไม่สลับซับซ่อน  และเครื่องมือที่ราคาขนาดปานกลางก็คงพอที่จะทำให้เราสามารถที่จะทำการวัดและวิเคราะห์หาสาเหตุของการสั่นสะเทือนของเครื่องจักรได้  

ในตอนต่อไปเราจะมาทำความเข้าใจกับการวิเคราะห์ความถี่ของการสั่นสะเทือนของเครื่องจักรที่มีชิ้นส่วนมากและมีความสลับซับซ้อนยิ่งขึ้น ในเรื่องของการวิเคราะห์ความถี่ของการสั่นสะเทือนของเครื่องจักร โปรดติดตามในฉบับต่อไป

เอกสารอ้างอิง

[1] “An engineering guide to Shaft alignment, Vibration analysis & dynamic balancing” PR?FTECHNIK, Edition
      1:10 2.002
[2] เอกสารประกอบการอบรมเรื่อง “FFT analysis” MASKINDYNAMIKK AS., NORWAY
[3] เอกสารเรื่อง “Vibration reference and Training guide” DLI Engineering corporation,
[4] เอกสารประกอบการอบรมเรื่อง”CSI 4500 Machinery Health Monitor Overview”. Novaspect, Inc.
[5]  วินัย เวชวิทยาขลัง, เอกสารประกอบการอบรมเรื่อง “การบำรุงรักษาเครื่องจักรด้วยวิธีวัด-วิเคราะห์ความสั่นสะเทือน 
      (เชิงปฏิบัติ), สมาคมส่งเสริมเทคโนโลยี (ไทย-ญี่ปุ่น), ธันวาคม 2549