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

แบริ่งเป็นอุปกรณ์ลดแรงเสียดทานที่ใช้เป็นส่วนประกอบของเครื่องจักรและอุปกรณ์ต่าง ๆ อย่างแพร่หลายและถือเป็นอุปกรณ์ที่มีความสำคัญและส่งผลโดยตรงกับการทำงานและประสิทธิภาพของเครื่องจักร การที่แบริ่งเกิดความผิดปกติหรือชำรุดเสียหายนั้นนอกจะทำให้เครื่องจักรต้องเสียเวลาและมูลค่าในการผลิตที่เกิดจากการหยุดเพื่อซ่อมแล้ว ในอุปกรณ์บางอย่างที่เกี่ยวกับความปลอดภัยอาจทำให้เกิดอันตรายแก่บุคคลได้ เช่น แบริ่งที่เป็นส่วนประกอบของยานยนต์หรือยานพาหนะอื่น ๆ

แบริ่งเป็นเป็นส่วนประกอบที่สำคัญอย่างหนึ่งของเครื่องจักร ในการใช้งานแบริ่งนั้นเมื่อติดตั้งแบริ่งเข้ากับเครื่องจักรแล้วก็จะใช้งานแบริ่งไปจนแบริ่งนั้นเสื่อมสภาพ หลังจากนั้นก็เปลี่ยนไปใช้แบริ่งตัวใหม่ แบริ่งเป็นอุปกรณ์ที่ไม่สามารถซ่อมแซมได้

แต่การติดตั้งอย่างถูกวิธี ใช้งานอย่างถูกต้องถูกกับประเภทและชนิดของแบริ่ง ตลอดจนการหล่อลื่นและบำรุงรักษาแบริ่งอย่างถูกต้องและถูกวิธีก็จะสามารถทำให้อายุการใช้งานของแบริ่งยาวนานและส่งผลให้เครื่องจักรสามารถทำงานได้อย่างเต็มสมรรถนะ 

รูปที่ 1 ความเสียหายแบบต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นกับแบริ่ง

สำหรับอายุการใช้งานของแบริ่งนั้นจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับองค์ประกอบหลายอย่างเช่น ความเร็วรอบ ภาระ (Load) ของแบริ่ง อุณหภูมิแวดล้อมของแบริ่ง การหล่อลื่นและการบำรุงรักษา ดังนั้นเพื่อที่จะให้อายุการใช้งานของแบริ่งยาวนานและป้องกันความเสียหายที่เกิดกับเครื่องจักรเนื่องจากความเสียหายของแบริ่งในรายละเอียดต่อไปของบทความนี้จะนำเสนอถึงรายละเอียดในการตรวจสอบ บำรุงรักษาแบริ่งและรายละเอียดอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้อง

ประโยชน์ของสารหล่อลื่นสำหรับแบริ่งก็คือเป็นตัวเคลือบเม็ดลูกปืนและรางวิ่ง ตลอดจนชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ของแบริ่งลักษณะเป็นฟิล์มเพื่อป้องกันการสัมผัสกันโดยตรงของโลหะดังกล่าวเพื่อลดการสึกหรอและลดแรงต้านทานจากการเสียดสีกันของชิ้นส่วนต่าง ๆ ซึ่งโดยสรุปประโยชน์ของสารหล่อลื่นสำหรับแบริ่งมีดังนี้คือ

- ลดการขัดสีกันระหว่างชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ ลดแรงเสียดทาน
- ถ่ายเทความร้อนการเสียดทานที่เกิดขึ้นในแบริ่ง
- ป้องกันการกัดกกร่อนและการเกิดสนิม
- ป้องกันวัตถุที่ไม่ต้องการเช่นฝุ่นและสิ่งปกปรกไม่ให้เข้าไปในแบริ่ง
- ช่วยให้แบริ่งใช้งานได้นานขึ้น

ในการพิจารณาเลือกใช้สารหล่อลื่นกับแบริ่งนั้น จะพิจารณาที่ความเร็วในการเคลื่อนที่แบบเชิงเส้นของเม็ดลูกปืน หมายความว่าถ้าหาเม็ดลูกปืนเคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่ำถึงความเร็วในระดับปานกลางจะใช้จาระบี (Grease) เป็นสารหล่อลื่น ส่วนการเคลื่อนที่ของเม็ดลูกปืนที่ความเร็วระดับปานกลางไปจนถึงความเร็วสูง ๆ จะใช้น้ำมัน (Oil) เป็นสารหล่อลื่น

ค่าที่ใช้เป็นเกณฑ์ในการพิจารณาเลือกใช้สารหล่อลื่นคือ ผลคูณระหว่างเส้นผ่าศูนย์กลางของแบริ่ง (Diameter, ?)ในหน่วยมิลลิเมตร กับควมเร็วรอบ (Revolution) ในหน่วยรอบต่อนาที (rpm) ของแบริ่งหรือค่า dn Value (d = Bearing Diameter, n = Revolution,)  

ในการพิจารณานั้นเราจะใช้เกณฑ์ดังนี้คือ
- ถ้าหากผลคูณระหว่างเส้นผ่าศูนย์กลางและความเร็วรอบของแบริ่ง (dn Value) มีค่าต่ำกว่า 16,000 ให้ใช้จาระบี (Grease) เป็นสารหล่อลื่น

- ถ้าถ้าหากผลคูณระหว่างเส้นผ่าศูนย์กลางและความเร็วรอบของแบริ่ง (dn Value) มีค่ามากกว่า 16,000 ให้ใช้น้ำมัน (Oil) เป็นสารหล่อลื่น ซึ่งในรายละเอียดของการใช้จาระบีและน้ำมันเป็นสารหล่อลื่นนั้นจะกล่าวถึงในรายละเอียดหลังจากนี้

ตารางที่ 1 แสดงข้อดีของการหล่อลื่นด้วยจาระบีและน้ำมัน

* การหล่อลื่นด้วยจาระบี (Grease Lubricant) 
โดยปกติเราจะใช้จาระบีในการหล่อลื่นเนื่องจากง่ายต่อการใช้งานอีกทั้งจาระบีก็ยังสามารถใช้งานได้ดีกับแบริ่งที่หมุนด้วยความเร็วรอบต่ำ ๆ และที่ความเร็วรอบปานกลางดังที่กล่าวมาแล้วในรายละเอียดของค่า dn Value

โดยทั่วไปแล้วในการเลือกใช้จาระบีนั้นเราจะพิจารณาถึง ชนิดของสบู่จาระบี (Thicknecker) ชนิดของน้ำมันฐาน (Base Oil)  ตลอดจนความแข็งของจาระบีเพื่อให้เหมาะสมกับสภาวะแวดล้อมในการหล่อลื่นที่นำไปใช้ ชึ่งโดยทั่วไปแล้วเกณฑ์ในการพิจารณาเบื้องต้นจะเป็นดังแสดงในตารางที่ 2

ตารางที่ 2 แสดงเกณฑ์การพิจารณาในการใช้งานจาระบี

สำหรับการหล่อลื่นแบริ่งด้วยจาระบีนั้นคำถามที่เราจะพบบ่อย ๆ ก็คือ “ปริมาณจาระบีที่ใช้ในการหล่อลื่นต้องใช้เท่าใหร่” และ “ช่วงเวลาในการอัดจาระบีซ้ำ (Relubricant) นั้นควรจะเป็นระยะเวลาเท่าไหร่” จริง ๆ แล้วคำถามเหล่านี้มีคำตอบอยู่แล้วในคู่มือการใช้แบริ่งหรือแคทตาลอกของแบริ่งที่ผู้ผลิตแนะนำมาซึ่งมีรายละเอียดดังต่อไปนี้

* ปริมาณจาระบีที่ต้องใช้ (Quantity of Grease for Use)
ปริมาณจาระบีที่ต้องใช้หรือต้องอัดจะขึ้นอยู่กับขนาดของลูกปืนซึ่งถ้าหากเป็นลูกปืนลูกใหญ่หรือมีปริมาตรมากก็ต้องใช้ปริมาณจาระบีมาก ซึ่งจะเป็นไปตามสมการดังนี้คือ

- ปริมาณจาระบีที่จะต้องอัดในครั้งแรก (Initial Grease Fill) ซึ่งจาระบีบางแบบจะถูกเติมหรืออัดมาจากโรงงานหรือผู้ผลิตแล้ว
     ลูกปืนเม็ดกลม (Ball Bearing)             

- ปริมาณจาระบีที่ต้องอัดครั้งต่อไปตามกำหนดเวลา (Relubrication or Added at Service) ซึ่งผู้ใช้งานจะต้องเป็นผู้ทำการเติมหรืออัดจาระบีเอง
                 Qr = 0.005 x D x B …… (3)

รูปที่ 2 แสดงตัวแปรตามสมการที่ 1, 2 และ 3

โดยที่   Q_i  คือ ปริมาณจาระบีที่จะต้องอัดครั้งแรก (Initial Grease Fill) มีหน่วยเป็นซีซี
             Q_r คือ ปริมาณจาระบีที่จะต้องเติมเครั้งต่อไปตามระยะเวลา (Relubrication) มีหน่วยเป็นซีซี
             d คือ เส้นผ่าศูนย์กลางเพลา (Bore) ของแบริ่ง มีหน่วยเป็นมิลลิเมตร
             D คือ เส้นผ่าศูนย์กลางภายนอก (Out Side Diameter) ของแบริ่ง  มีหน่วยเป็นมิลลิเมตร
             B คือ ความกว้างของรางในของแบริ่ง (Inner Ring Width) มีหน่วยเป็นมิลลิเมตร ดังมิติต่าง ๆ ของแบริ่งในรูปที่ 2

เป็นคำถามที่ถูกถามกันมากว่าในการอัดจาระบีซ้ำ (Relubricant) นั้นมีระยะเวลาเท่าไหร่หลังจากการอัดครั้งก่อน ในบางครั้งเราสังเกตว่าในแผนการบำรุงรักษาเครื่องจักร จะมีรายการอัดจาระบีอยู่ด้วยในแผนทุกครั้ง บางที่อาจมีการอัดจาระบีแบริ่งกันทุกเดือน        

หรือทุกครั้งที่มีการบำรุงรักษาเครื่องจักรตามแผน ซึ่งเป็นสิ่งที่เกินความจำเป็น ต้องเสียเวลา เสียกำลังคนและเสียเงินค่าจาระบีโดยใช่เหตุ มิหนำซ้ำอาจทำให้แบริ่งและซีลเสื่อมสภาพเร็วกว่าปกติด้วยเนื่องจากความร้อนของแบริ่งจากกการที่มีจาระบีอยู่ภายในแบริ่งมากเกินไป  

สำหรับระยะเวลาในการอัดจาระบีซ้ำนั้นจะขึ้นอยู่กับ ขนาดของแบริ่งและความเร็วรอบในการหมุน ซึ่งทางผู้ผลิตแบริ่งได้แนะนำมาอยู่ในรูปของแผนภูมิแสดงความสัมพันธ์ระหว่างสภาวะการทำงานของแบริ่ง คือความเร็วรอบในการหมุน (Rotating Speed) และขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางเพลา (Bore Diameter) กับระยะเวลาในการอัดจาระบีซ้ำในหน่วยชั่วโมง (Hours, h) ดังรูปที่ 3

รูปที่ 3 แผนภูมิแสดงความสัมพันธ์ระหว่างสภาวะการทำงานของแบริ่งกับระยะเวลาในการอัดจาระบีซ้ำ

จะใช้ในการหล่อลื่นแบริ่งที่ทำงานด้วยสภาวะการทำงานที่ความเร็วรอบและอุณหภูมิสูง ๆ เพราะการทำงานที่ความเร็วสูง ๆ นั้น ชิ้นส่วนต่าง ๆ ภายในแบริ่งจะเคลื่อนที่ด้วยความรวดเร็ว น้ำมันหล่อลื่นสามารถแทรกตัวเข้าไปในส่วนต่าง ๆ ของแบริ่งและให้การหล่อลื่นได้ดีกว่า        

ในทำนองเดียวกันในสภาวะที่อุณหภูมิสูงน้ำมันจะเป็นตัวที่นำความร้อนออกจากชิ้นส่วนของแบริ่งดีกว่า ในบางระบบที่ต้องทำงานด้วยอุณหภูมิสูงเป็นเวลาต่อเนื่องนาน ๆ ก็จะมีชุดระบายความร้อนน้ำมันหล่อลื่น (Oil Coolers) เพื่อนำความร้อนออกจากระบบอีกทีหนึ่ง  

ในการพิจารณาเลือกใช้น้ำมันหล่อลื่นกับแบริ่งนั้น เราจะพิจารณาที่ความเร็วรอบและอุณหภูมิการทำงานของแบริ่งเพื่อเลือกใช้ชนิดและความหนืดของน้ำมันให้ถูกต้องเหมาะสมตามชนิดของแบริ่ง ดังตารางที่ 3 แสดงความหนืดของน้ำมันที่เหมาะสมกับแบริ่งชนิดต่าง ๆ และรูปที่ 4 แสดงระดับความหนืดของน้ำมันที่อุณหภูมิต่าง ๆ

ตารางที่ 3 แสดงความหนืดของน้ำมันที่เหมาะสมกับแบริ่งชนิดต่าง ๆ

รูปที่ 4 แผนภูมิแสดงระดับความหนืดของน้ำมันที่อุณหภูมิต่าง ๆ

สำหรับแนวทางในการเลือกน้ำมันให้เหมาะสมกับสภาวะของเครื่องจักรนั้น ในส่วนของผู้ใช้นั้นส่วนใหญ่แล้วก็จะใช้ตามที่ผู้ผลิตแนะนำมา ซึ่งจะใช้น้ำมันแบบไหนเบอร์อะไรนั้นก็จะผ่านการพิจารณาจากผู้ผลิตแล้ว

แต่ในกรณีที่เป็นเครื่องจักรที่ไม่มีรายละเอียดในการใช้น้ำมันหล่อลื่นจากผู้ผลิตก็สามารถพิจารณาใช้น้ำมันจากตารางที่ 4 ตัวอย่างการพิจารณาเลือกใช้น้ำมันหล่อลื่น โดยจะพิจารณาจาก อุณหภูมิที่ใช้งาน, ความเร็วรอบของแบริ่ง, การรับภาระ (Load) ของแบริ่ง, ซึ่งจะแบ่งเป็นการรับภาระแบบเบาและภาระหนัก (Heavy Duty Load) และการรับภาระแบบกระแทก (Impact Load)

รูปที่ 5 การใช้จาระบีหล่อลื่นจากศูนย์กลาง (Centralize)

รูปที่ 6 แบริ่งที่ใช้งานที่รอบและอุณหภูมิสูงต้องใช้การหล่อลื่นด้วยน้ำมัน

นอกจากการเลือกใช้น้ำมันที่ถูกต้องแล้วและหลังจากที่น้ำมันหล่อลื่นถูกใช้งานไปนานที่สภาวะแวดล้อมต่าง ๆ เช่น  ในที่ที่มีความร้อนสูง มีความชื้นหรือฝุ่นมากและสภาพแวดล้อมที่ไม่เป็นผลดีกับน้ำมันหล่อลื่นอื่น ๆ คุณภาพของน้ำมันหล่อลื่นนั้น ๆ จะเปลี่ยนไป ซึ่งสำหรับเครื่องจักรที่ใช้แบริ่งขนาดเล็กราคาไม่สูงและการหยุดเครื่องจักรไม่ได้กระทบต่อการผลิตมากนักก็ไม่มีปัญหา 

สำหรับแบริ่งที่มีความสำคัญเป็นส่วนประกอบของเครื่องจักรที่มีราคาสูง และเป็นเครื่องจักรที่สำคัญส่งผลกระทบต่อการผลิตมากหากหยุดเครื่อง ในกรณีนี้เราจะให้ความสำคัญกับคุณภาพของน้ำมันหล่อลื่นมาก  ซึ่งสิ่งหนึ่งที่บอกถึงสภาพของน้ำมันหล่อลื่นว่าอยู่ในเกณฑ์ที่จะใช้ต่อไปได้หรือเปล่าคือสภาพและสิ่งเจือปนในน้ำมันดังแสดงในตารางที่ 5

ตารางที่ 5 แสดงคุณสมบัติของน้ำมันหล่อลื่นในการพิจารณาอายุการใช้งาน

เป็นการตรวจสอบความผิดปกติที่เกิดขึ้นกับแบริ่งในขณะที่แบริ่งกำลังทำงานเพื่อติดตามสภาพของแบริ่ง เป็นการหาความผิดปกติและเตรียมการแก้ใขปัญหาหากมีความปกติเกิดขึ้นกับแบริ่ง ในการตรวจสอบแบริ่งขณะทำงานนั้นจะตรวจสอบอุณหภูมิ (Temperature) การสั่นสะเทือนและเสียงผิดปกติ (Vibration and Noise) ที่เกิดขึ้นกับแบริ่ง นอกจากนั้นจะต้องตรวจสอบสภาพการหล่อลื่นของแบริ่งด้วยว่าเพียงพอหรือมากเกินไปหรือไม่

โดยทั่วไปแล้วอุณหภูมิของแบริ่งจะเพิ่มขึ้นจากอุณหภูมิสิ่งแวดล้อม อุณหภูมิห้องที่แบริ่งทำงานหรืออุณหภูมิของชิ้นส่วนที่ทำงานร่วมกันหรือติดกับแบริ่งนั้นหลังจากที่เริ่มทำงานไประยะหนึ่ง ประมาณ 10–40 ๐C ซึ่งจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับ ความเร็วรอบในการทำงานรับโหลด (Load) และก่อนมีโหลด (Pre-Load) ของแบริ่ง              

การหล่อลื่นและการกระจายอุณหภูมิหรือความร้อนจากอุปกรณ์ข้างเคียง ซึ่งเมื่อแบริ่งทำงานไปเรื่อย ๆ หลังจากนั้นถ้าแบริ่งอยู่ในสภาวะการทำงานที่ปกติอุณหภูมิของแบริ่งจะต้องคงที่และโดยทั่วไปแล้ว อุณหภูมิของแบริ่งจะต้องไม่เกิน 100 ^๐C ในกรณีที่อุณหภูมิของแบริ่งสูงผิดปกติอาจมาจากสาเหตุต่าง ๆ ดังนี้

  1. การหล่อลื่นไม่เพียงพอหรือมากเกินไป
   2. การติดตั้งไม่ดี  หรือแบริ่งเสียหายขณะที่ติดตั้ง
   3. แบริ่งมี Clearance น้อยเกินไปหรือแบริ่งรับภาระ (Load) มากเกินไป
   4. เกิดการเสียดทานกันระหว่างขอบแบริ่งกับร่องซีล
   5. ใช้สารหล่อลื่นไม่ถูกต้อง
   6. เกิดรอยแตกที่ผิวแบริ่ง

* การตรวจสอบการสั่นสะเทือนของแบริ่ง (Vibration of bearing)
ความเสียหายและความผิดปกติ เช่นการไม่ได้ศูนย์ (Misalignment) การไม่สมดุล (Imbalance) หรือสภาพการจับยึดไม่ดีหรือการหลุดหลวมของเครื่องจักรที่เกิดขึ้นกับเครื่องจักรจะส่งผลกระทบโดยตรงกับแบริ่ง ตลอดจนความผิดปกติที่เกิดขึ้นกับแบริ่งสามารถตรวจสอบได้โดยการวัดการสั่นสะเทือน ขนาดของการสั่นสะเทือน (Amplitude) ที่มากหรือน้อยที่เกิดขึ้นจะเป็นตัวบ่งบอกถึงความเสียหายหรือความผิดปกติที่เกิดขึ้นกับแบริ่ง  

เสียงผิดปกติที่เกิดขึ้นกับแบริ่งก็เป็นอีกสิ่งหนึ่งที่เป็นตัวบ่งบอกถึงความเสียหายและความผิดปกติที่เกิดขึ้นกับแบริ่ง  สำหรับความผิดปกติของแบริ่งที่แสดงออกมาในรูปเสียงที่ผิดปกตินั้นมีรายละเอียดของสาเหตุ และการแก้ใขแสดงในตารางที่ 6 

ในการวิเคราะห์เสียงที่เกิดจากความผิดปกติของแบริ่งนั้น อันดับแรกเราต้องมองภาพการทำงานของส่วนประกอบต่าง ๆ ของแบริ่งให้ออกก่อนว่าในขณะที่แบริ่งต้องรับภาระ (Load) และหมุนไปด้วยนั้นชิ้นส่วนแต่ละชิ้น เช่น รางนอกและรางใน (Inner and Outer Race) รัง (Retainer) แบริ่ง หรือเม็ดลูกปืน (Ball or Roller) เคลื่อนที่ในลักษณะอย่างไร สัมพันธ์กับส่วนอื่น ๆ หรือไม่อย่างไร และลักษณะเสียงผิดปกติที่ดังออกมานั้นเป็นอย่างไรบ้าง

เช่น ระดับความดังของเสียง ลักษณะของเสียงดังที่เกิดขึ้น ความถี่ของเสียงที่เกิดขึ้น และความสัมพันธ์ระหว่างความถี่ของเสียงกับควมเร็วรอบในการหมุนของลูกปืนเป็นต้อน  เมื่อเราได้ข้อมูลเหล่านี้มาแล้วก็นำมาวิเคราะห์ว่าน่าจะมาจากส่วนใหนของลูกปืนที่ชำรุด

ตารางที่ 6 แสดงลักษณะและสาเหตุของเสียงผิดปกติที่เกิดขึ้นกับแบริ่ง

จากบทความเกี่ยวกับแบริ่งเบื้องต้นที่นำเสนอนั้นผู้เขียนหวังว่าท่านจะสามารถเข้าใจในรายละเอียดต่าง ๆ ของแบริ่งในเรื่องของ ความสำคัญของแบริ่ง ตลอดจนแนวทางในการพิจารณาเลือกใช้ชนิดของสารหล่อลื่นและความหนืดให้เหมาะสมกับชนิดและสภาวะการทำงานของแบริ่ง นอกจากนี้ก็ยังมีแนวทางในการพิจารณาปริมาณในการใช้สารหล่อลื่น

เช่น จาระบีตลอดจนช่วงเวลาที่จะต้องอัดจาระบีซ้ำ (Re Lubricant) กับแบริ่งชนิดและขนาดต่าง ๆ ได้อย่างถูกต้องตามชนิดและสภาวะการทำงานของแบริ่งได้เช่นกัน และในตอนท้ายของบทความเป็นรายละเอียดและแนวทางในการตรวจสอบความผิดปกติของแบริ่งขณะทำงาน ในตอนต่อไปจะกล่าวถึงการตรวจสอบแบริ่งที่หมดสภาพการใช้งานว่าการเสียหายที่เกิดขึ้นกับแบริ่งในลักษณะต่าง ๆ มีสาเหตุมาจากอะไรและวิธีการแก้ใขเป็นอย่างไร

เอกสารอ้างอิง
[1]   Bearing Technical Information, NACHI-FUJIKOSHI CORP.
[2]   NTN Rolling Bearing Handbook, NTN Corporation.
[3]   Care and Maintenance of Bearings, NTN Corporation.