การเฝ้าติดตามสภาพเครื่องจักรด้วยวิธีการวัดและวิเคราะห์การสั่นสะเทือนภาคปฏิบัติ (ตอนที่ 2)

อาจหาญ ณ นรงค์   แผนกวิศวกรรมและซ่อมบำรุง
บริษัท โยโกฮาม่า ไทร์ แมนูแฟคเจอริ่ง (ประเทศไทย) จำกัด
    
     จากตอนที่ผ่านมาเราได้กล่าวถึงความรู้เบื้องต้นของการสั่นสะเทือน ค่าและตัวแปรต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง จุดวัด วิธีการวัดการสั่นสะเทือน สาเหตุของการเกิดการสั่นสะเทือนบนแนววัดต่าง ๆ ตลอดจนมาตรฐานที่ใช้ในการเปรียบเทียบระดับการสั่นสะเทือน ในตอนนี้เราจะกล่าวถึงเรื่องการวิเคราะห์ความถี่ของการสั่นสะเทือนที่ใช้กับเครื่องจักรที่ประกอบด้วยชิ้นส่วนเคลื่อนไหวมากและมีความสลับซับซ้อนมากยิ่งขึ้นเพื่อที่จะหาสาเหตุการสั่นสะเทือนว่ามาจากจุดหรือชิ้นส่วนใดของเครื่องจักร

การวิเคราะห์ความถี่ของการสั่นสะเทือน (Frequency Analysis)
       ในการวัดการสั่นสะเทือนนั้นถ้าเป็นเครื่องจักรที่มีโครงสร้างและการทำงานที่ไม่สลับซับซ้อน เครื่องจักรนั้นไม่มีความสำคัญเป็นอันดับต้น ๆ ต่อกระบวนการผลิตหรือเครื่องจักรที่ราคาไม่สูงมากนั้น บางทีในการวัดและวิเคราะห์การสั่นสะเทือนนั้น บางครั้งเราไม่จำเป็นที่จะต้องใช้เครื่องวัดที่มีฟังก์ชันการทำงานมาก เราอาจใช้เครื่องวัดแบบปากกาเพื่อวัดให้รู้ว่าการสั่นสะเทือนมากน้อยแค่ไหน ถ้าระดับการสั่นสะเทือนมีแนวโน้มมากขึ้นก็เตรียมการล่วงหน้าสำหรับการตรวจสอบหาสาเหตุและทำการซ่อมแซมในเวลาต่อไป
     แต่สำหรับเครื่องจักรที่มีการทำงานที่สลับซับซ้อน มีมูลค่าสูง และมีความสำคัญต่อสายการผลิตแล้วเราจำเป็นที่จะต้องใช้เครื่องมือวัดการสั่นสะเทือนที่มีขีดความสามารถสูงเพื่อที่จะสามารถวิเคราะห์ความผิดปกติของอุปกรณ์และส่วนประกอบต่าง ๆ ของเครื่องจักรได้ ซึ่งเครื่องวัดที่มีความสามารถสูงดังกล่าวสามารถวัดและแยกแยะขนาดความสั่นสะเทือนที่ย่านความถี่ต่าง ๆ ออกมาในรูปของแถบความถี่ของการสั่นสะเทือนซึ่งความถี่แต่ละย่านและแต่ละอาการของการสั่นสะเทือนที่แสดงออกมาจะแสดงถึงความผิดปกติของชิ้นส่วนต่าง ๆ ของเครื่องจักรดังรายละเอียดที่จะนำเสนอต่อไป

รูปที่ 19 เครื่องวัดความสั่นสะเทือนประเภทต่าง ๆ

-  ความถี่ของการสั่นสะเทือนคืออะไร
     จากตอนที่แล้ว ในหัวข้อเรื่องรอบของการสั่นสะเทือน ได้อธิบายเรื่องคาบของการสั่นสะเทือนไปแล้วว่าการเคลื่อนที่ 1 คาบหรือ 1 รอบของการสั่นสะเทือนเท่ากับ 360 องศา ดังนั้นถ้าการสั่นสะเทือนเกิดขึ้น1รอบก็จะเกิดกราฟไซน์ 1 ลูก ดังรูปที่ 20 ถ้าวัตถุดังรูปที่ 20 เกิดการสั่นสะเทือน 5 ครั้งใน 1 วินาทีหรือ 5Hz เราก็จะได้กราฟไซน์ของการสั่นสะเทือนเท่ากับ 5 ลูก ดังรูปที่ 21

รูปที่ 20 การสั่นสะเทือนของวัตถุใน 1 รอบ

รูปที่ 21 การสั่นสะเทือนของวัตถุเป็นความถี่ (จำนวนการสั่น/เวลา)

     แต่เนื่องจากเครื่องจักรแต่ละเครื่องจะประกอบด้วยอุปกรณ์และชิ้นส่วนต่าง ๆ มากมายหลายชิ้น ดังนั้นเวลาที่เครื่องจักรทำงานชิ้นส่วนต่าง ๆ ก็จะเกิดการสั่นสะเทือนที่ความถี่ต่าง ๆ ในเวลาเดียวกันทำให้การสั่นสะเทือนของแต่ละอุปกรณ์แสดงออกมาเป็นรายละเอียดดังรูปที่ 22

 รูปที่ 22 แสดงความถี่ของอุปกรณ์ต่าง ๆ ในเครื่องจักรที่เกิดจากการสั่นสะเทือน

       และจากรายละเอียดความสัมพันธ์ของการสั่นสะเทือนของชิ้นส่วนแต่ละชิ้นส่วนของเครื่องจักรดังรูปที่ 22 เราจะเห็นว่ามอเตอร์หมุนที่ความเร็ว 1,800 รอบ/นาที ดังนั้นความถี่ในการหมุนของมอเตอร์ก็จะเท่ากับ 1,800/60 = 30Hz ถ้าอัตราทดระหว่างมู่เล่ของมอเตอร์กับมู่เล่ของพัดลมเท่ากับ 2:1 ดังนั้นเพลาของพัดลมจะหมุนที่ความเร็วรอบที่ 1,800/2 = 900 รอบ/นาที และความถี่ของเพลาของพัดลมก็จะเป็น 900/60 = 15Hz ในขณะที่ใบพัดของพัดลมมี 4 ใบดังนั้นเมื่อพัดลมหมุน 1 รอบ ความสั่นสะเทือนที่เกิดจากการหมุนเคลื่อนที่ผ่านของใบพัดที่กระทำกับจุดอ้างอิงก็จะเกิดขึ้น 4 ครั้งดังนั้นต่อการหมุนของพัดลม 1 รอบ ความถี่ของใบพัด (Blade Pass Frequency, BPF) ก็จะเป็น 15x4=60 Hz และเมื่อการสั่นสะเทือนของทุกส่วนเกิดพร้อมกันในการทำงานของเครื่องจักรเครื่องนี้ก็จะเกิดความถี่โดยรวมของการสั่นสะเทือนของเครื่องจักรเครื่องนี้ดังรูปที่ 23ก ซึ่งเป็นจะรวมเอาความถี่ในการสั่นสะเทือนที่เกิดจากชิ้นส่วนต่าง ๆ มารวมกัน แต่ในการอ่านค่าของเครื่องวัดความสั่นสะเทือนแบบที่สามารถอ่านความถี่เป็นรูปกราฟได้ก็จะอ่านความถี่ของการสั่นสะเทือนได้ออกมาดังรูป 24ข ซึ่งเป็นรูปความถี่จริงในการสั่นสะเทือนซึ่งความถี่ดังกล่าว จะแสดงในรูปความสัมพันธ์ระหว่างเวลาและความถี่ (Time Wave Form)

รูปที่ 23 แสดงความถี่การสั่นสะเทือนโดยรวมของชิ้นส่วนต่าง ๆ ของเครื่องจักรในรูปของ Time Wave Form

        จากรายละเอียดการสั่นสะเทือนของชิ้นส่วนต่าง ๆ ของเครื่องจักรดังรูปที่ 23 นั้นเมื่อเราพิจารณาการสั่นสะเทือนของชิ้นส่วนต่าง ๆ ของเครื่องจักรเราจะได้กราฟของการสั่นสะเทือนโดยรวม (Overall Vibration) ดังรูปที่ 23ก และ 23ข ซึ่งเพื่อความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างขนาดหรือแอมปลิจูดและความถี่ของการสั่นสะเทือนของแต่ละชิ้นส่วนดียิ่งขึ้นให้ดูรายละเอียดที่แสดงดังรูป ซึ่งจะแยกการสั่นสะเทือนของแต่ละอุปกรณ์ออกเป็น 3 แกนคือ 

รูปที่ 24 แสดงความถี่การสั่นสะเทือนของอุปกรณ์ต่าง ๆ ของเครื่องจักร

- เวลาหรือความถี่ในการสั่นสะเทือน (แกน X ในรูปที่ 24) แสดงให้เห็นการสั่นสะเทือนที่ความถี่ต่าง ๆ ซึ่งเป็นความถี่ในการสั่นสะเทือนของแต่ละอุปกรณ์ตามรูปที่ 22 จะเป็นตัวอย่างการสั่นสะเทือนของชิ้นส่วนของเครื่องจักร คือใบพัดสั่นที่ความถี่ 60Hz  มอเตอร์สั่นที่ 30Hz หรือเพลาพัดลมสั่นที่ 15Hz

- ขนาดของการสั่นสะเทือนหรือขนาดของแอมปลิจูด (แกน Y ในรูปที่ 24) แสดงขนาดของการสั่นสะเทือนว่ามากน้อยเพียงใด ถ้าหากขนาดของแอมปลิจูดสูงมากที่ความถี่ไดก็แสดงว่าที่ความถี่นั้นมีการสั่นสะเทือนที่รุนแรงจำเป็นจะต้องหาว่าเป็นความถี่ของการสั่นสะเทือนของอุปกรณ์ตัวได

- แถบความถี่หรือสเปกตรัมของความถี่ (แกน Z ในรูปที่ 24) แสดงระดับการสั่นสะเทือนที่ความถี่ต่าง ๆ ตั้งแต่ความถี่น้อยไปจนถึงความถี่มาก ๆ ดังนั้นเมื่อเกิดการสั่นสะเทือนขึ้นที่ความถี่ต่าง ๆ ก็จะทำให้เราสามารถมองเห็นและพิจารณาได้

คำนิยามและปรากฏการของความถี่
     ในงานวิเคราะห์ความถี่การสั่นสะเทือนของเครื่องจักรนั้นสิ่งหนึ่งที่ผู้ทำการวิเคราะห์ต้องรู้จักก็คือปรากฏการของความถี่ เพราะว่าในการทำงานของเครื่องจักรที่มีความสลับซับซ้อนหรือมีชิ้นส่วน ส่วนประกอบจำนวนมากและแต่ละชิ้นส่วนสั่นสะเทือนที่ความถี่ต่าง ๆ กันในเวลาเดียวกันนั้น การเข้าใจปรากฏการณ์ ของความถี่ประกอบกับความรู้เรื่องการสั่นสะเทือนจะทำให้เราสามารถที่จะแยกแยะความผิดปกติที่เกิดขึ้นกับแต่ละชิ้นส่วนได้ ซึ่งคำนิยามและปรากฏการณ์ของความถี่ของการสั่นสะเทือนที่สำคัญ ๆ ก็มีดังนี้คือ

 - ปรากฏการณ์กำธรของความถี่ (Resonance Frequency)
       คือการที่ความถี่ในการสั่นสะเทือนของวัตถุ ระบบหรือเครื่องจักรไปตรงกับความถี่ธรรมชาติของตัวมันเองโดยที่เฟสของการสั่นสะเทือนเหมือนกันจะเป็นผลให้เกิดการกำธรของความถี่ในกรณีที่เฟสของความถี่ธรรมชาติและเฟสของความที่จากการสั่นสะเทือนตรงกันดังรูปที่ 25A จะทำให้เวกเตอร์ลัพธ์หรือขนาดรวมของแอมปลิจูดเพิ่มขึ้นเป็นผลบวกและจะเป็นผลให้ความรุนแรงของการสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นมากขึ้นกว่าเดิมเป็นอนันต์ทำให้เครื่องจักรเกิดความเสียหายได้อย่างรวดเร็ว
       ส่วนในรูปที่ 25B เป็นกรณีที่เฟสของความถี่ในการสั่นสะเทือนของเครื่องจักรกับเฟสของการสั่นสะเทือนของความถี่ธรรมชาติต่างกันหรือตามกันเป็นมุม 180 องศาจะทำให้เวกเตอร์ลัพธ์หรือขนาดของแอมปลิจูดหักล้างกันจนกลายเป็นศูนย์

รูปที่ 25 แสดงปรากฏการณ์กำธรของความถี่ (Resonance Frequency)

- ฮาร์มอนิกหรือคลื่นก้อง (Harmonics Frequency)
       ก่อนที่จะมาทำความเข้าใจคำว่าฮาร์มอนิก (Harmonics) ให้เรามาทำความเข้าใจคำว่าความถี่พื้นฐาน (Fundamental Frequency) กันก่อน สำหรับแนวคิดของผู้เขียนเกี่ยวกับเรื่องฮาร์มอนิกของการสั่นสะเทือนนั้นก็คือสมมติว่าเราพิจารณาความสั่นสะเทือนที่ความถี่หนึ่ง เช่น ความถี่ที่ 60Hz ซึ่งเป็นความถี่ 1X ของการสั่นสะเทือนของเพลา ดังนั้นความถี่ฮาร์มอนิกที่ 1 (1st Harmonics) ก็คือ 1X ของความถี่พื้นฐาน ในกรณีนี้ความถี่ฮาร์มอนิกที่ 2 ที่ 3 และที่ 4 ของความถี่ 60Hz ก็คือ 120Hz, 180Hz และ 240Hz นั่นเองดังลักษณะของความถี่ในรูปที่ 26

 
รูปที่ 26 แสดงฮาร์มอนิก (Harmonics Frequency)

- การบีทของความถี่ (Beat Frequency)
       การบีทของความถี่ (Beat Frequency) จะมีลักษณะคล้าย ๆ กับการเกิดปรากฏการณ์กำธรของความถี่ แต่จะต่างกันตรงที่การเกิดการบีทของความถี่นั้นเมื่อขนาดของความถี่ที่ 1(f1) และความถี่ที่ 2(f2) มีขนาดไม่เท่ากันดังนั้นมุมเฟสของความถี่ทั้งสองความถี่จะค่อย ๆ เหลื่อมกันไปเรื่อย ๆ ไปจนถึงมุมของเฟสต่างกันที่ 180 องศาดังรูปที่ 27 จากรูปเราจะเห็นว่ามีความถี่อยู่ 2 ความถี่คือความถี่ที่ 1(f1) และความถี่ที่ 2(f2) ที่สั่นสะเทือนพร้อมกันในเวลาเดียวกัน โดยที่ในตอนแรกเฟสในการสั่นสะเทือนของความถี่แรกกับความถี่ที่สองนั้นตามกันอยู่เป็นมุม 180 องศา จึงทำให้ความรุนแรงของการสั่นสะเทือน (Fbeat) ซึ่งเป็นเวกเตอร์ลัพธ์หรือแรงลัพธ์เท่ากับศูนย์ และต่อมาเมื่อมุมของความถี่ทั้งสองตัวไม่เท่ากันจนถึงจุดที่เฟสของความถี่ทั้งสองเป็นมุมเท่ากันก็จะเกิดการกำธรของความถี่ทำให้ความรุนแรงของการสั่นสะเทือนเพิ่มมากขึ้นและค่อย ๆ ลดลงหลังจากนั้นเมื่อเฟสของความถี่ค่อย ๆ ต่างกันอีก เป็นอย่างนี้เรื่อย ๆ สลับกันไปดังรูปที่ 27

รูปที่ 27 แสดงลักษณะการBeatของความถี่ (Beat Frequency)

- เทคนิคFFT (Fast Fourier Transform)
     เป็นเทคนิคการคำนวณทางคณิตศาสตร์ของนักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศสชื่อ Mr.Fourier ซึ่งสามารถแสดงความสัมพันธ์ระหว่างขนาดของแอมปลิจูดและความถี่ที่แถบความถี่ต่าง ๆ ซึ่งในปัจจุบันเครื่องวัดที่มีความสามารถในการวัดสูงได้ประยุกต์และนำเทคนิคนี้มาแสดงผลเพื่อวิเคราะห์ความสั่นสะเทือนได้ดังรูปที่ 21 โดยที่เครื่องวัดจะนำเอาความสัมพันธ์ระหว่างแถบความถี่ของการสั่นสะเทือน (แกน Z ในรูปที่ 24) และความรุนแรงของการสั่นสะเทือนหรือขนาดของแอมปลิจูด (แกน Y ในรูปที่ 24) มาแสดงดังรูปที่ 28 ดังนั้นเราจะเห็นว่าจากวิธีการ FFT จะทำให้เรามองภาพออกว่าการสั่นสะเทือนที่ความถี่แต่ละความถี่มีขนาดมากน้อยเพียงใด และการสั่นสะเทือนสูงสุดเกิดขึ้นที่ความถี่เท่าไหร่และมาจากชิ้นส่วนใดของเครื่องจักร โดยที่ในรายละเอียดการวิเคราะห์ต่าง ๆ จะอธิบายในหัวข้อต่อไป

รูปที่ 28 แสดง Fast Fourier Transform, FFT ของการสั่นสะเทือนของแต่ละชิ้นส่วนของเครื่องจักร

- การวิเคราะห์แถบความถี่ของการสั่นสะเทือนด้วยวิธีการ Fast Fourier Transform, FFT
        การวิเคราะห์แถบความถี่หรือสเปกตรัมของการสั่นสะเทือนนั้นสามารถทำได้โดยใช้เครื่องวัดความสั่นสะเทือนที่มีความสามารถวัดความแถบถี่ดังกล่าว โดยการใช้วิธีการ Fast Fourier Transform, FFT การวัดขนาดของการสั่นสะเทือนหรือขนาดแอมปลิจูดที่เกิดขึ้นที่ความถี่ต่าง ๆ และพิจารณาว่าการสั่นสะเทือนที่รุนแรงเกิดขึ้นที่ความถี่ไดและที่ความถี่ดังกล่าวมีความสัมพันธ์กับการทำงานของชิ้นส่วนใดของเครื่องจักร การวัดแบบนี้เราต้องใช้ความรู้ในเรื่องของการวิเคราะห์ความถี่ในการสั่นสะเทือนของส่วนต่าง ๆ ของเครื่องจักรในการวิเคราะห์ดังที่อธิบายในหัวข้อต่อไปในเรื่องความถี่ของการสั่นสะเทือนว่าการสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นที่ความถี่ต่าง ๆ มีความสัมพันธ์อย่างไรกับการทำงานของเครื่องจักร

- การสั่นสะเทือนที่เกิดจากความไม่สมดุล (Imbalance)
     ความไม่สมดุลของเครื่องจักรอาจมีสาเหตุมาจากหลายอย่าง เช่น หากติดตั้งไม่ดีก็อาจทำให้เกิดการเยื้องศูนย์ เช่น การเยื้องศูนย์เชิงมุม (Angular Misalignment) คือการที่แนวรอยต่อระหว่างเพลาไม่เป็นเส้นตรง หรือเยื้องศูนย์ในแนวระดับ (Offset Misalignment) คือการที่แนวเพลาไม่อยู่ในระดับเดียวกัน นอกจากนี้ความไม่สมดุลยังมีสาเหตุมาจากการคดงอของเพลาหรือสาเหตุอื่น ๆ ซึ่งจะอธิบายต่อไปในรายละเอียดภายหลัง ลักษณะความรุนแรงของการสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นจากความไม่สมดุลจะเกิดขึ้นที่ความถี่ 1เท่า (1X) ของความถี่ในการหมุนของชิ้นส่วนนั้น ๆ เช่น ถ้าปั้มหรือเพลาหมุนที่ความเร็ว 1500 รอบ/นาที ความถี่ในการหมุนจะเท่ากับ 1500/60 = 25Hz ดังนั้นถ้าดูแถบความถี่จาก Fast Fourier Transform, FFT แล้ว ความรุนแรงจากการไม่สมดุลจะเกิดขึ้นที่ความถี่ 25Hz แนววัดที่การสั่นสะเทือนเกิดขึ้นสูงคือในแนววัดด้านแนวแกน (Axial, A) และแนวระดับ (Horizontal, H) ดังรูปที่ 39 นอกจากนี้แล้วอาการอื่น ๆ ของการสั่นสะเทือนเนื่องจากความไม่สมดุลของการหมุนที่สังเกตได้มีดังนี้คือ

รูปที่ 29 แสดง FFT ของการสั่นสะเทือนที่เกิดจากการไม่สมดุล (Imbalance)

- ความรุนแรงของการสั่นสะเทือนจะเกิดขึ้นที่จุดวัดในแนวระดับ (Horizontal, H) และจุดวัดในแนวแนวแกน (Axial, A) ที่ความถี่ 1 เท่า (1X) ของความเร็วในการหมุน
- ความรุนแรงของการสั่นสะเทือนหรือขนาดของแอมปลิจูดจะคงที่ในกรณีที่ความเร็วรอบในการหมุนคงที่ แต่เมื่อความเร็วรอบในการหมุนเพิ่มขึ้น ขนาดของการสั่นสะเทือนจะเพิ่มขึ้น
- นอกจากนั้นยังมีรายละเอียดเพิ่มเติมดังตารางที่ 7

ตารางที่ 7 แสดงรายละเอียดของการสั่นสะเทือนที่เกิดจากการไม่สมดุล

   - การสั่นสะเทือนที่เกิดจากการเยื้องศูนย์เชิงมุม (Angular Misalignment) ความรุนแรงของการสั่นสะเทือนจะเกิดขึ้นที่ 1 และ 2 เท่า (1X หรือ 2X) และบางทีอาจเกิดขึ้นที่ 3 เท่า (3X) ของความถี่ในการหมุน เช่น ถ้าปั้มหรือ โบลเวอร์ (Blower) หมุนที่ความเร็ว 1500 รอบ/นาที (25Hz) ความรุนแรงของการสั่นสะเทือนจะเกิดที่ความถี่ 25Hz, 50Hzและบางทีอาจเกิดที่ 75Hz ด้วย จุดวัดในแนวแกน (Axial, A) ในบางครั้งก็อาจเป็นสัญญาณเตือนให้รู้ว่าตัวคัปปลิ้งเกิดปัญหาหรือชำรุดสึกหรอดังแสดงในรูปที่ 30 นอกจากนี้การสั่นสะเทือนที่มีสาเหตุมาจากการติดตั้งลูกปืนลูกปืนไม่ได้ศูนย์ (Bearing Misalignment) ก็มีลักษณะในการสั่นสะเทือนเช่นนี้เหมือนกัน

รูปที่ 30 แสดง FFT ของการสั่นสะเทือนที่เกิดจากการไม่ได้ศูนย์เชิงมุม (Angular Misalignment)

   - การสั่นสะเทือนที่เกิดจากการเยื้องศูนย์ในแนวระดับ (Offset Misalignment) ลักษณะความรุนแรงของการสั่นสะเทือนจะคล้าย ๆ กับการสั่นสะเทือนจากการเยื้องศูนย์เชิงมุมแต่จะต่างกันตรงที่ความรุนแรงของการสั่นสะเทือนจะเกิดขึ้นในแนวระดับ (Horizontal, H) แต่เกิดขึ้นที่ความถี่ที่ 2 เท่า (2X) ของการหมุนโดยขนาดของแอมปลิจูดจะสูงกว่าที่ความถี่ 1 เท่า (1X) ของความถี่ในการหมุนและโดยส่วนใหญ่และจะเกิดฮาร์มอนิกขึ้นที่ 4 (4thX Harmonics) หรือความถี่ 4 เท่าของความถี่ในการหมุน ดังรูปที่ 31

รูปที่ 31 แสดง FFT ของการสั่นสะเทือนที่เกิดจากการไม่ได้ศูนย์ในแนวระดับ (Offset Misalignment)

      สำหรับรายละเอียดทั้งหมดของการสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นจากการไม่ได้ศูนย์นอกจากที่กล่าวมาแล้วแสดงในตารางที่ 8

ตารางที่ 8 แสดงรายละเอียดของการสั่นสะเทือนที่เกิดจากการเยื้องศูนย์

   - การสั่นสะเทือนที่เกิดจากเพลาคด (Bent Shaft) ในกรณีที่การคดของเพลาเกิดขึ้นที่ตรงกลางเพลาความรุนแรงของการสั่นสะเทือนจะสูงที่ความถี่ 1 เท่า (1X) ของความเร็วในการหมุนของเพลาในจุดวัดของแนวแกน (Axial, A) แต่ในกรณีที่การคดของเพลาเกิดขึ้นที่ปลายของเพลาความรุนแรงของการสั่นสะเทือนจะสูงที่ความถี่ 2 เท่า (2X) ของความถี่ในการหมุนในจุดวัดแนวแกน (Axial, A) เช่นกัน เช่นถ้าเพลาหมุนด้วยความเร็ว1500รอบ/นาทีและเพลาเกิดการคดที่ตรงกลางของเพลาความรุนแรงของการสั่นสะเทือนจะเกิดขึ้นที่ความถี่ 1500/60 = 25Hz แต่ถ้าเพลาคดที่ปลายเพลา ความรุนแรงของการสั่นสะเทือนจะเกิดขึ้นที่ความถี่ 50Hz แสดงในรูปที่ 32

รูปที่ 32 แสดง FFT ของการสั่นสะเทือนที่เกิดจากการไม่ได้ศูนย์จากสาเหตุเพลาคด (Bent Shaft)

    - การสั่นสะเทือนที่เกิดจากการเยื้องศูนย์ของโรเตอร์ (Eccentric Rotor) หรือมู่เล่ตัวตาม (Pulley) การเยื้องศูนย์ของโรเตอร์หรือมู่เล่ก็คือการที่ติดตั้งเพลาไม่อยู่ตรงศูนย์กลางของวงกลมนั่นเอง ลักษณะความรุนแรงของการสั่นสะเทือนจะเกิดขึ้นที่ความถี่ในการหมุน 1 เท่า (1X) ของความเร็วรอบในการหมุนของโรเตอร์หรือมู่เล่ตัวที่มีปัญหา โดยที่ความรุนแรงของการสั่นสะเทือนจะไม่เท่ากันทุกทิศทางในแนวรัศมี (Radius) คือเมื่อเราวัดตรงจุดที่ค่ามากที่สุดได้ค่าค่าหนึ่งแต่ถ้าเปลี่ยนองศาการวัดไปวัดอีกมุมหนึ่งค่าที่วัดได้จะลดลงซึ่งก็ขึ้นอยู่กับทิศทางที่เยื้องศูนย์ ดังรูปที่ 33

รูปที่ 33 แสดง FFT ของการสั่นสะเทือนที่เกิดจากการเยื้องศูนย์ของโรเตอร์ (Eccentric Rotor)

- การสั่นสะเทือนเนื่องจากการหลุดหลวมหรือการจับยึดไม่แน่น 
       ในการทำงานของเครื่องจักรนั้น บางครั้งอาจมีการสั่นสะเทือนเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องและอาจเป็นสาเหตุให้อุปกรณ์ที่จับยึดฐานของเครื่องจักรหรือชิ้นส่วนต่าง ๆ ของเครื่องจักรเกิดการหลุดหลวมจนส่งผลให้การสั่นสะเทือนของเครื่องจักรเพิ่มขึ้น หลายครั้งที่เราหาที่มาที่ไปของการสั่นสะเทือนไม่ได้ ทั้ง ๆ ที่เป็นเรื่องง่าย ๆ และใกล้ตัว ในการตรวจสอบสภาพเครื่องจักรประจำช่วงเวลา (Period Check or Inspection) สิ่งหนึ่งที่เราสมควรที่จะต้องทำก็คือการตรวจสอบการยึดแน่นของจุดจับยึดต่าง ๆ ที่สำคัญ ๆ ของเครื่องจักรเพื่อป้องกันความเสียหายของเครื่องจักรที่อาจเกิดมาจากสาเหตุของการหลุดหลวมของอุปกรณ์จับยึด สำหรับรายละเอียดของการสั่นสะเทือนที่เกิดจากการหลุดหลวมนั้นโดยหลัก ๆ ก็มีดังนี้คือ
        ความความรุนแรงของการสั่นสะเทือนจะสูงที่จุดวัดในแนวดิ่ง (Vertical, V) ในกรณีที่มอเตอร์หรือจุดจับยึดจับยึดตามปกติหรือจับยึดที่ฐานมอเตอร์ด้านพื้น ความรุนแรงของการสั่นสะเทือนจะเกิดที่ความถี่1เท่า (1X) ของความเร็วรอบในการหมุนของเพลาหรือมอเตอร์ ส่วนในกรณีที่การหลุดหลวมที่ส่วนอื่น ๆ ของเครื่องจักรมีรายละเอียดดังต่อไปนี้

    - การสั่นสะเทือนเนื่องจากขาตั้งหรือจุดยึดเครื่องจักรหลวม (Soft foot Mechanical loosen) คือการสั่นสะเทือนที่มีสาเหตุมาจากการหลุดหลวมของอุปกรณ์ที่ใช้จับยึดฐานของเครื่องจักร เช่น นัต โบลท์ และอื่น ๆ ความรุนแรงของการสั่นสะเทือนจะอยู่ที่ 1 เท่า (1X) ของความถี่การหมุนของเครื่องจักร หรือเพลาหลัก (Main Shaft) การสั่นสะเทือนจะเกิดขึ้นอย่างรุนแรงในแนวดิ่ง (Vertical, V) ดังรายละเอียดในรูปที่ 34

รูปที่ 34 แสดง FFT ของการสั่นสะเทือนที่เกิดจากการหลุดหลวมของอุปกรณ์จับยึดฐานเครื่องจักร

    - การสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นเนื่องจากจุดจับยึดของชุดแบริ่ง (Bearing Unit) หลวม การสั่นสะเทือนอย่างรุนแรงจะเกิดขึ้นที่ย่านความถี่ 0.5X, 1X, 2X และ 3X ของความเร็วรอบในการหมุนของเครื่องจักรที่จุดวัดในแนวตั้ง (Vertical, V) และแนวนอน (Horizontal, H) แต่ในบางครั้งการเกิดความถี่ของการสั่นสะเทือนแบบนี้ก็อาจมาจากสาเหตุการแตกร้าว, แตกหักหรือชำรุดของชุดแบริ่ง (Bearing Unit) ก็เป็นไปได้ ดังรูปที่ 35

รูปที่ 35 แสดง FFT ของการสั่นสะเทือนที่เกิดจากการหลวมของการจับยึดชุดแบริ่ง (Bearing Unit)

    - การสั่นสะเทือนเนื่องจากความหลวมระหว่างแบริ่งกับเพลา เกิดจากการที่มีช่องว่าง (Clearance) ระหว่างแบริ่งกับเพลา แบริ่งกับตัวเรือนแบริ่งหรือใบพัดกับเพลามากดังนั้นเมื่อเกิดการหมุนจะทำให้ตัวเพลาที่หมุนไม่ได้ศูนย์และจะดิ้นไปมาตามช่องว่างที่หลวมของแบริ่ง เป็นผลให้เกิดการสั่นสะเทือนอย่างรุนแรงที่ย่านความถี่ 0.5X, 1X, 2Xและ3X ของความถี่ในการหมุนและนอกจากนั้นยังมีฮาร์มอนิก (Harmonics) ตามมาอีกมาก การสั่นสะเทือนอย่างรุนแรงจะเกิดขึ้นที่จุดวัดในแนวระดับ (Horizontal, H) ดังรายละเอียดในรูปที่ 36

รูปที่ 36 แสดง FFT ของการสั่นสะเทือนที่เกิดจากการหลวมของชุดแบริ่ง

- การสั่นสะเทือนอันเนื่องมาจากปลอกบูช (Sleeve) หลวมหรือสึกหรอ
       ในกรณีที่ใช้บูชเป็นอุปกรณ์ลดความเสียดทานเมื่อใช้งานไปนาน ๆ หรือขาดการหล่อลื่นที่ดีก็จะทำให้เกิดการสึกหรอจนทำให้เกิดการหลวมและมีช่องว่างระหว่างบูชกับเพลามาก และเกิดการสั่นสะเทือนขึ้นเมื่อมีการหมุน ลักษณะของความถี่ในการสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นคือ เกิดความถี่สอดแทรก (Harmonics) ของความรุนแรงในการสั่นสะเทือนมากเกือบทุกเท่าของความถี่ในการหมุนของเพลานั้น ๆ ดังรูปที่ 37 

รูปที่ 37 แสดงFFT ของการสั่นสะเทือนจากปลอกบูชหลวม

    - การสั่นสะเทือนที่เกิดจากการเสียดสีระหว่างโรเตอร์กับตัวเรือน (Rotor Rub)ในบางครั้งเมื่อตัวโรเตอร์ มู่เล่หรือเฟืองต่าง ๆ ถูกใช้งานไปนาน ๆ หรือโบลต์ที่ล๊อคเพลาหลุดหลวมก็จะเกิดการหลวมที่เพลาและตัวโรเตอร์อาจเลื่อนไปจนติดกับตัวเรือนของเครื่องจักรจนทำให้เกิดการเสียดสีกันขึ้น ลักษณะของความถี่ของการสั่นสะเทือนจะคล้าย ๆ กับการสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นจากการหลวมของปลอกบูชและการเกิดช่องว่างระหว่างบูชกับเพลาแต่แตกต่างกันตรงที่การสั่นสะเทือนจากการเสียดสีจะเกิดความถี่สอดแทรก (Harmonics) สลับกับความถี่ที่เกิดขึ้นทุก ๆ เท่าของรอบการหมุนของเพลานั้น ๆ แต่ความถี่สอดแทรกจะมีแอมปลิจูดที่ต่ำกว่าความถี่ที่เกิดจากการเสียดสี ดังรูปที่ 3

รูปที่ 38 แสดง FFT ของการสั่นสะเทือนที่เกิดจากการเสียดสีระหว่างโรเตอร์กับตัวเรือน

  สำหรับรายละเอียดทั้งหมดของการสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นจากการหลุดหลวมของอุปกรณ์จับยึดชิ้นส่วนต่าง ๆ โดยสรุป แสดงในตารางที่ 9

ตารางที่ 9 แสดงรายละเอียดของการสั่นสะเทือนที่เกิดจากหลุดหลวมของอุปกรณ์จับยึด

- การสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นกับการทำงานของสายพาน
       สายพาน (Belts) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการส่งกำลังที่เป็นที่นิยมกันอย่างแพร่หลายตัวหนึ่ง เนื่องจากการที่สายพานมีความยืดหยุ่นสูงและนอกจากนั้นยังสามารถทำงานที่ความเร็วรอบสูง ๆ ได้โดยปราศจากเสียงรบกวน แต่การใช้สายพานเป็นตัวส่งกำลังของเครื่องจักรนั้น บางครั้งการหมุนของสายพานจะเกิดการสั่นสะเทือนเนื่องจากความถี่ในการทำงานของสายพานไปตรงกับความถี่ธรรมชาติของสายพานและทำให้เกิดความถี่สอดแทรกขึ้นมาส่งผลทำให้เกิดการสั่นที่รุนแรงของสายพานเกิดขึ้น ความถี่ของการสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นในกรณีนี้จะเป็นดังรูปที่ 39 โดยการสั่นสะเทือนที่รุนแรงจะเกิดขึ้นในจุดวัดที่แนวระดับ (Horizontal, H) และแนวดิ่ง (Vertical, V) การแก้ใขทำได้โดยการปรับความตึงของสายพานเส้นนั้น ๆ ให้ตึงขึ้นหรือหย่อนลง เพื่อหนีความถี่ธรรมชาติที่รอบการทำงานของการขับของสายพาน นอกจากนี้ยังมีการสั่นสะเทือนที่เกิดจากสายพานหลายสาเหตุซึ่งมีรายละเอียดดังต่อไปนี้

รูปที่ 39 แสดง FFT ของการสั่นสะเทือนจากความถี่ธรรมชาติเนื่องจากความตึงของสายพาน (Belts Resonance)

    - การสั่นสะเทือนเนื่องจากการสึกหรอและหลวมของสายพาน (Belts Worn or Loosen) ในกรณีที่สายพานเกิดการชำรุดสึกหรอหรือสายพานหลวมไม่พอดีกับร่อง (Groove) ก็จะทำให้เกิดการสั่นสะเทือนในลักษณะที่เกิดความถี่สอดแทรกที่ความถี่ต่ำกว่าความถี่ในการหมุนของมู่เล่ตัวขับหรือมู่เล่ตัวตาม ดังรูปที่ 40

รูปที่ 40 แสดง FFT ของการสั่นสะเทือนเนื่องจากการสึกหรอและหลวมของสายพาน (Belts Worn or Loosen)

    - การสั่นสะเทือนที่เกิดจากสายพานหรือมู่เล่ไม่ได้ศูนย์ (Pulley or Belts Misalignment) ในบางครั้งที่การติดตั้งสายพานและมู่เล่ไม่ได้ศูนย์หรือแนวก็จะทำให้เกิดการสั่นสะเทือนเกิดขึ้น ซึ่งความรุนแรงของการสั่นสะเทือนจากการไม่ได้ศูนย์ของมู่เล่นั้นจะเกิดขึ้นที่ความถี่ 1 เท่า (1X) ในแนวแกน (Axial) ของความถี่ในการหมุนของมู่เล่ตัวขับหรือมู่เล่ตัว ตามดังรูปที่ 41

รูปที่ 41 แสดง FFT ของการสั่นสะเทือนเนื่องจากสายพานและมู่เล่ไม่ได้ศูนย์ (Pulley/Belts Misalignment)
       

 ตารางที่ 10 แสดงรายละเอียดของการสั่นสะเทือนที่เกิดจากการขับเคลื่อนด้วยสายพาน

สรุป
       บทความในตอนนี้ได้นำเสนอเรื่องต่อจากตอนที่แล้วคือเรื่องความถี่ในการสั่นสะเทือนของเครื่องจักร การวิเคราะห์ความถี่ในการสั่นสะเทือนของชิ้นส่วนต่าง ๆ ของเครื่องจักร  เทคนิค FFT (Fast Fourier Transform) และตัวอย่างการสั่นสะเทือนของเครื่องจักรที่มีสาเหตุมาจาก ความไม่สมดุลย์ การหลุดหลวมของอุปกรณ์จับยึดเครื่องจักร และการสั่นสะเทือนที่เกิดจากความผิดปกติของสายพาน 
       สำหรับตอนต่อไปจะนำเสนอเรื่องนี้ต่อในส่วนของการสั่นสะเทือนของเครื่องจักรที่มีสาเหตุมาจาก ความผิดปกติของปั้มและโบลเวอร์ การสั่นสะเทือนของมอเตอร์ไฟฟ้า การสั่นสะเทือนของชุดเฟืองและการขบกันของฟันเฟือง และตรวจสอบความถี่ในการสั่นสะเทือนของลูกปืนด้วยการวิเคราะห์โดยเทคนิค FFT อย่าลืมติดตามต่อฉบับหน้านะครับ

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