แกนหมุนของมอเตอร์ไฟฟ้าซึ่งต่อเข้ากับเพลาของเครื่องจักรกลหมุนจะต้องเชื่อมต่อกันเป็นแนวตรง และได้ระดับต่อกัน เรียกว่า “Alignment” การเชื่อมต่อกันของเพลาทั้ง 2 ส่วนดังกล่าวหากทำได้ไม่ดีพอก็จะเกิดผลเสียต่อประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องจักร และยังส่งผลต่ออายุการใช้งานสั้นลงด้วย ทั้งนี้หากแกนหมุนของมอเตอร์กับเพลาขับของเครื่องจักรกลหมุนเกิดการเยื้องศูนย์ หรือเรียกว่า Misalignment เราจะสังเกตเห็นการสั่นสะเทือนผิดปกติ ได้ยินเสียงดังผิดปกติ และสัมผัสได้ถึงอุณหภูมิที่ร้อนผิดปกติบริเวณชิ้นส่วนกลไกที่มีการเคลื่อนที่ หรือหมุน อย่างเช่น ตลับลูกปืนมอเตอร์ เพลาขับของปั๊มน้ำ หรือตลับลูกปืนของเครื่องจักรหมุน ฯลฯ ทั้งนี้การสั่นสะเทือนผิดปกติในเวลาเพียงไม่นานก็อาจทำให้เกิดความเสียหายต่อระบบได้

การเยื้องศูนย์ (Misalignment)

การเยื้องศูนย์ เกิดขึ้นจากสาเหตุต่าง ๆ เช่น การประกอบชิ้นส่วนกลไกได้อย่างไม่เที่ยงตรง เช่น ชิ้นส่วนมอเตอร์ ที่ต่อเข้ากับปั๊มน้ำ เป็นต้น ทำให้เกิดการเลื่อนตำแหน่งหลังจากประกอบเสร็จ ส่งผลให้เกิดความเสียหายได้ ทั้งนี้รูปแบบของการเชื่อมต่อระหว่างแกนหมุน กับเพลาซึ่งไม่ได้แนวนั้นแบ่งออกเป็น 2 ลักษณะคือ

• การเยื้องศูนย์เชิงมุม (Angular Misalignment)
• การเยื้องศูนย์แนวขนาน  (Parallel Alignment)

การเยื้องศูนย์เชิงมุม เป็นลักษณะการเชื่อมต่อระหว่างแกนหมุนของมอเตอร์ กับเพลาหมุนของเครื่องจักรที่ไม่ได้แนวตรง แต่ทำมุมระหว่างกัน ทั้งนี้มีสาเหตุมาจากการติดตั้งระบบไม่ดี หรือเกิดการเลื่อนตำแหน่ง เลื่อนระยะห่าง ทำมุมค่าใดค่า หนึ่ง ระหว่างกัน มีลักษณะดังแสดงในรูปที่ 1

การเชื่อมต่อที่ไม่ได้แนวแบบเชิงมุมนี้จะสร้างโมเมนต์การโก่งตัวขึ้นที่แกนหมุน และส่งผลให้เกิดการสั่นสะเทือนขึ้นในอัตราตั้งแต่ 1 เท่า ไปจนถึง 2 เท่าของความเร็วรอบ และแรงสั่นสะเทือนจะส่งไปยังตลับลูกปืนของเพลาหมุนทั้ง 2 ฝั่ง ทั้งนี้มุมที่เกิดการการเชื่อมต่อไม่ได้แนวแบบนี้อาจเป็นไปได้ทั้ง 4 แนว คือมุมเอียงซ้าย, ขวา เอียงบน หรือล่าง และถ้าแนวศูนย์กลางของเพลาทั้ง 2 ยื่นออกมากขึ้นจนเกยกัน ก็จะทำความเสียหายกับเครื่องจักรหมุนได้ในทันที

ส่วน การเยื้องศูนย์แนวขนาน นั้นจะเกิดขึ้นเมื่อแนวศูนย์กลางของเพลาทั้ง 2 ขนานกัน แต่ไม่ได้อยู่ในแนวขนานเดียวกัน ดังแสดงในรูปที่ 2 นอกจากนี้รูปแบบการเชื่อมต่อที่ไม่ดีระหว่างเพลาหมุนซึ่งมีรูปแบบทั้งไม่ได้ขนานและทำมุมเอียงต่อกัน เรียกว่าการเยื้องศูนย์แบบผสม (Combination Misalignment) ก็มีให้เห็นกันทั่วไปดังแสดงในรูปที่ 3 หากความเร็วรอบของเครื่องจักรมีการเปลี่ยนแปลง จะส่งผลให้ระดับการสั่นสะเทือนซึ่งเกิดการความไม่สมดุลของเพลาหมุนเพิ่มขึ้นเป็นกำลังสองเท่าของความเร็วรอบ ยกตัวอย่างเช่น หากความเร็วรอบเพิ่มขึ้น 2 เท่า จะส่งผลให้เกิดการสั่นสะเทือนเพิ่มขึ้นได้ถึง 4 เท่า

หากการเชื่อมต่อแกนหมุนไม่ได้แนวตรงจะส่งผลให้เครื่องจักรหมุนเกิดการสั่นสะเทือนทำให้ชิ้นส่วนทางกลหลวม และชำรุด อายุการทำงานของตลับลูกปืนสั้นลง ชิ้นส่วนซีล (Seal) รั่ว/หลวม และเป็นสาเหตุให้เครื่องจักรเสียได้ อย่างไรก็ตามการเลือกใช้อุปกรณ์เชื่อมต่อเพลาอาจช่วยแก้ปัญหาการไม่ได้แนวที่ผิดพลาดเล็กน้อยได้บ้าง เพราะอุปกรณ์เชื่อมต่อเพลาจะช่วยชดเชยระยะผิดพลาดได้

อุปกรณ์เชื่อมต่อเพลา (Coupling)

มอเตอร์ขนาดใหญ่ ๆ โดยปกติจะเชื่อมต่อเพลาเพื่อขับโหลดด้วยอุปกรณ์ที่เรียกว่าคับปลิ้ง (Coupling) ซึ่งแบ่งออกเป็น 2 ชนิดคือ แบบอ่อน (Flexible) ซึ่งยืดหยุ่นได้ และแบบแข็ง (Rigid)

คับปลิ้งชนิดแข็งนั้นจะไม่ชดเชยระยะผิดเพี้ยนของเพลาที่เชื่อมต่อกันได้เลย เพราะการใช้คับปลิ้งแบบนี้ได้นั้นแกนหมุนทั้ง 2 จะต้องถูกวางตำแหน่งอย่างได้แนวและตรงกันพอดี จึงจะสามารถใส่คับปลิ้งแบบแข็งเข้าไปได้ ส่วนคับปลิ้งแบบอ่อนนั้นจะยอมให้มีระยะที่ผิดเพี้ยนได้บ้าง จึงช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นในการใช้งานได้เป็นอย่างดี นอกจากนี้ยังช่วยลดแรงสั่นสะเทือนทางกลที่ส่งหากันระหว่างชิ้นส่วนทางกลของทั้ง 2 ฝั่งด้วย

โดยปกติคับปลิ้งชนิดอ่อนจะใช้วัสดุประเภทพีวีซี ยาง และวัสดุซึ่งเป็นฉนวนไฟฟ้า ทำให้เกิดข้อดีอีกอย่างของคับปลิ้งแบบอ่อนที่จะไม่เป็นสื่อนำกระแสไฟฟ้าที่อาจรั่วไหลจากแกนหมุนของมอเตอร์ไฟฟ้าไปยังเครื่องจักรกลหมุนได้

อย่างไรก็ตาม มีข้อเสียบางอย่างส่งผลไม่ดีต่อการเลือกใช้คับปลิ้งแบบอ่อน เพราะคับปลิ้งแบบอ่อนจะส่งผ่าน และเพิ่มแรงบิดไปยังส่วนของตลับลูกปืนของมอเตอร์ และของเครื่องจักรหมุนได้มากกกว่า ส่งผลให้ตลับลูกปืนรับแรงกลมากขึ้นกว่าปกติ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อขับโหลดหนัก ๆ หรือมีการกลับทางหมุนบ่อย ๆ ด้วยเหตุนี้เองทำให้การเลือกใช้คับปลิ้งแบบอ่อนจะต้องพิจารณาในเรื่องของระยะห่างที่ยอมรับได้ (Tolerance)

สำหรับการเชื่อมต่อด้วยคับปลิ้งเพื่อกำหนดระยะดังกล่าวให้พอดี ไม่เกินจากย่านที่กำหนด ทั้งนี้ความเสียหายจากการที่เกิดระยะระหว่างคับปลิ้งกับเพลามากเกินไปจะส่งผลมากขึ้นเมื่อมอเตอร์หมุนเร็ว จะทำให้ตลับลูกปืนแตก ซีลกันรั่วชำรุด เพลาหมุนติดขัด และเกิดการแตกร้าวของตัวถังเครื่องจักรตามมาได้

คับปลิ้งแบบอ่อน ที่ใช้กันในงานอุตสาหกรรม ได้แก่คับปลิ้ง 4 แบบด้วยกันคือ Mechanically Flexible Coupling, Elastomeric Coupling, Metallic Membrane Coupling และ Miscellaneous Coupling ทั้งนี้แต่ละชนิดมีลักษณะต่างกัน และใช้งานต่างกันดังนี้

• Mechanically Coupling เป็นคับปลิ้งแบบที่ใช้ชิ้นส่วนของลูกกลิ้งหมุน หรือข่อต่อโลหะเป็นตัวเชื่อมเพลาหมุน และในการใช้งานจะต้องมีสารหล่อลื่นที่ตัวคับปลิ้งอยู่ตลอดเวลา ยกตัวอย่างเช่น คับปลิ้งแบบใช้เฟืองเกียร์ (Gear Coupling) ซึ่งเหมาะกับงานที่มีแรงบิดสูง หรือแบบกริด (Grid Coupling) ซึ่งคล้ายกับแบบเกียร์ แต่ต่างกันที่จะใช้ในงานที่มีแรงบิดน้อยกว่า นอกจากนี้ยังมีแบบที่ใช้โซ่โลหะ และ Universal Joint แบบที่ใช้ในรถยนต์ เป็นต้น
• Elastomeric Coupling โดยทั่วไปแบบนี้จะอาศัยความยืดหยุ่นของวัสดุประเภทยาง หรือพลาสติก เป็นชิ้นส่วนที่ทำให้เกิดการยืดหยุ่นในระหว่างการขับเพลาหมุน แต่การใช้งานจะต้องระมัดระวังเรื่องความร้อนสูง ซึ่งเกิดจากค่าความสูญเสียของวัสดุจากผลของฮีสเตอร์รีซีส (Hysteresis) และต้องระวังเรื่องของสารเคมีที่จะทำปฏิกิริยากับยาง และพลาสติก จนทำให้คุณสมบัติของคับปลิ้งเสียไป
• Metallic Membrane Coupling อาศัยความยืดหยุ่นจากแผ่นโลหะบาง ๆ หรือไดอะเฟรม (Diaphragms) ยกตัวอย่างเช่น คับปลิ้งแบบ Disc ซึ่งใช้แผ่นโลหะรูปทรง 6 เหลี่ยม ดังแสดงในรูปที่ 5 ทั้งนี้แบบไดอะเฟรม จะต้านทานต่อแรงบิดได้ดีกว่าแบบ disc
• Miscellaneous Coupling เป็นแบบที่อาศัยความยืดหยุ่นจากการผสมผสานของกลไกทางกลของคับปลิ้งชนิดต่าง ๆ ที่กล่าวมา กับกลไกของสปริงแบบต่าง ๆ เช่น Spring Coupling, Spiral Spring Coupling หรือ Slider Block Coupling เป็นต้น

คับปลิ้งแบบอ่อน เป็นชิ้นส่วนสำคัญในระบบส่งกำลังทางกล แต่การออกแบบ และใช้งานคับปลิ้งซึ่งมีระยะยืดหยุ่น หรือระยะช่องว่างด้วยคุณสมบัติการยืดหยุ่นของคับปลิ้งแบบนี้ก็อาจสร้างปัญหาในงานได้ ในขณะที่หากเลือกใช้คับปลิ้งแบบอ่อน ได้อย่างไม่เหมาะสม เช่น ระยะช่องว่างมากเกินไป หรือการยืดหยุ่นของคับปลิ้งสูง ก็อาจเกิดผลกระทบต่อการทำงานของเพลาหมุนได้ ทั้งนี้ก็เป็นเพราะมีคับปลิ้งแบบอ่อนเลือกใช้มากมายหลายชนิดตามที่ได้กล่าวมา การใช้งานคับปลิ้งแบบอ่อน ซึ่งมีความยืดหยุ่น จะเกิดลักษณะการทำงาน 3 ลักษณะดังนี้

• ขับเคลื่อนได้อย่างลงตัวและพอดี เป็นลักษณะที่เกิดขึ้นจากการเลือกใช้คับปลิ้งที่มีความยืดหยุ่นเหมาะกับความเร็วรอบในการหมุนของเพลาและแกนหมุน
• ยอมให้เกิดการเอียงของเพลาหมุนได้บ้าง สำหรับเพลาขับ และแกนหมุนที่อาจเกิดการไม่ตรงแนวระหว่างกัน หรือเพลาเอียงเล็กน้อยในขณะเริ่มหมุนที่แรงบิดสูง
• เกิดการเคลื่อนที่ไปมาของเพลาขับ ในขณะหมุน คับปลิ้งแบบอ่อน จะช่วยรักษาการขับเคลื่อนต่อไปได้

โดยปกตินั้นหากเราสามารถใช้คับปลิ้งแบบอ่อนเพื่อส่งแรงหมุนทางกลได้อย่างมีประสิทธิภาพ จะช่วยแก้ปัญหาการไม่ตรงแนวระหว่างกันของเพลาขับทั้ง 2 ได้ ทั้งนี้เพราะความสูญเสียทางกลที่เกิดในตัวคับปลิ้งมีค่าต่ำ และหากเลือกชนิดที่ประสิทธิภาพสูงก็จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพได้มาก

ระยะห่างที่ยอมรับได้

ตารางที่ 1 ระยะห่างที่ยอมรับได้ของการไม่ได้แนวระหว่างเพลาสำหรับมอเตอร์

ในทางปฏิบัตินั้นเราจัดระยะและแนวของเพลา ให้ตรงได้ยาก หากไม่ใช้อุปกรณ์ช่วย อย่างเช่น Dial Indicator หรือเครื่องจัดแนวตรงด้วยเลเซอร์ (Laser Alignment Tools) เครื่องดังกล่าวนี้จะช่วยจัดแนวของเพลาให้อยู่ในแนวเดียวกัน โดยมีหลักการง่าย ๆ เริ่มจากการจัดแนวของเครื่องจักรหมุนก่อน ยกตัวอย่างเช่น ปั๊มน้ำ ซึ่งมีการเชื่อมต่อระบบท่อน้ำเอาไว้เรียบร้อยแล้ว จากนั้นติดตั้งคับปลิ้งกับเพลา แล้วจึงค่อยเลื่อนและจัดแนวแกนหมุนของมอเตอร์เข้าไป

เมื่อทุกอย่างเชื่อมต่อกันเป็นอย่างดีแล้ว จะต้องทำการทดสอบหมุนเป็นระยะเวลาหนึ่งเพื่อทำให้อุณหภูมิของเครื่องจักรทั้ง 2 อิ่มตัว แล้วจึงค่อยหยุดเดินเครื่อง และทดสอบวัดแนวเชื่อมต่อของเพลาอีกครั้ง เพื่อดูว่ามีการเลื่อนตำแหน่งหรือไม่ สาเหตุก็เพราะว่า เพลาโลหะที่วางเชื่อมต่อกันนั้นอาจเกิดการขยายตัว และหดตัวเมื่ออุณหภูมิของโลหะสูงขึ้น และเย็นลงตามลำดับ ซึ่งพฤติกรรมดังกล่าวเป็นผลมาจากคุณสมบัติทางฟิสิกส์ของโลหะนั่นเอง เราจึงควรทดสอบการหมุนของเครื่องจักรด้วยสภาพแวดล้อมของอุณหภูมิของการใช้งานจริงด้วย

ผลกระทบจากจากอุณหภูมิ และความร้อน

อุณหภูมิที่สูงขึ้นส่งผลให้แท่งโลหะขยายตัวได้ ด้วยอัตราที่กำหนดจากสัมประสิทธิ์เฉพาะของการขยายตัว และโดยปกติของการใช้งานอุตสาหกรรม มอเตอร์ไฟฟ้า และเครื่องจักรกลหมุน จะได้รับอิทธิพลความร้อนจากสภาพแวดล้อม เช่น ความร้อนจากเตาหลอมโลหะ, ความร้อนจากหม้อต้มไอน้ำ ความร้อนที่สะสมและส่งผ่านออกจากขดลวดมอเตอร์ และความร้อนจากของเหลวที่ปั๊มน้ำสูบ/อัดอยู่ตลอดเวลา เมื่อความร้อนส่งผ่านมายังชิ้นส่วนของแกนหมุนโลหะ และคับปลิ้งโลหะ จะส่งผลให้โลหะเกิดการขยายตัวยาวขึ้นจนส่งผลกับระยะ และแนวของการเชื่อมต่อระหว่างเพลาได้ ซึ่งผลกระทบนี้เรียกว่า ผลกระทบที่เกิดจาก Thermal Growth

เมื่อชิ้นส่วนโลหะได้รับความร้อน จะทำให้เกิดการขยายตัว ด้วยอัตราที่กำหนดจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นของโลหะชนิดต่าง ๆ ยกตัวอย่างเช่น แท่งโลหะ เมื่อได้รับความร้อน จะยืดออกด้วยความยาวเล็กน้อย (0.0005 นิ้ว) ทั้งนี้ระยะการขยายตัวของโลหะ คำนวณได้ด้วยสมการดังนี้

ตารางที่ 2 สัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้น ของโลหะชนิดต่าง ๆ

ยกตัวอย่างเช่น มอเตอร์ตัว หนึ่ง เริ่มเดินเครื่องที่ระดับอุณหภูมิ 70°F โดยถูกต่อเพื่อขับปั๊มน้ำ ในขณะใช้งานอุณหภูมิของมอเตอร์สูงขึ้นเป็น 120°F ภายใต้สภาวะการทำงานปกติ ตัวถังของมอเตอร์ซึ่งทำจากเหล็กหล่อมีค่า C เท่ากับ 0.0000059 และระยะห่างจากฐานยึดของมอเตอร์ไปยังศูนย์กลางของเพลาวัดได้ 15 นิ้ว จะสามารถคำนวณระยะที่เปลี่ยนไปของเพลาอันเนื่องมาจากผลของอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นได้ดังนี้

ระยะที่เพิ่มขึ้น = T x L x C 

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

จากตัวเลขที่คำนวณได้ แสดงให้เห็นว่ามอเตอร์จะขยายตัวขึ้น 0.0044 นิ้ว หรือ 4.4 Mils ทั้งนี้ถ้าการขยายตัวเกิดขึ้นที่ด้านปลายทั้ง 2 ของตัวมอเตอร์ ก็จะส่งผลให้เพลาหมุนเกิดการไม่ตรงแนวแบบขนาน (Parallel Misalignment) เป็นระยะ 4.4 mils ส่วนการเลื่อนระยะเชิงมุมจะไม่เกิดขึ้น ดังนั้นการติดตั้งเพลาสำหรับงานนี้จึงต้องลดระยะเพลาของมอเตอร์ถอยออกจากเพลาของปั๊มด้วยระยะ 4.4 mils เพื่อชดเชยกับการขยายตัวดังกล่าว

ระดับการไม่ตรงแนวของเพลาหมุนที่มากเกิน 2 มิล สำหรับเครื่องจักรหมุนความเร็วรอบ 3600 rpm ในสภาวะการทำงานปกติจะสร้างแรงมากพอส่งตรงไปยังตลับลูกปืนจนทำให้เกิดการหลวม ร้าว หรือแตกหักได้ ทั้งนี้ตลับลูกปืนแบบ Ball และแบบ Roller ซึ่งมีการคำนวณอายุการใช้งานเอาไว้เรียกว่า L10 Life ของตลับลูกปืน ค่าดังกล่าวนี้จะใช้เพื่อวิเคราะห์ถึงอายุการใช้งานของตลับลูกปืนเมื่อเกิดแรงกระทำจากการหมุนไม่ตรงแนวของเพลา โดยคำนวณได้จากสมการดังนี้

L10 = Hours of Life = (16700/rpm) x [(Dynamic capacity x Load rating)] 

                                                                                     Force

สมการดังกล่าวนี้เกิดขึ้นจากการวิจัยนักวิทยาศาสตร์ 2 คนคือ Lundberg และ Palmgren ในปี ค.ศ. 1940 จนถึงปี 1950 นับเวลาได้ 10 ปี ด้วยเหตุนี้เองจึงให้เครดิตกับงานวิจัยนี้ด้วยการกำหนดตัวแปร L₁₀ โดยสรุปแล้ว สำหรับตลับลูกแบบ Ball: L₁₀ = (C/P)³ x 10⁶ และสำหรับตลับลูกปืนแบบ Roller จะคำนวณได้จากสมการ L₁₀ = (C/P)^10/3 x 10⁶

โดย L₁₀   แทนอายุการใช้งานของตลับลูกปืนที่ระดับความน่าเชื่อถือลดลงเหลือ 90% 

       C    คือพิกัดโหลดไดนามิกพื้นฐาน เป็นระดับโหลดที่คิดในการหมุน 1 ล้านรอบ ซึ่งจะหาข้อมูลได้จากแคตาลอกของตลับลูกปืน 

       P     คือโหลดสมมูลไดนามิกที่กระทำบนตลับลูกปืน

โดยสรุปจากตัวเลขการคำนวณทั่วไปแล้ว เมื่อเกิดแรงกระทำบนตลับลูกปืนมากขึ้นจะส่งผลให้อายุการใช้งานตลับลูกปืนลดลง ยกตัวอย่างเช่น หากแรงที่กระทำบนตลับลูกปืนเพิ่มขึ้น 3 เท่า จะส่งผลให้อายุการใช้งานของตลับลูกปืนลดลงถึง 27 เท่า

การป้องกันการเยื้องศูนย์

การเยื้องศูนย์ของเพลาหมุน สามารถป้องกัน และแก้ไขได้ด้วยการตรวจเช็คระบบเครื่องจักรเป็นระยะ ๆ ตามตารางการซ่อมบำรุง ทั้งนี้ก็ขึ้นกับประเภทของเครื่องจักรและชั่วโมงการทำงานด้วย นอกจากนี้การเลือกใช้อุปกรณ์ให้เหมาะกับงาน ก็เป็นอีกวิธี หนึ่ง ที่ช่วยให้การสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นกระทบต่อการเยื้องศูนย์ลดลงได้ ยกตัวอย่างเช่น การเลือกใช้มอเตอร์, ตลับลูกปืน, คับปลิ้ง หรือสายพาน ทั้งนี้การเลือกใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพอาจพิจารณาจากข้อแนะนำของผู้ผลิตอุปกรณ์ดังกล่าว