ประกับเพลาตัวอ่อนอีลาสโตเมอร์ (Elastomeric Flexible Couplings)

ภาวะเยื้องแกนของเพลา (Shaft Misalignment) สร้างความเสียหายอย่างมากต่อระบบส่งกำลังทางกล เนื่องจากเป็นสาเหตุของแรงสั่นสะเทือน ซึ่งส่งผ่านไปยังโครงสร้างและอุปกรณ์อื่นๆ และจะสร้างความเสียหายให้มากขึ้นเมื่อระยะเวลาผ่านไป แม้ว่าการตั้งศูนย์เพลาที่ดีนั้นจะช่วยยืดอายุการใช้งานของตลับลูกปืนได้ 2-3 เท่า และลดความเสี่ยงของการเกิดความเสียหายโดยไม่คาดคิดได้ แต่การตั้งศูนย์เพลาที่ดีนั้นต้องใช้เวลานานและมักจะเกิดภาวะเยื้องแกนของเพลาอยู่ดีเมื่อมีการใช้งานเครื่องจักรไปในระยะหนึ่ง ซึ่งสาเหตุเกิดจากการขยายตัวหรือหดตัวของโครงสร้างเนื่องจากความร้อน หรือการยุบตัวของฐานเครื่องจักร หรือการสั่นสะเทือนที่เกิดจากการทำงานอื่นๆเป็นต้น

ด้วยเหตุนี้จึงมีการออกแบบ ประกับเพลาแบบอ่อนตัว (Flexible Couplings) ขึ้น โดยได้รับการพิสูจน์แล้วจากการใช้งานด้านอุตสาหกรรมเป็นระยะเวลานานกว่า 90 ปีทั่วโลก โดยประกับเพลาแบบอ่อนตัวทำหน้าที่หลัก 3 ประการ ดังนี้

1. ส่งผ่านแรงบิดจากเพลาต้นกำลังสู่เพลาเครื่องจักร

2. รองรับการทำงานภายใต้ภาวะเยื้องแกนเพลา

3. ชดเชยระยะการเลื่อนตัวระหว่างปลายเพลา

โดยประกับเพลาแบ่งประเภทตามวัสดุได้ 2 ประเภท คือประกับเพลาอ่อนตัวอีลาสโตเมอร์ และประกับเพลาอ่อนตัวโลหะ

ประกับเพลาอ่อนตัวอีลาสโตเมอร์ทำจากยาง, ยางสังเคราะห์, พอลิเมอร์ สามารถจำแนกออกได้หลายประเภทตามชนิดของวัสดุโดยขึ้นกับขนาดของแรงบิด, อุณหภูมิ, การกัดกร่อนจากสารเคมี และความสามารถในการลดการส่งผ่านแรงสั่นสะเทือน ความสามารถพิเศษของประกับเพลาอ่อนตัวอีลาสโตเมอร์ประเภทนี้คือ ลดการส่งผ่านแรงสั่นสะเทือน ลดระดับของแรงปฏิกริยาที่เกิดการเยื้องแกนของเพลาและสามารถปกป้องเครื่องจักรจากแรงบิดเกินกำลังได้อีกด้วย

ประกับเพลาอ่อนตัวอีลาสโตเมอร์มีข้อดี คือ ไม่ต้องบำรุงรักษาเนื่องจากเป็นการส่งผ่านแรงบิดระหว่าง ดุม(hub)และยาง จึงไม่เกิดความร้อนสูง โดยที่ไม่ต้องหล่อลื่นทำให้ลดค่าบำรุงรักษา พื้นที่ปฏิบัติงานสะอาด แต่ควรตรวจสอบการชำรุดของลูกยางเสมอเพื่อการวางแผนเปลี่ยนลูกยางทดแทน

ตารางเปรียบเทียบคุณสมบัติความทนทานต่อสารเคมีของวัสดุอีลาสโตเมอร์ประเภทต่างๆ

การส่งผ่านแรงบิดจากเพลาต้นกำลังสู่เพลาเครื่องจักร

ยางโดยทั่วไปจะมีความสามารถในการรับแรงกด (Compression) สูงกว่าแรงเฉือน (Shear) ประมาณ 5-10 เท่า แต่จะไม่สารถรับแรงตึง (Tension) ได้ดีนัก เพราะพื้นที่รับแรงของยางจะลดลงตามขนาดของแรงดึง และเมื่อเกิดรอยแตกของเนื้อยาง จะทำให้ยางเกิดการฉีกขาดอย่างรวดเร็ว ดังนั้นจึงมีการออกแบบให้การส่งกำลังของประกับเพลา (ยอย) ประเภทนี้ให้มีการรับแรงของยางออกเป็น 2 ประเภท คือ

1. รับแรงกดอัด
2. รับแรงเฉือน

โดยสามารถเปรียบเทียบคุณสมบัติประกับเพลาอ่อนตัวอีลาสโตเมอร์ประเภทต่างๆได้ดังนี้

1. วัสดุอีลาสโตเมอร์รับแรงกดอัด (Elastomeric Compression) ได้แก่ ประกับเพลาเขี้ยว (Jaw Couplings), ประกับเพลาโดนัท (Donut Shape Couplings) โดยมีความสามารถในการรับแรงบิดได้สูงกว่าวัสดุอีลาสโตเมอร์รับแรงเฉือนที่ขนาดเท่ากัน

- ประกับเพลาเขี้ยว (Jaw Couplings) มีการออกแบบใช้งานลิขสิทธิ์ตั้งแต่ปี 1927 และยังคงได้รับความนิยมแพร่หลายจนถึงปัจจุบัน เนื่องจากง่ายต่อการติดตั้ง มีราคาถูก โดยส่วนมากจะใช้ในงานส่งกำลังปั้ม, ห้องเฟือง, พัดลม เป็นต้น เนื่องจากประกับเพลาเขี้ยวลดการส่งผ่านแรงสั่นสะเทือนได้ไม่ดีนัก จึงไม่เหมาะสมกับการส่งกำลังของเครื่องยนต์หรือเครื่องจักรที่มีการทำงานแบบลูกสูบที่มีการปิด-เปิดบ่อยครั้ง

ประกับเพลาเขี้ยวแบ่งได้ออกเป็น 2 ลักษณะ คือแบบเขี้ยวตรง (Straight Jaw Couplings) และ แบบเขี้ยวโค้ง (Curved Jaw Couplings)

แบบเขี้ยวตรงนิยมใช้ในอเมริกา ส่วนแบบเขี้ยวโค้งจะนิยมใช้มากในยุโรป ส่วนประกอบของประกับเพลาประเภทนี้จะประกอบไปด้วย ดุม (Hub) และลูกยางแฉก (Spider)

ลูกยางแฉกจะติดตั้งอยู่ตรงกลางระหว่างดุมทั้งสอง โดยวัสดุทำมาจาก NBR, URETHANE, HYTREL, BRONZE, NYLON, VITON, ZYTEL ทำหน้าที่ส่งผ่านแรงบิดซึ่งรับแรงในแนวกดอัด

โดยทั่วไปควรเปลี่ยนลูกยางแฉก (Spider) เมื่อมีการยุบตัวถาวรของยางประมาณ 25% ของความหนาเดิม ในบางครั้งเมื่อเกิดภาระเกินกำลังหรือไม่มีการเปลี่ยนลูกยางแฉกเมื่อหมดสภาพการทำงาน เราจะสามารถได้ยินเสียงโลหะกระทบกัน เพราะลูกยางแฉกถูกกดอัดจนเสียรูป เขี้ยวของดุมโลหะก็จะกระทบกันเอง เป็นสัญญาณว่าควรจะเปลี่ยนลูกยางแฉกเพื่อป้องกันความเสียหายของดุม แต่เหตุการณ์ที่กล่าวมาก็เป็นคุณลักษณะพิเศษอย่างหนึ่งของประกับเพลาประเภทนี้เรียกว่า Fail-Safe ที่ว่าแม้ลูกยางแฉกจะเสียหายแต่ก็ยังมีเขี้ยวของดุมมารับหน้าที่ต่อไปได้อีกระยะหนึ่ง ซึ่งจะทำให้การทำงานไหลลื่น แล้วจึงค่อยเปลี่ยนลูกยางแฉกในภายหลังได้

- ประกับเพลาโดนัท (Donut Shape Couplings) ใช้งานกันตั้งแต่ปี ค.ศ.1970 กับเครื่องยนต์ดีเซล โดยประกอบด้วยลูกยางโดนัทยึดโดยสลักเกลียวเข้าระหว่างดุมทั้ง2 ซึ่งสลักเกลียวดังกล่าวจะสร้างแรงกดก่อนหน้า (Precompressed) ให้กับลูกยางโดนัท ทำหน้าที่ส่งผ่านแรงบิดด้วยแรงประเภทกดอัด โดยวัสดุของลูกยางโดนัทคือ HYTREL และ ZYTREL ซึ่งเป็นยางธรรมชาติที่มีความแข็งแรงสูง และทนทานต่อความล้าได้ดีมาก รับแรงบิดได้สูง มีคุณลักษณะพิเศษคือ ป้องกันการเกิดแรงดึงกับลูกยางโดนัท ซึ่งเป็นผลดีต่อความสามารถในการรับแรงบิดและยืดอายุการใช้งาน อีกทั้งยังมีประสิทธิภาพในการลดการส่งผ่านแรงสั่นสะเทือนที่เกิดจากการทำงานของเครื่องยนต์และจากความผิดปกติของระบบส่งกำลัง เช่น ความไม่สมดุล, การเยื้องแกนเพลา ได้เป็นอย่างดี

Juboflex Coupling, PAULSTRA SNC.

Torsional Couplings

2. วัสดุอีลาสโตเมอร์รับแรงเฉือน (Elastomeric Shear Couplings) ได้แก่ ประกับเพลาเฟืองยาง (Elastomeric Sleeve Couplings), ประกับเพลาเฟืองไนลอน (NYLON Sleeve Couplings), ประกับเพลาล้อยาง (Tire Couplings)

- ประกับเพลาเฟืองยาง (Elastomeric Sleeve Couplings) เริ่มใช้งานตั้งแต่ปี ค.ศ.1950 และได้รับความนิยมจนถึงปัจจุบัน ทำงานส่งผ่านแรงบิดโดยเฟืองยางซึ่งถูกประกบอยู่ระหว่างดุมหน้าแปลนสองอัน วัสดุปลอกเฟืองยางทำมาจาก EPDM และ HYTREL ซึ่งเป็นยางธรรมชาติ โดยข้อดีของประกับเพลาประเภทนี้คือ สามารถลดการส่งผ่านแรงสั่นสะเทือนและดูดซับแรงกระเทกได้ HYTREL จะรับแรงบิดได้สูงกว่า EPDM มากกว่า แต่ EPDM จะลดการส่งผ่านแรงสั่นสะเทือนและดูดซับแรงกระแทกได้ดีกว่า HYTREL  ปลอกเฟืองยางมีความกลวงภายในทำให้ติดตั้งได้แม้ปลายเพลาขับและเพลาตามอยู่ใกล้กัน และปลอกเฟืองยางบางขนาดชิ้นส่วนถูกแบ่งเป็นสองส่วนเพื่อความสัดวกในการติดตั้ง ปลอกเฟืองยางสามารถรับแรงบิดได้ประมาณ 3-4 เท่าของแรงบิดปกติ เป็นระบบ Fail-Safe ยอมขาดตัวทันทีเมื่อเกิดแรงบิดเกินกำลังแบบฉับพลัน (Shockload) เพื่อป้องกันความเสียหายของชิ้นส่วนเครื่องจักรอื่นที่มีราคาแพง

- ประกับเพลาเฟืองไนลอน (NYLON Sleeve Couplings) ประกอบไปด้วยเฟืองไนลอนซึ่งถูกประกบด้วยดุม 2 ข้าง ทำงานส่งผ่านแรงบิดผ่านฟันปลอกเฟืองไนลอนและดุมโลหะ โดยที่ผิวฟันของเฟืองดุมโลหะมีความโค้ง 3 มิติ ( Crowned Tooth ) ซึ่งเป็นการกระจายความเค้นและลดแรงเสียดทานจากการสัมผัสระหว่างฟันเฟืองภายใต้ภาวะเยื้องแกนของเพลา โดยสามารถรับภาวะเยื้องแกนเพลาได้ตั้งแต่ 1องศา ถึง 5องศา สามารถทำงานรักษาเสถียรภาพได้โดยไม่ต้องมีสารหล่อลื่นที่อุณหภูมิสูงสุดประมาณ 80 อาศาเซลเซียส และปลอกเฟือง POLYMIDE สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงสุดประมาณ 120 องศาเซลเซียส

ประกับเพลาปลอกเฟืองไนลอนถูกออกแบบมาให้มีการทำงานโดยไม่ต้องหล่อลื่น ทำให้ถูกจำกัดด้วยการควบคุมระดับของแรงเสียดทานระหว่างฟันของปลอกเฟืองไนลอนและดุมโลหะไม่ให้มากจนเกินไป จึงไม่สามารถรับแรงบิดได้สูงนักเมื่อเทียบกับขนาดของเฟืองไนลอน

การใช้งานพบมากในการส่งกำลังด้วยชุดมอเตอร์ผลิตกระแสไฟฟ้า, ชุดปั้ม, งานอุตสาหกรรมระดับเบาและระดับกลาง เนื่องจากประกับเพลาชนิดนี้มีขนาดเล็กและเบา จึงมีการใช้งานส่งกำลังจากเครื่องยนต์สันดาปภายใน โดยสามารถรัขขนาดเพลาได้ถึง 100 MM นอกจากนี้ปลอกเฟืองไนลอนยังทำหน้าที่เสมือนสลักนิรภัย โดยในกรณีที่เกิดภาระแรงบิดเกินกำลังจะทำให้เฟืองไนลอนเกิดการรูดตัวเพื่อหยุดการส่งกำลังต่อ ทั้งนี้เพื่อปกป้องเครื่องจักรราคาแพงไม่ให้เกิดความเสียหาย

ประกับเพลาเฟืองไนลอน

ลักษณะฟันเฟืองโค้ง 3 มิติของดุม

- ประกับเพลาล้อยาง (Tire Couplings) ประกอบไปด้วยดุมและลูกยางที่มีลักษณะคล้ายล้อยาง โดยดุมทั้งสองจะประกบยึดกับลูกยางแบบแคลมป์ (Clamp) ซึ่งส่วนของดุมจะทำหน้าที่เป็นชุดล็อคเพลาแบบกรวย (Taper Bush) ลูกยางทำจากยางธรรมชาติซึ่งมีความแข็งแรงทนทานต่อความล้าสูง ประกอบกับการเสริมใยธรรมชาติเพิ่มความทนทานต่อการฉีกขาด และสามารถรับแรงบิดได้สูงขึ้นในขณะที่ระยะบิดต่ำลง การใช้งานประกับเพลาล้อยางเหมาะสมกับงานที่ต้องการส่งผ่านแรงบิดแบบไม่มีระยะคลอน (Backlash) หรือมีการเลื่อนตัวระหว่างปลายเพลาสูง

ประกับเพลาล้อยาง

การชดเชยระยะการเลื่อนตัวของปลายเพลาสำหรับประกับเพลาล้อยาง

การชดเชยระยะการเลื่อนตัวของปลายเพลา

เกิดขึ้นมากในการใช้งานที่มีใบพัดติดตั้งกับเพลา เช่น เครื่องกวน, เครื่องผสม เป็นต้น งานประเภทนี้จะเกิดการเลื่อนตัวระหว่างปลายเพลาขับและปลายเพลาตาม เลื่อนเข้าหากันและแยกออกจากกัน ทำให้เกิดความเค้นในส่วนของลูกยางสูง ทั้งนี้ไม่ควรเลือกใช้ประกับเพลาอ่อนตัวที่ดุมสามารถเลื่อนแยกออกจากลูกยางทางแนวแกนเพลาได้ เช่น ประกับเพลาเฟืองยาง เป็นต้น เพราะจะทำให้การรับแรงของผิวฟันเฟืองยางได้ไม่เต็มพื้นที่ ทำให้เกิดความเสียหายได้ง่าย ในกรณีนี้ควรใช้ประกับเพลาล้อยางซึ่งทำหน้าที่ลักษณะเดียวกับประกับเพลาเฟืองยางแต่ไม่สามารถเลื่อนดุมออกจากล้อยางได้

การลดการส่งผ่านแรงสั่นสะเทือนของประกับเพลาอ่อนตัวประเภทวัสดุอีลาสติก

    ความสามารถลดระดับและการส่งผ่านแรงสั่นสะเทือนที่เกิดจากความผิดปกติของเครื่องจักร ได้แก่ การเยื้องแนวแกนเพลา, การชำรุดของตลับลูกปืน, ความไม่สมดุล, การแตกหักของชิ้นส่วนต่างๆ เป็นต้น โดยประกับเพลาอ่อนตัวประเภทนี้ออกแบบมาเพื่อลดระดับของแรงสั่นสะเทือนที่เป็นผลจากการเยื้องแกนของเพลาเพื่อยืดอายุชิ้นส่วนเครื่องจักรโลหะและโครงสร้างข้างเคียง จากประสบการณ์ทางด้านอุตสาหกรรมพบว่า ปัญหาจากการเยื้องแกนของเพลาเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้เกิดการสั่นสะเทือน ซึ่งสร้างความล้าต่อชื้นส่วนเครื่องจักรเป็นผลให้เกิดความเสียหายก่อนเวลาอันควร การหมุนของเพลาที่มีการเยื้องแกนของเพลาจะกระตุ้นให้เกิดแรงดล (Exciting Impulse) ในทุกรอบการหมุน ดังนั้นความถี่ของแรงดลจึงเป็นความถี่ของการสั่นสะเทือนซึ่งเกิดขึ้นโดยตรงกับความเร็วรอบเพลาเครื่องจักร ความถี่นี้จะส่งผลเข้ามากระตุ้นชื้นส่วนต่างๆ โดยความถี่นี้ถูกเรียกว่า ความถี่กระตุ้น (Exciting Frequency) ซึ่งหากความถี่นี้ตรงกับความถี่ธรรมชาติของชิ้นส่วนเครื่องจักรส่วนใด ก็จะสร้างแรงสั่นสะเทือนระดับสูง เป็นผลส่งให้เกิดเสียงดังและสร้างความเสียหายในที่สุด นอกจากนี้หากไม่มีการลดแรงสั่นสะเทือนของเครื่องจักร แรงสั่นสะเทือนนี้จะผ่านลงสู่พื้นไปกระทบต่ออุปกรณ์ตัวอื่นๆ หรือโครงสร้างอาคารให้เกิดความเสียหายไปด้วย

เมื่อประกับเพลาเกิดความเสียหายโดยส่วนมากผู้ใช้งานจะเข้าใจว่าเกิดจากความบกพร่องของประกับเพลาซึ่งพบว่ามีโอกาสเป็นเช่นนั้นน้อยมาก ดังนั้นผู้ใช้งานควรตรวจสอบความผิดปกติของเครื่องจักรให้ทราบถึงแหล่งที่มาของการสั่นสะเทือน จึงจะเป็นการแก้ปัญหาที่ต้นเหตุอย่างแท้จริง

ความเสียหายของประกับเพลาอ่อนตัวอีลาสโตเมอร์

เมื่อเกิดความเสียหายขึ้นกับประกับเพลาแบบอ่อนตัวอีลาสโตเมอร์ เช่น การขาดตัว, ลูกยางละลาย, เนื้อยางสึกกร่อน, ดุมแตก ฯลฯ เป็นสัญญาณบ่งบอกว่ามีความผิดปกติเกิดขึ้นและต้องพยายามหาสาเหตุของความปกตินั้นให้พบ โดยความเสียหายที่เกิดขึ้นทั่วไปนั้นเกิดได้จาก 5 สาเหตุหลัก คือ

1. การเยื้องแกนของเพลา

2. เกิดภาระเนื่องจากการเลื่อนตัวระหว่างปลายเพลาสูง

3. เกิดภาระแรงบิดเกินกำลัง (Overload)

4. ขั้นตอนการเลือก, การใช้งาน, การติดตั้งและบำรุงรักษา

5. สภาพแวดล้อมสถานที่ทำงาน

ตารางความเสียหายที่พบโดยทั่วไปจากการทำงานของประกับเพลาแบบอ่อนตัว

ลักษณะความเสียหายของชิ้นส่วนอ่อนตัวเนื่องจากภาวะแรงบิดเกินกำลัง

ลูกยางแฉกยุบตัวอย่างถาวร

การหักของเขี้ยวดุมที่เกิดจากการกระแทกระหว่างเขี้ยวด้วยกัน

การรูดตัวของเฟืองไนลอน

การขาดตัวของปลอกเฟืองยาง

ลักษณะความเสียหายของลูกยางโดนัทเนื่องจากความล้าซึ่งเป็นผลมาจากแรงสั่นสะเทือนแนวบิดตัวโดยผ่านการใช้งานมาเป็นเวลานาน

                                                       บรรณานุกรม

1. Jon R. Mancuso., “Couplings and Joints, Design, Selection, and Application.”, Marcel Dekker, Inc., 1986.
2. E.F. Gobel., “Rubber Springs Design.”, Newnes-Butterworths, 1974.
3. Lovejoy, “The Coupling Handbook.”, Lovejoy, Inc., USA.
4. Rahmer + Jansen , “Dentex – the flexible coupling.”, Rahmer + Jansen GmbH.,GERMANY.
5. Virtus., “CD Catalog.”, Virtus company limited., THAILAND.
6. Jon R. Mancuso., “Just how flexible is your flexible coupling in reality?”,World Pump, p.46-49., September, 2000.
7. Lovejoy, “Power transmission products.”, Lovejoy, Inc., USA.
8. PAULSTRA, “Flexible couplings”, PAULSTRA SNC., FRANCE.

 

 

"ชมรายละเอียดสินค้าประกับเพลา (ยอย)"