การตั้งศูนย์เพลา (Shaft Alignment) เป็นกระบวนการสำคัญในงานวิศวกรรมเครื่องกลที่มุ่งเน้นการจัดแนวศูนย์ให้แกนกลางของเพลาสองเพลาที่เชื่อมต่อกันอยู่ในแนวเดียวกันอย่างสมบูรณ์ ซึ่งทำให้กระบวนการนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพของเครื่องจักรและอายุการใช้งานของอุปกรณ์ให้นานขึ้นหรือใช้ได้จนกว่าจะถึงรอบการบำรุงรักษาต่อไป
การตั้งศูนย์เพลาเป็นขั้นตอนที่มีความละเอียดอ่อนและต้องการความแม่นยำสูง ซึ่งเป็นส่วนสำคัญของการติดตั้งและบำรุงรักษาเครื่องจักรในโรงงานอุตสาหกรรม ระบบการผลิตไฟฟ้า ระบบปั๊ม และอุปกรณ์หมุนอื่นๆ ในภาคอุตสาหกรรม ความแม่นยำในการจัดแนวสามารถวัดได้ในหน่วยไมครอน (microns) โดย 0.001 มิลลิเมตร จะเท่ากับ 1 ไมครอน ซึ่งความคลาดเคลื่อนแม้เพียงเล็กน้อยก็สามารถส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อระบบทั้งหมด
เมื่อเพลาสองเพลาไม่อยู่ในแนวเดียวกัน เราจะเรียกปัญหานี้ว่า "Misalignment" ซึ่งส่งผลเสียหลายประการ การศึกษาจาก American Petroleum Institute พบว่าปัญหา Misalignment เป็นสาเหตุของความเสียหายในเครื่องจักรมากถึง 50%[1] โดยส่งผลให้:
ตลับลูกปืนถูกออกแบบมาให้รับแรงในทิศทางเฉพาะหรือรองรับได้ปริมาณหนึ่ง เมื่อเพลาไม่อยู่ในแนวที่ถูกต้อง แรงกดที่เพิ่มขึ้นจะถูกส่งผ่านไปยังตลับลูกปืนในทิศทางที่ไม่ได้ออกแบบไว้ให้รองรับได้ อย่างเช่น แรงแนวรัศมี (radial forces) หรือแรงแนวแกน (axial forces) ที่เกินกำหนด อ้างอิงถึงการวิจัยของ SKF Group บริษัทผู้ผลิตตลับลูกปืนชั้นนำของโลก พบว่าการ misalignment เพียง 0.1 มิลลิเมตรนั้น ก็สามารถลดอายุการใช้งานของตลับลูกปืนลงถึง 50%[5] โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเครื่องจักรที่ทำงานที่ความเร็วสูง
Seal leak Worn coupling
คัปปลิ้ง (coupling) จะถูกออกแบบมาให้มีความยืดหยุ่นในระดับหนึ่งเพื่อรองรับการ misalignment ได้เพียงเล็กน้อย แต่หากเกินขีดจำกัดของค่าที่ถูกออกแบบไว้ ก็จะทำให้เกิดความเครียด (stress) สูงเกินไปและนำไปสู่ความเสียหาย ในส่วนของซีลเพลา (shaft seals) ก็เช่นกัน การบิดเบี้ยวเนื่องจากการ misalignment นั้นทำให้เกิดช่องว่างที่ไม่สม่ำเสมอบนผิวซีล ส่งผลให้ซีลสึกหรอเร็วขึ้นและหากเกินกว่าการออกแบบก็จะทำให้เกิดการรั่วไหลของสารหล่อลื่นหรือของเหลวในระบบ จากข้อมูลการศึกษาของ John Piotrowski[4] ผู้เชี่ยวชาญด้านการตั้งศูนย์เพลา พบว่าการ misalignment สามารถลดอายุการใช้งานของซีลลงได้ถึง 70% และคัปปลิ้งลงได้ถึง 30-50% ขึ้นอยู่กับชนิดประเภทของวัสดุและการออกแบบ
การสั่นสะเทือนที่เพิ่มขึ้นเป็นอาการสำคัญที่บ่งชี้ถึงปัญหา misalignment การสั่นสะเทือนนี้จะส่งผ่านไปยังส่วนอื่นๆ ของระบบ ทำให้เกิดความเสียหายที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ หน้าสัมผัสไฟฟ้า ลูกปืนแบริ่ง ซีลเพลา คัปปลิ้งและโครงสร้างรองรับ (foundations) ข้อมูลจากการศึกษาของ Vibration Institute ระบุว่าการ misalignment สามารถเพิ่มระดับการสั่นสะเทือนได้ถึง 8 เท่า โดยเฉพาะที่ความถี่ 1X และ 2X ของความเร็วการหมุน (rotational speed) การสั่นสะเทือนนี้ยังสามารถกระตุ้นความถี่ธรรมชาติ (natural frequencies) ของระบบ นำไปสู่การเกิด resonance ที่ทำให้เกิดความเสียหายอย่างรุนแรงได้
Photo source: Infrared Imaging Services LLC
การ misalignment ส่งผลทำให้ระบบต้องใช้พลังงานเพิ่มขึ้นเพื่อเอาชนะแรงต้านและความเสียดทานที่เกิดขึ้น พลังงานที่ป้อนให้กับอุปกรณ์ควรที่จะถูกใช้ในการทำงานอย่างมีประสิทธิภาพแต่กลับถูกเปลี่ยนมาเป็นความร้อนที่ไม่พึงประสงค์ขึ้น จากการทดสอบของ Department of Energy สหรัฐอเมริกา พบว่ามอเตอร์และปั๊มที่มีการ misalignment จะมีอุณหภูมิการทำงานสูงกว่าปกติ 2-8 องศาเซลเซียส และสิ้นเปลืองพลังงานเพิ่มขึ้น 7-15% ในกรณีที่มีการ misalignment อย่างรุนแรง
Misalignment แบ่งได้เป็นสองประเภทหลักคือ:
Parallel misalignment Angular misalignment
Photo source: Technomaxme
แต่ในสถานการณ์จริงนั้นเรามักพบปัญหาแบบผสมระหว่างสองประเภทนี้เสมอคือทั้งแนวเพลาทั้งสองไม่ได้อยู่ในแนวเดียวกันแล้วยังทำมุมต่อกันอีกด้วย
Photo source: Technomaxme
สำหรับ Parallel Misalignment เกิดขึ้นเมื่อเพลาสองเพลาวางตัวขนานกัน แต่มีระยะห่างระหว่างแกนกลางเกินกว่าค่ากำหนดไว้ (tolerance) เราสามารถแบ่งย่อยออกเป็น:
อาการที่แสดงออกของ Parallel Misalignment มักจะเป็นการสั่นสะเทือนในแนวรัศมี (radial vibration) ที่มีความถี่ 2X ความเร็วรอบการหมุน และอาจทำให้เกิดแรงบิดที่สูงผิดปกติในระหว่างการเริ่มทำงานของเครื่องจักร นอกจากนี้ยังอาจสังเกตเห็นการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิที่ตลับลูกปืนและคัปปลิ้ง
Photo source: Technomaxme
สำหรับ Angular Misalignment นั้นเกิดขึ้นเมื่อแกนของเพลาทั้งสองทำมุมต่อกัน ซึ่งสามารถแบ่งย่อยออกเป็น:
อาการที่แสดงออกของ Angular Misalignment มักจะเป็นการสั่นสะเทือนในแนวแกน (axial vibration) ที่มีความถี่ 1X ความเร็วรอบการหมุน การสึกหรอของคัปปลิ้งจะเกิดขึ้นในลักษณะไม่สม่ำเสมอ มีการสึกหรอมากในด้านหนึ่งและน้อยในอีกด้านหนึ่ง
ในสถานการณ์จริงนั้นการ misalignment มักเกิดขึ้นในรูปแบบผสมผสานระหว่าง parallel และ angular misalignment พร้อมกัน ซึ่งทำให้การวินิจฉัยและแก้ไขมีความซับซ้อนมากขึ้น การผสมผสานนี้อาจทำให้เกิดรูปแบบการสั่นสะเทือนที่ซับซ้อน มีทั้งในแนวรัศมีและแนวแกน และอาจมีความถี่หลายค่า เช่น 1X, 2X และความถี่สูงกว่า
ตามการศึกษาของ Machinery Vibration Analysis ของ Technical Associates Group[4] พบว่า 75% ของปัญหา misalignment ที่พบในอุตสาหกรรมนั้น ในแบบผสม (Combined Misalignment) ส่วนจำนวน 15% เป็นแบบ pure parallel และอีก 10% จะเป็นแบบ pure angular ซึ่งสะท้อนให้เห็นว่าในสภาพแวดล้อมการทำงานจริง ปัญหามักมีความซับซ้อนมากกว่าทฤษฎี
นอกจากนี้ยังมีปัจจัยอื่นๆ ที่อาจส่งผลถึงปัญหา misalignment เช่น:
สำหรับวิวัฒนาการของเทคโนโลยีการจัดศูนย์เพลา (Shaft Alignment Technologies) ได้มีการพัฒนาไปอย่างมาก จากวิธีดั้งเดิมที่ใช้เพียงไม้บรรทัดและฟีลเลอร์เกจทำการวัดมาสู่:
การศึกษาจาก IEEE แสดงให้เห็นว่าการใช้เทคโนโลยีเลเซอร์ช่วยเพิ่มความแม่นยำได้ถึง 10 เท่าเมื่อเทียบกับวิธีดั้งเดิม[2]
การใช้ไม้บรรทัดและฟีลเลอร์เกจ (Straightedge and Feeler Gauge)
Photo source: Noppadol S.
วิธีนี้เป็นวิธีที่เก่าแก่และง่ายที่สุด โดยใช้ไม้บรรทัดหรือแผ่นเหล็กตรงวางบนเพลาทั้งสองและสังเกตช่องว่างที่เกิดขึ้น จากนั้นใช้ฟีลเลอร์เกจวัดขนาดช่องว่าง วิธีนี้มีข้อจำกัดด้านความแม่นยำ โดยมีความคลาดเคลื่อนประมาณ ±0.25 มิลลิเมตร และไม่สามารถวัด misalignment ที่ซับซ้อนได้ อย่างไรก็ตามวิธีนี้ยังมีประโยชน์สำหรับการตรวจสอบเบื้องต้นหรือในสถานการณ์ที่ไม่มีอุปกรณ์ทันสมัย
การใช้ไดอัลอินดิเคเตอร์ (Dial Indicator Method)
Photo source: RMS SHIM-DEE
วิธีนี้ใช้ไดอัลอินดิเคเตอร์เป็นเครื่องมือวัดความเบี่ยงเบนของเพลา โดยแบ่งออกเป็นสองวิธีหลัก:
การใช้ไดอัลอินดิเคเตอร์ต้องการทักษะและประสบการณ์สูง เนื่องจากต้องคำนวณค่าชดเชย sag (การยืดหยุ่นของอุปกรณ์ยึดไดอัล) และต้องแปลผลการวัดเพื่อคำนวณการปรับแต่งที่จำเป็น แต่ให้ความแม่นยำที่ดีกว่าวิธีดั้งเดิมมาก
ระบบตั้งศูนย์เพลาด้วยเครื่องเลเซอร์ (Laser Alignment Systems)
Photo source: RMS Group
ระบบเลเซอร์เป็นเทคโนโลยีที่ปฏิวัติวงการตั้งศูนย์เพลา โดยใช้ลำแสงเลเซอร์และเซนเซอร์ตรวจจับการเบี่ยงเบน ข้อดีของระบบเลเซอร์:
ระบบเลเซอร์มีหลายประเภท เช่น:
Photo source: pruftechnik
เทคโนโลยีล่าสุดในการตั้งศูนย์เพลาคือระบบติดตามตำแหน่งแบบ Real-time ซึ่งรวมถึง:
ความก้าวหน้าของเทคโนโลยี Industry 4.0 ทำให้ระบบการตั้งศูนย์เพลาสามารถเชื่อมโยงกับระบบบำรุงรักษาเชิงพยากรณ์ (Predictive Maintenance) และระบบบริหารจัดการทรัพย์สิน (Asset Management Systems) ก็เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการบำรุงรักษาและลดการหยุดชะงักของกระบวนการผลิต
การตั้งศูนย์เพลาที่ไม่ถูกต้อง (Shaft Misalignment) ส่งผลกระทบทางค่าใช้จ่ายอย่างมีนัยสำคัญ จากข้อมูลของสมาคมวิศวกรรมเครื่องกลแห่งสหรัฐอเมริกาหรือ (American Society of Mechanical Engineers, ASME) พบว่า[3]:
การใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้น 3-10% อาจจะฟังดูไม่มากนัก แต่เมื่อหากเราพิจารณาในระยะยาวแล้วและหากในโรงงานของเรามีเครื่องจักรจำนวนมาก ตัวเลขที่ดูน้อยนี้พอแปลงเป็นค่าใช้จ่ายก็จะมากมายมหาศาล ข้อยกตัวอย่าง สำหรับมอเตอร์ขนาด 75 kW ที่ทำงาน 24 ชั่วโมงต่อวัน 365 วันต่อปี:
จากการศึกษาของ U.S. Department of Energy ในปี 2017 พบว่า โรงงานอุตสาหกรรมขนาดใหญ่สามารถประหยัดค่าใช้จ่ายด้านพลังงานได้มากถึง 5-7% ของค่าใช้จ่ายด้านพลังงานทั้งหมดหากมีการตั้งศูนย์เพลาที่เหมาะสม โดยเฉพาะในระบบที่มีเครื่องจักรหมุนจำนวนมาก เช่น โรงงานปิโตรเคมี หรือโรงไฟฟ้า
การลดลงของอายุการใช้งานของตลับลูกปืน 40-60% หมายถึงการต้องเปลี่ยนตลับลูกปืนบ่อยขึ้น 1.5-2.5 เท่า ซึ่งนอกจากจะมีค่าใช้จ่ายโดยตรงในการซื้ออะไหล่แล้ว ยังมีค่าใช้จ่ายแฝงอื่นๆ เช่น:
จากการศึกษาของ SKF พบว่า การเปลี่ยนตลับลูกปืนของปั๊มอุตสาหกรรมขนาดกลางมีค่าใช้จ่ายประมาณ 60,000-150,000 บาทต่อครั้ง ทั้งนี้ก็ขึ้นอยู่กับขนาด จำนวนและความซับซ้อน[5] หากต้องเปลี่ยนบ่อยขึ้นเป็น 2 เท่าเนื่องจาก misalignment ค่าใช้จ่ายส่วนนี้จะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ
การเพิ่มขึ้นของค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาโดยรวม 30% ครอบคลุมถึง:
การจัดศูนย์เพลาที่ถูกต้องเป็นกระบวนการสำคัญที่ส่งผลต่อทั้งประสิทธิภาพการทำงาน ความปลอดภัย และค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานของโรงงานอุตสาหกรรม การเข้าใจหลักการและความสำคัญจึงเป็นพื้นฐานสำคัญสำหรับวิศวกรและผู้ปฏิบัติงานในภาคอุตสาหกรรม
[1] American Petroleum Institute. (2019). API Recommended Practice 686: Recommended Practices for Machinery Installation and Installation Design.
[2] Ganeriwala, S., Patel, S., & Hartung, A. (2018). The Evolution of Shaft Alignment Techniques and Tools. IEEE Transactions on Industry Applications, 54(2), 1573-1582.
[3] American Society of Mechanical Engineers. (2020). ASME B31.3: Process Piping Guide. New York: ASME.
[4] Piotrowski, J. (2022). Shaft Alignment Handbook (4th ed.). CRC Press.
[5] SKF Group. (2021). Bearing damage and failure analysis. SKF Maintenance Handbook.