การสั่นสะเทือนของคู่เฟือง

จาก ChulaPedia

การตรวจหาต้นกำเนิดสัญญาณการสั่นสะเทือนของคู่เฟือง โดย วิธีการเฉลี่ยบนโดเมนเวลาแบบเข้าจังหวะ

การวัดการสั่นสะเทือนเป็นวิธีการหนึ่งที่มีใช้กันอย่างแพร่หลาย ในการตรวจสอบความบกพร่องของเครื่องจักรกลหมุนโดยเฉพาะในระบบเฟือง โดยทั่วไปสัญญาณการสั่นสะเทือนที่วัดได้มักมีความซับซ้อนเนื่องจากเป็นผลรวมของทั้งเฟืองขับ เฟืองตาม ตลับลูกปืน และอาจเป็นชิ้นส่วนอื่นๆ ที่ประกอบอยู่บนเพลา รวมถึงสัญญาณรบกวนด้วย การจะบ่งชี้ว่าสัญญาณการสั่นสะเทือนที่ผิดปกติเป็นผลมาจากส่วนประกอบใดจึงทำได้ยาก เทคนิคการเฉลี่ยบนโดเมนเวลาแบบเข้าจังหวะ (Time-domain synchronous averaging) เป็นเทคนิคการจัดการสัญญาณวิธีการหนึ่ง ซึ่งช่วยให้สามารถแยกสัญญาณการสั่นสะเทือนที่เกิดเนื่องจากเฟืองขับ ออกจากสัญญาณการสั่นสะเทือนเนื่องจากเฟืองตาม และสัญญาณเนื่องจากส่วนประกอบอื่นๆ ได้

หลักการของเทคนิคการเฉลี่ยบนโดเมนเวลาแบบเข้าจังหวะ

รูปที่ 1(a) แสดงการวัดสัญญาณการสั่นสะเทือนของเฟือง และวัดสัญญาณการหมุนของเพลาขับ และเพลาตามลักษณะสัญญาณการสั่นสะเทือน และสัญญาณการหมุนของเพลาที่วัดได้แสดงดังรูปที่ 1(b) การเฉลี่ยบนโดเมนเวลาแบบเข้าจังหวะทำได้โดย ดึงสัญญาณการสั่นสะเทือนออกมาเป็นช่วงๆ แต่ละช่วงที่ดึงสัญญาณออกมาจะมีจุดเริ่มต้นสัมพันธ์กับสัญญาณจากการหมุนของเพลาขับ หรือเพลาตาม หรือกล่าวได้อีกอย่างหนึ่งว่า จะเริ่มดึงสัญญาณที่ตำแหน่งเดียวกันบนเพลาขับ หรือเพลาตาม ทุกๆ ครั้ง หลังจากนั้นจะนำช่วงสัญญาณที่ดึงออกมา มาเฉลี่ย ในกรณีที่ต้องการทราบสัญญาณการสั่นสะเทือนเนื่องจากเฟืองขับ จะใช้การเฉลี่ยโดยใช้สัญญาณการหมุนของเพลาขับ เนื่องจากช่วงสัญญาณที่ถูกดึงมาเฉลี่ยจะเริ่มวัดที่ตำแหน่งเดียวกันบนเพลาขับทุกครั้ง สัญญาณที่เป็นคาบสัมพันธ์กับคาบของเพลาขับ ได้แก่สัญญาณที่เกิดเนื่องมาจากเฟืองขับ ที่ถูกดึงออกมาจึงมีเฟสเริ่มต้นตรงกันเสมอ การเฉลี่ยจึงทำให้สัญญาณเหล่านี้มีขนาดใกล้เคียงกับสัญญาณเดิม ในทางตรงข้ามสัญญาณที่มีคาบไม่สัมพันธ์กับคาบของเพลาขับ ได้แก่ สัญญาณเนื่องจากเฟืองตาม หรือสัญญาณเนื่องจากส่วนประกอบอื่นๆ จะมีเฟสเริ่มต้นไม่ตรงกันทุกครั้ง เมื่อเฉลี่ยด้วยจำนวนครั้งที่มากเพียงพอ จะทำให้สัญญาณเหล่านี้มีขนาดลดลงจนหมดไปได้ เหลือแต่เพียงสัญญาณที่สัมพันธ์กับคาบของเพลาขับ ได้แก่สัญญาณจากเฟืองขับเท่านั้น สัญญาณรบกวนต่างๆ ก็ถูกกำจัดออกไปในขั้นตอนนี้ด้วย รูปที่ 1(c) แสดงสัญญาณที่ผ่านการเฉลี่ยบนโดเมนเวลาแบบเข้าจังหวะโดยใช้สัญญาณการหมุนจากเพลาขับ และเพลาตาม ตามลำดับสัญญาณที่เฉลี่ยโดยใช้สัญญาณการหมุนของเพลาขับ ถือได้ว่าเป็นสัญญาณที่เกิดเนื่องจากเฟืองขับ ส่วนสัญญาณที่เฉลี่ยโดยใช้สัญญาณการหมุนของเพลาตาม ถือได้ว่าเป็นสัญญาณที่เกิดเนื่องจากเฟืองตาม หากต้องการแสดงสัญญาณการสั่นสะเทือนในโดเมนความถี่ก็สามารถทำได้ โดยนำสัญญาณที่ผ่านการเฉลี่ยแล้วมาผ่านกระบวนการแปลงแบบฟูเรียร์ (Fourier Transform) เมื่อแปลงแล้วจะได้สัญญาณในโดเมนความถี่ดังแสดงในรูปที่ 1(d)

ตัวอย่างการใช้เทคนิคนี้กับคู่เฟือง

ซึ่งเฟืองขับมีจำนวนฟัน 30 ฟัน เฟืองตามมีจำนวนฟัน 53 ฟัน รูปที่ 2(a) แสดงสัญญาณการสั่นสะเทือนในโดเมนความถี่ของคู่เฟืองนี้ ซึ่งยังไม่ผ่านกระบวนการเฉลี่ยบนโดเมนเวลาแบบเข้าจังหวะ ดังนั้นสัญญาณการสั่นสะเทือนนี้จะเป็นผลรวมของการสั่นสะเทือนจากเฟืองขับ เฟืองตาม และส่วนประกอบอื่นๆ ส่วนรูปที่ 2(b) และ 2(c) แสดงสัญญาณการสั่นสะเทือนในโดเมนความถี่ ซึ่งผ่านกระบวนการเฉลี่ยบนโดเมนเวลาแบบเข้าจังหวะ โดยใช้สัญญาณการหมุนของเฟืองขับและเฟืองตาม ดังนั้นรูปที่ 2(b) และ 2(c) จึงแสดงถึงการสั่นสะเทือนที่มีผลเนื่องมาจากลักษณะเฉพาะของเฟืองขับและเฟืองตาม ตามลำดับ จากรูปจะพบว่า ความถี่การสั่นสะเทือนเนื่องจากการขบกันของเฟือง (fz, 2fz และ 3fz) ซึ่งเป็นผลมาจากทั้งเฟืองขับและเฟืองตาม จะปรากฏหลังการเฉลี่ยโดยใช้สัญญาณการหมุนของทั้งเฟืองขับและเฟืองตาม ส่วนการสั่นสะเทือนในช่วงความถี่ 3 kHz ถึง 5 kHz ซึ่งปรากฏในรูปที่ 2(a) จะปรากฏในรูป 2(b) ซึ่งเป็นผลที่ได้จากการเฉลี่ยบนโดเมนเวลาแบบเข้าจังหวะโดยใช้สัญญาณการหมุนของเพลาขับเท่านั้น ส่วนรูปที่ 2(c) ไม่มีการสั่นสะเทือนในช่วงนี้ปรากฏ แสดงให้เห็นว่าสัญญาณการสั่นสะเทือนที่ช่วงความถี่ 3 kHz ถึง 5 kHz เป็นผลเนื่องมาจากเฟืองขับ

อาจารย์ผู้ดูแลบทความ อ.ดร.ชนัตต์ รัตนสุมาวงศ์ อาจารย์ประจำ ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล

ผู้รับผิดชอบบทความ ศูนย์การสื่อสารนานาชาติแห่งจุฬาฯ