การประเมินการสั่นสะเทือนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า : Evaluation of Generator Vibration
การสั่นสะเทือนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเกิดจากการทำงานขับเคลื่อนด้วยการหมุน หรือ Rotating Machine จัดเป็นประเภทการสั่นสะเทือนแบบบิด หรือ Torsional Vibration แบบ Harmonic เป็นสำคัญ ทำให้เกิดแรงที่พยายามทำให้วัตถุเคลื่อนที่ออกจากสภาวะสมดุล และเป็นการเคลื่อนที่ซ้ำๆ ในระยะเคลื่อนตัวสั้นๆ การสั่นสะเทือนเป็นศาสตร์ทางวิศวกรรมเครื่องกลที่ใช้ประกอบการวิเคราะห์การทำงานของเครื่องจักรกล การออกแบบ-ผลิต-สร้างเครื่องจักรกลขึ้นมาได้นั้นจะต้องพิจารณาตัวแปรของการสั่นสะเทือนมาวิเคราะห์ร่วมด้วย ถึงแม้ว่าจะไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้ แต่สามารถควบคุมให้ค่าการสั่นสะเทือนอยู่ในเกณฑ์ที่ปลอดภัย ไม่ส่งผลกระทบที่รุนแรงต่อตัวเครื่องจักร และโครงสร้างรอบด้าน หลักการพื้นฐานของการสั่นสะเทือนสำหรับเครื่องจักรกลขับเคลื่อนด้วยการหมุน แน่นอนว่าต้องทำการออกแบบให้มีความสมดุลมากที่สุดทั้งด้านต้นกำลังขับ ระบบส่งกำลัง และด้านโหลดตัวตาม สำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีต้นกำลังขับเป็นเครื่องยนต์สันดาปภายในด้วยแล้วต้นกำเนิดของการสั่นสะเทือนอาจดูซับซ้อนกว่าด้านที่เป็นตัว Alternator เนื่องจากเครื่องยนต์ขับนั้นมีการจุดระเบิดของเชื้อเพลิงที่เป็นจังหวะที่ต้องนำลักษณะเฉพาะของเครื่องยนต์มาพิจารณาประกอบ เช่นแนวการเคลื่อนที่ของลูกสูบและจำนวนสูบ รวมถึงพิกัดกำลังและความเร็วรอบการหมุน ในการพิจารณาการสั่นสะเทือนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะเป็นการวิเคราะห์ในรูปตัวแปรความถี่ (f, Hz) ระยะกระจัด (s, mm) ความเร็ว (v, mm/s) และความเร่ง (a, mm^2/s) เป็นสำคัญ เนื่องจากเป็นตัวแปรที่สามารถนำมาสรุปและชี้บ่งปัญหาหรือประกอบการวิเคราะห์ปัญหา ตัวแปรเหล่านี้อยู่ในทฤษฏีของรูปคลื่น (Wave) เนื่องจากการวิเคราะห์การสั่นสะเทือนนั้นจะเป็นการวิเคราะห์ในรูปแบบของคลื่นการสั่นสะเทือนนั่นเอง เพื่อให้เข้าใจง่ายขึ้น ให้ลองพิจารณาเปรียบเทียบการเคลื่อนที่ของสปริงกลับไปกลับมาซ้ำๆ ดังรุป จะเห็นได้ว่าจุดสมดุลของวัตถุ M จะอยู่ที่ตำแหน่ง 0 และเคลื่อนที่ขึ้น A และลง -A ซ้ำๆ และเมื่อพิจารณาความสัมพันธ์ของการเคลื่นที่กับเวลาจะสามารถเขียนกราฟออกมาได้ในรูปของคลื่นการสั่นสะเทือนดังรูป
ที่มา : power-mi.com
เมื่อเราเข้าใจหลักการหรือทฤษฏีของรูปคลื่นแล้ว เราจะสามารถทำความเข้าใจในการวิเคราะห์การสั่นสะเทือนของเครื่องจักรกลได้ดีขึ้น และสามารถนำไปวิเคราะห์ปัญหาได้ดียิ่งขึ้น
หลักการออกแบบเครื่องจักรกลในทางปฏิบัติแล้วเราไม่สามารถหลีกเลี่ยงหรือขจัดปัญหาของการสั่นสะเทือนได้ 100% ดังในทางอุดดมคติ แต่เราสามารถควบคุม โดยการลด และหลีกเลี่ยงปัจจัยที่ส่งผลกระทบต่อการเกิดการสั่นสะเทือนให้เหลือน้อยที่สุดและไม่ก่อให้เกิดความเสียหายรุนแรงต่อตัวเครื่องจักร และโครงสร้างรอบด้าน ดังเช่นการออกแบบติดตั้งเครื่องจักรอย่างถูกวิธี และการใช้อุปกรณ์ดูดซับแรงสั่นสะเทือนเข้าช่วย การตรวจสอบซ่อมบำรุงอย่างถูกวิธี รวมถึงการออกแบบสภาพแวดล้อมให้รองรับการสั่นสะเทือนที่อยู่ในเกณฑ์แนะนำ
การกำหนดค่ามาตรฐานของการสั่นสะเทือนมีหลายมาตรฐานที่ได้เขียนไว้ ดังเช่น ISO 8528-9 หรือ BS 5000-3 หรือ ISO10816-6 แต่ละมาตรฐานได้มีการกำหนดค่าแนะนำไว้ และจากการศึกษาพบว่าแต่ละมาตรฐานมีหลักการวิเคราะห์ที่คล้ายกัน และมีค่าย่านแนะนำที่ใกล้เคียงกันและนำมาประกอบเป็นเกณฑ์การวิเคราะห์ได้เป็นอย่างดี ในที่นี้จะกล่าวถึงมาตรฐาน ISO8528-9 : Measurement and evaluation of mechanical vibrations เป็นส่วนหนึ่งของมาตรฐานสากลเกี่ยวกับการทดสอบเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้ขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ในมาตรฐานได้มีการจำแนกลักษณะเครื่องจักรออกตามขนาดและประเภทการติดตั้งรวมถึงความเร็วรอบใช้งาน และจำต้องมีการพิจารณาการสั่นสะเทือนทั้ง 3 แกนดังภาพ
จากภาพเห็นได้ว่ามีการแนะนำจุดวัดในบริเวณรอบตัวเครื่องกำเนิดไฟฟ้าออกเป็น 8 จุดวัด แต่ละจุดอาจต้องทำการวัดทั้ง 3 แกน และนำมาวิเคราะห์เปรียบเทียบกับตาราง ทั้งระยะและความเร็วของการสั่นสะเทือนจะต้องมีค่าอยู่ในย่านแนะนำ
กรณีพบมีค่าการสั่นสะเทือนสูงเกินค่าแนะนำจำเป็นต้องมีการวิเคราะห์หาสาเหตุกันต่อไป ดังเช่นตัวเครื่องยนต์อาจมีผลมาจากการเผาไหม้ที่ไม่สมดุลกันทุกสูบ มีการเยื่้องศูนย์ของการติดตั้ง ตัวซับแรงสั่นสะเทือนชำรุดทำให้เสียสมดุลย์ กรณีในส่วนของตัว Alternator อาจมีผลมาจากสภาพลูกปืน การเสียสมดุลย์ของตัวโรเตอร์ หรือแม้กระทั่งการใช้โหลดไม่สมดุลเฟส หรือความเข้มของสนามแม่เหล็กที่ไม่สมดุลย์ได้
ในการวิเคราะห์การสั่นสะเทือน จำเป็นต้องจำแนกประเภทของการสั่นสะเทือนให้ได้ว่าเป็นแบบใด เช่น
- สั่นแบบระยะสั่นๆ หรือ Periodic : สั่นแบบซ้ำๆ ที่สามารถกำหนดจังหวะเวลาเดียวกันได้ในแต่ละวัฏจักรและสามารถระบุเป็นความถี่ได้
- สั่นแบบสุ่ม หรือ Random : สั่นแบบกำหนดจังหวะเวลาไม่ได้ ไม่สอดคล้องกับความถี่ เช่นการกระแทก
- สั่นสะท้อน หรือสั่นพ้อง หรือ Resonant : เป็นความถี่ธรรมชาติที่เกิดจากลักษณะของตัวเครื่องจักร
- สั่นแบบกลมกลืน หรือ Harmonic : การเคลื่อนที่กลับไปกลับมาผ่านจุดสมดุลย์ สำหรับเครื่องยนต์สามารถจะแนกเป็นลำดับได้ตั้งแต่ 1st, 2nd….12th
ในเอกสารของ Stamford, AGM 008 ISSUE C/1/9 กล่าวไว้เกี่ยวกับ ISO8528-9 ที่อธิบายการวิเคราะห์การสั่นสะเทือนไว้ได้เป็นอย่างดี และได้กำหนดขอบเขตพิกัดของค่าการสั่นสะเทือนที่แนะนำอยู่ในรูปของ U-Shape ดังรูป
ตัวอย่างการวิเคราะห์การสั่นสะเทือนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ทำงานแบบต่อเนื่อง กราฟที่เป็นล็อกสเกลและมีหลายค่าหลายแกนอยู่ในกราฟเดียวนั้นอาจทำให้ดูซับซ้อน แต่ถ้าเราเข้าใจหลักการวิเคราะห์และกำหนดย่านตัวแปรที่เกี่ยวข้องได้ จะทำให้ทำความเข้าใจได้ง่ายขึ้น เริ่มจาก
- เส้นแกน x แนวนอน คือ ความถี่การสั่นสะเทือน
- เส้นแกน y แนวตั้ง คือ ความเร็วการสั่นสะเทือน
- เส้นแนวทะแยงขึ้นหรือชันขึ้น คือ ค่าระยะกระจัด
- เส้นแนวทะแยงลงหรือชันลง คือ ความเร่ง
หลักวิเคราะห์ คือ เมื่อเราวัดตัวแปรการสั่นสะเทือนมาได้แล้ว นำมากำหนดจุดตัดบนกราฟและตีกรอบ จะพบว่ามีจุดตัด 2 จุด มีขอบเขตเป็นลักษณะตัว U คว่ำ ดังรูป หมายความว่า ภายในเส้นกรอบตัว U นี้เอง จะเป็นค่าที่มาตรฐานแนะนำและเชื่อมั่นได้ว่าเป็นค่าที่ปลอดภัย
อ้างอิง
- ISO 8528-9
- BS 5000-3
- ISO10816-6
- Cummins Generator Technology, AGN 008 ISSUE C/2/9
- Stamford I AVK, AGN 008 ISSUE C/1/9
