ทฤษฎีไตรโบโลยี (Tribology) – การเสียดทาน หล่อลื่น และการสึกหรอในเครื่องจักรกล

ในการใช้งานเครื่องจักรกลในโรงงานอุตสาหกรรม ซึ่งชิ้นส่วนของเครื่องจักรแต่ละชิ้น จะมีการเคลื่อนที่ตลอดเวลาทั้งในแนวทิศทางเชิงเส้น หรือเชิงมุม (การหมุน) ซึ่งการเคลื่อนที่เหล่านั้นย่อมมีการเสียดสี หรือการถูกันของเนื้อผิวของวัสดุอยู่เสมอ

ซึ่งการเสียดสีเหล่านั้นทำให้เนื้อผิวของวัสดุบางส่วนหายไป และเกิดเป็นความสึกหรอ และระยะที่หายไปของเนื้อวัสดุตรงนั้น และเกิดเป็นอายุการใช้งานเครื่องจักรที่ลดลงครับ

จะดีกว่าไหม? ถ้าหากว่า เราสามารถออกแบบ “การลดการสึกหรอ และเพิ่มอายุการใช้งานของเครื่องจักรให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้”

ซึ่งแน่นอนว่าถ้าอายุการใช้งานเครื่องจักรมากขึ้น การซ่อมแซมและค่าใช้จ่ายในการดูแล รวมถึงต้นทุนการผลิต จะลดลงอย่างมีนัยสำคัญเลยทีเดียวครับ

ดังนั้นวันนี้เราจะขอมาแชร์ทฤษฎีที่พูดถึง การเสียดทาน (Friction), การสึกหรอ (Wear) และการหล่อลื่น (Lubricant) ของพื้นผิวสัมผัสของวัตถุที่มีการเคลื่อนที่สัมพัทธ์กัน นั้นคือ “ทฤษฎีไตรโบโลยี (Tribology)” นะครับ.

ระบบไตรโบโลยี (Tribology) คืออะไร?

“ไตรโบโลยี” (Tribology) คือ สหศาสตร์ทางวิศวกรรม วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีที่ศึกษาเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างการเสียดทาน (Friction) การสึกหรอ (Wear) และการหล่อลื่น (Lubricant) ของพื้นผิวสัมผัสของวัตถุที่มีการเคลื่อนที่สัมพัทธ์กันที่หลากหลาย เช่น การลื่นไถล การเคลื่อนที่กลับไปกลับมา การหมุน เป็นต้น

ซึ่งคำว่า Tribo มาจากภาษากรีก ที่แปลว่า “ขัดถู” ซึ่งเป็นหลักวิชาการหลายแขนงทั้งพื้นฐานทางด้านกลศาสตร์ของไหล การเคลื่อนที่และขัดสีของชิ้นส่วนทางกล เป็นต้น  ปัจจุบันการศึกษาและทดสอบทางด้านไตรโบโลยีมีบทบาทสำคัญอย่างมากในอุตสาหกรรมหลายประเภทเพื่อช่วยในการออกแบบการผลิต 

ดังนั้นการทำนายอายุการใช้งานของชิ้นส่วนยานยนต์หรือชิ้นส่วนเครื่องจักรกลที่ใช้ในอุตสาหกรรมซึ่งค่าใช้จ่ายสำหรับการเปลี่ยนหรือซ่อมอุปกรณ์เหล่านี้มีมูลค่าสูงมากๆในแต่ละปี 

หากสามารถออกแบบก่อนการผลิตได้เหมาะสมถูกต้องกับการใช้งานหรือสามารถทำนายพฤติกรรมการสึกหรอหรืออายุการใช้งานของชิ้นส่วนเหล่านั้นได้ก็จะช่วยลดระดับความรุนแรงของความเสียหายและค่าใช้จ่ายที่อาจจะเกิดขึ้นได้มหาศาลเลยทีเดียวครับ

ความเสียหายด้านไตรโบโลยีในงานอุตสาหกรรม

ปัจจุบันความเสียหายทางด้านไตรโบโลยีเป็นปัญหาสำคัญในอุตสาหกรรมหลายประเภทไม่ว่าจะเป็นอุตสาหกรรมการหล่อและขึ้นรูป อุตสาหกรรมชิ้นส่วนยานยนต์ อุตสาหกรรมขนส่ง หรืออุตสาหกรรมไฟฟ้า

ซึ่งความเสียหายมักเกิดขึ้นในชิ้นส่วน เครื่องมือ เครื่องจักรที่ออกแบบมาเพื่อรองรับการเสียดสีโดยตรง เช่น ตลับลูกปืน ฟันเฟือง ปั๊ม ชุดขับเคลื่อนส่งกำลัง เทอร์ไบน์อากาศยานและโรงไฟฟ้า ฯลฯ 

ซึ่งเมื่อเกิดการเคลื่อนที่ระหว่างวัตถุย่อมเกิดการเสียดทานและสึกหรอเกิดขึ้นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ส่งผลให้เกิดความเสียหายกับชิ้นส่วน เครื่องมือ เครื่องจักรตามมาจนต้องหยุดการผลิตหรือการทำงาน  ก่อให้เกิดความสูญเสียในอุตสาหกรรมจากการสูญเสียรายได้จากการหยุดการผลิตหรือสูญเสียค่าใช้จ่ายในการซ่อมและเปลี่ยนอุปกรณ์ใหม่

ทำให้มูลค่าความเสียที่เกิดจากไตรโบโลยีในอุตสาหกรรมมีมูลค่าสูงมาก  การควบคุมกลไกการเสียดทานและการสึกหรอที่พื้นผิวสัมผัสระหว่างวัตถุเป็นปัจจัยหนึ่งที่จะช่วยลดโอกาสเกิดความเสียหายด้านไตรโบโลยี  ซึ่งส่งผลต่อต้นทุนในการผลิตที่ลดลง ลดจํานวนของเสียที่จะเกิดขึ้นจากการผลิตและยังเพิ่มเสถียรภาพให้กับกระบวนการผลิต

การเสียดทาน (Friction)

การเสียดทานคือการต้านทานของแรงเสียดทานต่อการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างสองพื้นผิวสัมผัส โดยแรงเสียดทานจะเกิดขึ้นระหว่างผิวสัมผัสและมีทิศทางตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ของวัตถุหรือตรงข้ามกับทิศทางของแรงที่พยายามทำให้วัตถุเคลื่อนที่  

• แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นระหว่างผิวของของแข็งกับผิวของของแข็งเรียกว่าแรงเสียดทานแห้ง (Dry friction force)

• แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นระหว่างผิวของของแข็งกับผิวของของเหลวเรียกว่า แรงเสียดทานเปียก (Fluid friction force)

การเสียดทานจึงมีหลายประเภทตามลักษณะของแรงเสียดทานที่เกิดกับวัตถุ  ตัวอย่างการเสียดทานที่เกิดจากแรงเสียดทานแห้งเช่น การเสียดทานแบบลื่นไถล (Sliding Friction) แรงเสียดทานแบบกลิ้ง (Rolling friction) การเสียดทานแบบสถิต (static friction) การเสียดทานแบบจลน์ (dynamic friction)  

แรงเสียดทานมีทั้งประโยชน์และโทษแก่วัตถุขึ้นอยู่กับลักษณะการใช้งาน ถึงแม้ว่าจะมีกลไกการเกิดการเสียดทานที่ต่างกันแต่เราสามารถตรวจวัดขนาดหรือระดับการเสียดทานได้ไม่ยากนักในรูปแบบของค่าสัมประสิทธิ์การเสียดทาน (friction coefficient) ซึ่งวัดจากค่าแรงปฏิกิริยาที่ผิวสัมผัสกระทำกับวัตถุในแนวตั้งฉากและแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นระหว่างผิวสัมผัสของวัตถุ

การสึกหรอ (Wear)

ส่วนการสึกหรอ (wear) คือ “การสูญเสียเนื้อผิวสัมผัสของวัตถุเนื่องจากการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างผิวสัมผัส” ซึ่งรูปแบบของการสึกหรอ สามารถจำแนกประเภทจากสาเหตุของการเกิดตามมาตรฐาน DIN 50320 ได้ 4 รูปแบบ คือ

1. การสึกหรอแบบยึดติด (Adhesion wear) คือ การที่วัสดุสองชิ้น มีการเคลื่อนที่ในแนวถไล (Sliding contact) และเกิดการถูกันจนเกิดความเค้นสัมผัส (Contact stress) ที่สูงเกิดจุด yield stress ของวัสดุ ซึ่งวัสดุที่อ่อนกว่าจะอยู่ในสภาวะ plastic zone และถูกวัสดุที่แข็งกว่าเฉือนเนื้อออกไป และติดกันไป ซึ่งในแวดวงอุตสาหกรรมอาจจะใช้อีกหลายๆชื่อ เช่น scoring, scuffing, galling หรือ seizure

2. การสึกหรอแบบขัดสี (Abrasive wear) คือ การที่ผิวหน้าของวัสดุสองชิ้น ถูกเสียดสีโดยอนุภาคที่มีความแข็งสูงกว่า (Abrasive particle) เคลื่อนที่ผ่านตรงกลางระหว่างวัสดุทั้งสองชิ้น (ดังภาพ) ทำให้จนเนื้อวัสดุทั้งสองชิ้นหายไป ซึ่งการหายไปของเนื้อวัสดุจะค่อยๆหายไปที่ละเล็กละน้อย ซึ่งการสึกหรอแบบขัดสีนี้มักจะพบเจอได้บ่อยมากๆในอุตสาหกรรม ซึ่งสาเหตุหลักมาจากการปนเปื้อน พวกฝุ่น หรืออนุภาคแข็งๆต่างๆ ที่ปนเปื้อนมากับสารหล่อลื่นนะครับ

ปล. ที่กล่าวข้างต้นถือเป็น Three-body abrasive wear นะครับ

3. การสึกหรอแบบการล้า (fatigue wear) เกิดจากการที่วัสดุสองเกิดการสัมผัสกันด้วยจำนวนครั้งมากๆ จนเกิดการสึกหรอ ซึ่งกระบวนการความเสียหายแบบนี้จะเกิด การแตกร้าว (crack) ที่เนื้อผิวของวัสดุครับ เนื่องจากการสะสมของ strain รอบๆ จนทำให้เกิดการแตกร้าวในที่สุด ซึ่งการสึกหรอแบบล้า ยังแบ่งได้ออกเป็น Low cycle และ High cycle fatigue wear อีกด้วยนะครับ

4. การสึกหรอแบบไทรโบเคมีคอลหรือการกัดกร่อน (Tribochemical wear/corrosive wear) คือ “การที่วัสดุทำงานอยู่ภายใต้สารที่มีการกัดกร่อนทั้งในส่วนของเหลว และก๊าซ” ซึ่งโดยหลักการในการเกิดปฏิกิริยาของ Tribochemical คือ การเกิดปฏิกิริยาทางเคมีระหว่างสารกัดกร่อน (Corrosive agent) และ วัสดุที่ถูกกัดกร่อน (Bulk material) ซึ่งบริเวณที่โดนกัดกร่อนจะเปลี่ยนเนื้อวัสดุให้กลายเป็นชั้นฟิลม์หนาประมาณ 50 to 150 nm (protective layer) ปกคลุมวัสดุเอาไว้ (ซึ่งสภาวะนี้ เนื้อวัสดุด้านในก็จะไม่โดนกัดกร่อนแล้ว) แต่ว่าหลังจากนั้นเมื่อการการถูสัมผัส (Sliding friction) จะทำให้ฟิลม์ตรงนั้นโดนเอาออกไป และกลับไปวนลูปแบบนี้เรื่อยๆ ซึ่งเนื้อวัสดุก็จะหายไปเรื่อยๆเช่นกัน

การหล่อลื่น (Lubrication)

การหล่อลื่นคือ “การลดแรงเสียดทานในวัตถุ” โดยสารหล่อลื่นที่อาจอยู่ในรูปแบบก๊าซ เช่น อากาศ รูปแบบของเหลว เช่นน้ำมันหล่อลื่น รูปแบบของแข็ง เช่น กราไฟต์ หรือรูปแบบกึ่งของแข็งของเหลว เช่น จารบี แต่ที่นิยมใช้กันทั่วไปคือสารหล่อลื่นแบบของเหลวและแบบกึ่งของแข็งของเหลว ซึ่งนั้นก็คือ น้ำมันหล่อลื่นนั้นเองครับ

ซึ่งการหล่อลื่นที่เหมาะสมสามารถยืดอายุการใช้งานได้นานๆมาก เช่น การเลือกความหนืด และคุณสมบัติให้เหมาะสมกับลักษณะการใช้งาน เช่น ความเร็วรอบ อุณหภูมิ แรงกดอัด เป็นต้นครับ

สุดท้ายนี้ขอขอบคุณข้อมูลดีๆ จากทาง

“ศูนย์พัฒนาและวิเคราะห์สมบัติของวัสดุ สถาบันวิจัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศไทย”

Total solution for material testing and analysis.

หากสนใจงานบริการวิเคราะห์และทดสอบวัสดุติดต่อที่

คุณนารถพล บัวอำไพ
02-577-9272, 02-577-9265
[email protected]

แล้วพบกับสาระดีๆทางด้าน งานช่าง งานวิศวกรรม และงานอุตสาหกรรม แบบนี้ได้ในเพจนายช่างมาแชร์นะครับ

Website: www.naichangmashare.com
Facebook: https://www.facebook.com/naichangmashare/
Blockdit : https://www.blockdit.com/naichangmashare
Instragram: https://www.instagram.com/naichangmashare/
Twitter: https://twitter.com/naichangmashare
Youtube: https://www.youtube.com/channel/UCmIPiSeg-uy4k8JYSmknp_g

#นายช่างมาแชร์ #Tribology #Machinery #Engineering