ในการออกแบบและบำรุงรักษาเครื่องจักรกล เฟือง (Gears) ถือเป็นชิ้นส่วนที่รับภาระหนักและต่อเนื่อง ปัญหาที่พบบ่อยที่สุดอย่างหนึ่งคือการเกิดความล้า (Fatigue) ซึ่งนำไปสู่การขยายตัวของรอยแตก (Fatigue Crack Growth) หากเราไม่เข้าใจโหมดการขยายตัวของรอยแตก เราจะไม่สามารถพยากรณ์อายุการใช้งานของเครื่องจักรได้อย่างแม่นยำ
กลไกการขยายตัวของรอยแตกตามหลัก Fracture Mechanics
การอธิบายการเติบโตของรอยแตกในเฟืองมักใช้หลักการ Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) โดยพิจารณาจากค่าความเข้มข้นของแรงเค้น หรือ Stress Intensity Factor ($K$) ซึ่งแบ่งออกเป็น 3 โหมดหลัก ดังนี้:
- Mode I (Opening Mode): เป็นโหมดที่พบบ่อยที่สุดในเฟือง รอยแตกจะขยายตัวในทิศทางตั้งฉากกับแรงดึง (Tensile Stress) ที่บริเวณโคนฟันเฟือง
- Mode II (Sliding Mode): เกิดจากแรงเฉือนในทิศทางขนานกับผิวรอยแตก มักพบในกรณีที่เฟืองมีการสัมผัสกันอย่างรุนแรงหรือมีการลื่นไถล
- Mode III (Tearing Mode): เกิดจากแรงเฉือนนอกระนาบ (Out-of-plane shear) ซึ่งพบได้น้อยกว่าในเฟืองทั่วไป แต่อาจเกิดขึ้นในเฟืองเฉียง (Helical Gears)
ปัจจัยที่มีผลต่อ Fatigue Crack Growth ในเฟือง
การคำนวณอัตราการเติบโตของรอยแตกมักใช้ Paris’ Law ซึ่งแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการขยายตัวของรอยแตก ($da/dN$) กับช่วงความเข้มข้นของแรงเค้น ($\Delta K$):
$$\frac{da}{dN} = C(\Delta K)^m$$
ปัจจัยสำคัญที่ต้องพิจารณาประกอบด้วย:
- Load Cycle: จำนวนรอบของการรับภาระที่สม่ำเสมอทำให้รอยแตกขยายตัวทีละน้อย
- Gear Material: คุณสมบัติของวัสดุ เช่น ความเหนียว (Toughness) มีผลต่อการต้านทานรอยแตก
- Residual Stress: แรงเค้นตกค้างจากการชุบแข็งผิวเฟือง ซึ่งอาจช่วยชะลอหรือเร่งการขยายตัวของรอยแตกได้
สรุป
การเข้าใจ Fatigue Crack Growth Mode ช่วยให้วิศวกรสามารถวิเคราะห์ความเสียหาย (Failure Analysis) และวางแผนการซ่อมบำรุงเชิงป้องกันได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อป้องกันการหักของฟันเฟืองแบบฉับพลัน (Sudden Failure) ซึ่งอาจส่งผลเสียต่อระบบการผลิตทั้งหมด
1.jpg)
