เนื้อหาวันที่ : 2009-09-25 17:49:31 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 28921 views

การออกแบบสายพานแบน (ตอนที่ 1)

อุปกรณ์สำคัญในการส่งถ่ายกำลังเพื่อให้เกิดงานนั้น มีหลากหลายรูปแบบ สายพานแบน เป็นอุปกรณ์อีกชนิดที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลาย ทำความรู้จักกับสายพานแบน อุปกรณ์ส่งผ่านกำลัง เส้นสายแห่งพลังงาน สายพานเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการส่งถ่ายกำลังจาก Pulley ของเพลาขับ ไปยัง Pulley ของเพลาตาม (เป็นอุปกรณ์หรือเครื่องจักรที่เราต้องการให้เกิดการทำงาน เช่น ปั๊มน้ำ หรือ Blower เป็นต้น) โดยกำลังที่ส่งถ่ายจะขึ้นอยู่กับตัวแปรต่างๆ

อ.บัญญัติ  นิยมวาส
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลศรีวิชัย
E-mail:
banyat@engineer.com

.

.

อุปกรณ์สำคัญในการส่งถ่ายกำลังเพื่อให้เกิดงานนั้น มีหลากหลายรูปแบบ สายพานแบน เป็นอุปกรณ์อีกชนิดที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลาย ทำความรู้จักกับสายพานแบน อุปกรณ์ส่งผ่านกำลัง เส้นสายแห่งพลังงาน

.

สายพานเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการส่งถ่ายกำลังจาก Pulley ของเพลาขับ ไปยัง Pulley ของเพลาตาม (เป็นอุปกรณ์หรือเครื่องจักรที่เราต้องการให้เกิดการทำงาน เช่น ปั๊มน้ำ หรือ Blower เป็นต้น) โดยกำลังที่ส่งถ่ายจะขึ้นอยู่กับตัวแปรต่างๆ ดังต่อไปนี้

- ความเร็วของสายพาน
- ความตึงของสายพานที่พาดผ่านชุด Pulley
- มุมที่สายพานสัมผัสกับ Pulley (Arc of Contact) โดยเฉพาะ Pulley ตัวที่เล็กกว่า
- สภาพแวดล้อมที่สายพานนั้นถูกใช้งาน เช่น มีความชื้นอยู่ตลอดเวลา หรือมีไอแอมโมเนีย ซึ่งจะส่งผลให้อายุของสายพานสั้นลง

.

ข้อแนะนำในการใช้งานสายพานแบนให้เกิดประโยชน์สูงสุด
- ควรให้ชุดเพลาขับและเพลาตามวางตัวอยู่ในแนวเดียวกัน
- ระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางของ Pulley ชุดขับและชุดตามไม่ควรห่างกันเกิน 10 เมตร และไม่ควรห่างกันใกล้กว่า 3.5 เท่าของขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ Pulley ตัวใหญ่กว่า
- ควรจัดให้ด้านที่ตึงของสายพานอยู่ด้านล่าง เพื่อให้ด้านที่หย่อนอยู่ด้านบน อันจะทำให้ช่วยเพิ่มค่ามุมที่สายพานสัมผัสกับ Pulley ให้มากขึ้นได้
การแบ่งชนิดของสายพานแบน

.
สายพานแบนสามารถจะแบ่งชนิดออกได้เป็น 3 ชนิดคือ

1. Light Drives เป็นสายพานที่ใช้กับงานเบาๆ โดยที่ความเร็วของสายพานขณะใช้งาน ไม่เกิน 10 m/s
2. Medium Drives เป็นสายพานที่ใช้กับงานหนักปานกลาง โดยที่ความเร็วของสายพานขณะใช้งาน อยู่ระหว่าง 10-22 m/s
3. Heavy Drives เป็นสายพานที่ใช้กับงานหนัก โดยที่ความเร็วของสายพานขณะใช้งาน สูงกว่า 22 m/s

.
ความเค้นขณะใช้งานของสายพานแบน

ขณะที่สายพานแบนกำลังทำงาน ความเค้นของสายพานด้านที่ตึงควรมีค่าไม่เกิน 1.75 MPa เพื่อที่จะทำให้อายุการใช้งานของสายพานนานขึ้น

.
ค่าสัมประสิทธิ์ความเสียดทานระหว่างสายพานกับ Pulley

ค่าสัมประสิทธิ์ความเสียดทานระหว่างสายพานกับ Pulley เป็นตัวแปรที่สำคัญในการส่งถ่ายกำลัง เนื่องจากการส่งถ่ายกำลังจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อหน้าสัมผัสของสายพานแบนวางอยู่บน Pulley อย่างแนบสนิท และหากค่าสัมประสิทธิ์ความเสียดทานระหว่างสายพานกับ Pulley มีค่าสูงการส่งถ่ายกำลังก็จะดี

.
ค่าสัมประสิทธิ์ความเสียดทานระหว่างสายพานกับ Pulley จะขึ้นอยู่กับตัวแปรต่างๆ ดังนี้
  - วัสดุที่ใช้ทำสายพาน
  - วัสดุที่ใช้ทำ Pulley
  - การไถล (Slip) ของสายพานแบนบน Pulley
  - ความเร็วของสายพานแบน
.
ตารางที่ 1 ต่อไปนี้ แสดงค่าสัมประสิทธิ์ความเสียดทานของสายพาน และ Pulley เมื่อเปลี่ยนแปลงชนิดของวัสดุที่ใช้ทำสายพานแบน และ Pulley
ตารางที่ 1 ค่าสัมประสิทธิ์ความเสียดทานระหว่างสายพานกับ Pulley  

.

ในกรณีของ สายพานแบนที่ทำจาก Leather Oak Tanned และใช้ Pulley ที่ทำจาก Cast Iron สามารถจะเขียนสมการเพื่อหาค่าสัมประสิทธิ์ความเสียดทานระหว่างสายพานกับ Pulley ได้ดังต่อไปนี้

                              [1]
เมื่อ  V = ความเร็วของสายพานแบน หน่วย m/s
.
ความหนาและความกว้างมาตรฐานของสายพานแบน
  ความหนามาตรฐานของสายพานแบนก็คือ 5, 6.5, 8, 10 และ 12 mm โดยจะมีความกว้างมาตรฐานที่แต่ละความหนาเป็นไปดังต่อไปนี้
  ที่ความหนา 5 mm จะมีความกว้างระหว่าง 35–63 mm
  ที่ความหนา 6.5 mm จะมีความกว้างระหว่าง 50–140 mm
  ที่ความหนา 8 mm จะมีความกว้างระหว่าง 90–224 mm
  ที่ความหนา 10  mm จะมีความกว้างระหว่าง 125–400 mm
  ที่ความหนา 12 mm จะมีความกว้างระหว่าง 250–600 mm
.
รูปแบบของการใช้งานสายพานแบน
การส่งถ่ายกำลังจาก Pulley ตัวขับไปยัง Pulley ตัวตามด้วยสายพานแบนมีรูปแบบดังต่อไปนี้
1. Open Belt Drive: เป็นการใช้งานสายพานแบนในลักษณะที่ Pulley ตัวขับและตัวตามหมุนไปในทิศทางเดียวกัน ลักษณะการใช้งานเป็นดังรูปที่ 1 ต่อไปนี้
.

รูปที่ 1 การใช้งานสายพานแบน แบบ Open Belt Drive

.
2. Crossed or Twist Belt Drive: เป็นการใช้งานสายพานแบนในลักษณะที่ Pulley ตัวขับและตัวตามหมุนไปในทิศทางตรงข้ามกัน ลักษณะการใช้งานเป็นดังรูปที่ 2 ต่อไปนี้
.

รูปที่ 2 การใช้งานสายพานแบน แบบ Crossed or Twist Belt Drive

.

3. Quarter Turn Belt Drive: หรือในบางครั้งอาจจะเรียกว่า Right Angle Belt Drive เป็นการติดตั้งสายพานแบนในลักษณะที่ต้องการให้ Pulley ทั้งสองหมุนในทิศทางที่ทำมุมกัน 90O ดังแสดงในรูปที่ 3 และเพื่อเป็นการป้องกันไม่ให้สายพานลื่นไถลออกจาก Pulley ควรกำหนดให้ความกว้างของ Pulley กว้างมากกว่าหรือเท่ากับ 1.4 เท่าของความกว้างของสายพานแบน

.

รูปที่ 3 การใช้งานสายพานแบน แบบ Quarter Turn Belt Drive

.

4. Belt Drive With Idler Pulley: ปกติแล้วการติดตั้งสายพานแบนจะกำหนดให้ด้านที่ตึงของสายพานแบนอยู่ด้านล่าง และให้ด้านหย่อนอยู่ด้านบน เพื่อทำให้มุมโอบของสายพานแบนรอบ Pulley ตัวเล็กมีค่ามากกว่า 120O แต่หากการติดตั้งของสายพานแบนในลักษณะที่ให้สายพานด้านหย่อนอยู่ด้านล่างแล้ว จะทำให้มุมโอบของสายพานรอบ Pulley ตัวเล็กจะมีไม่มากพอ หรือน้อยกว่า 120O ทำให้การส่งกำลังทำได้ไม่ดีพอ จึงมีการติดตั้งชุด Idler Pulley เพื่อปรับความตึงของสายพานแบนให้เหมาะสม แสดงลักษณะการใช้งานได้ดังรูปที่ 4 ต่อไปนี้

.

รูปที่ 4 การใช้งานสายพานแบน แบบ Belt Drive With Idler Pulley

.
5. Compound Belt Drive: เป็นลักษณะการใช้งานสายพานแบนที่ต่อกับต้นกำลังขับเพียงชุดเดียว และไปขับ Pulley ตัวตามหลายๆ ชุด มีลักษณะการใช้งานดังรูปที่ 5 ต่อไปนี้
.

รูปที่ 5 การใช้งานสายพานแบน แบบ Compound Belt Drive

.

6. Stepped or Cone Pulley Drive: เป็นลักษณะการติดตั้งสายพานแบนที่ต้องการใช้งานเพื่อเพิ่มหรือลดความเร็วรอบ ของ Pulley ตัวตามในขณะที่ Pulley ตัวขับยังคงทำงานอยู่ แสดงลักษณะการใช้งานได้ดังรูปที่ 6 ต่อไปนี้

.

รูปที่ 6 การใช้งานสายพานแบน แบบ Stepped or Cone Pulley Drive

.
อัตราส่วนของความเร็วของสายพาน
หากเรากำหนดให้
  D1 = ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ Pulley ตัวขับ หน่วย m
  D2 = ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ Pulley ตัวตาม หน่วย m
  N1 = ความเร็วรอบของ Pulley ตัวขับ หน่วย RPM
  N2 = ความเร็วรอบของ Pulley ตัวตาม หน่วย RPM 
 .
เราสามารถคำนวณหาความยาวของสายพานที่วิ่งผ่าน Pulley ตัวขับในหนึ่งหน่วยเวลาได้จากสมการต่อไปนี้
 .
และในทำนองเดียวกันเราสามารถคำนวณหาความยาวของสายพานที่วิ่งผ่าน Pulley ตัวตามในหนึ่งหน่วยเวลาได้จากสมการต่อไปนี้
 .
ซึ่งความยาวของสายพานที่วิ่งผ่าน Pulley ตัวขับและตัวตามจะต้องยาวเท่ากัน ดังนั้น
 .
หรือจัดรูปใหม่ได้ดังนี้
                   [2]
 .
การเกิดการลื่นไถลของสายพาน

ขณะที่สายพานแบนเคลื่อนที่ไปบน Pulley ปกติแล้วจะเกิดการลื่นไถลขึ้น โดยจะมีมากหรือน้อยก็ขึ้นอยู่กับหลายๆ ปัจจัย เช่น ความตึงหย่อนของสายพาน หรือลักษณะการใช้งานที่ปล่อยให้หน้าสัมผัสระหว่างสายพานกับ Pulley มีคราบน้ำมัน หรืออาจจะเกิดจากความเสื่อมสภาพไปเองของสายพาน

 .

ผลที่ตามมาหากเกิดการลื่นไถลของสายพานแบนบน Pulley หรือที่เราเรียกว่าเกิดการ Slip นั้นก็คือจะทำให้ความเร็วรอบของ Pulley ตัวตามเปลี่ยนแปลงไปจากที่ควรจะเป็น โดยสามารถคำนวณได้ดังนี้

 .
กำหนดให้ S1 = ร้อยละการลื่นไถลระหว่างผิวสัมผัสของสายพานแบนกับ Pulley ตัวขับ
              S2 = ร้อยละการลื่นไถลระหว่างผิวสัมผัสของสายพานแบนกับ Pulley ตัวตาม
 .
เราจะเริ่มจากการพิจารณาความเร็วของสายพานแบนที่เคลื่อนที่ผ่าน Pulley ตัวขับไปในหนึ่งหน่วยเวลา ดังสมการต่อไปนี้
               [3]
 .
และเราสามารถหาความเร็วที่สายพานแบนเคลื่อนที่ผ่าน Pulley ตัวตามได้ดังสมการต่อไปนี้
               [4]
 .
แทนค่า V จากสมการที่ 3 ในสมการที่ 4
 .
จัดรูปสมการใหม่
.
แต่เราสามารถตัดพจน์สุดท้ายของวงเล็บด้านขวาได้ เนื่องจากมีค่าที่น้อยมาก เมื่อเทียบกับพจน์อื่นๆ ทำให้สามารถจัดรูปสมการใหม่ได้ดังนี้
                     [5]
 
หรือเขียนใหม่ได้ดังนี้
                     [6]
เมื่อ  S = ผลรวมของร้อยละการลื่นไถลของ Pulley ทั้งสองตัว
 

ตัวอย่าง Pulley ที่ต่ออยู่กับเครื่องยนต์ที่หมุนด้วยความเร็วรอบ 250 RPM มีขนาดเท่ากับ 750 mm และต่อกับสายพานแบนเพื่อไปขับ Pulley ที่มีขนาดเท่ากับ 450 mm โดย Pulley ตัวนี้อยู่บนแกนเพลาเดียวกับ Pulley ที่มีขนาด 900 mm ซึ่งไปขับ Pulley ขนาด 150 mm ด้วยสายพานแบน อยากทราบว่า Pulley ตัวสุดท้ายหมุนด้วยความเร็วรอบเท่าใด หากพบว่า Pulley ตัวที่ 1 และ 3 มี Slip = 2 %

 

 
วิธีทำ

เราทราบความสัมพันธ์ของความเร็วรอบกับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ Pulley 1 คู่ที่ต่อร่วมสายพานเดียวกับ กรณีที่มี Slip ว่าสามารถเขียนเป็นสมการได้ดังนี้

 
พิจารณาสายพานคู่ล่าง
                  {1}
 
เมื่อ
    D1 = ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ Pulley ตัวขับ= 0.75 m
    D2 = ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ Pulley ตัวตาม = 0.45 m
    N1 = ความเร็วรอบของ Pulley ตัวขับ = 250 RPM
    N2 = ความเร็วรอบของ Pulley ตัวตาม หน่วย RPM
    S1 = ร้อยละการลื่นไถลระหว่างผิวสัมผัสของสายพานแบนกับ Pulley ตัวขับตัวที่ 1
 
พิจารณาสายพานคู่บน
                    {2}
 
เมื่อ   D3 = ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ Pulley ตัวขับ= 0.90 m
        D4 = ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ Pulley ตัวตาม = 0.15 m
        N3 = ความเร็วรอบของ Pulley ตัวขับ = N2 (เพราะอยู่บนเพลาเดียวกัน)
        N4 = ความเร็วรอบของ Pulley ตัวตาม หน่วย RPM 
        S3 = ร้อยละการลื่นไถลระหว่างผิวสัมผัสของสายพานแบนกับ Pulley ตัวขับ ตัวที่ 3
 
จัดรูปสมการที่ 1 ให้อยู่ในรูปของตัวแปร N2
                      {3}
 
จัดรูปสมการที่ 2 ให้อยู่ในรูปของตัวแปร N3
                       {4}
.
แก้สมการโดยให้สมการที่ 3 และ 4 มีค่าเท่ากัน
  N2 = N3
 
.
แทนค่า
N4 = 250 x (0.75/0.45) x (0.90/0.15) x (1 - 0.02) x (1 – 0.02)
                     = 250 x 1.67 x 6 x 0.98 x 0.98
                     = 2,405.8 RPM    
.
เอกสารอ้างอิง
* A TEXTBOOK OF MACHINE DESIGN.R.S Khurmi & J.K Gupta. S.CHAND Publisher. 13th Edition.2005.

สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.

ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด