ลักษณะและแอปพลิเคชันของระบบขับเคลื่อนด้วยสายพานแบบหลายร่อง

สายพานแบบหลายร่องวี สายพานแบบหลายร่องวีคือสายพานที่มีรูปร่างเป็นวงกลม ซึ่งมีร่องสามเหลี่ยมยาวตามแนวแกนจำนวนหนึ่ง ติดอยู่กับฐานสายพานแบบแบน (ดูรูปที่ 1) โดยมีผิวด้านข้างของร่องเป็นผิวทำงาน จึงถือเป็นสายพานส่งกำลังรูปแบบใหม่ สายพานชนิดนี้ได้รับเอาข้อดีของทั้งสายพานแบบแบนและสายพานแบบวีมาใช้ร่วมกัน พร้อมทั้งลดข้อเสียของทั้งสองประเภท จึงได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

I. ลักษณะของระบบขับเคลื่อนด้วยสายพานแบบหลายร่องวี

1. เมื่อเปรียบเทียบกับระบบขับเคลื่อนด้วยสายพานแบบวีแบบดั้งเดิม ระบบขับเคลื่อนด้วยสายพานแบบหลายร่องวีมีข้อได้เปรียบดังต่อไปนี้:

(1) ใช้สายพานแบบหลายร่อง (Multi-v-belts) เพื่อกระจายแรงกดอย่างสม่ำเสมอไปยังพื้นผิวทั้งหมดที่สัมผัสกัน โดยอาศัยคุณสมบัติของยางที่ไม่สามารถถูกบีบอัดได้ในเชิงของไหล (ดูรูปที่ 2) ระดับประสิทธิภาพในการสัมผัสบนพื้นผิวแนวเอียงของสายพานและร่องล้อเลื่อนใกล้เคียงกับ 100% ดังนั้น สายพานแบบหลายร่องที่มีความกว้างเท่ากับสายพานแบบร่องเดียว (V-belts) จึงสามารถรับน้ำหนักได้มากกว่าสายพานแบบร่องเดียวมาตรฐาน 30–50 เปอร์เซ็นต์

 

 

(2) เนื่องจากสายพานแบบหลายร่องมีความบาง จึงสามารถใช้ล้อเลื่อนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางที่มีประสิทธิภาพต่ำสุด (demin) ได้เพียงหนึ่งในสามหรือหนึ่งในห้าของขนาดล้อเลื่อนแบบร่องเดียวทั่วไป โครงสร้างจึงมีขนาดกะทัดรัดน้อยลง และต้นทุนลดลง (ค่า demin ระบุไว้ในตารางที่ 2)

(3) ระบบขับเคลื่อนด้วยสายพานแบบหลายร่องสามารถหลีกเลี่ยงข้อจำกัดของระบบขับเคลื่อนด้วยสายพานแบบร่องเดียวหลายเส้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งรวมถึงการสั่นสะเทือน การรับโหลดไม่สม่ำเสมอ และอัตราส่วนการส่งกำลังที่ไม่คงที่อันเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงความยาวของสายพาน

(4) สายพานแบบมัลติ-วี มีการยืดตัวน้อยและไม่เกิดการไหล (creep) เมื่อถูกโหลดเกิน จึงมีการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างร่องฟันของสายพานกับร่องของพูลเลย์น้อยมาก ส่งผลให้เกิดความร้อนจากแรงเสียดทานน้อยลง และยืดอายุการใช้งานของผิวทำงานทั้งของสายพานและพูลเลย์

(5) สายพานแบบมัลติ-วี มีความยืดหยุ่นสูงและน้ำหนักเบา จึงไม่สูญเสียพลังงานไปกับการดัดโค้งหรือแรงเหวี่ยงขณะส่งกำลัง ทำให้มีประสิทธิภาพในการส่งกำลังสูง

2. สายพานชนิดนี้มีความยืดหยุ่นเท่ากับสายพานแบบแบน ซึ่งหมายความว่าสามารถติดตั้งพูลเลย์ปรับตึงได้ทั้งด้านในและด้านนอกของสายพานมัลติ-วี อย่างไรก็ตาม ต่างจากสายพานแบบแบน สายพานมัลติ-วีจะไม่หลุดออกจากพูลเลย์ขณะทำงาน สายพานชนิดนี้ควรใช้กับระบบส่งกำลังความเร็วสูง และสามารถหมุนได้สูงสุดถึง 10,000 รอบ/นาที โดยมีอัตราส่วนการส่งกำลังสูงสุด 1:10

3. รูปแบบพุลเลย์แบบหลายร่องวี (Multi-v-belt pulleys) ยังสามารถผลิตและขึ้นรูปได้ง่ายกว่าด้วย เพราะไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องมือหรืออุปกรณ์พิเศษใดๆ ซึ่งต่างจากระบบสายพานแบบซิงโครนัส (synchronous belt drives) โดยข้อกำหนดในการติดตั้งก็ต่ำกว่าสำหรับสายพานแบบซิงโครนัส ทำให้โรงงานจำนวนมากสามารถนำมาใช้งานได้อย่างสะดวก ทั้งนี้ การเปลี่ยนสายพานแบบซิงโครนัสไปใช้สายพานแบบหลายร่องวี (multi-v-belt) อาจมีความคุ้มค่าสูงมากในกรณีที่อัตราส่วนการส่งกำลังเชิงกล (mechanical transmission ratios) ยอมให้มีความคลาดเคลื่อนเล็กน้อย

 

II. บทนำเกี่ยวกับสายพานแบบหลายร่องวี (Multi-V Belts) และระบบพุลเลย์

1. รุ่นสายพานแบบหลายร่องวี (Multi-V Belt Models) และขนาดหน้าตัด

สายพานแบบหลายร่อง (Multi-V belts) จัดประเภทตามวัสดุที่ใช้ผลิตเป็นสายพานยางและสายพานโพลีอูรีเทน สายพานยางแบบมีร่อง V (Rubber V-ribbed belts) มีความสามารถในการทนความร้อนและรับน้ำหนักได้ดีกว่าสายพานโพลีอูรีเทน และยังนิยมใช้งานกันอย่างแพร่หลายกว่า สายพานยางแบบมีร่อง V จัดอยู่ในกลุ่ม PH ตามมาตรฐาน ISO/DP9982-1988 ซึ่งแสดงไว้ในตารางที่ 1 สายพาน PH ใช้ส่วนใหญ่ในเครื่องจักรสำนักงานและระบบวัดควบคุม (instrumentation transmission) โดยมีวัตถุประสงค์หลักเพื่อส่งผ่านการเคลื่อนไหว ส่วนสายพาน PK ถูกออกแบบมาเพื่อการใช้งานเฉพาะในยานยนต์ เช่น ขับเคลื่อนพัดลม ไดชาร์จเจอร์ (alternator) และปั๊มน้ำ (water pump) ขณะที่สายพาน PJ, PL และ PM นั้นใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบส่งกำลังของเครื่องจักรอุตสาหกรรมทั่วไป สำหรับการระบุรหัสสายพานแบบหลายร่องในบางประเทศ เช่น สหรัฐอเมริกาและสหราชอาณาจักร จะใช้ตัวอักษร H, J, K, L, M โดยขนาดพื้นฐานของสายพานนั้นมีความใกล้เคียงกับที่ระบุในตารางที่ 1 มากที่สุด โดยในบรรดาเหล่านี้ สายพานชนิด J และ L เป็นที่นิยมใช้มากที่สุด แม้ว่าจะมีความแตกต่างเล็กน้อยในมิติของหน้าตัดระหว่างประเทศต่าง ๆ แต่ก็ไม่ส่งผลกระทบต่อความสามารถในการใช้แทนกันได้ทั่วโลก (universal exchangeability) สำหรับสายพานแบบหลายร่องชนิด M มุมของร่อง (wedge angle) จะเท่ากันทุกประเทศ คือ 40 องศา แต่ระยะห่างระหว่างร่อง (distance between the wedges) นั้นต่างกัน ดังนั้น สายพานแบบหลายร่องชนิด M จากประเทศต่าง ๆ จึงไม่สามารถใช้งานร่วมกันได้เสมอไป

 

เครื่องหมายมาตรฐาน ISO ของสายพานประกอบด้วยเลขจำนวนร่อง (wedge number) ชนิดของหน้าตัดขวางของสายพาน และความยาวที่มีประสิทธิภาพ (effective length) ตัวอย่างเช่น สายพานชนิด PM ที่มี 10 ร่อง และมีความยาวที่มีประสิทธิภาพ 3550 มม. จะถูกติดฉลากว่า 10PM3550 แต่ในสหราชอาณาจักรและสหรัฐอเมริกาจะระบุเป็น 550M10

                    

ใช้อุปกรณ์เฉพาะทางในการวัดความยาวที่มีประสิทธิภาพ (L) ของสายพาน แบบจำลองสายพานแต่ละแบบมีค่าความยาวที่มีประสิทธิภาพเฉพาะตัวซึ่งสัมพันธ์กับเส้นผ่านศูนย์กลางของรอกที่มีประสิทธิภาพ (d) ที่วัดได้ สิ่งที่น่าสนใจคือ ความยาวที่มีประสิทธิภาพ (L) ซึ่งมาตรฐาน ISO ใช้ จริงๆ แล้วหมายถึงความยาวเดียวกันกับแนวคิด 'ความยาวรอบฟัน' (Pitch Length) ที่ใช้ในประเทศต่างๆ เช่น สหราชอาณาจักร สหรัฐอเมริกา ซึ่งทั้งสองคำนี้ต่างก็หมายถึงความยาวรอบวงของสายพานที่วัดตามเส้นผ่านศูนย์กลางของรอกที่มีประสิทธิภาพ d แม้ว่าประเทศต่างๆ เช่น สหราชอาณาจักร สหรัฐอเมริกา และญี่ปุ่น จะได้กำหนดชุดมาตรฐานเดียวกันสำหรับความยาวรอบฟัน (pitch length) ขึ้นมาแล้ว แต่มาตรฐาน ISO/DP9982 กลับไม่ได้กำหนดชุดมาตรฐานดังกล่าวไว้

2. ประเภทของรอกและมิติของหน้าตัด

รอกสำหรับสายพานแบบหลายร่อง (multi-V-belt pulleys) แบ่งออกเป็นห้าประเภทตามมาตรฐาน ISO/DP9982 โดยขนาดหน้าตัดของรอกแสดงไว้ในรูปที่ 4 และตารางที่ 2

 

เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก (da) ของรอกอาจเท่ากับหรือไม่เท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางที่มีประสิทธิภาพ (d.) ตามที่ระบุไว้ในมาตรฐาน ISO ก็ได้ อย่างไรก็ตาม ในประเทศอื่นๆ เช่น สหราชอาณาจักร สหรัฐอเมริกา และญี่ปุ่น เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของรอก (outside diameter) จะสอดคล้องกับเส้นผ่านศูนย์กลางเชิงเกียร์ (pitch diameter) อย่างสมบูรณ์ ทั้งนี้ ควรชี้ให้ทราบว่า เส้นผ่านศูนย์กลางที่มีประสิทธิภาพ (effective diameter) ซึ่งกำหนดโดยมาตรฐาน ISO และเส้นผ่านศูนย์กลางเชิงเกียร์ (pitch diameter) ที่ใช้ในประเทศต่างๆ เช่น สหราชอาณาจักรและสหรัฐอเมริกา แท้จริงแล้วคือเส้นผ่านศูนย์กลางเดียวกัน ไม่ว่าจะพิจารณาจากความยาวที่มีประสิทธิภาพของสายพานหรือเส้นผ่านศูนย์กลางที่มีประสิทธิภาพ คำอธิบายและข้อกำหนดเกี่ยวกับค่าเหล่านี้ในมาตรฐาน ISO ล้วนมีการนิยามอย่างเคร่งครัดและแม่นยำ เหตุผลก็เนื่องมาจากเส้นผ่านศูนย์กลางเชิงเกียร์ที่แท้จริง (dp) ของรอกสำหรับสายพานแบบหลายร่อง (multi-v-belt pulley) จำเป็นต้องอยู่ที่ตำแหน่งของชั้นกลางเฉียง (neutral layer) ของสายพาน หลังจากที่สายพานถูกติดตั้งบนรอกและปรับแรงตึงให้เหมาะสมแล้ว ดังแสดงไว้ในรูปที่ 5

 

จากภาพที่ 5 เราสามารถสังเกตเห็นได้ว่า แรงที่กระทำที่เส้นผ่านศูนย์กลางเชิงมุม (pitch diameter force) ของพูลเลย์ถูกคำนวณโดยใช้สมการต่อไปนี้:

ตารางที่ 2 แสดงความแตกต่างของระยะแนวเส้นที่มีประสิทธิภาพ △e ในสูตร

ความเร็วเชิงเส้นรอบวง (V) และอัตราส่วนการส่งกำลัง (i) ของสายพานจะคำนวณเป็นหลักจากเส้นผ่านศูนย์กลางเชิงมุม (pitch circle diameter) โดยสมการคือ:

โดยที่: dp1 คือ เส้นผ่านศูนย์กลางเชิงมุมของล้อเล็ก หน่วยเป็นมิลลิเมตร; n1 คือ ความเร็วรอบของล้อเล็ก หน่วยเป็นรอบต่อนาที

ในสมการนี้ ตัวเลข 1 และ 2 หมายถึง ล้อเล็กและล้อใหญ่ ตามลำดับ

             

                   

 

เพื่อหลีกเลี่ยงความเค้นจากการโค้งงอมากเกินไปของสายพานระหว่างการส่งกำลัง และเพื่อลดอายุการใช้งานของสายพานให้น้อยที่สุด มาตรฐาน ISO ได้กำหนดเส้นผ่านศูนย์กลางที่มีประสิทธิภาพต่ำสุด (dmin) สำหรับแต่ละชนิดของสายพานไว้ดังแสดงในตารางที่ 2

 

ในการกลึง ให้กำหนดเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก (d₂) ของแท่งวัด (หรือลูกบอล) ที่สอดเข้าไปในร่องเพื่อควบคุมความลึกของร่องบนพูลเลย์แบบหลายร่อง V ตามที่แสดงในรูปที่ 6 สูตรการคำนวณคือ: d₂ = d + 2K

 

โดยที่: k และ d₉ ของแท่งวัด (ลูกบอล) รวมทั้ง K และ d₉ ระบุไว้ในตารางที่ 2

 

เมื่อพูลเลย์ถูกผลิตขึ้นโดยมี dₐ = d แล้ว d₂ จะเท่ากับ dₐ + 2K โดยความคลาดเคลื่อนจำกัดสำหรับ d₂ คือ ±0.13 มม.

           

III. การประยุกต์ใช้งานของระบบขับเคลื่อนด้วยสายพานแบบหลายร่อง V

ระบบขับเคลื่อนด้วยสายพานแบบมัลติ-วี (Multi-V belt drives) ได้รับการใช้งานอย่างแพร่หลายในหลายอุตสาหกรรมทั่วโลก เช่น อุตสาหกรรมยานยนต์ สิ่งทอ เคมีภัณฑ์ กลาโหม เครื่องใช้ในบ้าน และเครื่องจักรสำนักงาน ระบบขับเคลื่อนด้วยสายพานแบบมัลติ-เวดจ์ (Multi-wedge belt drives) เหมาะสมที่สุดสำหรับการแทนที่ระบบขับเคลื่อนด้วยสายพานแบบวี (V-belt drives) ในอุปกรณ์ที่ใช้สายพานแบบวีหลายเส้น และสามารถรองรับแรงกระแทกได้มาก ซึ่งรวมถึงเครื่องตัดเศษผ้า เศษด้าย และเศษผ้าสำหรับทำส่วนบนของรองเท้า เครื่องจักรสิ่งทอแบบหนัก และปั๊มลูกสูบ นอกจากนี้ ในระบบส่งกำลังที่แกนเพลาของล้อตั้งฉากกับพื้นดินหรือตั้งเอียงแบบกึ่งไขว้ การเปลี่ยนจากระบบขับเคลื่อนด้วยสายพานแบบวีหรือสายพานแบนไปเป็นระบบขับเคลื่อนด้วยสายพานแบบมัลติ-วี จะให้ประโยชน์ที่โดดเด่นอย่างยิ่ง

 

พารามิเตอร์การปฏิบัติงานของระบบขับเคลื่อนด้วยสายพานแบบมัลติ-วี มีโดยทั่วไปดังนี้: ความเร็วรอบ n₁ = 200–10,000 รอบ/นาที; กำลัง P₁ = ประมาณ 0.2 กิโลวัตต์ ถึง 300 กิโลวัตต์; อัตราส่วนการส่งกำลัง i ≤ 10; ประสิทธิภาพการส่งกำลังใกล้เคียงกับสายพานแบน โดยมีค่า η ≈ 0.97

 

ระบบขับเคลื่อนด้วยสายพานแบบมัลติ-วีเบลต์ก่อให้เกิดปัญหาอย่างมากในแง่ของแนวโน้มการพัฒนาเทคโนโลยีนี้ในประเทศจีน ปัญหาที่เร่งด่วนเป็นพิเศษคือ การเปลี่ยนสายพานแบบมัลติ-วีเบลต์ที่ใช้งานมานานแล้วซึ่งติดตั้งอยู่ในอุปกรณ์นำเข้า ทั้งนี้ การผลิตสายพานแบบมัลติ-วีเบลต์ที่สอดคล้องตามมาตรฐานภายในประเทศไม่เพียงแต่จะช่วยประหยัดเงินตราต่างประเทศจำนวนมหาศาลเท่านั้น แต่ยังส่งเสริมการนำไปใช้อย่างแพร่หลายของเทคโนโลยีระบบขับเคลื่อนด้วยสายพานรุ่นใหม่ในหลากหลายอุตสาหกรรมอีกด้วย ซึ่งจะส่งเสริมโดยตรงต่อการเติบโตและพัฒนาอุตสาหกรรมการผลิตสายพานในประเทศจีน