บทนำ-ความล้าในชิ้นส่วนวิศวกรรม

-  1  -

บทนำ

        ชิ้นส่วนประกอบทางวิศวกรรม (Engineering components) ในอุตสาหกรรมแทบทุกประเภท ไม่ว่าจะเป็นอุตสาหกรรมโครงสร้างและสาธารณูปโภค เช่น โครงเหล็กป้ายโฆษณาขนาดใหญ่ โครงสร้างรับน้ำหนักทางรถไฟ รางรถไฟ ฯลฯ อุตสาหกรรมยานยนต์เช่นช่วงล่าง วงล้อ เครื่องยนต์ ฯลฯ อุตสาหกรรมการบินและอากาศยานเช่น ลำตัวเครื่องบิน ปีกเครื่องบิน ใบพัดเฮลิคอปเตอร์ ชิ้นส่วนเครื่องจักรกลในโรงงานอุตสาหกรรมเช่น เพลาส่งกำลังของปั้มหรืออุปกรณ์สิ่งอำนวยความสะดวกในชีวิตประจำวันของเรา เช่นพัดลมติดเพดาน เป็นต้น ชิ้นส่วนเหล่านี้จะต้องถูกออกแบบและผลิตให้สามารถใช้งานได้อย่างปลอดภัยตลอดอายุการใช้งาน จุดประสงค์คือความสามารถทนทานต่อภาระกรรม (Load) ที่เกิดขึ้นโดยชิ้นส่วนเหล่านั้นไม่เสียหายและเกิดความปลอดภัยต่อผู้ใช้งาน ในความเป็นจริงภาระกรรมเหล่านั้นมีขนาดไม่คงที่ (Non-constant  load) และเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาตามสภาพการใช้งาน (Variable load) ดังรูปที่ 1.1 แสดงความเค้นที่มีขนาดไม่คงที่ในชิ้นส่วนวิศวกรรม หรือภาระกรรมขนาดเดียวที่เกิดซ้ำๆ (Repeated load) หรือเป็นคาบ (Periodical) ดังรูปที่ 1.2 เมื่อเราขับรถไปทำงาน เราอาจต้องเหยียบคันเร่งและแตะเบรคเป็นจำนวนหลายๆครั้งกว่าจะถึงที่ทำงาน เครื่องยนต์และแท่นเครื่องยนต์ต้องรับภาระกรรมเนื่องจากอัตราเร่งและหน่วงอยู่ตลอดเวลา ขณะการขับทางตรง เข้าโค้งหรือเบรคล้วนทำให้เกิดภาระกรรมกับวงล้อ (Wheel) และชิ้นส่วนช่วงล่าง (Suspension members) รถยนต์ ช็อคเอ๊ปซอร์บเบอร์ (Shock absorber) จะทำหน้าที่ดูดซับแรงกระแทก รวมถึงคอยล์สปริงและชิ้นส่วนอื่นๆที่ต้องร่วมรับภาระกรรมด้วยกัน ความแตกต่างของขนาดภาระกรรมขึ้นอยู่กับลักษณะการขับขี่ของแต่ละคน เช่น การขับรถวิ่งขึ้นลูกระนาดหรือคอสะพานด้วยความเร็วที่แตกต่างกัน รูปที่ 1.3 แสดงตัวอย่างของแรงลักษณะต่างๆ ที่เกิดกับช่วงล่างรถยนต์ขณะขับบนถนนคอนกรีต

 รูปที่ 1.1 ความเค้นในชิ้นส่วนวิศวกรรมเปลี่ยนแปลงตามสภาวะการใช้งาน

 รูปที่ 1.2 แรงขนาดคงที่ (Constant Amplitude Loading) มีลักษณะเป็นคาบ

รูปที่ 1.3 แรงขนาดไม่คงที่ประเภทต่างๆในช่วงล่างรถยนต์ขณะขับบนถนนคอนกรีต

การออกแบบเพื่อให้ชิ้นส่วนวิศวกรรมสามารถทนทานต่อภาระกรรมแบบไม่คงที่และแบบคงที่ได้ตลอดอายุการใช้งานนั้น วิศวกรออกแบบจำเป็นต้องมีความรู้เกี่ยวกับความเสียหายเนื่องจากความล้า (Fatigue failure) อาจเกิดขึ้นได้เมื่อวัสดุหรือชิ้นส่วนวิศวกรรมต้องรับภาระกรรมซ้ำๆกันหลายๆครั้ง แม้ว่าขนาดภาระกรรมนั้นจะมีขนาดต่ำเพียงแค่ทำให้เกิดความเค้นในช่วงยืดหยุ่น (Elastic) ความเสียหายแบบนี้จะแสดงเป็นรอยร้าวขนาดเล็ก และสามารถตรวจพบได้หากผู้ใช้งานมีกระบวนการตรวจเช็คสภาพที่เหมาะสม หรืออาจเกิดขึ้นอย่างฉับพลันได้ ซึ่งทั้งสองกรณีอาจก่อให้เกิดความเสียหายอย่างใหญ่หลวงต่อชีวิตและทรัพย์สินหากเกิดความเสียหายขึ้นกับชิ้นส่วนอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัยของประชาชนจำนวนมาก เช่น เครื่องบิน เรือโดยสาร สะพาน โครงสร้างอาคาร รถไฟ รถยนต์สาธารณะ เป็นต้น ดังนั้นการออกแบบเพื่อให้ชิ้นส่วนวิศวกรรมสามารถทนทานต่อความล้าได้เพียงอย่างเดียวอาจไม่เพียงพอ ยังต้องคำนึงถึงความสะดวกในการเข้าถึงบริเวณวิกฤตหรือจุดที่คาดว่าอาจเกิดความเสียหายทั้งนี้เพื่อให้การตรวจสอบและซ่อมแซมรอยร้าวสามารถทำได้อย่างทันท่วงที

ปัจจุบัน ผู้บริโภคและผู้ผลิตในทุกภาคอุตสาหกรรมจะให้ความสำคัญกับการประหยัดพลังงานมากขึ้นดังนั้น การออกแบบจะเน้นการประหยัดพลังงาน ซึ่งผู้ออกแบบจะต้องพิจารณาควบคู่ร่วมกับความปลอดภัยในการใช้งาน อุตสาหกรรมยานยนต์จะเน้นการประหยัดพลังงานด้วยเทคนิคต่างๆ เช่นการเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์และการลดน้ำหนักของรถ การลดน้ำหนักอาจทำได้โดยการลดขนาดของชิ้นส่วนหรือการเปลี่ยนไปใช้วัสดุทดแทนที่มีน้ำหนักเบากว่า อย่างไรก็ตามการลดขนาดหรือน้ำหนักของชิ้นส่วนอาจส่งผลกระทบทำให้ความแข็งแรงลดลงและโอกาสเกิดความเสียหายจากความล้าสูงโดยเฉพาะอุตสาหกรรมยานยนต์จะต้องมีการทดสอบชิ้นส่วนแทบทุกชิ้นตามโปรแกรมการทดสอบอย่างเข้มงวด