7.การคำนวณกำลังมอเตอร์ขับสายพานลำเลียง

คอนเวเยอร์ไกด์ไปดูหน้างานนำประสบการณ์ดีๆมาแบ่งปัน Conveyor ลำเลียงวัสดุจากกองเก็บลงเรือเพื่อส่งออก (ภาพ ท่าเรือศรีราชา)

จุดประสงค์ของบทความนี้เพื่อที่จะขยายความหมายของตัวแปรต่าง ๆที่ใช้ในการคำนวณหากำลังขับของมอเตอร์ เมื่อเข้าใจความหมายและเลือกค่าตัวแปรต่าง ๆได้ถูกต้องแล้ว สามารถเอาไปแทนค่าในสูตรที่ให้มา จะได้กำลังขับของมอเตอร์ที่ถูกต้องตามตามต้องการ

ภาพรวมประเภทของมอเตอร์

แม้ว่าตั้งแต่เกิดลืมตาขึ้นมาพวกเราจะคุ้นเคยกับมอเตอร์ซึ่งเป็นซึ่งใช้ในเครื่องใช้ไฟฟ้าประจำวันของเราเช่น สว่าน ตู้เย็น เครื่องปั๊มน้ำ พัดลมแล้ว พอเราจะมาเลือกมอเตอร์ซึ่งใช้ในการขับเคลื่อนสายพานลำเลียงคงจะยังไม่รู้ว่าจะเลือกรุ่นไหนแบบไหนดี หรือจะเริ่มต้นยังไง ดังนั้นผู้เขียนก็เลยพยายามที่จะหารูปภาพที่จะอธิบายภาพรวมของมอเตอร์(Squirrel cage กรอบที่ระบายด้วยสีเหลืองเป็นมอเตอร์ที่นิยมใช้ในระบบสายพานลำเลียงมากที่สุด)ให้ผู้อ่านได้เข้าใจไปพร้อม ๆกันดังนี้

ภาพรวมมอเตอร์ประเภทต่างๆ

1.การเลือกกำลังของมอเตอร์ที่ถูกต้องสำคัญอย่างไร

การเลือกกำลังขับมอเตอร์สำหรับขับเคลื่อนสายพานลำเลียงเป็นเรื่องสำคัญมากเพราะขนาดกำลังมอเตอร์รูปแบบของมอเตอร์ที่เลือก เป็นเรื่องที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์ในระบบลำเลียงทุกอย่างที่ต้องนำมาติดตั้งร่วมกัน ปัจจัยในการเลือกมอเตอร์มีดังนี้

• รุ่นของมอเตอร์

• อุปกรณ์ควบคุมระบบขับเคลื่อน

• การสิ้นเปลืองพลังงาน

• นอกจากนี้แล้วขนาดของมอเตอร์ ยังมีผลกระทบกับแรงดึงของสายพานซึ่งส่งผลถึงการเลือกอุปกรณ์อื่นต่อเนื่องในระบบลำเลียง เช่น

o หน้ากว้างของสายพาน

o ราคาของอุปกรณ์ทั้งหมดในระบบลำเลียง

o อายุการใช้งานของระบบ

o โครงสร้าง (Structural Part) ของระบบสายพาน

o โครงสร้าง (Mechanical Part) ของระบบสายพาน

2.กำลังขับของมอเตอร์ขึ้นอยู่กับปัจจัยอะไรบ้าง

ปกติเปิดสวิตช์ทำงานสายพานลำเลียงจะค่อยๆเพิ่มความเร็วขึ้น จนกระทั่งวิ่งด้วยความเร็วสม่ำเสมอ(Uniform Speed) สูตรที่ใช้ในการคำนวณหากำลังขับของมอเตอร์คิดขณะที่สายพานวิ่งด้วยความเร็วสม่ำเสมอ (Uniform Speed) การคำนวณหากำลังขับของมอเตอร์คือการหากำลังขับซึ่งต้องชนะแรงต้านทานในระบบสายพานลำเลียง 2 แรงนี้คือ

1.แรงเสียดทาน (Friction Force) มีทิศทางตรงข้ามกับทิศที่สายพานเคลื่อนที่ ที่เกิดจาก

• ชิ้นส่วนที่หมุนได้ (Moving Parts) ต้านการเคลื่อนที่ในแนวราบ (Horizontal) ในขณะไม่มี Load ชิ้นส่วนเหล่านี้ได้แก่ ลูกกลิ้ง Pulley รวมทั้งตัวสายพานเอง

• น้ำหนักบรรทุกของวัสดุที่ต้องเคลื่อนที่ในแนวราบ(Horizontal)

2.แรงโน้มถ่วง (Gravity Force) คือแรงที่ใช้ในการยก( Lift) วัสดุในแนวลำเลียงขึ้น(Incline) หรือเบรกน้ำหนักของวัสดุในแนวลำเลียงลง(Decline)

3.Road Map หากำลังขับของมอเตอร์

รูปข้างล่างแสดงแผนผังและลำดับการคำนวณหากำลังขับของมอเตอร์ส่วนรายละเอียดให้ไปดูในแบบการคำนวณอีกครั้งหนึ่ง

Lay Out สายพานลำเลียงในแนวเอียง

ลำดับ(Step)การคำนวณหากำลังขับมอเตอร์ของสายพานลำเลียง

4.สูตรหากำลังขับของมอเตอร์

เรื่องที่สำคัญในการหากำลังขับมอเตอร์คือการเข้าใจและเลือกใช้ค่าตัวแปรต่าง ๆไปแทนค่าในสูตร ผู้อ่านจะต้องรู้วิธีการเลือกใช้ค่าตัวแปรให้เหมาะสมกับหน้างานและสิ่งแวดล้อมของตัวเอง ส่วนผู้เขียนก็พยายามจะเขียนอธิบายให้ดีที่สุดเท่าที่กำลังสติปัญญาจะทำได้ ซึ่งรับรองว่าผู้อ่านจะหาอ่านที่ไหนไม่ได้ง่ายๆนอกจากที่นี่ Conveyor Guide แห่งเดียว

สูตรหากำลังขับมอเตอร์ของสายพานลำเลียง

Lay Out สายพานลำเลียงในแนวเอียงมี Tripper จ่ายวัสดุ

ตัวอย่าง Conveyor Lay Out แสดงตำแหน่ง Pulley Drive

5.อธิบายความหมายของตัวแปรในสูตรการคำนวณหากำลังขับมอเตอร์

5.1 ) ค่า l₀ (Conveyor Length Factor) คือตัวปรับค่าแรงเสียดทานรอง (Secondary Friction Resistance) และ f = ค่าสัมประสิทธิ์เสียดทานของลูกกลิ้งรองสายพาน

ทำไมต้องมีค่า l₀ในยุคต้นของการหากำลังขับของมอเตอร์ สูตรทางทฤษฎีที่ใช้ในการคำนวณหากำลังขับมอเตอร์ของสายพาน ไม่สามารถให้ค่าที่เชื่อถือได้ เนื่องจากค่ากำลังขับที่ได้จากสูตรการคำนวณและค่ากำลังขับที่เกิดที่หน้างานทำงานจริงมีค่าแตกต่างกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อความยาวของคอนเวเยอร์แตกต่างกันมาก กล่าวคือกำลังขับของมอเตอร์จากการคำนวณมีค่าสูงเกินไปสำหรับสายพานที่มีความยาวมาก(Long Conveyor Length) และมีค่าที่น้อยเกินไปสำหรับสายพานที่มีความยาวสั้น (Short Conveyor Length)

สาเหตุเนื่องจากในระบบสายพานลำเลียงมีแรงต้านทานหลายแบบหลายชนิด ทั้งแรงเสียดทานหลัก(Primary Friction Resistance) และแรงเสียดทานรอง (Secondary Friction Resistance) เกิดขึ้นในหลายสถานะ เช่น ขณะที่สายพาน Start Up และขณะสายพานวิ่งอย่างเต็มกำลัง (Running Full Load) ดังนั้นในการคำนวณกำลังขับของมอเตอร์ แรงเสียดทานรอง (Secondary Friction Resistance) ซึ่งมีมากมายจุกจิกหลายรูปแบบยากแก่การวัดหาค่า ดังนั้นจึงมักจะถูกผู้ออกแบบละเลยหรือคิดแค่บางส่วนไม่ครบถ้วน หรือไม่ได้นำมาพิจารณาคำนวณด้วย จึงทำให้ได้กำลังขับของมอเตอร์ที่ได้จากการคำนวณไม่ตรงกับที่เกิดขึ้นจริงในหน้างาน แรงเสียดทานรอง (Secondary Friction Resistance) เหล่านี้ได้แก่

• แรงต้านที่เกิดขึ้นที่ Terminal Bearing ,Idler Bearing

• แรงต้านที่เกิดจากผลของสายพานที่ยกตัวสูงขึ้นจาก Idler

• แรงต้านที่เกิดจากผลของการเอียง(Tilt )ของ Idler

• แรงต้านที่เกิดจากอุปกรณ์ทำความสะอาดสายพาน (Belt Scraper)

• แรงต้านที่เกิดทจากสเกิร์ตรับเบอร์ (Skirt Rubber)

• แรงต้านที่เกิดจากความสกปรกในระบบ

• แรงต้านในระบบที่แตกต่างกันเนื่องจากมาตรฐานของการบำรุงรักษาที่ไม่เท่ากัน

ดังนั้นเพื่อแก้ไขปัญหานี้ กลุ่มผู้ผลิตสายพานและผู้ผลิตคอนเวเยอร์ได้เสนอวิธีการแก้ปัญหาโดยการ เสนอค่า l₀ (Conveyor Length Factor) เพิ่มลงไปในสูตรเพื่อเป็นตัวปรับสูตรทางทฤษฎีให้ได้ค่ากำลังขับของมอเตอร์ ที่ยอมรับได้ทั้งสายพานที่มีความยาวสั้น (Short Conveyor Length)และสายพานที่มีความยาวมาก(Long Conveyor Length) ค่า l₀ (Conveyor Length Factor)มีความสัมพันธ์กับสัมประสิทธิ์ความเสียดทานของแบริ่ง f (ซึ่งขึ้นอยู่กับเงื่อนไขการติดตั้งและสิ่งแวดล้อมในการทำงานของระบบคอนเวเยอร์ตามหน้างานจริงที่ conveyor ใช้งาน) l₀ (Conveyor Length Factor) และ f ต้องเลือกคู่กันเป็นชุด ๆ ดูได้จากตารางข้างล่างนี้

ความสัมพันธ์ของค่า l₀ (Conveyor Length Factor)กับสัมประสิทธิ์ความเสียดทานของแบริ่ง f (REF: Bridgestone)

หากผู้ออกแบบมือใหม่ แนะนำให้ใช้ค่า f = 0.03 และค่า l₀ = 49ในการออกแบบ ค่านี้เป็นค่าที่คอนเซอเวทีฟ (Conservative) เผื่อความผิดพลาดครอบคลุมเงื่อนไขเลวร้ายแทบทุกชนิดที่อาจจะเกิดขึ้นไว้แล้ว

6. ข้อมูลเพื่อค้นคว้าเพิ่มเติม

หากผู้ออกแบบต้องการที่จะหาสัมประสิทธิ์ความเสียดทาน (f )อย่างละเอียด รวมทั้งการพิจารณาปัจจัยอื่นที่มีผลกระทบกับการคำนวณหากำลังขับของมอเตอร์ เช่นความเร็ว (Belt Speed) หรืออุณหภูมิที่มีผลกระทบกับแรงเสียดทาน ก็จะสามารถศึกษาค้นคว้าต่อได้จากตำราหลายสิบเล่มที่หลายสำนักได้ทำไว้แล้ว ผู้เขียนก็ขอยกตัวอย่างบางส่วนจาก Dunlop ที่กำหนดค่าของสัมประสิทธิ์ความเสียดทาน (f) ภายใต้เงื่อนไขว่าความเร็วของสายพานเท่ากับ 5 เมตรต่อวินาทีและอุณหภูมิที่ 20 องศาเซลเซียส

ค่า Fiction Factor (f) ขึ้นอยู่กับ working conditions การติดตั้ง การบำรุงรักษา ความเร็วของสายพาน หรืออุณหภูมิ (REF: Dunlop)

ค่า l₀ (Conveyor Length Factor) หรือ(ค่า C ในรูปกราฟข้างล่าง) จะแปรผันไปตามความยาวของคอนเวเยอร์(Conveyor Length) โดยจะมีค่าลดลงเมื่อความยาวของคอนเวเยอร์(Conveyor Length) ค่าเพิ่มขึ้น ดังนั้นจะสังเกตได้ว่าถ้าความยาวของคอนเวเยอร์ (Conveyor Length) มีค่าตั้งแต่ 1000 เมตรขึ้นไป ค่า l₀ (Conveyor Length Factor) แทบเท่ากันตลอดความยาวที่เพิ่มขึ้น ดังนั้นอิทธิพลของ ค่า l₀ (Conveyor Length Factor) ต่อการคำนวนหากำลังขับของมอเตอร์จะน้อยลงเมื่อความยาวของคอนเวเยอร์(Conveyor Length)เพิ่มขึ้น

ค่า l₀ (Conveyor Length Factor) กับความยาวของคอนเวเยอร์ (REF: Dunlop)

W = Moving Parts Weight น้ำหนักชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ (สายพาน-ลูกกลิ้ง-มู่เล่)

ในขั้นตอนการออกแบบเบื้องต้น การเลือกชิ้นส่วนอุปกรณ์ก็เป็นการ Trial เท่านั้น ยังไม่สามารถตัดสินใจเลือกอุปกรณ์ในขั้นสุดท้ายได้ เนื่องจาก Moving Parts มีหลากหลายแบบ หลายรุ่น หลาย Model หลายวัสดุ ดังนั้นเพื่อความรวดเร็วในการคำนวณออกแบบจึงจำเป็นจะต้องใช้น้ำหนักโดยประมาณ ของ Moving Parts (สายพาน-ลูกกลิ้ง-มู่เล่) จากตารางข้างล่างนี้ไปคำนวณก่อนเพื่อทราบสเปคคร่าวๆของชิ้นส่วนอุปกรณ์ Moving Parts จากนั้นก็ลงรายละเอียดโดยขอข้อมูลที่แท้จริงจากผู้ผลิตอุปกรณ์ Moving Parts เหล่านั้น แล้วนำข้อมูลที่ได้มาคำนวณย้อนกลับอีกครั้งหนึ่ง

หมายเหตุเนื่องจากวัสดุที่ใช้ทำลูกกลิ้งมีหลายประเภทเช่น ลูกกลิ้งพลาสติกที่มีน้ำหนักเบา หรือลูกกลิ้งเหล็กที่มีน้ำหนักมากกว่า น้ำหนักลูกกลิ้งจากตารางข้างล่างนี้เป็นของลูกกลิ้งเหล็ก ดังนั้นสมมุติว่าสุดท้ายแล้วตัดสินใจเลือกเป็นลูกกลิ้งพลาสติก เราต้องเอาน้ำหนักของลูกกลิ้งพลาสติกมาออกแบบแทนลูกกลิ้งเหล็ก ผลของการคำนวณใหม่เราก็จะได้ค่ากำลังขับมอเตอร์และแรงดึงที่ใหม่ด้วย

น้ำหนักของ W = Moving Parts แปรผันตามหน้ากว้างของสายพาน, Wc = น้ำหนัก 1 เซตของลูกกลิ้งด้านบนม Wr = น้ำหนัก 1 เซตของลูกกลิ้งด้านล่าง (REF: Bridgestone)

ข้อมูลจริง จาก Catalog ของผู้ผลิตน้ำหนักของ Moving Parts(Pprs =Carry Roller) / (Ppri = Return roller) หน่วยเป็น Kilogram (REF: Rulmeca)

ข้อมูลจริง จาก Catalog ของผู้ผลิตขนาดและน้ำหนักของลูกกลิ้งฯลฯ ขนาดส้นผ่าศูนย์กลาง 133 มม.(REF: Rulmeca)