การหลีกเลี่ยงความเสียหายของสลักเกลียว (Avoiding Bolt Failures)

รูปที่ 1: แบบวาดแสดงตัวอย่างสลักภัณภัณฑ์ในรูปแบบต่างๆ [altears.com]

สลักเกลียว (รูปที่ 1) มักนิยมใช้ในการยึดชิ้นส่วนที่มีการหมุน ยึดหน้าแปลนท่อ หรือเพื่อยึดโครงสร้างต่างๆ ให้ติดกันเพื่อให้เกิดความปลอดภัยในระหว่างการใช้งาน แม้ว่าชิ้นส่วนสลักเกลียวและสลักภัณฑ์จะเป็นองค์ประกอบเล็กๆ ในการออกแบบแต่ว่ามีความสำคัญไม่ยิ่งหย่อนไปกว่าชิ้นส่วนอื่นๆ ที่ประกอบขึ้นเป็นโครงสร้าง เนื่องจากว่าถ้าสลักเกลียวเกิดความเสียหายมักนำไปสู่การเสียหายอย่างใหญ่หลวงตามมา เช่น เกิดไฟไหม้ เครื่องบินตก อุบัติเหตุต่างๆ ท่อก๊าซระเบิด ชิ้นส่วนกังหันก๊าซระเบิด หรือบางครั้งอาจทำให้เกิดการรั่วของสารประกอบไฮโดรคาร์บอนและนำไปสู่การระเบิดตามมา

กลไกการเสียหายที่มักเกิดขึ้นกับชิ้นส่วนสลักเกลียวมากที่สุดอีกกลไกหนึ่ง คือ การล้า (Fatigue) การล้าเป็นปรากฏการณ์การเสียหายของสลักเกลียวที่ถูกใช้งานในสภาวะการรับแรงเป็นคาบ (Cyclic Load) ของความเค้นที่มากระทำ ซึ่งการแตกหักจากการล้ามักมีลักษณะเฉพาะที่ปรากฏบนผิวหน้าแตกหัก เช่น พบ ratchet mark ที่บริเวณจุดเริ่มรอยแตก ผิวหน้าแตกหักค่อนข้างเรียบ และมักปรากฏให้แนวการขยายตัวของรอยร้าวคล้ายคลื่นที่ทิ้งไว้บนชายหาด (Beach Mark) ตัวอย่างสลักเกลียวที่แตกหักจากการล้าตัวแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2: ผิวหน้าแตกหักจากการล้าของสลักเกลียว

            การเสียหายของสลักเกลียวจากการล้ามีขั้นตอนการเสียหายอยู่ 3 ขั้นตอนดังนี้

1.  รอยร้าวขยายตัวมาจากร่องเกลียว (Thread Root) หรือจุดบกพร่องบริเวณรัศมีโค้งและจุดบกพร่องในวัสดุ

2.  มีการขยายตัวของรอยร้าวจากการรับแรงเป็นคาบหรือรอบ และ

3.  เกิดการแตกหักแบบทันทีทันใดในส่วนของภาคตัดขวางที่เหลืออยู่ของสลักเกลียว

การเสียหายจากการล้าของสลักเกลียวส่วนใหญ่มักเกิดขึ้นในบริเวณร่องเกลียวแรก (First Engaged Thread) เมื่อมีสลักเกลียวตัวเมียขันยึด เนื่องจากเป็นตำแหน่งที่มีความเค้นสูงสุด หรือบริเวณรัศมีความโค้งรอยต่อระหว่างส่วนหัวกับก้านของสลักเกลียว (Head-to-Shrank) รูปที่ 3 แสดงตำแหน่งที่มักเป็นจุดเริ่มต้นของการขยายตัวของรอยร้าวล้า (Fatigue Crack) จากบริเวณรัศมีความโค้งรอยต่อระหว่างส่วนหัวกับก้านของสลักเกลียวเหล็กกล้า

รูปที่ 3: ตำแหน่งที่มักเป็นจุดเริ่มต้นของการขยายตัวของรอยร้าวล้าของสลักเกลียวเหล็กกล้า

เป็นที่ทราบกัน (ในทางทฤษฎี) ว่าวัสดุและโครงสร้างส่วนใหญ่จะมีขีดจำกัดในการล้า (Endurance Limit) ซึ่งหมายความว่าถ้า stress มีค่าต่ำกว่า endurance limit ความเสียหายก็จะไม่เกิดขึ้น แม้ว่าจะใช้งานได้กี่รอบแล้วก็ตาม รูปที่ 4 แสดงเส้นโค้งระหว่างความเค้นและจำนวนรอบของความเค้นของเหล็กกล้าผสมต่ำ (Low Alloy Steel) ที่มีค่าความต้านทานแรงดึงสูงสุด (UTS) ที่ 150,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว และมี stress concentration factor (K_t) อยู่ที่ 3.3 ถ้าสลักเกลียวอยู่ภายใต้การรับแรงดัดแบบซ้ำไปซ้ำมา (Reversed Bending) ที่มี stress ratio (σ_max/σ_min = -1) และมีแรงเค้นมากระทำต่ำกว่า 30,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว ก็จะพบว่ารอยร้าวล้าจะไม่เกิดขึ้น เพื่อรักษาระดับความเค้นให้ต่ำกว่าค่าขีดจำกัดในการล้า สลักเกลียวจะถูกขันแน่นด้วยค่าทอร์กที่เหมาะสมที่อยู่บนพื้นฐานของค่าความต้านทานแรงดึงที่จุดคราก (Yield Strength) และเส้นผ่าศูนย์กลางของสลักเกลียว แรงที่ใช้ในการจับยึดครั้งแรกที่เรียกว่า preload นั้นเป็นเปอร์เซ็นต์ของค่า yield stress ของสลักเกลียว  ในสภาวะการรับแรงแบบคาบ ถ้า cyclic stress มีค่าไม่เกิน preload stress ค่า mean fatigue stress จะลดลงและมีความน่าจะเป็นว่าความเสียหายจากการล้าจะลดลงด้วย อย่างไรก็ตามถ้าใช้ค่า preload ไม่เหมาะสม สลักเกลียวอาจเสียหายที่จำนวนรอบต่ำๆ ได้ ดังแสดงในเส้นโค้งความเค้น-จำนวนรอบของรูปที่ 4

รูปที่ 4: เส้นโค้งระหว่างความเค้นและจำนวนรอบของความเค้นของเหล็กกล้าผสมต่ำ

แนวทางในการป้องกันความเสียหายจากการล้าตัว

สลักเกลียวที่มีการขันยึดอาจเกิดความเสียหายจากการล้าด้วยปัจจัยต่างๆ เหล่านี้

-    ค่า preload ในระหว่างการขันยึดเบื้องต้นมีค่าต่ำมาก

-    ค่า preload ในระหว่างการขันยึดสูงกว่าค่า yield stress ของสลักเกลียว

-    ค่า yield stress ของสลักเกลียวมีค่าต่ำมาก

-    ถูกใช้งานที่อุณหภูมิสูง ทำให้เกิดการคลายตัว (Thermal Relaxation)

-    อุปกรณ์มีการสั่นสะเทือนทำให้สลักเกลียวหลวม (การสั่นสะเทือนของสลักเกลียวสามารถทำให้เกิดการคลายตัวของ fixed displacement stresses)

-    Stress amplitude มีค่าสูงกว่าค่า endurance limit

ในการลดความน่าจะเป็นของการเสียหายจากการล้าของสลักเกลียวนั้นการออกแบบจุดยึดทุกๆ จุดควรมีการประเมินเป็นกรณีไปและควรพิจารณาดังไปนี้

-    ตรวจสอบค่าทอร์กในแบบ (Engineering Drawing) ว่ามีความเหมาะสมกับวัสดุที่เลือก กระบวนการทางความร้อน (Heat Treatment) และเส้นผ่าศูนย์กลางหรือไม่

-    เลือกวัสดุสำหรับสลักเกลียวที่มีค่าความแข็งแรงและความแกร่งที่เหมาะสม

-    ใช้ประแจขันทอร์กที่เหมาะสมในแต่ละงาน

-    ใช้สลักเกลียวที่ผ่านการขึ้นรูปร่องเกลียวด้วยการรีด (Rolled Thread) ซึ่งจะมีความเค้นตกค้างแรงอัด (Compressive Stress) ที่ผิว แทนที่การขึ้นรูปร่องเกลียวด้วยการกลึง

-   ให้แน่ใจว่าส่วนที่เป็นรูหรือช่องแคบต่างๆ ปราศจากสิ่งสกปรก การกัดกร่อน หรือสารแปลกปลอมอื่นๆ เพื่อหลีกเลี่ยงการอ่านค่าทอร์กที่สูงเกินไปและไม่ถูกต้อง

-    ลดความเค้นในระหว่างการใช้งานและการสั่นสะเทือนของอุปกรณ์โดยการใช้อุปกรณ์เสริมอื่นๆ

-    ใช้ safety wire หรือการเชื่อมติดส่วนหัวของสลักเกลียวในกรณีที่มีการสั่นสะเทือนมาก ๆ

-    ตรวจสอบและทำการขันทอร์กซ้ำในกรณีสลักเกลียวถูกใช้งานในสภาวะที่สามารถทำให้หลวมได้

จากที่ท่านอ่านมาก็จะพบว่าการเสียหายด้วยกลไกการล้าของสลักเกลียวสามารถที่จะหลีกเลี่ยงได้โดยการออกแบบให้ดีตั้งแต่ก่อนการใช้งาน เลือกใช้วัสดุให้เหมาะสมกับสภาวะการใช้งาน มีการติดตั้งที่ถูกต้องและมีการตรวจสอบอย่างสม่ำเสมอ ลองเอาไปประยุกต์ใช้นะครับ...