การประชุมเสนอผลงานบัณฑิตศึกษาวิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัย ...eng.sut.ac.th/me/2014/activity/conference/%ca%d1%c1%c1%b9%d2%… ·

การประชมเสนอผลงานบณฑตศกษาวศวกรรมเครองกล มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร ครงท ๑๐

๑-๒ มถนายน ๒๕๕๖ ณ มหาชวาลยอสาน

บานปากชอง อ าเภอสตก จงหวดบรรมย

ก าหนดการ การประชมเสนอผลงานบณฑตศกษาวศวกรรมเครองกล มทส.

ปการศกษา 2555

ณ มหาชวาลยอสาน บานปากชอง อ.สตก จ.บรรมย

วนท 1 มถนายน 2556

เวลา ก าหนดการ 07:00 - 10:0 เดนทาง (รบประทานอาหารเชาบนรถ เวลา 08:00 น.) 10:00 – 10:15 พธเปด 10.15 – 12:00 การบรรยายพเศษ โดย ครบาสทธนนท ปรชญาพฤทธ 12:00 – 13.00 พกรบประทานอาหารกลางวน 13:00 – 15:00 น าเสนอบทความโดยนกศกษาระดบบณฑตศกษา 15:00 – 15:15 พกรบประทานอาหารวาง 15:15 – 16.30 น าเสนอบทความโดยนกศกษาระดบบณฑตศกษา 16.15 - 18:00 พกผอนตามอธยาศย 18.00 - 19.30 รบประทานอาหารเยน 19.30 – 21.00 กจกรรมรอบกองไฟ

วนท 2 มถนายน 2556

เวลา ก าหนดการ 07:30 – 08:30 รบประทานอาหารเชา 08.30 – 10:30 การบรรยายพเศษ โดย ครบาสทธนนท ปรชญาพฤทธ (ชวงท 2) 10.30 – 12.00 เดนทางออกจากมหาชวาลยอสาน 12:00 – 13:00 พกรบประทานอาหารกลางวนทอ าเภอพมาย จ.นครราชสมา 13:00 – 16:00 เยยมชมปราสาทหนพมาย แหลงขดคนโบราณคดบานธารปราสาท และ

ปราสาทหนพนมวน 16.00 – 17.00 เดนทางกลบ มทส.

สารบญ

เรอง หนา การผลตภาชนะยอยสลายไดทางชวภาพจากกาบกลวย 1-7 โดย นางสาวมลสดา ลวไธสง การผลตภาชนะบรรจจากล าตนมนส าปะหลง 8-16

โดย นายนท ฐานมน สมบตเชงกลของวสดรไซเคลจากเศษเมลามนดวยการขนรปแบบแมพมพรอนและ 17-23

แมพมพเยน โดย นายเฉลมชย ไชยธงรตน

ผลกระทบตอกระบวนการชบแขงผวรวมระหวางแกสซอฟตไนตรายดงและ 24-29 แกสคารเบอรไรซงตอสมบตความแขงของเหลกกลาผสม โดย นายณฎฐกฤศ สวรรณทา

การวเคราะหความแขงแรงของโครงสรางทนงส าหรบรถโดยสารขนาดใหญดวย 30-35 ระเบยบวธไฟไนทอลลเมนต โดย นายปกรณ บราคร

การศกษาพฤตกรรมความเสยหายโครงสรางทออลมเนยมผนงบางภายใตการชนกระแทก 36-41 ในแนวแกน โดย นายศราวธ บวงาม

ตนแบบอปกรณยดตรงกระดกประเภทภายนอกแบบพลวตส าหรบภาวะกระดกหนาแขง 42-48 หกชนดเปด โดย นายธนนนต ศรสพรรณ

อทธพลทางชวกลศาสตรของรปแบบรอยแตกกระดกสะโพกหกตอสมรรถนะทางกล 49-56 ของการยดตรงกระดกดวยอปกรณไดนามกฮพสกร โดย นายเกษม ศรอ านวย

การพฒนาโปรแกรมส าหรบออกแบบใบพดเครองบนเพอใหไดแรงขบสงสด 57-63 โดย นายอภลกษณ หลอนกลาง

การสรางเครองฝกบนจ าลองตนแบบ 64-71 โดย นางสาวธวลรตน ทองปน

สารบญ (ตอ)

เรอง หนา การออกแบบระบบเซอรโวกบตวสงเกตเพอควบคมต าแหนงลกบอลลอยตวดวย 72-80

สนามแมเหลก โดย นายธนรชต อนศร

แบบจ าลองระบบควบคมความเรวรอบเครองยนต Biogas ดวยตวควบคมแบบ PID 81-87 โดย นายสนทร โอษฐงาม

การออกแบบระบบควบคมของเครองอดขนรปผลตภณฑเมลามนโดยวธการ 88-93 คนหาแบบสม โดย นายณรงคศกด สแกว

ME SUT-01 การประชมเสนอผลงานบณฑตศกษาวศวกรรมเครองกล มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร ครงท 10

2 มถนายน 2556 สตก จงหวดบรรมย

การผลตภาชนะยอยสลายไดทางชวภาพจากกาบกลวย Production of food container from banana tree stalk

มลสดา ลวไธสง1, ทวช จตรสมบรณ1*

1 สาขาวศวกรรมเครองกล ส านกวชาวศวกรรม มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร 111 ถนนมหาวทยาลย

ต าบลสรนาร อ าเภอเมอง จงหวดนครราชสมา *ผตดตอ: [email protected], เบอรโทรศพท: 044 224 410-1, เบอรโทรสาร: 044 224 4613

บทคดยอ ภาชนะส าหรบบรรจอาหารในปจจบนนสวนใหญผลตดวยวสดจากอตสาหกรรมปโตรเคม ซงนอกจากจะเปนการไมยงยนแลว ภาชนะเหลานยงไมสามารถยอยสลายไดตามธรรมชาต หรอตองใชเวลาในการยอยสลายนานหลายรอยป ซงเปนผลเสยตอสงแวดลอม งานวจยนจงไดคดคนและทดลองผลตภาชนะจากวสดธรรมชาต ซงในทนไดเลอกใชกาบกลวยเปนสวนผสมหลกและใชแปงมนส าปะหลงเปนตวประสาน โดยท าการขนรปดวยกระบวนการอดแบบใหความรอนไปในตว จากนนท าการศกษาผลกระทบของ ปจจยการผลตตางๆ คอ ความหยาบ ความละเอยดของเสนใยกลวย อณหภมและแรงดนทใชในการอด อตราสวนผสมระหวางกาบกลวยและแปงมนส าปะหลง ซงจะใชปรมาณแปงมนส าปะหลงใหนอยทสดเพอชวยลดตนทนในการผลต ปจจยดงกลาวจะสงผลกระทบตอสมบตตางๆ ของวสด ซงสมบตทจะท าการศกษาไ ดแก สมบตการตานแรงดดโคง มอดลสแรงดดโคง คาความหนาแนน และสมบตการซมน า ค ำหลก: ภาชนะยอยสลายไดทางชวภาพ ภาชนะชวภาพจากกาบกลวย กระบวนการอดขนรปภาชนะจากกาบกลวย สมบตทางกลของภาชนะกาบกลวย Abstract

Food container produced from the petro-chemical industry is not sustainable and non-degradable in the environment; it takes several hundred years to decompose and thus harmful to the environment. This research proposes to produce food container from banana tree stalk by using cassava starch as binder. The food container will be formed in a mold by a hot-pressed process. Various parameters will be studied such as the size of banana fiber, temperature and pressure used in the compression process as well as the ratio between banana fiber and cassava starch. Material properties affected by the mentioned parameters will be studied such as flexural strength, flexural modulus, density and water absorption. Keywords: Bio-degradable container, Bio-degradable container from banana tree stalk, Compression process of bio-degradable container, Mechanical properties of banana tree stalk container.



2

1. บทน า อตสาหกรรมปโตรเคม เปนอตสาหกรรมพนฐาน

ทเรมตนจากน ามนดบและแกสธรรมชาต ไปสกระบวนการผลตสงเคราะหเปนผลตภณฑตอเนอง และพฒนาไปสวสดพอลเมอร เสนใย หรอพลาสตกชนดตางๆ ทเขามามบทบาทในชวตประจ าวนของมนษยมานานกวารอยป แตดวยขอจ ากดดานปรมาณของวตถดบ ซงไดแก น ามนดบและกาซธรรมชาต ซงประมาณการไดวาจะตองหมดไปในทสด และยงกอใหเกดการสะสมของมลภาวะ จากกระบวนผลตของอตสาหกรรมปโตรเคม ซงไดขยายไปในวงกวางตอระบบนเวศนของโลก พลาสตกเปนผลตภณฑอยางหนงทได จาก อตสาหกรรมปโตรเคมและนบวามบทบาทส าคญตอการด ารงชวต หากเราไดมโอกาสไปเดนซอสนคาไมวาทใดกตามจะพบวาผลตภณฑเกอบทกชนดทเราซอ อาหารสวนใหญทเรารบประทานและเครองดมจ านวนมากทเราดมลวนถกบรรจอยในภาชนะทเรยกวาพลาสตกดวยกนทงสน การใชพลาสตกมปรมาณสงขนตามจ านวนประชากรโลกทเพมขนอยางตอเนองในแตละป ในท านองเดยวกนของเหลอทงทมาจากผลตภณฑพลาสตกกยอมมมากตามไปดวย สมบตของพลาสตกทมการยอยสลายชากลายเปนปญหาไปทวโลก เพราะถาไมมการก าจดทถกตองกจะมแตทบถมกนมากขนเรอยๆดวยเหตนจงมการคดคนพลาสตกทยอยสลายขนมาในรปแบบตางๆ ตวอยางเชน พลาสตกชวภาพยอยสลายได (Biodegradable plastics) โดยจะผลตออกมาในรปแบบของภาชนะ เรยกวา ภาชนะบรรจภณฑอาหารเทคโนโลย ชวภาพ (Bio-based food packaging) ซงเปนแนว ทางหนงในการพฒนาวสดส าหรบการใชงานเพออนรกษสงแวดลอม ทงในดานวตถดบ กระบวนการผลตและกระบวนการก าจด โดยพลาสตกชวภาพยอยสลายไดนนผลตมาจากวตถดบทสามารถผลตทดแทนขนใหมไดในธรรมชาต ( renewable resource) ซงวสดธรรมชาตทนยมน ามาผลตภาชนะบรรจภณฑอาหารเทคโนโลยชวภาพ คอ แปง

(starch) ซงจะมอยมากใน มนส าปะหลง มนฝรง และ ขาวโพด เปนตน โดยจะใชพลงงานในกระบวนการผลตต า และ ผลตภณฑ สามารถยอยสลายไดดวยจลนทรยในธรรมชาตภายหลงจากการใชงาน กลายไปเปน น า กาซคารบอนได ออกไซด และมวลชวภาพ ปจจบนพลาสตกชวภาพยอยสลายไดไดรบความสนใจเปนอยางยงจากนกวทยาศาสตร ตลอดจนนกอตสาหกรรมชนแนวหนาทวโลก ในชวงแรก Tiefanbacher (1993) ไดวจยเกยวกบการผลตภาชนะยอยสลายไดทางชวภาพซงผลตออกมาในรปแบบของถาดโฟมโดยมสวนผสมเปนแปงและน า เทานน ผานการขนรปโดย กระบวนการอดดวยแมพมพรอน ผลทไดคอถาดโฟมทไดออกมาคอนขางมความเปราะ ไมมความยดหยน และมความสามารถในการตานทานน าไมด จงไมสามารถน าไปใชงานในการบรรจอาหารทมความชน สงหรอเปยกได จากนนมนกวจยอกหลายทานไดท าการปรบปรงสมบตของภาชนะยอยสลายได ไมวาจะเปนการเตมสารเตมแตงชนดตางๆ เชน พอลไวนลแอลกอฮอล มอนอสเตยรลซเตรท เปนตน และมการเตมเสนใยเขาไปในสวนผสมเพอชวยเสรมแรงใหกบภาชนะ ตวอยางเชน Cinelli (2005) ไดท าการศกษา และผลต โฟมทสามารถยอยสลายไดตามธรรมชาต โดยถาดโฟมจะมองคประกอบหลก คอ แปงมนฝรง เสนใยขาวโพด และโพลไวนลแอลกอฮอล โดยขนรปดวยกระบวนการอบขนรป จากการศกษาปรากฏวาเสนใยขาวโพดชวยเพมความหนาแนนของถาดโฟม สวนการเพมโพลไวนลแอลกอฮอลเขาไปนน จะท าใหมความแขงแรง ความสามารถในการรบแรงดดของถาดโฟมเพมขน และมความสามารถในการตานทานการดดซบน าของถาดโฟมเพมขนดวย Soykeabkaew (2004) ไดวจยเกยวกบ ลกษณะของโฟมแปงมนส าปะหลงเสรมแรงดวยเสนใยปอกระเจาและเสนใยปาน พบวาเมอท าการเตมเสนใยรอยละ 5 – 10 จะท าใหคาความตานทานตอแรงดดโคง คามอดลสแรงดดโคงของโฟมแปงมคามากขน ซงในงานวจยนไดน าเสนอการผลตภาชนะยอยสลายไดทางชวภาพ โดยใชกาบกลวยเปนวตถดบหลกและใชกาว



3

แปงมนส าปะหลงเปนตวประสาน จากนนท าการทดสอบหาสมบตทางกลและทางภายภาพของวสด ประกอบไปดวย สมบตการตานแรงดดโคง มอดลสแรงดดโคง คาความหนาแนน และสมบตการซมน า

2. วสดอปกรณและวธการ 2.1 วสดอปกรณ

วสดประกอบไปดวยกาบกลวยสด แปงมนส าปะหลงไมดดแปร (Native starch) น าเปลา สวนของอปกรณประกอบไปดวยเครองป น ผาขาวบาง ตะแกรง บกเกอร เครองชงน าหนก มด เขยง เครองอดขนรปแบบใหความรอนในตว ผลตโดยบรษท Gotech Testing Machine INC (ขนาด 30 ตน) แมพมพส าหรบอดขนรป 2.2.กระบวนการเตรยมเสนใยกาบกลวยและตวประสาน

การเตรยมเสนใยกลวยเรมจากน ากาบกลวยสดมาหนใหเปนลกเตาขนาดประมาณ 2 x2 mm 5x5 mm และ 10x10 mm แลวน ากาบกลวยไปป น โดยเตมน าเปลาลงไปดวย เพอไมใหเสนใยตดในเครอง ป น น าเสนใยกลวยทป นเสรจมากรองน าออกดวยผาขาวบางจนเหลอแตเสนใย เสนใยกาบกลวยทไดจะมขนาดความยาวประมาณ 2 mm 5 mm และ 10 mm จากนนเตรยมตวประสานโดยน าแปงมนส าปะหลง(ไมดดแปร)ไปผสมกบน าเปลาในอตราสวนแปงตอน าเทากบ1 :4 คนใหแปงและน าเขากนจนไดน าแปง จงน า ไปผสมกบเสนใยกลวยทเตรยมไว แลวน าไปเขาสกระบวนการอดขนรป 2.3. กระบวนการอดขนรป

น าเสนใยกลวยทขนาดตางๆ ผสมกบน าแปงในอตราสวนตามทก าหนดไวดงตารางท 1 ซงจะมกรณศกษาทงหมด 9 กรณ จากนนน าวสดทผสมเรยบรอยแลวมาชงใหไดปรมาณ 140 g แลวน าไปอดขนรปดวยกระบวนการอดขนรปรอนดวยเครองอด(Compression molding machine) โดยจะใชแผนอลมเนยมฟอยล รองแมพมพทงดานบนและดานลางเพอปองกนไมใหชนงานตดแมพมพ จากนนตงคา

อณหภมในการอด 150 °C และตงคาความดนในการอดเทากบ 500 psi ท าการอดขนรปชนงานในแมพมพขนาด 19 x19 mm หนา 3 mm โดยจะใชเวลาอดชนงานทงหมด 15 min

ตารางท 1 แสดงคาอตราสวนของวสดส าหรบอดขนรป

Sample Fiber size

(mm) Fiber

content (%) Binder (%)

Case 1 2 66.67 33.33 Case 2 2 75 25 Case 3 2 100 0 Case 4 5 66.67 33.33 Case 5 5 75 25 Case 6 5 100 0 Case 7 10 66.67 33.33 Case 8 10 75 25 Case 9 10 100 0

2.4. กระบวนการทดสอบวสด

น าชนงานทผานกระบวนการอดขนรปเรยบรอยมาเตรยมส าหรบการทดสอบสมบตทางกลและสมบตทางกายภาพ ส าหรบทดสอบสมบตการตานแรงดดโคงจะเตรยมชนงานใหไดขนาด 12.7 x 60 mm จ านวน 8 ชน จากนนน าไปทดสอบแบบ Three point bendingตามมาตรฐาน ASTM D790-92 โดยก าหนดใหคาความเรวในการทดสอบ เทากบ 1.3 mm/min และคาระยะวางตวอยางเทากบ 48 mm สวนการทดสอบการดดซมน าหาไดโดยเตรยมชนงานขนาดกวาง 2.5 cm ยาว 5 cm ชงน าหนกชนงานกอนท าการทดสอบ (m1) น าชนงานแชในน าปราศจากไอออนทอณหภมหองเปนเวลา 60 sec จากนนน าชนงานมาชงน าหนกหลงการทดสอบ (m2) บนทกน าหนกทเปลยนแปลงของชนทดสอบและค านวณหาคารอยละการซมน าตามมาตรฐาน ABNT NM ISO 535,1999 ซงคารอยละการซมน าจะหาไดจากสมการท (1)



4

% การซมน า = (1)

การทดสอบหาความหนาแนนของชนงานโดยการวดปรมาตรและชงน าหนกของชนงาน จากนนน าคาทวดไดมาเขาสมการท (2) เพอหาความหนาแนน

= (2)

เมอ คอ ความหนาแนน m คอ มวล และ V คอ ปรมาตร ตามล าดบ

3. ผลการทดลองและวจารณผลการทดลอง 3.1 ผลการทดสอบสมบตการตานแรงดดโคง

ความสมพนธระหวางขนาดเสนใยและปรมาณเสนใยกลวยกบคาการตานแรงดดโคงแสดงดงรปท 1

รปท 1 กราฟแสดงความสมพนธระหวางสมบตการตานแรงดดโคงของภาชนะยอยสลายไดทางชวภาพจากกาบกลวย ขนาดเสนใยและปรมาณการเตมเสนใย

ตารางท 2 แสดงสมบตการตานแรงดดโคงของภาชนะยอยสลายไดทางชวภาพจากกาบกลวย

จากรปท 1 และตารางท 2 แสดงใหเหนวาขนาด

ของเสนใยนนมอทธพลตอสมบตการตานแรงดดโคงอยางมาก โดยเมอเสนใยมขนาดใหญขนจะท าใหสมบตการตานแรงดดโคงเพมมากขนตามไปดวย การเพมขนาดความยาวของเสนใยนนจะชวยเพมพนทสมผสของเสนใยมากขน ท าใหเสนใยมการผสานตวกบแปงไดด จงสงผลใหสามารถทนแรงดดโคงไดมาก สวนการเพมขนของปรมาณเสนใยนนจะท าใหสมบตการตานแรงดดโคงมคาลดนอยลง ซงชนงานในกรณทมเสนใยขนาด 10 mm และมปรมาณเสนใยเทากบ 66.67 % จะใหมสมบตการตานแรงดดโคงสงทสดเทากบ 4.3562 MPa

Fiber length (mm)

Fiber content (%)

Flexural strength (MPa)

2 66.67 1.4862

75 1.2787 100 0.2087

5 66.67 1.5687

75 1.3075 100 0.7625

10 66.67 4.5362

75 2.8037 100 1.0425



5

รปท 2 กราฟแสดงความสมพนธระหวางคามอดลสแรงดดโคงของภาชนะยอยสลายไดทางชวภาพจากกาบกลวย ขนาดเสนใยและปรมาณการเตมเสนใย

ตารางท 3 แสดงคามอดลสแรงดดโคงของภาชนะยอยสลายไดทางชวภาพจากกาบกลวย

จากรปท 2 และตารางท 3 แสดงคามอดลสแรงดดโคงของภาชนะยอยสลายไดทางชวภาพจากกาบกลวยทขนาดเสนใยและปรมาณเสนใยตางๆ จากผลการทดลองพบวา การเพมขนาดความยาวของเสนใยนนมผลท าใหคามอดลสแรงดดโคงเพมขนตามไปดวย ซงสอดคลองกบผลการทดสอบสมบตการตานแรงดดโคง สวนปรมาณการเตมเสนใยนนแสดงใหเหนวา เมอมการเพมเสนใยในปรมาณทมากขนจะท าใหมอดลสแรงดดโคงมคาลดลง ยกเวนในกรณทช นงานมขนาดเสน

ใย 5 mm ทมปรมาณเสนใย 100 % จะมคามอดลสแรงดดโคงมากกวา กรณทมปรมาณเสนใย 75 % โดยจากการทดสอบมคามอดลสแรงดดโคงสงสดเทากบ 463.6413 MPa ซงปรากฏในกรณทช นงานมขนาดเสนใยเทากบ 10 mm และมปรมาณเสนใยเทากบ 66.67 %

3.2 ผลการหาคาความหนาแนน

รปท 3 กราฟแสดงความสมพนธระหวางคาความหนาแนนของภาชนะยอยสลายไดทางชวภาพจากกาบ

กลวย ขนาดเสนใยและปรมาณการเตมเสนใย

ตารางท 4 แสดงคาความหนาแนนของภาชนะยอยสลายไดทางชวภาพจากกาบกลวย

Fiber length (mm)

Fiber content (%)

Density (g/cm3)

2 66.67 2.4382

75 2.1981 100 1.9921

5 66.67 2.4868

75 2.1743 100 2.4015

10 66.67 2.9050

75 3.0455 100 3.0530

Fiber length (mm)

Fiber content (%)

Flexural modulus (MPa)

2 66.67 179.9738

75 155.7325 100 23.2225

5 66.67 170.1975

75 118.6463 100 140.12

10 66.67 463.6413

75 235.18 100 100.3375



6

จากผลการหาคาความหนาแนนแสดงใหเหนวาการเพมขนของขนาดเสนใยนนท าใหคาความหนาแนนของชนงานเพมขนอยางมนยส าคญ สวนการเพมปรมาณของเสนใยนนไมสงผลกระทบตอความหนาแนนของชนงานมากเทาใดนก โดยพบวาชนงานมความหนาแนนสงทสดในกรณทเสนใยมขนาด 10 mm และมปรมาณเสนใย 100 % โดยมคาเทากบ 3.053 g/cm3 สาเหตทช นงานทมสวนผสมของตวประสาน (น าแปง) มคาความหนาแนนต ากวาชนงานทมเสนใย 100 % เนองจากวาน าแปงทผสมไปเปนตวประสานมสวนผสมของน า เมอน าไดรบความรอนจงมการระเหยตวออกไป ดวยเหตนจงท าใหเกดชองวางหรอรพรนในชนงาน ซงผลการทดลองทไดมความสอดคลองกบงานวจยของ Soykabkeaw (2004) ทท าการศกษาเกยวกบการเสรมแรงถาดโฟมแปงดวยเสนใยปานและปอกระเจา ซงผลจากการทดสอบพบวาถาดโฟมแปงทเสรมแรงดวยเสนใย เมอมการเพมความยาวของเสนใยจะสงผลใหคาความหนาแนนของถาดโฟมแปงเพมขนตามไปดวย โดยจะมความหนาแนนมากทสดทความยาวเสนใยเทากบ 20 mm

3.3 ผลการทดสอบการซมน า

รปท 4 กราฟแสดงความสมพนธระหวางคาการซมน าขนาดเสนใยและปรมาณการเตมเสนใย

ตารางท 4 แสดงคาการซมน าของภาชนะยอยสลายไดทางชวภาพจากกาบกลวย

Fiber length (mm)

Fiber content (%)

Increase weight (%)

2 66.67 207.6031

75 273.9312 100 261.0050

5 66.67 194.8895

75 242.8034 100 242.0853

10 66.67 187.9300

75 230.4009 100 205.7937

จากการทดสอบแสดงใหเหนวา คาการซมน าของทกกรณมคาใกลเคยงกนและมคาการซมน าทสงมาก เนองจากชนงานมองคประกอบของเสนใยจากธรรมชาตและแปงมนส าปะหลง ซงแปงมนส าปะหลงมสมบตพเศษ คอ เปนสารทชอบน า (Hydrophilic) จงท าใหมความสามารถในการซมน าเพมมากยงขน โดยชนงานทมขนาดเสนใยเลกทสด (2 mm) มคาการซมน ามากทสด เมอสงเกตจากผลการทดสอบการหาคาความหนาแนนของชนงาน พบวาชนงานทมเสนใยยาว 2 mm มคาความหนาแนนทนอยทสด ดวยเหตนจงท าใหโมเลกลของน าสามารถเคลอนตวแทรกเขาไปในโครงสรางภายในของชนงานไดงาย

4. สรปผลการทดลอง จากการศกษาแสดงใหเหนวาการเพมขนาดความ

ยาวของเสนใยมอทธพลตอคาการตานแรงดดโคงและคามอดลสแรงดดโคงของชนงานอยางมนยส าคญ ซงชนงานทมความยาวของเสนใยเทากบ 10 mm มสมบตการตานแรงดดโคงและคามอดลสแรงดดโคง ดทสดอยางเหนไดชดเจน สวนปรมาณการเตมเสนใยนนจะสงผลตอคาความหนาแนนของชนงาน พบวาการเตมปรมาณเสนใย 100 % จะท าใหชนงานมคา



7

ความหนาแนนมากทสด ซงจะสงผลใหคาการซมน าของชนงานลดลง แตกยงถอวาชนงานมคาการซมน าทคอนขางสงอย จงตองคดคนหาวธลดคาการซมน าของชนงานตอไป

6. เอกสารอางอง [1] Cinelli, P., Chiellini, E., Lawtom, J.W., Imam, S.H. (2006). Fomed articles based on potato starch, corn fibers and poly(vinyl alcohol), Polymer Degradation and Stability, Vol.91, pp. 1147-1155. [2] National innovation agency (2551). เทคโนโลยของประเทศผน าดานพลาสตกยอยสลายไดทางชวภาพ , [ระบบ ออนไลน ], แหลงทมาhttp://www.nia.or.th/download/document/charpter3.pdf [3] National metal and materials technology center. (2550). พลาสตกยอยสลายไดทางชวภาพ [ระบบ ออนไลน ], แหลงทมา http://www2.mtec.or.th/th/special/biodegradable_plastic/bio_de_plas.html [4] Shorgren, R.L., Lawton, J.W., Tiefenbacher, K.F. (2002). Baked starch foams: starch modifications and additives improve process parameters, structure and properties, Indrustrial Crop and Products, Vol. 16, pp. 69-79. [5] Soykeabkaew, N., Supaphol, P., Rujiravanit, R. (2004). Preparation and characterization of jute-and flax-reinforced starch-based composite foams, Carbohydrate Polymers, Vol.58, pp. 53-63. [6] Tiefenbacher, K. (1993). Starch-based foamed materials-use and degradation properties, J. Macromol. Sci., Pure Appl. Chem. A30, pp. 727-731. [7] ณฐพล ไขแสงศร, อรพน เกดชชน, ณฏฐา เลาหกลจตต, และสพจน ประทบทอง. ( 2553). การพฒนา

ถาดโฟมจากแปงมนส าปะหลงในการบรรจสมโอตดแตงสด, ว.วทย.กษ.41(3/1), 669 - 672. [8] ธนาวด ลจากภย (2551). พลาสตกยอยสลายได : อดต ปจจบน อนาคต , [ระบบออนไลน ], แหลงทมา http://www.vcharkarn.com/varticle/38245 [9] ส านกหอสมดและศนยสารสนเทศวทยาศาสตรและเทคโนโลย กรมวทยาศาสตรบรการ กระทรวงวทยาศาสตรและเทคโนโลย (2553). พลาสตกยอยสลายไดทางชวภาพ , [ระบบออนไลน ], แหลงทมา http://siweb.ass.go.th/repack/fulltext [10] องศมา บญไชยสรยา (2554). การผลตโฟมยอยสลายไดทางชวภาพจากแปงมนส าปะหลงเสรมแรงดวยเสนใยปาลมน ามน. วทยานพนธวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต, มหาวทยาลยสงขลานครนทร.

ME SUT-02

การประชมเสนอผลงานบณฑตศกษาวศวกรรมเครองกล มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร ครงท 10 2 มถนายน 2556 สตก จงหวดบรรมย

การผลตภาชนะบรรจจากล าตนมนส าปะหลง

Production of food container from cassava stalk

นท ฐานมน และ ทวช จตรสมบรณ *

สาขาวชาวศวกรรมเครองกล ส านกวชาวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร 111 ถนนมหาวทยาลย ต.สรนาร อ.เมอง จ.นครราชสมา 30000

*ตดตอ: E-mail: [email protected], เบอรโทรศพท 0-4422-4414, เบอรโทรสาร 0-4422-4613

บทคดยอ ปจจบนนมนษยมความหวงใยสงแวดลอมมากขน และเรมใหความสนใจกบภาชนะบรรจทยอยสลายได

ทางชวภาพซงมกนยมผลตจากวตถดบทางการเกษตร เชน แปงมนส าปะหลง แตภาชนะบรรจเหลานยงมขอจ ากดดานความแขงแรง และยงมการดดซบความชนสงเกนไป จงจ าเปนตองปรบปรงสมบตเหลานนดวยการ ผสมสารเตมแตงตาง ๆ อกหลายชนด ซงบางครงกจ าเปนตองใชสารเคม ซงนอกจากจะท าใหเปนวสดทไมเปนชวภาพลวนแลวยงท าใหภาชนะบรรจเหลานมราคาทสงอยมาก ดงนนในงานวจยนจะท าการศกษาวจยเพอผลตวสดยอยสลายไดทางชวภาพจากล าตนมนส าปะหลงสดดวยกระบวนการอดขนรป โดยการน าตนมนส าปะหลงสดมาบดละเอยด และเตมสารเกาะยด เชน หวมนส าปะหลงสด และแปงมนส าปะหลง เพอปรบสมบตใหใชงานไดในการบรรจอาหาร รวมทงจะศกษาถงผลกระทบของสวนประกอบตาง ๆ เหลานตอสมบตทงทางกลและทางกายภาพของภาชนะบรรจ ผลส าเรจทไดจากการศกษานจะชวยเพมมลคาใหกบผลผลตทางการเกษตรในประเทศ และชวยลดตนทนในการผลตภาชนะบรรจยอยสลายไดทางชวภาพ ค ำหลก: ภาชนะบรรจยอยสลายไดทางชวภาพ, ภาชนะบรรจผลตจากตนมนส าปะหลง, สารเกาะยดในวสดชวฐาน Abstract

Human has recently expressed more concerns for the environment and thus is searching for biodegradable food containers, made from agricultural material, such as cassava starch. However, these containers are relatively expensive and have some problems regarding mechanical properties and sensitivity to moisture. To improve these properties, researchers have tried mixing base materials with several different types of additives. Sometimes, it was necessary to use chemicals. These additives are expensive resulting into a high cost container; also it is not 100% bio-based material due to chemical additives. The objective of this work was to produce biodegradable materials from fresh cassava stalk by a compression process without using any chemical additives. Fresh cassava stalk was grinded and blended with binders, such as grinded fresh cassava root and cassava starch before being hot pressed into a container. The finished material will be tested for their mechanical and physical properties. The success of this study will add value to agricultural product while help save the environment at the same time.

Keywords: Biodegradable food container, Food container from cassava stalk, binder in bio-based material.

ME SUT-02


9

1. บทน า

ในปจจบนนปฏเสธไมไดวาผลตภณฑจ าพวกพลาสตกและโฟมไดถกใชงานอยางกวางขวาง เนองจากผลตภณฑเหลานมน าหนกเบา มสมบตทางกลทด ทนตอความชน และงายตอการขนรป [1] แตขยะพลาสตกและโฟมเหลานใชเวลาในการยอยสลายหลายชวอายคน ในหลายประเทศจงรณรงคใหหนมาใชพลาสตกทยอยสลายไดทางชวภาพซงเปนมตรตอสงแวดลอม แตพลาสตกสงเคราะหเหลานมขอจดในการใชงาน เนองจากมราคาทคอนขางสงเมอเทยบกบพลาสตกทวไป ดงนนจงมการศกษาถงการน าพอลเมอรจากธรรมชาตทสามารถยอยสลายไดมาผสมลงในพลาสตกสงเคราะหเหลานน [2, 3, 13] เพอลดตนทนในการผลต และตอมาจงมการน าพอลเมอรจากธรรมชาตมาใชเปนวตถดบหลกในการผลตเปนภาชนะบรรจยอยสลายไดทางชวภาพ [4-7]

แปงทสกดไดจากวตถดบจากภาคการเกษตร เชน มนส าปะหลง จะถกน าไปขนรปเปนวสดชวฐาน (Bio-based materials) ทยอยสลายไดทางชวภาพ โดยกรรมวธการผลตวสดยอยสลายไดจากแปงนนมหลกการทคลายกบการขนรปผลตภณฑพลาสตก จากปโตรเคม [4] สามารถท าไดหลายวธ เชน กระบวนการอดขนรป (Compression molding) กระบวนการอดรด (Extrusion process) กระบวนการฉดขนรป (Injection molding) หรออบดวยแมแบบรอน (Baking in hot mold) [2, 5, 7-9, 13] แตภาชนะบรรจยอยสลายไดทางชวภาพทใชแตแปงเพยงอยางเดยวนนเปราะ แตกหกงาย และมขอจ ากดอยางมากดานการตานทานน า [10] นกวจยหลายทานจงไดเตมเสนใย หรอสารเตมแตงตาง ๆ เพอปรบปรงสมบตของภาชนะบรรจ

การปรบปรงสมบตทางกลทงความแขงแรงและความยดหยน กระท าโดยการเตมเสนใย จากธรรมชาตตาง ๆ เชน เสนใยแอสเพน (Aspen fiber) เสนใยเซลลโลส และเยอคราฟท เปนตน โดยท Lawton et al. (2004) กลาววา ถาด

โฟมแปงขาวโพดจะมความแขงแรงเพมมากขน เมอเตมเสนใยแอสเพนเพมขน นอกจากน Kaisangsri et al. (2012) พบวาการเตมเยอคราฟทรอยละ 30 และความเขมขนของไคโตแซนรอยละ 4 ท าใหไดโฟมแปงมนส าปะหลงทมสมบตใกลเคยงกบโฟมพอลสไตรนทสด และในบางงานวจยไดกลาวถงอทธพลของขนาดเสนใยตอสมบตทางกลของโฟมแปงอกดวย [8]

มนส าปะหลงเปนพชเศรษฐกจทส าคญของประเทศไทย มปรมาณการผลตตด 1 ใน 5 ของโลก โดยทจงหวดนครราชสมานนเปนศนยกลางหลกในการผลตมนส าปะหลงของประเทศ [16] เกษตกรมกจะขยายการเพาะปลกโดยใชทอนพนธจากล าตน ท าใหมเศษล าตนเหลอทงจ านวนมาก นอกจากนล าตนมนส าปะหลงนนมสวนประกอบของเซลลโลส 56.4% เฮมเซลลโลส 20.2% ลกนน 17.4% และอน ๆ อก 6.0% [11] ซงเซลลโลสทเปนสวนประกอบหลกนนมหนาทสรางความแขงแรงแกเสนใย

ในหวมนส าปะหลงสดนนมแปงเปนสวนประกอบหลกมปรมาณสงถง 70-85% [17] มความเปนไปไดทจะน ามาท าเปนสารเกาะยดแทนน าแปง ซงจะท าใหสามารถลดเวลาและตนทนในกระบวนการผลตลงไปไดอกมาก อยางไรกดการใชหวมนส าปะหลงสดนนเปนแนวความคดใหมทยงไมมนกวจยทานใดไดทดลองใชมากอนเนองจากงานวจยจ าพวกนจะใชน าแปงเปนสวนประกอบหลก

แมวาในปจจบนจะมการพฒนาและปรบปรงสมบตของภาชนะบรรจไดใกลเคยงกบภาชนะบรรจพลาสตกจากปโตรเคมแลว แตภาชนะบรรจดงกลาวมสวนผสมของแปงในปรมาณมาก ยงผลใหตนทนในการผลตในระดบอตสาหกรรมคอนขางสง นอกจากนยงใชสารเตมแตงทสงเคราะหจากกระบวนการทางเคมอกดวย ดงนน ในงานศกษาวจยครงนจงมงเนนการผลตวสดยอยสลายไดทางชวภาพจากล าตนมนส าปะหลงสดดวยกระบวนการอดขนรปรอน โดยมน าแปงมนส าปะหลงและหวมนส าปะหลงสดเปนสารเกาะยด

ME SUT-02


10

2. วสดและวธการทดสอบ 2.1 วสด

มนส าปะหลง (พนธหวยบง 60 อายประมาณ 9 เดอน) ไดจากแปลงทดลองของฟารมมหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร เลอกใชชวงกลางของล าตนโดยวดขนมาจากพนประมาณ 20 เซนตเมตร ยาวประมาณ 100-120 เซนตเมตร ขนาดเสนผานศนยกลางประมาณ 2.0-3.5 เซนตเมตร น าไปเชดท าความสะอาดและบดลดขนาดจนไดขนาดอนภาคนอยกวา 2 มลลเมตร สวนหวมนส าปะหลงจะใชทงหวโดยน าไปเชดท าความสะอาดและบดละเอยด และแปงมนส าปะหลงผลตโดย บรษท สงวนวงษอตสาหกรรม จ ากด

รปท 1 ล าตนมนส าปะหลงบด

2.2 การเตรยมและการผลตชนทดสอบดวยกระบวนการอดขนรป

สารเกาะยดทใชในงานวจยน คอ น าแปงมนส าปะหลง (Cassava starch batter; SB) และหวมนส าปะหลงสด (Cassava root; R) ซงน าแปงทใชในงานวจยน ใชทอตราสวนของน าทผานการกรองดวยระบบรเวอรสออสโมซส (RO) ตอแปงมนส าปะหลงเปน 4:1 ซงเปนอตราสวนทดทสดจากการทดสอบ ความหนดของกาวแปงจากธรรมชาตในงานวจยกอนหนาน (ไมไดตพมพ)

ตารางท 1 สวนประกอบทใชเตรยมวสดยอยสลายไดจากล าตนมนส าปะหลงสด หวมนส าปะหลงสด และแปงมนส าปะหลง

สตร

ตนมนส าปะ หลงสด (กรม)

หวมนส าปะ หลงสด (กรม)

แปงมนส าปะ หลง

(กรม)

น า RO (กรม)

CONTROL 100 - - - SB25 100 - 5 20 SB50 100 - 10 40 SB75 100 - 15 60 SB100 100 - 20 80 R25 100 25 - - R50 100 50 - - R75 100 75 - - R100 100 100 - -

สารเกาะยดปรมาณ 0, 25, 50, 75 และ 100 กรม

ทใชในการเตรยมชนทดสอบแตละสตรนน (ตารางท 1) จะถกผสมเขากบตนมนส าปะหลง 100 กรม เปนเวลา 5 นาท หลงจากนนชงสวนผสมทไดแตละสตรประมาณ 150-175 กรม น ามาขนรปดวยเครองอดขนรปรอน (GOTECH, model GT-7014-A30, GOTECH Testing Machines Inc.) ในแมพมพขนาด 190 x 190 x 3 มลลเมตร แผนประกบแมพมพทงดานบนและลางจะรองดวยแผนเทฟลอนเพอปองกนการยดตดระหวางชนทดสอบและแผนประกบ การเรมตนของกระบวนการอดจะใหความรอนแกแมพมพเปลาทอณหภม 150 องศาเซลเซยส จนอณหภมคงท จากนนจงน าของผสมมาอนภายในแมพมพโดยไมใหความดนเปนเวลา 5 นาท เพอท าการระเหยน าออกจากของผสม จากนนเพมความดนอยางชา ๆ จนถง 500 psig และคงไวทอณหภมและความดนดงกลาวเปนเวลา 15 นาท เมอเสรจสนกระบวนการอดชดแมพมพจะถกปลอยใหเยนตวภายใตอณหภมหอง กอนท าการแกะชนทดสอบออกจากแมพมพเปนเวลา 1 นาท เพอ

ME SUT-02


11

ปองกนชนทดสอบบดงอ จากนนชนทดสอบทไดจะถกเกบไวทอณหภมประมาณ 25 องศาเซลเซยส เปนเวลาอยางนอย 24 ชวโมง กอนน าไปทดสอบสมบตทงทางกายภาพและทางกล

รปท 2 ชนทดสอบ

2.3 การศกษาสมบตของชนทดสอบ 2.3.1 การทดสอบความหนา

ชนทดสอบจะถกตรวจวดดวยเวอรเนยร คาลปเปอร (Digimatic, Mitutoyo, Japan) โดยท าการวดความหนาและหาคาเฉลยตวอยางละ 3 ต าแหนง จาก 10 ชนทดสอบในแตละสตร 2.3.2 การทดสอบความหนาแนน

การทดสอบหาความหนาแนนจะค านวณจากความสมพนธระหวางมวลและปรมาตร [12] โดยท าการหาคาเฉลยจาก 10 ชนทดสอบในแตละสตร 2.3.3 การทดสอบการดดซมน า

เตรยมชนทดสอบขนาด 2.5 x 5 เซนตเมตร ชงน าหนกชนทดสอบกอนน าไปแชในน าปราศจากไอออนเปนเวลา 60 วนาท หลงจากนนซบน าสวนเกนดวยกระดาษช าระและชงน าหนกอกครง คาปรมาณการดดซมน าจะค านวณจากมวลของน าทช นทดสอบดดซมไวสวนดวยมวลของน าหนกของชนทดสอบกอนแชน า [15] โดยท าการหาคาเฉลยจาก 3 ชนทดสอบในแตละสตร 2.3.4 การทดสอบแรงดดโคง

เตรยมชนทดสอบเปนรปสเหลยมผนผาโดยตดแตงขนาดตามมาตรฐาน ASTM D790-10 ดวยเครองเลอยสายพาน แลวขดผวชนทดสอบทผานการตดดวย

กระดาษทรายทมคาความละเอยดระดบตาง ๆ กน ท าการทดสอบแรงดดโคงดวยเครองทดสอบเอนกประสงค (Universal Testing Machine, INSTRON, model 5565) ภาระกรรมสงสด 5 kN ระยะหางแทนวางชนทดสอบ 48 มลลเมตร ความเรวทใชในการกดชนงาน 1.3 mm/min โดยท าการหาคาเฉลยอยางนอย 5 ชนทดสอบในแตละสตร

3. ผลการทดสอบและการวเคราะหผล 3.1 ผลการศกษากระบวนการอดขนรป

ปรมาณของผสมทเตมลงในแมพมพและไดเปนชนงานทรปรางสมบรณ คอ ประมาณ 150-175 กรม ซงส าหรบปรมาณทตนมนส าปะหลงลวนใช คอ 150 กรม และปรมาณของผสมทใชจะเพมมากขนตามปรมาณของสารเกาะยดทเพมขน เนองจากสารเกาะยดนนมความชนสง ความหนาแนนของของผสมจงมมากกวาสตรทใชตนมนส าปะหลงลวน [5] ถาของผสมทเตมในแมพมพมปรมาณทนอยเกนไปจะพบวานอกจากชนงานจะไมเปนแผนสมบรณแลวผวหนาของชนงานบรเวณขอบจะไมเปนผวเรยบอกดวย เนองจากการใสของผสมนนจะใสบรเวณตรงกลางของแมพมพ เมอใหแรงดนของผสมจะไหลไปไมถงขอบแมพมพ แรงดนทใหแกวสดจะเกดแคบรเวณตรงกลางเทานน ถาหากปรมาณของผสมทเตมในแมพมพมปรมาณทมากจนเกนไป จะมปรมาณของครบเหลอทงและน าทตองระเหยออกจากกระบวนการเปนจ านวนมาก สงผลใหกระบวนการอดรอนจะใชเวลาทนานมากขน นอกจากนน าสวนเกนนนจะท าลายชนงานในขณะเปดแมพมพซงสอดคลองกบงานวจยของ Lawton et al. (2004)

กระบวนการอดทใชในงานวจยนแบงออกเปน 2 จงหวะ คอ อนของผสมในแมพมพทอณหภมประมาณ 150 องศาเซลเซยสโดยไมใหความดนเปนเวลา 5 นาท และอดดวยความดน 500 psig ทอณหภมเดยวกนนนเปนเวลา 15 นาท ในกระบวนการอดทแบงเปน 2 จงหวะนนสอดคลองกบงานวจยของ Salgado et al. (2008) โดยสาเหตทแบงออกเปน

ME SUT-02


12

2 จงหวะเนองจากของผสมมปรมาณของน าทตองระเหยสง และขณะทใหความดนแกแมพมพนนจะไมมรระบายไอน าซงจะสงผลใหน าสวนเกนจะท าลายชนงานในขณะเปดแมพมพดงทกลาวไวแลวขางตน จงจ าเปนตองระเหยน าสวนเกนจากการอนในแมพมพกอนเปนเวลา 5 นาท หากเกนกวานจะท าใหผวหนาของชนงานไหมและแขง และของผสมทอยบรเวณกลางแผนทยงคงมความชนอยนนระเหยออกมาไมไดจนกลายเปนชนงานทไมเปนแผนสมบรณได

ส าหรบเวลาทใชในกระบวนการอดของงานวจยน คอ 15 นาท ถอวาสงมากเมอเทยบกบงานวจยของนกวจยทานอนทใชเวลาในการอด 1-7 นาท [6-9] เนองจากงานวจยเหลานนใชอณภมทสงประมาณ 200-250 องศาเซลเซยส และแมพมพมรระบายไอน าตลอดเวลาคลายกบทอบขนมรงผงท าใหสามารถก าจดไอน าสวนเกนไดในเวลาอนสน ส าหรบอณหภมทใชในงานวจยน (ประมาณ 150 องศาเซลเซยส) เปนอณหภมทเหมาะสมตอการอดชนงานใหเปนแผนสมบรณเนองจากมอณหภมทสงเกนอณหภม เจลาตไนซของแปงแลว คอ ประมาณ 70 องศาเซลเซยส ท าใหน าแปงเกดเปนเจลแปงและกลายเปนสารเกาะยดแกชนงานได ซงหากใชอณหภมทต ากวานแลวชนงานทเปนตนมนส าปะหลงลวนจะไมสามารถเกาะเปนแผนได และจะใชเวลาทนานขนในกระบวนการอด แตหากใชอณหภมทสงกวานจะตองใชเวลาในการอนแมพมพเปลาจนกวาอณหภมจะคงททนานยงขน 3.2 การวเคราะหลกษณะพนผวของชนทดสอบ

ตนมนส าปะหลงในชนทดสอบกระจายตวอยางไมมทศทาง และบางจดบนชนงานอาจจะมตนมนอยนอยเนองจากเปนธรรมชาตของกระบวนการอด กลาวคอไมมทศทางการไหลทแนนอนในเครองอดท าใหการจดเรยงตวของเสนใยจะเปนแบบสมตามทศทาง การไหล [5] ผวหนาของชนทดสอบทใชน าแปงเปนสารเกาะยด (รปท 3ก) จะมความเขากนไดมากกวาชนทดสอบทใชหวมนส าปะหลงเปนสารเกาะยด (รปท 3ข) เนองจากน าแปงสามารถแทรกซมไปได

ทวทงแมพมพไดด แตผวหนาของชนทดสอบทมปรมาณของน าแปงสง ๆ จะมผวหนาทราบเรยบนอยกวาทปรมาณน าแปงต ากวา เนองจากการก าจดน าสวนเกนนนจะท าลายผวหนาของชนงาน รปท 3ข จะแสดงจดสน าตาลเขมบนผวหนาของชนทดสอบซงเปนจดทหวมนส าปะหลงจบกลมเปนกอน เมอโดนความรอนจงเกดเปนเจลและไหม ซงอาจจะเกดจากเวลาทใชในกระบวนการผสมของผสมเพยง 5 นาท นนยงไมเพยงพอทจะท าใหหวมนส าปะหลงแทรกซมเขาไปในตนมนส าปะหลงไดอยางทวถง

รปท 3 ชนทดสอบทม (ก) น าแปง และ (ข) หวมนส าปะหลง เปนสารเกาะยด

3.3 การวเคราะหความหนาและความหนาแนน

ความหนาและความหนาแนนของชนทดสอบแสดงในตารางท 2 ความหนาของชนทดสอบมคาประมาณ 3.16-3.40 มลลเมตร โดยทการเปลยนแปลงในแตละสตรนนไมสงผลตอความหนาของชนงานในทางสถต สวนความหนาแนนของ ชนทดสอบมคาประมาณ 0.4595-0.6453 g/cm3 เมอปรมาณน าแปงเพมสงขน ความหนาแนนของชนทดสอบจะลดต าลงเนองจากน าแปงทแทรกซมอยในเนอวสดนนจะพองตวและระเหยออกเมอถกความรอน และไอน าทเกดขนจะมพฤตกรรมเปนสารพองตว (Blowing agent) กอใหเกดรพรนภายในชนทดสอบซงเปนลกษณะของโฟม [8] แตเมอเพมปรมาณของหว มนส าปะหลงพบวาความหนาแนนจะเพมสงขนจากการทหวมนส าปะหลงนนเขาไปเตมเตมชองวางระหวางอนภาคของตนมนส าปะหลงไดดข น

ก ข

ME SUT-02


13

ตารางท 2 แสดงความหนา และความหนาแนนใน แตละสตรของชนทดสอบจากล าตนมนส าปะหลงสด น าแปงมนส าปะหลง และหวมนส าปะหลงสด

สตร ความหนา (mm)

ความหนาแนน (g/cm3)

CONTROL 3.16 ± 0.11 0.5136 ± 0.0645 SB25 3.30 ± 0.09 0.6068 ± 0.0250 SB50 3.19 ± 0.08 0.4712 ± 0.0116 SB75 3.19 ± 0.06 0.4978 ± 0.0122 SB100 3.40 ± 0.07 0.4595 ± 0.0107 R25 3.25 ± 0.06 0.5530 ± 0.0245 R50 3.32 ± 0.05 0.5867 ± 0.0200 R75 3.26 ± 0.06 0.6175 ± 0.0162 R100 3.16 ± 0.09 0.6453 ± 0.0260 หมายเหต ขอมลแสดงในรปของคาเฉลย ± สวนเบยงเบนมาตรฐาน

คาความหนาแนนในงานวจยนสงกวาคาความหนาแนนของโฟมพอลสไตรน ( EPS) คอ 0.05-0.09 g/cm3 [7] เนองจากปรมาณของตนมนจ านวนมากจะปองกนการพองตวและขยายตวของน าแปง นอกจากนความหนาแนนในงานวจยยงสงกวาคาความหนาแนนของถาดโฟมแปงมนส าปะหลงทผสมน ายางธรรมชาตและไคโตแซน คอ 0.13-0.15 g/cm3 [7] อกดวย แตอยางไรกตาม คาความหนาแนนทไดนนมความใกลเคยงกบถาดโฟมแปงมนส าปะหลงทผสมโปรตนดอกทานตะวนและเสนใยเซลลโลส คอ 0.456-0.587 g/cm3 [6] 3.4 การวเคราะหการดดซมน า

คาการดดซมน าของชนทดสอบมคาประมาณ 14-88% หลงการแชในน าเปนเวลา 1 นาท ดงแสดงในรปท 4 โดยทช นทดสอบจากตนมนส าปะหลงลวนมคาการดดซมน าทประมาณ 66% และจะลดต าลงเมอเตมสารเกาะยดเขาไปในสวนประกอบยกเวนสตรผสมทใชตนมนส าปะหลงตอน าแปงเปน 1:1 (SB100) และจากรปท 4 พบวาเมอเตมน าแปงในปรมาณทเพมสงขน

รปท 4 การดดซมน าของชนทดสอบทเตรยมจาก ตนมนส าปะหลง น าแปงมนส าปะหลง

และหวมนส าปะหลง

จะท าใหคาการดดซมน าเพมมากขนดวยเนองจากแปงมสมบตทชอบน า (Hydrophilic) [10] แตในทางตรงกนขาม ชนทดสอบทใชหวมนส าปะหลงเปนสารเกาะยดโดยเฉพาะสตรผสม R25, R50 และ R100 นนมคาการดดซมน าทไมแตกตางกน คอ ประมาณ 22-34% และมคาการดดซมน าต าทสดคอ ทอตราสวนของตน มนส าปะหลงตอหวมนส าปะหลงเปน 1:1 (R100) ทงนเนองจากการใชหวมนส าปะหลงเปนสารเกาะยดนนจะมความหนาแนนทสงกวาการใชน าแปง ชองวางภายในชนทดสอบจะมนอยกวา จงท าใหคาการดดซมน ามคาต ากวา หากพจารณาทอตราสวนเดยวกน การใชหวมนส าปะหลงเปนสารเกาะยดจะมคาการดดซมน าทนอยกวาใชน าแปง

ส าหรบการทดสอบคาการดดซมน าในงานวจยนจะทดสอบดวยการแชในน าเพยง 1 นาท แตคาการดดซมน าทไดถอวาสงพอควร และจะเพมขนอกมากหากเพมเวลาในการแชน า หมายความวาภาชนะบรรจทไดจากวสดเหลานจะมขอดอยเรองการทนตอความชนอย จ าเปนตองปรบปรงสมบตดวยการเคลอบผวชนงานหรอการเตมสารเตมแตงอน ๆ ทมความไมชอบน า (Hydrophobic) ลงไป เชน น ายางธรรมชาต หรอน ามน เปนตน [9] อยางไรกดคาการดดซมน าทไดจากการทดสอบในงานวจยนมความใกลเคยงกบงานวจยของ Salgado et al. (2008) กลาวคอถาดโฟมแปงมน

ME SUT-02


14

ส าปะหลงทผสมโปรตนดอกทานตะวนและ เสนใยเซลลโลส คอ ประมาณ 28-40% 3.5 การวเคราะหการทดสอบแรงดดโคง

การตานทานแรงดดโคง (Flexural strength) และคามอดลสแรงดดโคง (Flexural modulus) ของชนทดสอบแสดงดงรปท 5 และ 6 ตามล าดบ ซงคาการตานทานแรงดดโคงมคาประมาณ 5.31-13.72 MPa ชนทดสอบทเปนตนมนส าปะหลงลวนมคาเฉลยทประมาณ 7.31 MPa แตมชวงของความผดพลาดสงมากเนองจากวาไมมสารเกาะยดเนอวสดสงผลใหชนทดสอบไมเปนเนอเดยวกน สมบตของชนทดสอบจงมความไมสม าเสมอ และชนทดสอบทใชน าแปงสตรผสม SB25 จะมคาการตานทานแรงดดโคงสงทสดท 13.72 MPa สวนอตราสวนทเหลอนนไมมความแตกตางกนทางสถตโดยมคาประมาณ 5.31-6.06 MPa และชนทดสอบทใชหวมนส าปะหลงเปนสารเกาะยดมคาการตานทานแรงดดโคงทไมแตกตางกน โดยมคาประมาณ 8.96-11.31 MPa อยางไรกดคาการตานทานแรงดดโคงของชนทดสอบในงานวจยนลวนมคาทสงกวาโฟมพอลสไตรนทมคาประมาณ 1.3 MPa ดงนนชนงานทผลตไดนนมโอกาสทจะน าไปใชแทน โฟมพอลสไตรนได

คามอดลสการดดโคงมคาประมาณ 900-2350 MPa (รปท 6) ซงมคาใกลเคยงกบพลาสตกสตารช

รปท 5 การตานทานแรงดดโคงของชนทดสอบ ทเตรยมจากตนมนส าปะหลง น าแปงมนส าปะหลง


(Starch plastic) ทไดจากการอดขนรปเยนของโฟมขาวสาล คอ 1032 MPa [4] ส าหรบชนทดสอบทไดจากตนมนส าปะหลงลวนมคาประมาณ 1143 MPa แตมชวงความผดพลาดทสงมากเชนเดยวกบ คาการตานทานแรงดดโคง ส าหรบชนทดสอบทใช น าแปงเปนสารเกาะยดจะมคามอดลสการดดโคงสงทสดทอตราสวน 4:1 คอประมาณ 2350 MPa สวนอตราสวนทเหลอนนไมมความแตกตางกนโดยมคาประมาณ 900-1160 MPa แตชนทดสอบทใชหวมนส าปะหลงเปนสารเกาะยดนนมคาทไมแตกตางกนในทางสถต และมคาทสงกวาเมอเทยบกบการใช น าแปงในอตราสวนเดยวกนโดยมคาประมาณ 1730-1890 MPa

หากพจารณาแคการตานทานแรงดดโคงส าหรบชนงานทจะน าไปใชงานจรงสามารถเลอกใชไดในทกอตราสวน กลาวคอมคาทสงกวาโฟมพอลสไตรนอยพอควร แตถาพจารณาถงการคงรปตอชนงานแลวนนจะพจารณาถงคามอดลสซงเปนคาทบงบอกถงความแขงแกรงของวสด โดยทน าแปงอตราสวน 4:1 จะคงรปไดดทสด รองลงมาจะเปนการใชหวมนส าปะหลงเปนสารเกาะยดโดยสามารถเลอกใชไดในทกอตราสวน และในงานวจยนไมไดศกษาความสมพนธระหวางสมบตทางกลและปรมาณความชนตอชนทดสอบ

รปท 6 คามอดลสการดดโคงของชนทดสอบ ทเตรยมจากตนมนส าปะหลง น าแปงมนส าปะหลง


ME SUT-02


15

4. บทสรป ปจจบนนมนษยใสใจปญหาสงแวดลอมมากขน

และเรมหนมาใชภาชนะยอยสลายได โดยในงานวจยนมงเนนการผลตวสดทยอยสลายไดทางชวภาพซงใชวตถดบหลกเปนล าตนมนส าปะหลงสดทเปนผลผลตจากภาคการเกษตรทมความส าคญอยางมาก ในประเทศไทยดวยกระบวนการอดขนรปรอน โดยมน าแปงมนส าปะหลงและหวมนส าปะหลงสดเปนสารเกาะยดเพอใหไดชนงานทเปนแผนสมบรณ

ผวหนาของชนทดสอบทใชน าแปงเปนสารเกาะยดในปรมาณทมากกวาจะมโอกาสทผวหนาจะราบเรยบนอยกวาจากการระเหยน าสวนเกน สวนชนทดสอบทใชหวมนส าปะหลงสดเปนสารเกาะยดอาจมรอยไหมเปนจดจากการจบกลมเปนกอนเจลซงอาจสงผลตอความไมสม าเสมอของสมบตของชนทดสอบ การเพมขนของปรมาณสารเกาะยดไมสงผลตอ ความหนาของชนทดสอบ แตความหนาแนนจะลดต าลงและการดดซมน าจะเพมขนหากเพมปรมาณ น าแปงขน ในขณะทการเพมขนของปรมาณหว มนส าปะหลงสดนนสงผลใหความหนาแนนสงขนและการดดซมน าลดต าลงเลกนอย และเมอเทยบทอตราสวนเดยวกนพบวาทปรมาณสารเกาะยดสง ๆ คาการตานทานแรงดดโคงและคามอดลสการดดโคงของชนทดสอบทใชหวมนส าปะหลงสดเปนสารเกาะยดจะมคาสงกวาการใชน าแปง

ผลทไดจากการศกษาวจยนพบวาวสดเหลานสามารถเปนอกหนงทางเลอกทจะทดแทนโฟม พอลสไตรน แตถงแมในงานวจยนจะมขอเดนทเปนวสดชวภาพลวน และมความแขงแรงพอควร แตยงมขอดอยในเรองการทนตอความชน ดงนนจงจ าเปนตองมการศกษา วจย และปรบปรงสมบตดงกลาวตอไป

5. กตตกรรมประกาศ

ขอขอบคณมหาวทยาลยเทคโนโลยสรนารส าหรบการสนบสนนดานเครองมอและอปกรณทใชในงานวจย

6. เอกสารอางอง 6.1 บทความจากวารสาร (Journal) [1] Glenn, G.M., Orts, W.J. (2001). Properties of starch-based foam formed by compression /explosion processing. Industrial Crops and products, Vol. 13, pp. 135-143. [2] Petnamsin, C., Termvejsayanon, N., Sriroth, K. (2000). Effect of particle size on physical properties and biodegradability of cassava starch/polymer blend. Kasetsart Journal: Natural Science, Vol. 34, Issue 2, pp. 254-261. [3] Teixeira, E.M., Curvelo, A.A.S., Correa, A.C., Marconcini, J.M., Glenn, G.M., Mattoso, L.H.C. (2012). Properties of thermoplastic starch from cassava bagasse and cassava starch and their blends with poly (lactic acid). Industrial Crops and Products, Vol. 37, pp. 61-68. [4] Glenn, G.M., Hsu, J. (1997). Compression-foamed starch-based plastic. Industrial Crops and Products, Vol. 7, pp. 37-44. [5] Lawton, J.W., Shogren, R.L., Tiefenbacher, K.F. (2004). Aspen fiber addition improves the mechanical properties of baked cornstarch foams. Industrial Crops and Products, Vol. 19, pp. 41-48. [6] Salgado, P.R., Schmidt, V.C., Ortiz, S.E.M., Mauri, A.N., Laurindo, J.B. (2008). Biodegradable foam based on cassava starch sunflower proteins and cellulose fibers obtained by a baking process. Journal of Food Engineering, Vol. 85, pp. 435-443. [7] Kaisangsri, N., Kerdchoechuen, O., Laohakunjit, N. (2012). Biodegradable foam tray from cassava starch blended with natural fiber and chitosan. Industrial Crops and Products, Vol. 37, pp. 542-546.

ME SUT-02


16

[8] Carr, L.G., Parra, D.F., Ponce, P., Lugao, A.B., Buchler, P.M. (2006). Influence of fibers on the mechanical properties of cassava starch foams. Journal of Polymers and the Environment, Vol. 14, pp. 179-183. [9] Shey, J., Imam, S.H., Glenn, G.M., Orts, W.J. (2006). Properties of baked starch foam with natural rubber latex. Industrial Crops and Products, Vol. 24, pp. 34-40. [10] Shogren, R.L., Lawton, J.W., Tiefenbacher, K.F. (2002). Baked starch foams: starch modifications and additives improve process parameters, structure and properties. Industrial Crops and Products, Vol. 16, pp. 69-79. [11] Magesh, A., Preetha, B., Viruthagiri, T. (2011). Simultaneous saccharification and fermentation of tapioca stem var.226 White Rose to ethanol by cellulose enzyme and Saccharomyces cerevisiae. International Journal of Chemtech Research, Vol. 3, pp. 1821-1829. [12] Shogren, R.L., Lawton, J.W., Doane, W.M., Tiefenbacher, K.F. (1998). Structure and morphology of baked starch foams. Polymer, Vol. 39(25), pp. 6649-6655. 6.2 บทความจากเอกสารประกอบการประชม (Proceedings) [13] รงสมา ชลคป, ชลธชา นมหอม และ กลาณรงค ศรรอต. (2541). ผลของปรมาณแปงมนส าปะหลงตอสมบตทางกายภาพและสมบตการยอยสลายไดของแปง /polycaprolactone เบลนด. ในการประชมทางวชาการของมหาวทยาลยเกษตรศาสตร ครงท 36, กรงเทพฯ, หนา 247. 6.3 หนงสอ [14] ASTM D790-10. (2010). Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced

and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials. In Annual Book of ASTM Standards. [15] ISO 535. (1991). Paper and board - Determination of water absorptiveness - Cobb method. 6.4 เวบไซด [16] สมาคมการคามนส าปะหลงแหงประเทศไทย . (2553). ปรมาณผลผลตหวมนส าปะหลงฤดการผลตป 2553/54, [ระบบออนไลน], แหลงทมา : http://www. thailandtapiocastarch.net/download/download-th-33.pdf, เขาดเมอวนท 15 พฤษภาคม 2556. [17] มลนธสถาบนพฒนามนส าปะหลงแหงประเทศไทย. (2543). องคประกอบหวมนส าปะหลง, [ระบบออนไลน]. แหลงทมา : http://www.tapiocathai.org/ D.html, เขาดเมอวนท 15 พฤษภาคม 2556.

ME SUT-03

การประชมเสนอผลงานบณฑตศกษาวศวกรรมเครองกล มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร ครงท 10 1-2 มถนายน 2556 สตก จงหวดบรรมย

สมบตเชงกลของวสดรไซเคลจากเศษเมลามนดวยการขนรปแบบแมพมพรอนและ

แมพมพเยน Mechanical Properties of Recycled Material from Waste Melamine Formed by Hot

Molding and Cold Molding Processes

สมศกด ศวด ารงพงศ1, เฉลมชย ไชยธงรตน2*

1 ส านกวศวกรรมการผลต มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร ต.สรนาร อ.เมอง จ.นครราชสมา 30000 2 ส านกวศวกรรมเครองกล มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร ต.สรนาร อ.เมอง จ.นครราชสมา 30000

*เฉลมชย: [email protected], 087-2432909

บทคดยอ งานวจยนศกษาสมบตเชงกลของวสดรไซเคลจากเศษเมลามน โดยการน าผงเศษเมลามนทไดจาก

กระบวนการขนรปผลตภณฑเมลามน มาผสมกบผงเมลามนฟอรมาลดไฮดเรซนใหม ทยงไมผานกระบวนการขนรป โดยจะทดลองการขนรปสองวธ คอ ขนรปแบบแมพมพรอน และขนรปแบบแมพมพเยน ในการศกษาครงนท าการขนรปชนทดสอบทสวนผสม 10% 20% 30% 40% และ 50% ของเศษเมลามน โดยท าการทดสอบการตานแรงดดโคง แรงกด แรงกระแทก การวเคราะหเทอรโมกราวเมทรก และการเปลยนแปลงพลงงานความรอน ซงงานวจยนเปนทคาดหวงวาจะเปนแนวทางในการรไซเคลเศษเมลามน โดยสมบตเชงกลและสมบตทางความรอนทไดจะสามารถน าไปใชในงานรไซเคลวสดตอไป ค ำหลก: เมลามนฟอรมาลดไฮดเรซน, รไซเคล, เทอรโมเซตตงพลาสตก Abstract A study on the mechanical properties of recycled materials from waste melamine is presented in this paper. The waste melamine and virgin melamine were mixed and formed by hot and cold compression molding procedure. These specimens were then tested using three point bending, compression, impact thermogravimetric analysis and Differential Scanning Calorimetry. Five weight fractions of waste melamine particles 10%, 20%, 30%, 40% and 50% were chosen in this studied. It is expected to clarify a form and degradation of the waste melamine particle in the recycled materials. The related properties of the specimen will be investigated and matched with applications of the recycled material in the further study. Keywords: Melamine-formaldehyde Resin, Recycle, Thermosetting plastic.

ME SUT-03


18

1. บทน า เมลามนฟอรมาลดไฮดเรซน (Melamine-

formaldehyde Resin) เปนพลาสตกเทอรโมเซต (Thermosetting Plastic) ทมการใชงานอยางมาก หลายรปแบบในงานผลตภณฑตาง ๆ เชน ภาชนะบรรจอาหาร โตะ เกาอ เปนตน และเปนททราบโดยทวไปวา พลาสตกเทอรโมเซต จะคงรปหลงการผานความรอนหรอแรงดนเพยงครงเดยว เมอเยนตวลงจะแขงมาก ทนทานตอการเปลยนแปลงอณหภมและปฏกรยาเคมไดด ไมออนตวและเปลยนรปรางไมได แตถาอณหภมสงกจะแตกและไหมเปนขเถาสด า พลาสตกประเภทนโมเลกลจะเชอมโยงกนเปนรางแหจบกนแนน แรงยดเหนยวระหวางโมเลกลแขงแรงมาก จงไมสามารถน ากลบมาหลอมไดอก [2]

ในกระบวนการขนรปผลตภณฑเมลามนตาง ๆ จะใชความรอนและแรงอดควบคกน โดยมเมลามน ฟอรมาลดไฮดเรซนเปนวตถดบ ซงในกระบวนการดงกลาวจะเกดเศษวสด (Scrap) บรเวณขอบของผลตภณฑ จงท าใหเกดเศษเมลามน (Waste Melamine) จ านวนมากทไมสามารถน ากลบมาหลอมใหออนตวเพอทจะขนรปซ าไดอก

ดงนนงานวจยนจงมวตถประสงคเพอหาแนวทางในการรไซเคล (Recycling) เศษเมลามน

2. การด าเนนงาน

2.1 วสด วสดทใชในการศกษาครงนคอ เศษเมลามนจาก

กระบวนการขนรปผลตภณฑเมลามน และผงเมลามนฟอรมาลดไฮดเรซนใหม (Virgin Melamine-formaldehyde Resin) ทยงไมผานกระบวนการขนรป

เศษเมลามนทไดจากบรษทผประกอบการ จะถกน ามาบดเปนผงดวยหมอบด (ball mill) และรอนดวยตะแกรงรอน (Sieve) ทเลขบอกขนาดชองตะแกรงรอน (Sieve number) 100 โดยผงเศษเมลามนทไดจะมขนาดอนภาค (Particle size) ตงแต 1-150 ไมโครเมตร โดยผงเศษเมลามนจะถกน ามาผสมกบ ผงเมลามนฟอรมาลดไฮดเรซนใหม ทสดสวน 10%

20% 30% 40% และ 50% ของผงเศษเมลามน และจากสวนผสมดงกลาวจะถกน ามาขนรปเปนชนทดสอบ (Specimen) โดยการขนรปสองวธ คอ ขนรปแบบแมพมพรอน (Hot Compression molding) ทอณหภม 160 องศาเซลเซยส ความดน 100 กโลกรม/เซนตเมตร 2 เปนเวลา 65 วนาท และขนรปแบบแมพมพเยน (Cold Compression Molding) ทความดน 8 ตน จากนนจะน าไปอบเตรยม (Preheat) ทอณหภม 100 เปนเวลา 15 ชวโมง แลวน าไปเผาซนเทอร (Sintering) ทอณหภม 160 เปนเวลา 1 ชวโมง 2.2. การวเคราะหขนาดอนภาค

การวเคราะหขนาดอนภาคของผงเศษเมลามนและผงเมลามนฟอรมาลดไฮดเรซนใหม โดยใชเครองวเคราะหขนาดอนภาคแบบเลยวเบน (Diffraction Particle size analyzer) ของบรษท Horiba รน LA-950V2 เครองมอนประกอบดวยแหลงก าเนดแสงสองแหลง คอ ฮเลยม-นออน เลเซอร ขนาดความยาวคลน 632.8 นาโนเมตร ควบคกบหลอดไฟทงสเตนสฟาขาวด า ขนาดความยาวคลน 405 นาโนเมตร [5] 2.3. การทดสอบการดดโคงแบบสามจด

ชนทดสอบทใชส าหรบการทดสอบการดดโคงแบบสามจด โดยมขนาดความกวาง 12.7 มม. ยาว 80 มม. และหนา 2.7 มม. ทดสอบดวยเครองทดสอบวสดเอนกประสงค (Universal Testing Machine 5560) โหลดเซลลขนาด 5 กโลกรมนวตน ทอตราสวนระยะตอความลก 16 ดวยความเรวในการทดสอบ 2 มม./นาท ตามมาตรฐาน American Society for testing and Material (ASTM D790) [3] 2.4. การทดสอบการกระแทก

ชนทดสอบทใชส าหรบการทดสอบการกระแทก โดยมขนาดความกวาง 12.7 มม. ยาว 63.5 มม. และหนา 2.7 มม. ทดสอบดวยเครองทดสอบแรงกระแทก (impact testing machine) ทการทดสอบแบบ Izod ตามมาตรฐาน ASTM D238 )

ME SUT-03


19

2.5. การทดสอบแรงกด ชนทดสอบทใชส าหรบการทดสอบแรงกด โดยม

ขนาดเสนผาศนยกลาง 12.7 มม. สง 25.4 มม. ทดสอบดวยเครองทดสอบวสดเอนกประสงค (Universal Testing Machine 5560) โหลดเซลลขนาด 50 กโลกรมนวตน ดวยความเรวในการทดสอบ 1.33 มม./นาท ตามมาตรฐาน ASTM D695 คาสมบตเชงกลค านวณโดยใชคาเฉลยอยางนอย 6 ชนทดสอบ 2.6. การวเคราะหเทอรโมกราวเมทรก

การทดสอบการเปลยนแปลงน าหนกตออณหภมของชนทดสอบทข นรปแบบแมพมพรอนและขนรปแบบแมพมพเยน เปรยบเทยบกบผงเมลามนฟอรมาลดไฮดเรซนใหม โดยใชเทคนคการวเคราะหเทอรโมกราวเมทรก (thermogravimetric analysis: TGA) ดวยเครอง SDT 2960 simultaneous DSC-TGA ซงชนทดสอบจะถกท าใหเปนผงน าหนกประมาณ 10 มลลกรม โดยชวงการใหความรอนทอณหภม 35-900 องศาเซลเซยส ดวยอตราการเพมอณหภมคงทสามชวงอณหภมท 2.5 2 และ 5 องศาเซลเซยส/นาท ตามล าดบ ภายใตบรรยากาศไนโตรเจนอตราคงท 83 มลลลตร/นาท [4] 2.5. Differential Scanning Calorimetry

การทดสอบการเปลยนแปลงพลงงานความรอนตออณหภม ของชนทดสอบทข นรปแบบแมพมพรอน และขนรปแบบแมพมพเยน เปรยบเทยบกบเมลามนฟอรมาลดไฮดเรซนใหม โดยใชเทคนค (Differential Scanning Calorimetry: DSC) ดวยเครอง Perkin Elmex instruments piloted ใชโปรแกรม Pyris Diamond DSC ในการค านวณและบนทกคา ซงชนทดสอบจะถกท าใหเปนผงและบรรจลงในถวยอะลมเนยมประมาณ 9 มลลกรม โดยใชถวยอะลมเนยมเปลา (อากาศ) เปนตวอางอง ชวงการใหความรอนทอณหภม 40-200 องศาเซลเซยส ดวยอตราการเพมอณหภมคงท 5 องศาเซลเซยส/นาท ภายใตบรรยากาศไนโตรเจนอตราคงท 20 มลลลตร/นาท

3. ผลการทดสอบ 3.1. การวเคราะหขนาดอนภาค

ขนาดอนภาคทวดไดจากการทดสอบการวเคราะหขนาดอนภาคดวยเทคนคการเลยวเบนของอนภาคโดยระบเปนคาเฉลยขนาดอนภาคของเมลามนฟอรมาลดไฮดเรซนใหมกบเศษเมลามนดงแสดงในตารางท 1 จากตารางพบวาขนาดอนภาคเฉลยของเศษเมลามนมขนาดเลกกวาขนาดอนภาคเฉลยของเมลามนฟอรมาลดไฮดเรซนใหม ดงแสดงในตารางท 1

ตารางท 1 ขนาดอนภาคเฉลยของผงเมลามนฟอรมาลดไฮดเรซนใหมกบผงเศษเมลามน

Median Size (µm)

Mean Size (µm)

Std. Dev. (µm)

Pure MM 14.98 17.05 8.89 Waste MM 7.89 9.39 6.41

3.2. ผลการทดสอบการดดโคงแบบสามจด

รปท 1 แสดงความสมพนธระหวางความตานทานแรงดนโคงกบรอยละเศษเมลามน จากการทดสอบพบวา คาความตานทานแรงดดโคงมแนวโนมลดลงเลกนอยเมอปรมาณเศษเมลามนเพมมากขน โดยคาความตานทานแรงดนโคงไมเปลยนแปลงอยางมนยส าคญ และยงทราบอกวา ชนทดสอบทข นรปแบบแมพมพรอน มคาความตานทานแรงดดโคงสงกวาชนทดสอบทข นรปแบบแมพมพเยน [6,8,9,]

รปท 1 แสดงความสมพนธระหวางความตานทาน

แรงดนโคงกบรอยละเศษเมลามน

ME SUT-03


20

จากผลการทดสอบการดดโคงแบบสามจด สามารถกลาวไดวา แรงยดเหนยวทไมเพยงพอระหวางวสดพอลเมอร (polymer matrix) กบอนภาคตวเตม (filler particle) เนองจากสารตวเตมทเปนแบบอนภาคไมสามารถตานทานรอยแตก (crack) เหมอนกบสารตวเตมทเปนแบบเสนใย (fiber reinforced) ท าใหชนทดสอบมคาความตานทานแรงดดโคงลดลง [1] 3.3. ผลการทดสอบการกระแทก

รปท 2 แสดงความสมพนธระหวางความทนทานตอการกระแทกกบรอยละเศษเมลามน จากการทดสอบพบวา คาความทนทานตอการกระแทกมแนวโนมลดลง เมอปรมาณเศษเมลามนเพมมากขน เมอเพมปรมาณเศษเมลามนท 10% 20% 30% และ 40% ท าใหทราบวาคาความทนทานตอการกระแทกไมแตกตางกนอยางมนยส าคญ และยงทราบอกวาชนทดสอบทข นรปแบบแมพมพเยน ทปรมาณเศษเมลามนท 50% ไมสามารถทนทานตอการกระแทกไดเลย

รปท 2 แสดงความสมพนธระหวางความทนทานตอการกระแทกกบรอยละเศษเมลามน

จากผลการทดสอบการกระแทก สามารถกลาวไดคลายกนกบผลการทดสอบการดดโคงแบบสามจดกลาวคอ แรงยดเหนยวทไมเพยงพอระหวางวสดพอลเมอรกบอนภาคตวเตม เนองจากสารตวเตมทเปนแบบอนภาคไมสามารถตานทานรอยแตกเหมอนกบสารตวเตมทเปนแบบเสนใย ท าใหชนทดสอบมคาความทนทานตอการกระแทกลดลง

3.4. ผลการทดสอบแรงกด

รปท 3 แสดงความสมพนธระหวางความตานทานแรงกดกบรอยละเศษเมลามน จากการทดสอบพบวา คาความตานทานแรงกดมแนวโนมเพมขน เมอปรมาณเศษเมลามนเพมมากขน โดยทช นทดสอบทข นรปแบบแมพมพรอน มคาความตานทานแรงกดไมเปลยนแปลงอยางมนยส าคญ

จากการทดสอบยงทราบอกวา ชนทดสอบทข นรปแบบแมพมพเยน ทปรมาณเศษเมลามน 10% 20% 30% และ 40% มคาความตานทานแรงกดเพมขนตามล าดบ เมอเทยบกบชนทดสอบของเมลามนฟอรมาลดไฮดเรซนใหม แตเมอเพมปรมาณเศษเมลามนท 50% มคาความตานทานแรงกดลดลง แตกยงมคาความตานทานแรงกดมากวาชนทดสอบจากเมลามนฟอรมาลดไฮดเรซนใหมอยท 14% และยงทราบอกวา ชนทดสอบทข นรปแบบแมพมพรอนมคาความตานทานแรงกดสงกวาชนทดสอบทข นรปแบบแมพมพเยน

รปท 3 แสดงความสมพนธระหวางความตานทาน

แรงกดกบรอยละเศษเมลามน จากผลการทดสอบแรงกด สามารถกลาวไดวา

ความแขงแรงทเพมขนเกดจากการถายทอดแรงจากวสดพอลเมอรไปสอนภาคตวเตม ผานทางหนาสมผสทแรงกดกระท ากบชนทดสอบ หากพนธะทหนาสมผส

ME SUT-03


21

แขงแรงกจะท าใหอนภาคตวเตมมประสทธภาพในการเสรมแรงเพมมากขน [11]

วสดทมปรมาณอนภาคตวเตมมากขนมโอกาสทอนภาคจะเกดการรวมกลมกน (particle clustering) ในวสดพอลเมอร ทอยกนอยางไมเปนระเบยบ สามารถท าใหเกดความเสยหายได การเสยรปของวสดนนเรมจากพนททมอนภาคแบบรวมกลม กลมอนภาคนท าใหเกดการเลอนไถล (slip) และเกดการเสยรปท าใหเสยหายเรวขน ดงนนกลมของอนภาคเศษเมลามนท 50% เกดการจบกลมกนในวสดพอลเมอร (เมลามนฟอรมาลดไฮดเรซน ) จงท าใหคาความแขงแรงลดลง หากเศษเมลามนเพมมากกวา 50% สามารถคาดการณไดวาความแขงแรงจะมแนวโนมลดลง 3.5. การวเคราะหเทอรโมกราวเมทรก

รปท 4 แสดงความสมพนธระหวางการเปลยนแปลงน าหนกตออณหภม ของชนทดสอบทข นรปแบบแมพมพรอน และขนรปแบบแมพมพเยน เปรยบเทยบกบเมลามนฟอรมาลดไฮดเรซนใหม จากผลการวเคราะหเทอรโมกราวเมทรกทชวงอณหภม 40-900 องศาเซลเซยส ของชนทดสอบดงกลาวพบวา ลกษณะรอยละของน าหนกทลดลงทอณหภมตาง ๆ ไมแตกตางกน เนองจากวตถดบ (raw material) ทน ามาขนรปขนรปแบบแมพมพรอน และขนรปแบบแมพมพเยน เปนวตถดบทมสวนประกอบและปรมาณของสวนประกอบเหมอนกนกบผงเมลามนฟอรมาลดไฮดเรซนใหม [10]

รปท 4 แสดงความสมพนธระหวางการเปลยนแปลงน าหนกตออณหภม

นอกจากนจากผลการเปลยนแปลงน าหนกตออณหภม พบวาวธการขนรปแบบแมพมพรอน และขนรปแบบแมพมพเยน ทใชระยะเวลาในการขนรปตางกน ไมไดมผลท าใหปรมาณสวนประกอบของชนทดสอบหลงจากขนรปตางกน และอณหภมการสลายตวของสวนประกอบตาง ๆ กยงคงเกดทอณหภมเดยวกน 3.6. Differential Scanning Calorimetry

รปท 5 แสดงความสมพนธระหวางการเปลยนแปลงพลงงานความรอนตออณหภม ของชนทดสอบทข นรปแบบแมพมพรอน และขนรปแบบแมพมพเยน เปรยบเทยบกบผงเมลามนฟอรมาลดไฮดเรซนใหม จากผลการทดสอบ DSC ทชวงอณหภม 25-250 องศาเซลเซยส ของชนทดสอบดงกลาวพบวา ชนทดสอบทข นรปโดยการอดเขาแบบดวยความรอนและการอดเขาแบบโดยใหความรอนในภายหลง เกดจดยอด (peak) หรอปฏกรยาคายความรอนทอณหภม 113 องศาเซลเซยส ซงสอดคลองกบปฏกรยาการบม (cure) ของเมลามนของผลงานวจยทไดเคยศกษามาแลว [7] พบวาการใหความรอนดวยอตราการเพมอณหภมคงท 5 องศาเซลเซยส/นาท จะเกดจดยอดหรอปฏกรยาคายความรอนทอณหภม 92 องศาเซลเซยส ซงเปนอณหภมทใกลเคยงกนกบงานวจยน

ME SUT-03


22

รปท 5 แสดงความสมพนธระหวางการ

เปลยนแปลงพลงงานความรอนตออณหภม และยงทราบอกวาปฏกรยาคายความรอนของชน

ทดสอบทข นรป ทงสองวธดงกลาวขางตนนน เกดทอณหภมทสงกวาเมลามนฟอรมาลดไฮดเรซนใหม

4. สรป

จากการทดสอบสมบตเชงกลพบวา ชนทดสอบทข นรปแบบแมพมพเยน มสมบตเชงกลทดอยกวาชนทดสอบทข นรปแบบแมพมพรอน

จากการวเคราะหเทอรโมกราวเมทรก พบวา สมบตทางความรอนของชนทดสอบจากเศษเมลามนกบชนทดสอบจากเมลามนฟอรมาลดไฮดเรซนใหมไมไดแตกตางกนอยางมนยส าคญ ซงอาจกลาวไดวาชนทดสอบจากเศษเมลามนมโครงสรางและองคประกอบเชนเดยวกบชนทดสอบจากเมลามนใหม ดงนนสามารถกลาวไดวาเศษเมลามนมศกยภาพทจะน ามาท าเปนอนภาคตวเตม โดยไมท าใหสมบตเชงกลและโครงสรางจลภาคเสอมลงอยางมนยส าคญ

จากการทดสอบ Differential Scanning Calorimetry พบวาชนทดสอบทข นรป ทงสองวธนน เกดการบมทสมบรณทงสองวธ ซงสาเหตทสมบตเชงกลของชนทดสอบจากการขนรปแบบแมพมพเยน ดอยกวาชนทดสอบจากการขนรปแบบแมพมพรอน คาดการณวานาจะมาจาก การขนรปทมท งความรอนและแรงอดควบคกน ท าใหวสดพอลเมอรเกดปฏกรยาการเชอมขวางแลวเปลยนเปนของแขงไดสมบรณกวา การขนทมการอดแลวใหความรอนในภายหลง

5. กตตกรรมประกาศ ผเขยนขอขอบคณ ส านกงานกองทนสนบสนนการวจย (สกว.) ทใหการสนบสนนเงนวจย บรษท ศรไทยซปเปอรแวร จ ากด ส าหรบการสนบสนนวสดและเครองขนรปเมลามน มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร ทใหการสนบสนนสงอ านวยความสะดวก

6. เอกสารอางอง [1] Behzad D., Hamideh J., Milael ., Karri A., Niko M., Pekka K.V. (2010), Effect of ceramic filler content on the mechanical and thermal behaviour of poly-L-lactic acid and poly-L-lactic-co -glycolic acid composites for medical applications, J Mater Sci: Mater Med, vol. 21, pp. 2523-2531. [2] Chensong, D. and Ian, J.D. (2012), Flexural properties of macadamia nutshell particle reinforced polyester composites, Composites: Part B 43, pp. 2751-2756. [3] Dhakal, H.N., Zhang, Z.Y., Richardson, M.O.W. (2007), Effect of water absorption on the mechanical properties of hemp fiber reinforced unsaturated polyester composites, Composites Science and Technology, 67, pp.1674-1683. [4] Fabien, S. and Isabelle, V. (2008), Influence of core materials on thermal properties of melamine-formaldehyde microcapsules, European Polymer, Journal 44, pp. 849-860. [5] Kowalenko, C.G and Babuin, D. (2013). Inherent factors limiting the use of laser diffraction for determining particle size distributions of soil and related samples, Geoderma, 193-194, pp. 22-28. [6] Krittiya, W. (2012), Influences of water absorption and forming temperature on mechanical propreties of recycled material from waste melamine, Suranaree university of technology. [7] Lee, W.C. (2009), Extrudable melamine fesin for wood plastic, Department of civil and environmental engineering, August 2009.

ME SUT-03


23

[8] Mahmood, M.S., Amir, R. K. and Majid C. (2012), Fabrication and mechanical properties of clay/epoxy nanocomposite and its polymer concrete, Materials and Design 40, pp. 443-452. [9] Methini M. (2012), Mechanical properties of recycled material from waste melamine at various compositions formed by hot molding and cold molding process, Suranaree university of technology. [10] Piccinini, P., Buriova, E. and Yazgan, S. (2008), Fibre labeling melamine-basofil, JRC Scientific and Technical Reports 2008. [11] Ranjit B. and Surappa M.K. (2008), Processing and compressive strength of Al-Li-SiCp composites fabricated by a compound billet technique, Journal of materials processing technology, vol. 209, pp. 2077-2084.



ผลกระทบตอกระบวนการชบแขงผวรวมระหวางแกสซอฟตไนตรายดงและ

แกสคารเบอรไรซงตอสมบตความแขงของเหลกกลาผสม THE EFFECT OF COMBINED PROCESSES BETWEEN GAS SOFT-NITRIDING AND

GAS CARBURIZING ON THE HARDNESS OF ALLOY STEELS

สมศกด ศวด ารงพงศ1* และ ณฏฐกฤศ สวรรณทา2

1 สาขาวศวกรรมการผลต มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร จงหวดนครราชสมา 30000 2 สาขาวศวกรรมเครองกล มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร จงหวดนครราชสมา 30000

*ตดตอ: [email protected], โทรศพท: 0-4422-4236, โทรสาร: 0-4422-4411

บทคดยอ กระบวนการชบแขงผวดวยแกส มอยหลายวธการ เชน ซอฟตไนตรายดง , คารเบอรไรซง และ คารโบไน

ตรายดง เปนตน ซงกระบวนการชบแขงผวดวยแกสดงกลาวชวยเพมสมบตความแขงใหเหลกกลาคารบอนและเหลกกลาผสมได อยางไรกตามงานวจยทไดศกษากระบวนการรวมระหวางแกสซอฟตไนตรายดงและแกสคารเบอรไรซง พบวาชวยปรบปรงสมบตของเหลกกลาคลายกบกระบวนการแกสคารโบไนตรายดง แตยงขาดความเขาใจในความสมพนธระหวางกระบวนการรวมและสมบตความแขงผว งานวจยนไดจงศกษาวจยถงผลกระทบตอกระบวนการชบแขงผวรวมระหวางแกสซอฟตไนตรายดงและแกสคารเบอรไรซงตอสมบตความแขงของเหลกกลาผสม ไดแก เหลกกลาผสมเกรด AISI 1040, 4140 และ 4340 ซงชนทดสอบจะถกน าไปอบปกต และท าความสะอาดผวดวยการยงเมดโลหะ จากนนน าชนทดสอบไปชบแขงผวดวยกระบวนการตาง ๆ ไดแก แกสซอฟตไนตรายดง, แกสคารเบอรไรซง, แกสคารโบไนตรายดง และ กระบวนการรวมตาง ๆ ชนทดสอบทผานกระบวนการชบแขงผวแลวจะถกน ามาวเคราะหทงลกษณะโครงสรางจลภาคและสมบตความแขงผวดวยเครองวดคาความแขงและกลองจลทรรศน จากผลการทดลองพบวา กระบวนการรวม SN+CB ชวยปรบปรงสมบตความแขงใหดข นเมอเทยบกบกระบวนการอน โดยเฉพาะอยางยงความแขงผว สวนคาความลกผวแขงมความสม าเสมอและความแปรปรวนต า นอกจากนนกระบวนการรวม CB+SN มคาความแขงผวใกลเคยงกบกระบวนการอน ๆ แตพบชนผวขาวทบางกวา ค ำหลก: กระบวนการรวม, การชบแขงผวดวยแกส, เหลกกลาผสม, ความแขง Abstract Gas surface hardening methods, for instance, gas carburizing, gas carbonitriding and gas soft-nitriding are conventional techniques that improve mechanical properties of carbon and alloy steels. Although the combined processes between gas soft-nitriding and gas carburizing are reported to improve the properties similar to gas carbonitriding. However, the understanding of the relationship between combined processes and surface hardness is still unclear. This study was aimed to investigate the effect of combined processes between gas soft-nitriding and gas carburizing on mechanical properties of various steel e.g., AISI 1040, 4140 and 4340. The specimen was normalized by normalizing and shot



25

blasting. Gas soft-nitriding, gas carburizing, gas carbonitriding and the combined processes were employed to treat the specimen. Microhardness and optical microscopy were performed to characterize structure and properties of the steel surfaces. The results signified that the combined processes, SN+CB, improve its properties compared to other methods especially in the surface hardness, the smoother and lower variation of section hardness. Moreover, the other combined process, CB+SN, showed the same level of surface hardness with thinner white layer thickness. Keywords: Combined process, Gas surface hardening, Alloy steel, Hardness

1. บทน า กระบวนการชบแขงผวดวยแกส ไดแก ซอฟต

ไนตรายดง , คารเบอรไรซง และ คารโบไนตรายดง เปนกระบวนการชบแขงผวดวยแกสทชวยเพมสมบตความแขงใหเหลกกลาคารบอนและเหลกกลาผสมได ซงกระบวนการชบแขงผวดวยแกสเหลาน นยมใชกนอยางแพรหลายเนองจากมตนทนต าและควบคมบรรยากาศในเตาเผาไดงาย แกสซอฟตไนตรายดงเปนกระบวนการชบแขงผวทสามารถใชกบเหลกกลาทกชนด ซงเปนกระบวนการชบแขงผวทอณหภมต า (520-570 C) ท าใหเกดชนผวของสารประกอบไนโตรเจน หรอโครงสรางชนผวขาว ( White Layer)

ซงประกอบไปดวยโครงสรางของ ’ (Fe4N) และ (Fe2-3N) มความแขงและทนทานตอการเสยดสไดด แกสคารเบอรไรซงเปนกระบวนการทอาศยการแพรของอะตอมคารบอนเขาไปในผวของเหลกทอณหภมสงชวยเพมความแขงผวของเหลกได [1] แกสคารโบไนตรายดง เปนกระบวนการชบแขงผวดวยแกสทคลายกบแกสคารเบอรไรซง ใชบรรยากาศทมท งคารบอนและไนโตรเจนทอณหภมสงในกระบวนการ อะตอมของไนโตรเจนชวยในการแพรของอะตอมคารบอนไดดข น [2] จากการศกษาผลของกระบวนการชบแขงผวรวมระหวางแกสซอฟตไนตรายดงและแกสคารเบอรไรซง พบวาใหสมบตดานความแขงคลายคลงกบแกสคารโบไนตรายดงในเหลกกลา

คารบอนต าและมคาความแปรปรวนนอยกวา [3] อยางไรกตามความสมพนธระหวางกระบวนการชบแขงผวรวมกบเหลกกลาชนดตาง ๆ ยงไมมขอมลทจดเจน งานวจยนจงไดศกษาผลกระทบของกระบวนการชบแขงผวรวมระหวางแกสซอฟตไนตรายดงและแกสคารเบอรไรซง ในดานสมบตความแขงของเหลกกลาชนดตาง ๆ ทมปรมาณคารบอนเทากน

2. การทดลอง

ในการศกษานใชเหลกกลาเกรด AISI 1040, AISI 4140 และ AISI 4340 สวนผสมทางเคมแสดงในตารางท 1 [4] เหลกกลาจะถกขนรปเปนชนทดสอบขนาดเสนผานศนยกลาง 12 มลลเมตร และมความหนา 10 มลลเมตร ส าหรบการทดสอบความแขง น าชนทดสอบเขากระบวนการอบปกตทอณหภม 870 C เปนเวลา 1 ชวโมง เพอปรบปรงโครงสรางจลภาคและก าจดความเครยด ตกคางจากกระบวนการรดขนรป จากนนท าความสะอาดผวชนทดสอบดวยการพนเมดโลหะขนาด 0.3 มลลเมตร แบบ grit เปนเวลา 1 ชวโมง [5] กระบวนการอบชบแขงผวดวยแกสแสดงในรปท 1-3 ชนทดสอบจะถกชบแขงผวดวยกระบวนการตาง ๆ ไดแก ซอฟตไนตรายดง (SN), คารเบอรไรซง (CB), คารโบไนตรายดง (CN) และกระบวนการรวมระหวางแกสซอฟตไนตรายดงและแกสคารเบอรไรซง โดยท าดวยกระบวนการแกสซอฟตไนตรายดงกอน

ตารางท 1 สวนประกอบทางเคมของเหลกกลาทใชในการทดสอบ (%wt) วสด C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo V Al Fe

AISI 1040 0.4198 0.2112 0.6344 0.0186 0.0148 0.1555 0.0658 0.0568 0.0109 0.0016 0.0052 Bal. AISI 4140 0.3942 0.2186 0.6946 0.0267 0.0043 0.0691 0.0457 0.8599 0.1526 0.0075 0.0245 Bal. AISI 4340 0.3818 0.2689 0.7064 0.0175 0.0340 0.1721 1.7194 0.8926 0.2618 0.0067 0.0146 Bal.



26

รปท 1 สภาวะการชบแขงผวดวยกระบวนการแกส

ซอฟตไนตรายดง

รปท 2 สภาวะการชบแขงผวดวยกระบวนการแกสคาร

เบอรไรซง

รปท 3 สภาวะการชบแขงผวดวยกระบวนการแกสคาร

โบไนตรายดง

จากนนจงท าตอดวยกระบวนการแกสคารเบอรไรซง(SN+CB) และท าดวยกระบวนการแกสคารเบอรไรซง กอน จากนนจงท าตอดวยกระบวนการแกสซอฟตไนตรายดง (CB+SN) แตละกระบวนการใชชนทดสอบ 6 ชน ในการทดสอบความแขงผวและความลกผวแขงในกระบวนการแกสคารเบอรไรซง, แกสคารโบไนตรายดง และกระบวนการ SN+CB โดยเครองวดความแขงของ Future-Tech FM-700 สวนกระบวนการแกสซอฟตไนตรายดง และ CB+SN ไมนยมวดคาดงกลาวเนองจากโครงสรางทผวเปนชนผวขาวและมความบางมากท าใหหวกดวดความแขงมกจะเจาะทะลผานโครงสรางดงกลาวท าใหไดคาทคาดเคลอนไป จงนยมวดเฉพาะความหนาชนผวขาว (white layer thickness) และโครงสรางจลภาคดวยกลองจลทรรศ น

ของ Nikon MM-400 โดยชนผวขาวจะพบไดในกระบวนการแกสซอฟตไนตรายดง และ CB+SN แตใน SN+CB ชนผวขาวจะถกท าลายไปดวยความรอนในกระบวนการแกสคารเบอรไรซง จะไมสามารถวดความหนาชนผวขาวได สวนปรมาณคารบอนบนผวชนทดสอบในแตละกระบวนการ สามารถท าการ

รปท 4 ความลกผวแขงของชนทดสอบ

รปท 5 ความแขงผวของชนทดสอบ

รปท 6 ความหนาชนผวขาว (Whit layer) ของชนทดสอบ

รปท 7 ปรมาณคารบอนทผวชนทดสอบ (%wt)



27

วเคราะหไดจากการตรวจสอบปรมาณธาตประกอบทผวของชนทดสอบดวยเครอง ARL 3460 Metals Analyzer optical emission spectrometer [3]

3. ผลการทดลองและอภปรายผล ผลการวดคาความแขงของชนทดสอบแสดงใน

รปท 4 และ 5 พบวาคาความลกผวแขงของชนทดสอบมแนวโนมตามกระบวนการชบแขงผว โดยกระบวนการแกสคารโบไนตรายดงใหคาความลกผวแขงมากกวากระบวนการรวม SN+CB และ กระบวนการรวม SN+CB มากกวาแกสคารเบอรไรซง เนองจากกระบวนการแกสคารโบไนตรายดงใชบรรยากาศอบชบทมท งคารบอนและไนโตรเจน อะตอมของไนโตรเจนชวยในการแพรของอะตอมคารบอนไดดข น [2] สวนคาความแขงผวของชนทดสอบไดผลการวดคาความแขงผวดงน ในเหลกกลาคารบอน (AISI 1040) พบวาในกระบวนการแกสคารโบไนตรายดงมคาความแขงสงทสดประมาณ 900 Hvซงมากกวากระบวนการรวม SN+CB และแกสคารเบอรไรซง ทมความแขงใกลเคยงกน สวนในเหลกกลาผสมพบวาแกสคารเบอรไรซงและกระบวนการรวม

SN+CB ใหคาความแขงผวทดกวาแกสคารโบไนตรายดง โดยเฉพาะเหลกกลาผสม AISI 4140 และ AISI 4340 รปท 6 แสดงคาความหนาชนผวขาวของกระบวนการแกสซอฟตไนตรายดง และกระบวนการรวม CB+SN พบวาชนทดสอบจากเหลกกลาผสม AISI 4340 ใหความหนาชนผวขาวมากกวาเหลกกลาอน ทงกระบวนการแกสซอฟตไนตรายดง และกระบวนการรวม CB+SN เนองจากผลของธาตผสมนคเกล (Ni) ชวยใหชนผวขาวเกดขนไดดข น [2] และยงพบวา กระบวนการรวม CB+SN เกดชนผวขาวบางกวากระบวนการแกสซอฟตไนตรายดง เนองจากชนทดสอบจากกระบวนการรวมดงกลาวน าไปผานกระบวนการแกสคารเบอรไรซงกอนท าใหมปรมาณคารบอนทผวสงน าไปสการขดขวางการกอตวชนผวขาวในกระบวนการแกสซอฟตไนตรายดงทอบชบในภายหลง [6] ซงสอดคลองกบผลของปรมาณคารบอนทผวชนทดสอบในรปท 7 ซงพบวา กระบวนการรวมระหวาง CB+SN มปรมาณมากกวากระบวนการแกสซอฟตไนตรายดง รปท 8-10 แสดงคาความแขงจากผวชนทดสอบ ซงจะเหนไดวากระบวนการรวม

รปท 8 ความลกผวแขงของชนทดสอบ (เหลกกลาเกรด AISI 1040)





28

SN+CB ใหความลกผวแขงทดกวาและมความแปรปรวนนอยกวากระบวนการอน โดยเฉพาะอยางยงเหลกกลาเกรด AISI 1040 และ AISI 4140 จากผลการวเคราะหโครงสรางจลภาคดวยกลองจลทรรศ นของ Nikon MM-400 ไดผลดงรปท 11 ไดโครงสรางจลภาคของโครงสรางขนผวขาวบนผวชนทดสอบของกระบวนการแกสซอฟตไนตรายดง และกระบวนการรวม CB+SN ของชนทดสอบทงสามชนด ซงแสดงในเหนวาพบความหนาของชนผวขาวในเหลกกลาผสม AISI 4340 พบมากกวาเหลกอน และกระบวนการรวม CB+SN มความหนาชนผวขาวนอยกวากระบวนการแกสซอฟตไนตรายดง ซงจะสงเกตเหนไดวาชนทดสอบของกระบวนการรวมมปรมาณคารบอนบรเวณผวใกลกบชนผวขาวมากกวากระบวนการแกสซอฟตไนตรายดง

4. สรปผล

งานวจยนไดศกษาและวเคราะหผลกระทบทเกดขนในกระบวนการชบแขงผวรวมระหวางแกสซอฟตไนตรายดงและแกสคารเบอรไรซง ทง

กระบวนการรวมระหวาง SN+CB และ CB+SN ในสมบตเชงกลดานความแขงของเหลกกลาชนดตาง ๆ ทมปรมาณคารบอนเทากน ชนทดสอบถกขนรปจากนนท าผานกระบวนการอบปกตและท าความสะอาดผวดวยการพนดวยเมดโลหะ หลงจากนนน าชนทดสอบเขากระบวนการชบแขงผว แกสซอฟตไนตรายดง, แกสคารเบอรไรซง, แกสคารโบไนตรายดง และกระบวนการรวมทงสองกระบวนการ ชนทดสอบจะถกน าวเคราะหดวยเครองวดความแขงแบบไมโครวกเกอร และกลองจลทรรศนแบบออพทคอล เพอวเคราะหสมบตความแขงและโครงสรางจลภาคของชนทดสอบ ผลลพธทไดจากงานวจยนคอ ความลกผวแขงมแนวโนมตามกระบวนการ โดยแกสคารโบไนตรายดงใหคาความลกผวแขงมากกวากระบวนการรวม SN+CB และ กระบวนการรวม SN+CB มากกวาแกส

คารเบอรไรซง ความแขงผวในเหลกกลาคารบอน แกสคารโบไนตรายดงใหความแขงผวสงทสดมากกวากระบวนการรวม SN+CB และแกสคารเบอรไรซง ซงมความแขงผวใกลเคยงกน สวนในเหลกกลาผสม กระบวนการรวม SN+CB และแกสคารเบอรไรซง ให

(ง) CB+SN ดวยเหลก AISI 1040 (จ) CB+SN ดวยเหลก AISI 4140 (ฉ) CB+SN ดวยเหลก AISI 4340 รปท 11 ภาพโครงสรางจลภาพแสดงความหนาของชนผวขาว (White layer thickness)

(ก) SN ดวยเหลก AISI 1040 (ข) SN ดวยเหลก AISI 4140 (ค) SN ดวยเหลก AISI 4340

ชนผวขาว ชนผวขาว

ชนผวขาว

ชนผวขาว



29

ความแขงผวมากกวากวาแกสคารโบไนตรายดง ในทางเดยวกนนนกระบวนการรวม SN+CB ในเหลกกลาทงสามชนด ยงใหความแขงทสม าเสมอและมความแปรปรวนต าเมอวดจากผวเขาไปสแกนกลางชนทดสอบ สวนกระบวนการรวม CB+SN ใหชนผวขาวทบางกวาซงเกดจากปรมาณคารบอนทมมากบรเวณผวเมอผานกระบวนการแกสคารเบอรไรซง

5. กตตกรรมประกาศ ขอขอบคณ มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนารและ

บรษทไทยโตเคนเทอโม จ ากด ทสนบสนนอปกรณในการท าวจย รวมถงบคลากรประจ าศนยเครองมอวทยาศาสตรและเทคโนโลย ทไดใหความชวยเหลอในการใชอปกรณ และเครองมอตาง ๆ ในการท าวจยน

6. เอกสารอางอง

[1] Asi, O., Can, A.C., Pineault, J., Belassel, M., The effect of high temperature gas carburizing on bending fatigue strength of SAE 8620 steel, Materials and Design, 30 (5), pp. 1792-1797, 2009. [2] ASM Handbook., Heat Treating., Meterial Park Ohio. ASM International., Vol. 4, (1987) [3] Siwadamrongpong, S., Khaengkarn, S., Tachee, K., Corrosion resistance of low carbon steel treated by gas surface hardening method. SEATUC2012, KMUTT, 2012 [4] ASM Handbook., Properties and Selection: Irons, Steels, and High Performance Alloys., Meterial Park Ohio. ASM International, Vol. 1, (2005) [5] ASM Handbook., Surface engineering., Meterial Park Ohio. ASM International, Vol. 5, (1987) [6] Nolan, D., Leskovsekb, V., Jenko, M., Estimation of fracture toughness of nitride

compound layers on tool steel by application of the Vickers indentation method, Surface & Coatings Technology, 201, pp. 182-188, 2006.

ME SUT-05


การวเคราะหความแขงแรงของโครงสรางทนงส าหรบรถโดยสารขนาดใหญ

ดวยระเบยบวธไฟไนทอลลเมนต Strength Analysis of the Seat Structure for Large Passenger Vehicles

Using Finite Element Method

ปกรณ บราคร1, ณฐชยา มราชย1, สมศกด ศวด ารงพงศ2*

1 สาขาวชาวศวกรรมเครองกล ส านกวชาวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร 111 ต าบลสรนาร อ าเภอเมอง จงหวดนครราชสมา 30000

2 สาขาวชาวศวกรรมการผลต ส านกวชาวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร 111 ต าบลสรนาร อ าเภอเมอง จงหวดนครราชสมา 30000

*ผตดตอ: E-mail : [email protected], เบอรโทรศพท : 044-224-236, เบอรโทรสาร : 044-224-613

บทคดยอ ปจจบนการเดนทางดวยรถโดยสารมความเสยงทจะเกดอบตเหตไดตลอดเวลา เนองจากระบบความ

ปลอดภยของรถโดยสารนนยงมคอนขางนอยเมอเทยบกบยานพาหนะชนดอน ความแขงแรงของโครงสรางทนงกมสวนชวยลดการบาดเจบและสญเสยของผโดยสารไดเชนกน ดงนนความแขงแรงของทนงและการออกแบบทนงกมความส าคญในการลดการสญเสยตอผโดยสาร งานวจยนจงไดศกษาความแขงแรงของโครงสรางทนงรถโดยสารขนาดใหญตามขอก าหนดความปลอดภยของกรมขนสงทางบก การวเคราะหไดใชการวเคราะหแบบสถตศาสตร โดยจ าลองการใหภาระกรรมผานแผนจ าลองหลงของผโดยสารซงกระท าตอกบพนกพง และโครงสรางทนงไดถกลดทอนความซบซอนของแบบจ าลองลง ผลการจ าลองจะพจารณาความแขงแรงและการเสยรปของโครงสรางทนง ผลการศกษาคาดหวงวาจะไดแบบจ าลองโครงสรางทนงทผานมาตรฐานความปลอดภยของกรมขนสงทางบก ค ำหลก: มาตรฐาน ECE, ไฟไนทอลลเมนต, การวเคราะหความแขงแรง, ทนง, รถโดยสาร Abstract Presently, large passenger vehicles are well known to have high risk of an injury due to accident and insufficient of safety regulation. The strength of seat is one of important issues that affect to injury level of passenger. Therefore, suitable structure strength and design of the seat are very important to prevent injuries and passenger life. This study was to evaluate strength of the seat structure for bus according to preliminary safety regulation of Department of Land Transport. Finite element analysis is employed by using a static load. The seat model was simplified and simulated. Stress and impact scenario between seat-back and back of manikin will be investigated. The strength and deflection of the seat will be evaluated. This study is expected to provide the seat model which will be safe and satisfied according to the regulation. Keywords: ECE Regulation, Finite element, Strength analysis, Seat, Bus.

ME SUT-05


31

1. บทน า การเดนทางคมนาคมทางบกสวนใหญเปนการเดนทางดวยรถยนต ซงใหความสะดวกและมความคลองตวในการเดนทางสง การใชบรการรถโดยสาร กชวยใหค วามสะดวกสบายและราคาประหยด เชนกน ท าใหรถโดยสารมบทบาทส าคญมากขนในการคมนาคมขนสง แตอยางไรกตามรถโดยสารอาจมความเสยงทจะเกดอบตเหตไดตลอดเวลา เนองจากรถโดยสารเปนรถทใชส าหรบ โดยสารซงม ผโดยสารจ านวนมาก จากสถตการเกดอบตเหตของรถโดยสารจากขอมลของส านกงานต ารวจแหงชาต [1] ยงมจ านวนมาก ดงนน ระบบความปลอดภยจงมความจ าเปนเพอ ชวย ปองกนการบาดเจบและการสญเสยของผโดยสาร แตรถโดยสารกลบมความปลอดภยคอนขางนอยเมอเทยบกบรถยนตสวนบคคลเนองจากไมสามารถตดตงระบบถงลมนรภยไดในทกทนงและระบบเขมขดนรภยมเพยง 2 จดยด แมกระทงความปลอดภยของโครงสรางทนง ดวยอตสาหกรรมการผลตรถโดยสารนน ยงเปนอตสาหกรรมขนาดเลกและยงไมมมาตรฐานรบรองการผลต ความแขงแรงของโครงสรางรถโดยสารและชนสวนอนๆ มสวนชวยปองกนการบาดเจบของผโดยสาร ทนงรถโดยสารตองมความปลอดภยและแขงแรงมากเชนกน เนองจากสมผสกบผโดยสารโดยตรง เมอเกดอบตเหต แรงกระแทกจากการชนจะสงผลตออาการบาดเจบของผโดยสาร ซงจากขอมลการสบคนสาเหตการเกดอบตเหต [2] เมอเกดอบตเหตกบรถโดยสาร มผโดยสารไดรบบาดเจบจากสาเหตทเบาะหรอทนงหลด และความเสยหายทเกดกบทนง กรมการขนสงทางบกจงไดก าหนดมาตรฐานการทดสอบความแขงแรงของทนงรถโดยสาร โดยมาตรฐานความปลอดภยรถโดยสารสาธารณะจะเปนไปตามแนวทางขอก าหนดของ United Nations Economic Commission for Europe (UN/ECE) การออกแบบและการทดสอบความแขงแรงของโครงสรางทนงในอดตจะสนเปลองเวลาและคาใชจายมาก เนองจากขนตอนการออกแบบและสรางตนแบบ

ทนงเพอทดสอบ แตปจจบน มการประยกต ใชเทคโนโลยเขามาชวยในการออกแบบและการวเคราะหผลตภณฑ ซงมความสะดวก รวดเรว และประหยดตนทนกวา โดยสรางแบบจ าลองดวยโปรแกรมส าเรจรป และน ามาวเคราะหดวยระเบยบวธไฟไนทอลลเมนตเพอวเคราะหหาความเสยหายทเกดขนโดยโปรแกรมส าเรจรปเชนกน ในการประยกตใชระเบยบวธไฟไนทอลลเมต สรเชษฐ ชตมาและคณะ [3] ไดท าการศกษา วเคราะหความแขงแรงของโครงสราง เบาะรถยนต ส าหรบรถแขง ขนดวยระเบยบวธไฟไน ทอลลเมนต โดยการประยกตการใหภาระแรงกระท ากบทนงแบบสถตศาสตร เปนแรงทกระท ากบทนงโดยตรงท าใหเกดโมเมนต ผลทได บรเวณทเกดความเคนเกนจดครากของวสด ตรงตามผลการทดลองจรง งานวจยนจงมงเนนการวเคราะหความแขงแรงของโครงสรางทนง ของรถโดยสารขนาดใหญ ตามมาตรฐานการทดสอบของกรมการขนสงทางบก ดวยระเบยบวธไฟไนทอลลเมนต โดยวเคราะห คาความเคนทเกดขนและการเสยรปของโครงสรางทนง เพอออกแบบและปรบปรงโครงสรางทนง ลดความเสยหายตอโครงสรางทนง เพอ ใหไดโครงสรางทนงทผานมาตรฐานการทดสอบของกรมการขนสงทางบก ผลการศกษาของงานวจยนคาดหวงวาจะสามารถลดคาใชจาย และเวลาในการออกแบบโครงสรางทนง ของรถโดยสารได

2. วธการและวสด

2.1 มาตรฐานการทดสอบ กรมขนสงทางบกไดก าหนดมาตรฐานการ

ทดสอบความแขงแรงของทนงส าหรบรถโดยสารขนาดใหญ ซงอางองมาตรฐาน ECE Regulation 17 [4] โดยก าหนดให ถาทนงสามารถเลอนปรบมมพนกพงหลงได ใหปรบทนงอยในต าแหนงทมมพนกพงหลงท ามมใหใกลเคยง 25 องศามากทสด เมอวดจากแนวดง การใหภาระกรรม ให แรงทท าใหเกดโมเมนตขนาด

ME SUT-05


32

เทากบ 530 นวตนเมตรรอบจด R โดยกระท าผานทางชนสวนจ าลองหลงไปทพนกพงหลงดงรปท 1

รปท 1 การทดสอบความแขงแรง และการเตรยมการ

ทดสอบความแขงแรงโครงสรางทนง

จด R หรอ จดนงอางอง หมายถง จดทผผลตรถโดยสารไดออกแบบต าแหนงการนงของผโดยสาร เมอผโดยสารนงจด R เปรยบเสมอนจดหมนของเอว ดงนนในการทดสอบแรงทกระท าผานชนสวนจ าลองหลงจงท าใหเกดโมเมนตรอบจด R 2.2. โครงสรางทนงรถโดยสาร

แบบจ าลองของโครงสรางทนงในการศกษาน เปนแบบจ าลองทลดทอนความซบซอนของโครงสราง โดยการตดสวนทเปนสปรงและเบาะฟองน าออก เปนแบบจ าลองทมเฉพาะโครงสราง ซงแบบจ าลองใชโปรแกรม SolidWorks 2011 ในการสรางแบบจ าลอง สวนประกอบของแบบจ าลองโครงสรางแสดงในรปท 2 2.3 สมบตวสด

สวนประกอบของโครงสรางทนงนน ประกอบไปดวยเหลกหลายชนด ซงน ามาประกอบกนเปนโครงสรางทนง สมบตของเหลกแตละชนดกตางกน งานวจยนจงไดท าการทดสอบสมบตของวสด โดย

อางองมาตรฐาน ASTM E8 [5] ในการทดสอบ แบงชนดเหลกออกเปนเหลกกลอง และเหลกแผนบาง สมบตแสดงดงตารางท 1 ซงในการจ าลองนนไดก าหนดใหสมบตของวสดเหนยว (ASTM A36) นนเปน Isotropic material และการเสยรปเปนแบบ linear elastics ตารางท 1 สมบตวสด

เหลกกลอง เหลกแผน Elastic modulus (GPa) 195 133 Yield stress (MPa) 470 390 Poisson’s ratio 0.26 0.26

รปท 2 สวนประกอบของโครงสรางทนง

3. แบบจ าลองไฟไนทอลลเมนต

แบบจ าลองโครงสรางทนงในสวนของโครงสรางใชอลลเมนตแบบ 2 มต และในสวนของจดยดและแผนจ าลองหลงใชอลลเมนตแบบ 3 มต ความหนาเหลก

M

R

25

ดานบน

ฐาน

จดยด

แผนจ าลองหลง พนกพง

M M

ME SUT-05


33

และชนดของอลลเมนตนนแสดงในตารางท 2 ในการจ าลองทางไฟไนทอลลเมนตใชโปรแกรมส าเรจรปโปรแกรม ANSYS Workbench ในการจ าลองแบบจ าลองโครงสรางทนง ตารางท 2 สวนประกอบของแบบจ าลองทนง เลข ชนสวน ความหนา

(มลลเมตร) ชนด

อลลเมนต 1 พนกพง 2 2 มต 2 ฐาน 2 2 มต 3 จดยด 4 3 มต 4 แผนจ าลองหลง 3 มต

3.1 เงอนไขขอบเขตและการใหภาระกรรม

การจ าลองเพอหาความแขงแรงของโครงสรางทนง ไดก าหนดใหพนกพง ปรบใหอยในต าแหนงทมมของพนกพงหลงท ามม 25 องศา เมอวดจากแนวดง และใหแรงกระท า 1325 นวตนทต าแหนงหางจากจด R เปนระนะ 0.4 เมตร ซงแรงโมเมนตทเกดขนรอบจด R สามารถค านวณไดจากสมการท 1

LFM (1)

เมอ M คอแรงโมเมนตทเกดจากภาระกรรม F คอแรงกระท าทให L คอระยะระหวางแรงกบจด R

รปท 3 สวนประกอบของแบบจ าลอง

3.2 เงอนไขการสมผส การสมผสกนของสวนประกอบของแบบจ าลอง

นนมการสมผสกนหลากหลายแบบ ซงสามารถจ าแนกออกเปน การสมผสกนระหวางโครงสรางทนงทจดยดกบพนรถ ในการจ าลองนนก าหนดใหเปนการสมผสแบบยดตดแนน การสมผสระหวางพนกพงกบแผนจ าลองหลงแตละดานนน ก าหนดใหเปนการสมผสแบบ Face-to-Face คอก าหนดใหไมมแรงเสยดทานตอกน สามารถเคลอนทในหนาสมผสและสามารถเคลอนออกจากกนได สวนการสมผสกนระหวางพนกพงกบฐานทนงนน ก าหนดเปนการสมผสแบบไมสามารถเคลอนทแยกออกจากกนได สามารถเคลอนทไดเฉพาะในระนาบหนาสมผส สวนการสมผสอนๆ ก าหนดใหเปนการสมผสกนแบบยดตดแนน

การก าหนดจดเชอมตอ การเชอมตอกนระหวางพนกพงกบฐานทนงนน ในแบบจ าลองไดก าหนดใหเปนจดหมน สามารถหมนรอบแกนของสลกได โดยก าหนดใหพนกพงสามารถปรบความเอยงของพนกพงไดตามความตองการของผโดยสาร ซงพนกพงทงสองดานเปนอสระตอกน แตในการจ าลองไดก าหนดใหพนกพงเอยงท ามม 25 องศา ตามแนวนง เปนไปตามขอก าหนดของมาตรฐานการทดสอบ ซงแสดงใหเหนแบบจ าลองในรปท 3

4. ผลการวจย ในการศกษาความแขงแรงของโครงสรางทนง

ดวยการวเคราะหทางไฟไนทอลลเมนต จะพจารณาความเสยการในรปแบบของคาความเคน von Mises และคาความปลอดภย (Factor of safety) ซงไดถกน ามาชวยพจารณาความแขงแรงของโครงสรางทนง เพอใหโครงสรางทนงผานมาตรฐานการทดสอบ จากผลการจ าลองไดการกระจายตวของความเคนแสดงในรปท 4

25 F

L

R

ME SUT-05


34

รปท 4 การกระจายตวของความเคน

รปท 5 คาความเคน von Mises สงสด

จากผลการจ าลองแสดงใหเหนวาคาความเคน von Mises สงสดเปน 182.74 MPa เกดขนทบรเวณขอบรรอยทยดระหวางพนกพงกบฐานทนงซงเปนจดหมน คาความเคนสงสดทเกดขนนนมคาไมเกนจดครากของวสด และมคาความปลอดภยเทากบ 2.58 และคาความเคนสงสดทพนกพงเทากบ 158.36 MPa เกดทขอบรเชนกน ซงถอไดวาคาความเคนสงสดของโครงสรางทนงเกดขนสงสดบรเวณทมการสมผสกนระหวางพนกพงกบฐานทนง จากผลการจ าลองนนทนงผานการทดสอบตามมาตรฐานก าหนด แตอยางไรกตามการแขงขนทางธรกจในดานอตสาหกรรมการผลตรถนนมคอนขางสง ซงผผลตสามารถปรงปรงกระบวนการหรอโครงสรางทนงเพอลดตนทนการผลตทนงรถโดยสารลงได ดงนนงานวจยนจงไดท าการ

ปรบปรงเพอเปนแนวทางในการพจารณาปรบปรงโครงสรางทนงของผประกอบการตอไป 4.1 การปรบปรงแบบจ าลอง

การปรบปรงแบบจ าลอง ในบทความฉบบนไดน าเสนอการปรบปรงโครงสรางทนง โดยเลอกปรบปรง 2 ตวแปร คอการเปลยนชนดเหลกคาสมบตของเหลกจงเปลยนไป และการปรบเพมความหนาของเหลก ในการปรบปรงนจะก าหนดใหรปรางของเหลกในสวนทปรบปรงมรปรางเหมอนเดม ผลจากการปรบปรงคาดหวงวาการกระจายตวของความเคน และคาความเคนจะลดลง และคาความปลอดภยจะเพมขน ซงไดประยกตใชการออกแบบการทดลองเชงแฟกทอเรยลแบบสองระดบ (2k factorial design) ในการวเคราะหตวแปรทปรบปรงโครงสรางทนง โดยวสดทน ามาใชปรบปรงในแบบจ าลองเปนเหลก AISI 5000 series (ASTM A519) [6] ซงสมบตของวสดมดงน : Elastic modulus 205 GPa, Yield stress 635 MPa และ Poisson’s ratio 0.29 เปนสมบตทปรบปรงเฉพาะสวนทเปนเหลกกลองของฐานทนง ผลจากการปรบสมบตวสดการกระจายตวของความเคนและคาความเคนมคาใกลเคยงคาเดม แตคาความปลอดภยเพมขนเปน 3.48 และสวนการปรบเพมความหนาของเหลกกลองของฐานทนงจากเดม 2 มลลเมตร เปน 2.8 มลลเมตร สงผลตอคาความเคนและคาความปลอดภยของโครงสรางทนง ดงแสดงในตารางท 3 ตารางท 3 ผลการออกแบบการทดลองแฟกทอเรยลแบบสองระดบ

สมบตวสด ความหนา [mm]

ความเคนสงสด [MPa]

คาความปลอดภย

ASTM A36 2 182.74 2.58

ASTM A519 2 182.94 3.48

ASTM A36 2.8 165.87 2.74

ASTM A519 2.8 166.60 3.69

ME SUT-05


35

Properties

Thickness

706050403020100

Te

rm

Standardized Effect

12.71

Pareto Chart of the Standardized Effects(response is Stress, Alpha = 0.05)

(ก) ผลกระทบตอคาความเคนสงสด

Thickness

Properties

403020100

Te

rm

Standardized Effect

12.71

Pareto Chart of the Standardized Effects(response is Safety factor, Alpha = 0.05)

(ข) ผลกระทบตอคาความปลอดภย

รปท 6 ผลกระทบของตวแปรปรบปรง

การออกแบบการทดลอง (Design of Experiment, DOE) ถกน ามาใชในการวเคราะหตวแปรในการออกแบบ ซงผลค าตอบทตองการคอคาความเคนสงสดและคาความปลอดภย จากผลการวเคราะหแสดงรปท 6 (ก) แสดงใหเหนวาการปรบเพมความหนาเปนตวแปรส าคญในการท าใหความเคนสงสดลดลง ในทางกลบกนการปรบสมบตของวสดเปนสวนส าคญท าใหคาความปลอดภยเพมมากขน ดงแสดงในรปท 6 (ข) ดงนน การปรบปรงความหนาและสมบตของวสด เปนตวแปรส าคญในการออกแบบโครงสรางทนง

5. สรป การวเคราะหดวยระเบยบวธไฟไนทอลลเมนตแบบจ าลองไฟไนทอลลเมนตสามารถอธบายพฤตกรรมความเสยหายของโครงสรางทนงไดตาม

มาตรฐานการทดสอบความแขงแรงของทนง ผลการจ าลองแสดงใหเหนสวนทอาจเกดการวบตจากการเกดความเคนสงสด และจากผลการวเคราะหดวยวธการออกแบบการทดลองเชงแฟกทอเรยลแสดงใหเหนวาการเพมความหนาเปนตวแปรส าคญทท าใหคาความเคนสงสดลดลง และการเปลยนสมบตของวสดเปนตวแปรส าคญทท าใหคาความปลอดภยเปลยนแปลง แตอยางไรกตาม ผลการจ าลองจ าเปนตองมการตรวจสอบความถกตองดวยการทดลอง และคาดหวงวาผลการศกษาจะถกน าไปใชในการออกแบบทนงรถโดยสารอยางเหมาสมตอไป

6. กตตกรรมประกาศ ขอบคณ บรษท อเชดชยอตสาหกรรม จ ากด ส าหรบขอมลในการท าวจย และมหาวทยาลยเทคโนโลยสรนารทใหการสนบสนน


[1] ขอมลสถต ส านกงานต ารวจแหงชาต (2555). สถตคดอบตเหตจราจรทางบก , [ออนไลน ], แหลงทมา : http://www.royalthaipolice.go.th/stat.html [2] ศนยวจยอบตเหตแหงประเทศไทย (2554). การสบคนสาเหตการเกดอบตเหตกรณอบตเหตรถโดยสารพลกคว าทางหลวงหมายเลข 304 กโลเมตรท 44+800, [ออนไลน], แหลงทมา: http:// www.tarc.ait.ac.th [3] สรเชษฐชตมา, ทศนพก าเนดทอง, มนตรชางประดษฐ (2547) การวเคราะหโครงสรางเบาะรถยนตส าหรบการแขงขน, การประชมวชาการเครอขายวศวกรรมเครองกลแหงประเทศไทยครงท 18, จงหวดขอนแกน [4] United Nations Economic Commission for Europe, Transport Division, United States of America (2002). Regulation No. 17 Revision 4 [5] ASTM International Standard, Standard Test Method for Tension Testing of Metallic Materials, Designation: E8/E8M-11 [6] Matweb (2556). Material properties data, [online], Information on http://www.matweb.com

ME SUT-06


การศกษาพฤตกรรมความเสยหายโครงสรางทออลมเนยมผนงบาง ภายใตการชนกระแทกในแนวแกน

The Study of Plastic Collapse Behavior of Aluminum Thin-Walled Tube under Axial Impact Load

ศราวธ บวงาม1 และ สภกจ รปขนธ1*

1 สาขาวชาวศวกรรมเครองกล ส านกวชาวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร

111 ถนนมหาวทยาลย ต าบลสรนาร อ าเภอเมอง จงหวดนครราชสมา 30000 *ตดตอ: E-mail [email protected], เบอรโทรศพท 0-4422-4553, เบอรโทรสาร 0-4422-4613

บทคดยอ งานวจยนไดศกษาพฤตกรรมความเสยหายของโครงสรางทออลมเนยมผนงบางภายใตภาระกรรมการชน

กระแทกในแนวแกนดวยระเบยบวธไฟไนตเอลเมนตบนโปรแกรมทเรยกวา ANSYS-Explicit Dynamics และวธการทดลอง โดยทออลมเนยมมขนาดอตราสวนของเสนผานศนยกลางตอความหนา (D/t) และอตราสวนของความสงตอเสนผานศนยกลาง (H/D) เทากบ 50 และ 4 ตามล าดบ และอยภายใตเงอนไขพลงงานจลนกอนชนเทากบ 163 จล ในการศกษานไดพจารณาความสามารถในการดดซบพลงงานของโครงสรางและรปรางของการเสยรป รวมไปถงไดท าการวเคราะหเปรยบเทยบยนยนความถกตองตามมาตรฐาน ASME V&V 10.1 ผลการศกษาพบวาโครงสรางผนงบางจะเสยรปแบบไมสมมาตร และมจ านวนชนการพบตวทไดจากการวเคราะหบนแบบจ าลองและวธการทดสอบทสอดคลองกน โดยทคาระยะยบตวสงสดเทากบ 52.56 ± 1.72 มลลเมตร คาแรงสงเทากบ 6,285 ± 710 นวตน และคาพลงงานดดซบเทากบ 128.32 ± 30.31 จล อยางไรกตามเมอวเคราะหเปรยบเทยบตามมาตรฐานพบวาความสมพนธระหวางแรงกบระยะยบตวทงสองวธการนนยงคงไมสอดคลองกนอยางมนยส าคญ ค ำหลก: การชนกระแทกในแนวแกน โครงสรางผนงบาง ทออลมเนยม การทดสอบปลอยตก Abstract In the research, the plastic collapsed behavior of thin-walled tube structure under axial impact load is focused by the mean of Finite Element software (called as ANSYS-Explicit Dynamic) as well as the experiment. A circular cross-section aluminum tube with the diameter-to-thickness ratio (D/t), and the height-to-diameter (H/D) ratio as 50 and 4, respectively was performed based on 163 joule initially kinetic energy before impact. In this study, the energy absorption capacity including the mode of collapse was the main parameters. The results of FE simulation was verified to the experiment method based on ASME V&V 10.1 standard. The results revealed that the collapse behavior of thin-walled structure is non-symmetric mode. The numbers of the fold between FE simulation and experiments are coincident damage character. The results also displayed that the maximum axial deformation, maximum load, and the energy absorption capacity following as 52.56 ± 1.72 millimeter, 6,285 ± 710 newton, and 128.32 ±

ME SUT-06


37

30.31 joule, respectively. According to the verification, however, the relation of force-displacement curve between the FE simulation and experiment method are not related significantly. Keywords: Axial impact, Thin-walled structure, Aluminum tube, Drop tests

1. บทน า ปจจบนโครงสรางผนงบาง (Thin-Walled

Structure) ถกน ามาประยกตใชงานทางวศวกรรมมากขน ตงแตงานโครงสรางอากาศยาน สะพาน เรอ และรถโดยสาร ตลอดจนแทนขดเจาะน ามน และอาคาร โดยโครงสรางเหลานถกออกแบบเพอรบภาระกรรมหลายรปแบบ อาทเชน โครงสรางโยธาถกออกแบบเพอรบภาระกรรมแบบสถต หรอโครงสรางรถโดยสารถกออกแบบเพอรบภาระกรรมแบบพลวตจากการใชงานปกต รวมถงการออกแบบเพอความปลอดภยของผโดยสารเมอเกดอบตเหต ดงนนการศกษาพฤตกรรมความเสยหายของโครงสรางผนงบางจงมความส าคญ

มการศกษาเกยวกบความเสยหายของโครงสรางผนงบางเนองจากภาระกรรมในแนวแกน ทงการจ าลองดวยระเบยบวธไฟไนตเอลเมนต และงานวจยทางดานการทดลอง Gu G. และคณะ [1] ศกษาความเปนไปไดของรอยแตกบนทอผนงบางเหลกกลาความแขงแรงสง อลมเนยม และแมกนเซยม หนาตดสเหลยมจตรส หกเหลยม และวงกลม ภายใตเงอนไขขอบเขตการชนกระแทกดวยความเรวตนในแนวแกน โดยใชระเบยบวธไฟไนตเอลเมนตเพอจ าลองพฤตกรรมทเกดขน พบวามความเปนไปไดมากทสดทจะเกดรอยแตกบรเวณขอบของทอหนาตดสเหลยมจตรส พารามเตอรทมผลตอการเกดความเคนบนชนงานประกอบดวยองศาความมนของขอบ ความหนาผนงชนงาน และรปรางพนทหนาตด สวนความเรวตนทแตกตางกนไมมผลตอการเกดความเคนอยางมนยส าคญ DiPaolo P.B. และ Tom J.G. [2] ไดทดลองการชนกระแทกโครงสรางผนงบางภายใตภาระกรรมแบบกงสถต (Quasi-Static Impact) ดวยเครองทดสอบความแขงแรงของวสดอเนกประสงค (Universal Testing Machines, UTM)

วสดทใชทดลองเปนเหลกกลาคารบอนต าและเหลกกลาไรสนมออสเทนนตกหนาตดสเหลยมจตรส พบวาชนทดสอบทเปนวสดเดยวกนจะมการดดซบพลงงานและรปแบบการเสยรปทแนนอนภายใตภาวะภาระกรรมเดยวกน และสามารถท าซ าได Lee L.S. และคณะ [3] ไดศกษาพฤตกรรมความเสยหายของกระปองเครองดมภายใตภาระกรรมการชนกระแทกความเรวต า (Low-Velocity Impact) ดวยระเบยบวธไฟไนตเอลเมนตเปรยบเทยบกบการทดสอบปลอยตก ใชโปรแกรมทช อวา ANSYS ในขนตอนกอนการประมวลผล และ LS-DYNA ในขนตอนการประมวลผลและหลงการประมวลผล พบวารปรางการเสยรปและอตราการเสยรปของทงสองกระบวนการสอดคลองกน Thinvongpituk C. [4, 5] ไดศกษาความเสยหายของโครงสรางผนงบางทรงกรวยเมอไดรบภาระกรรมในแนวแกน โดยพารามเตอรทสนใจไดแก ขนาดของชนทดสอบ แรงทท าใหเกดการโกงเดาะ รปรางการเสยรป และความสมพนธระหวางแรงกบระยะยบตว

ในงานวจยนเปนการศกษาพฤตกรรมความเสยหายของทออลมเนยมหนาตดกลม ภายใตภาระกรรมชนกระแทกแบบปลอยมวลตก เปรยบเทยบผลการจ าลองดวยระเบยบวธไฟไนตเอลเมนตกบการทดลองดวยวธตามมาตรฐาน ASME V&V 10.1 [6] เพออภปรายกระบวนการดดซบพลงงานของโครงสรางผนงบาง

2. วธด าเนนงานวจย 2.1 ขนาดชนทดสอบ

ชนทดสอบโครงสรางผนงบางทใชในการทดลองท าจากทออลมเนยมหนาตดกลมทมเสนศนยกลางภายนอก 25.0 มลลเมตร และมความหนาของผนง 0.5 มลลเมตร สวนความยาวชนทดสอบถกควบคมใหมระยะ 100.00 ± 0.2 มลลเมตร ดงแสดงใน

ME SUT-06


38

ตารางท 1 ดงนนอตราสวนของเสนผานศนยกลางตอความหนา (Ratio of Diameter and Thickness, D/t) มคาเทากบ 50 และอตราสวนของความสงตอเสนผานศนยกลาง (Ratio of Height and Diameter, H/D) มคาเทากบ 4

จากอตราสวนทงสองเมอพจารณาเบองตนโดยอาศยแผนภมการจดหมวดหมส าหรบทออลมเนยมหนาตดกลม ในงานวจยของ Guillow S.R. และคณะ [7] สามารถคาดการณไดวา ชนทดสอบนมความเปนไปไดทจะเสยรปแบบผสม (Mixed Mode) ระหวางรปแบบการเสยรปสมมาตร (Axial-Symmetric Mode) และไมสมมาตร (Non-Symmetric Mode) ตารางท 1 ความยาวของชนทดสอบ

ชนทดสอบ ความยาวชนทดสอบ (mm)

#1 99.87 #2 100.18 #3 99.90 #4 100.16 #5 100.10

2.2 สมบตวสด

การทดสอบสมบตวสดอางองมาตรฐาน ASTM E8 [8] ทดสอบแรงดงดวยเครองทดสอบความแขงแรงของวสดอเนกประสงค ใชชนทดสอบแรงดง 5 ชน ความยาวของเกจ (Gage Length) 50.0 ± 0.1 มลลเมตร ความกวาง 12.5 ± 0.2 มลลเมตร ใชโหลดเซลล (Load Cell) 100 กโลนวตน ความเรวในการดง 0.015 มลลเมตรตอนาท ทดสอบทอณหภมหอง 2.3 แบบจ าลองไฟไนตเอลเมนต

สรางแบบจ าลองดวยโปรแกรม Solidwork 2012 โดยจ าลองชนทดสอบใหเปนวตถพนผว (Surface Body) ทมเสนผานศนยกลาง 24.5 มลลเมตร ตงอยระหวางมวลตกกระทบ 30.8 กโลกรมและฐานรองรบ ดงรปท 1

ใชโปรแกรมคอมพวเตอร ANSYS workbench 13.0 ด าเนนการระเบยบวธไฟไนตเอลเมนตบนระบบวเคราะห Explicit Dynamics ก าหนดเงอนไขขอบเขตใหมวลตกกระทบเขาชนชนทดสอบดวยความเรวตน 3.2550 เมตรตอวนาท สมประสทธแรงเสยดทานระหวางชนสวนทเชอมตอกนเทากบ 0.7 สราง เอลเมนตทรงหกหนา (Hexahedral) ส าหรบวตถแขง (Solid Body) และเอลเมนตสเหลยม (Quadrilateral) วตถพนผว โดยมจ านวนเอลเมนตทงหมด 2,995 เอลเมนต และมจ านวนโหนด 3,419 โหนด

Rigid Mass

Rigid Wall

Specimen

รปท 1 แบบจ าลองการทดสอบปลอยตก

2.4 การทดสอบปลอยตก

เครองทดสอบปลอยตกในแนวดง ตดตงมวลตกกระทบ 30.8 กโลกรม จากความสง 54 เซนตเมตร ชนทดสอบถกตดตงไวกบฐานรองรบดวยดนน ามน ดงรปท 2 ค านวณพลงงานจลนกอนชนกระแทก ตามกฎอนรกษพลงงาน (Conservation of Energy) ได 163.16 จล

ตดตงมเตอรความเรง (Accelerometer) ขนาด ±500 g เพอวดความเรงในแนวการเคลอนทของมวลตกกระทบเทยบกบเวลา บนทกผลทก ๆ 0.0005 วนาท

ME SUT-06


39

รปท 2 เครองทดสอบปลอยตก

3. ผลการวจยและวเคราะหผล

3.1 ความสมพนธระหวางแรงกบระยะยบตว ผลการจ าลองดวยระเบยบวธไฟไนตเอลเมนต

พบวาจากสภาวะกอนชนกระแทกจนถงชนทดสอบยบตวสงสดใชเวลาประมาณ 0.023 วนาท พจารณาแรงปฏกรยาทท าใหชนทดสอบเสยรปและระยะเคลอนท โดยแสดงพารามเตอรทงสองจากมวลตกกระทบทก ๆ 0.0005 วนาท สรางเปนความสมพนธระหวางแรงกบระยะยบตว ดงแสดงในรปท 3 มระยะยบตวสงสดเทากบ 37.512 มลลเมตร แรงสงสดคา 6,755 นวตน และพลงงานดดซบซงค านวณดงสมการท (1) มคาประมาณ 159.18 จล

รปท 3 ความสมพนธระหวางระหวางแรงกบ ระยะยบตวของการวเคราะหดวยระเบยบวธ

ไฟไนตเอลเมนต

cW P x dx (1)

เมอ

cW คองานทท าใหยบตวสงสด (J) ( )P x คอแรงปฏกรยา (N)

ความสมพนธระหวางแรงกบระยะยบตวของ

การทดสอบปลอยตกจ านวน 5 ชน ไดแสดงไวดงรปท 4 และคาพารามเตอรของการทดลองไดแสดงไวในตารางท 2

รปท 4 ความสมพนธระหวางระหวางแรงกบ

ระยะยบตวของทดสอบปลอยตก ตารางท 2 พารามเตอรของของการทดสอบปลอยตก

ชนทดสอบ ระยะยบตวสงสด

(mm) แรงสงสด

(N) พลงงานดดซบ

(J)

#1 50.17 6,824.94 102.31 #2 52.08 6,346.67 142.70 #3 52.15 5,721.89 90.65 #4 54.61 5,429.84 161.85 #5 53.80 7,103.17 144.10

Mean 52.562 6285.302 128.322 SD 1.721 709.424 30.313

เงอนไขทใชเปรยบเทยบระหวางการจ าลองกบ

การทดสอบตามมาตรฐาน ASME V&V 10.1 แสดงไดดงสมการท (2) และ (3) ท าการเปรยบเทยบ 3 พารามเตอร ไดแก ระยะยบตวสงสด แรงสงสด และ

ME SUT-06


40

พลงงานดดซบ คา SRQM ทค านวณได คอ 0.2863 0.0747 และ 0.2405 ตามล าดบ

mod expexp

1( ) ( )SRQ

SRQ SRQM F y F y dy

SRQ

(2)

เมอ exp

SRQ คอคาเฉลยของการทดสอบ ( )SRQF y คอฟงกชนการแจกแจงความนาจะ

เปนแบบสะสม

0.1SRQM (3)

จากรปท 4 ความสมพนธระหวางแรงกบระยะยบตวของการทดสอบปลอยตกไมเปนรปแบบทแนนอน แตสามารถบงบอกพฤตกรรมการดดซบพลงงานโดยทวไปของโครงสรางผนงบางได คอ ชวงแรกทตกอยภายใตภาระกรรมแบบชนกระแทกในแนวแกน จะมแรงปฏกรยาสงสดทท าใหโครงสรางผนงบางยบตว จากนนแรงปฏกรยาจะขน ๆ ลง ๆ อยในระดบเดยวกนจนถงระยะยบตวสงสด สามารถประมาณคาเฉลยไดโดยใชทฤษฎบทงานและพลงงาน (Work-Energy Theorem) เมอเปรยบเทยบกบการจ าลองดวยระเบยบวธไฟไนตเอลเมนต พบวา ความสมพนธระหวางแรงกบระยะยบตวของทงสองกระบวนการไมสอดคลองกนอยางมนยส าคญ 3.2 รปรางการเสยรป

เมอโครงสรางผนงบางไดรบภาระกรรมชนกระแทก ผนงของชนงานจะพบตวเปนชน ๆ โดยเรมจากสวนบนสดของชนงาน จนกระทงเขาสสภาวะสมดล ในการทดสอบนโครงสรางผนงบางเกดการพบแบบไมสมมาตร (Non-Symmetric Mode) ตามการจ าแนกของ Lu G. และ Yu T. [9] เปนจ านวน 5 ชน ซงสอดคลองกบผลจากการจ าลองดวยโปรแกรมคอมพวเตอร ดงแสดงไดในรปท 5

รปท 5 รปรางการเสยรปชนทดสอบผนงบาง การพบของผนงทเกดขนเปนกระบวนการดด

ซบพลงงานของโครงสรางผนงบาง โดยเปลยนจากพลงงานจลนกอนชนกระแทกเปนงานทท าใหผนงชนทดสอบเกดการดดแบบไมยดหยน (Plastic Bending) กระจายเปนระนาบสามเหลยมเลก ๆ ทเปนระเบยบ จงเกดการเสยรปแบบไมสมมาตร จากนนพลงงานทเหลอจะถกสงถายผานชนทดสอบในรปพลงงานคลนความเคน (Stress Wave Energy) ตามทศทางการชนกระแทกลงไปยงฐานลาง ตามทฤษฎบทงานและพลงงาน

4. สรปผลการวจย

พฤตกรรมการดดซบพลงงานของโครงสรางผนงบางภายใตภาระกรรมการชนกระแทกแนวแกนตามเงอนไขของการศกษาครงน เมอมพลงงานจลนเขาชนกระแทกชนทดสอบ แรงจากการชนกระแทกนนจะท างานใหชนทดสอบยบตว โดยผนงของชนทดสอบจะเกดการพบแบบไมสมมาตร (Non-Symmetric Mode) บรเวณหนาแรกทรบแรง ซงแรงสงสดจะเกดขนในการพบตวครงแรก จากนนโครงสรางผนงบางจะยบตวจนจบกระบวนการ คาระยะยบตวสงสดเทากบ 52.56 ± 1.72 มลลเมตร คาแรงสงเทากบ

ME SUT-06


41

6,285 ± 710 นวตน และคาพลงงานดดซบเทากบ 128.32 ± 30.31 จล กลาวไดวางานทท าใหเกดการยบตวของโครงสรางผนงบางคอพฤตกรรมการดดซบพลงงาน

ผลจากการจ าลองดวยระเบยบวธไฟไนตเอลเมนตและการทดสอบปลอยตก แสดงรปรางการเสยรปทตรงกน แตความสมพนธระหวางแรงกบระยะยบตวไมสอดคลองกนอยางมนยส าคญ เมอเปรยบเทยบโดยใชวธตามมาตรฐาน ASME V&V 10.1 เปนตวชวดพารามเตอรระยะยบตวสงสด แรงสงสด และพลงงานดดซบ มคา 0.2863 0.0747 และ 0.2405 ตามล าดบ

อยางไรกตามพฤตกรรมการดดซบพลงงานของโครงสรางผนงบางอาจเปลยนไปเมอเงอนไขขอบเขตเปลยนแปลง เชน พลงงานจลนกอนเขาชน รปรางของชนทดสอบผนงบาง เปนตน

5. เอกสารอางอง [1] Gu, G., Xia, Y. and Zhou, Q. (2012). On the fracture possibility of thin-walled tubes under axial crushing, Thin-Walled Structure, vol. 55, June 2012, pp. 85 – 95. [2] DiPaolo, B.P. and Tom, J.G. (2006). A study on an axial crush configuration response of thin-wall, steel box components: The quasi-static experiments, International Journal of Solids and Structures, vol. 43(25-26), December 2006, pp. 7752 – 7775. [3] Lee, L.S., Ali, A., Sanuddin, A.B. and Afshar, R. (2010). Simulation and experimental work on a thin-walled structure under crushing, Journal of Failure Analysis and Prevention, vol. 10(2), April 2010, pp. 143 – 151. [4] Thinvongpituk, C. and El-Sobky, H. (2003). The effect of end conditions on the buckling load characteristic of conical shells subjected to axial loading, The ABAQUS Users’ Conference Proceedings, June 2003.

[5] Thinvongpituk, C. and Chomkwah, V. (2005). Crush characteristic of conical shells with varying thickness, The 8th Asian symposium on visualization, May 2005. [6] ASME V&V 10.1. (2012). An Illustration of the Concepts of Verification and Validation in Computational Solid Mechanics, The American Society of Mechanical Engineers, Three Park Avenue, New York, 2012, ISBN: 9780791834152, www.asme.org. [7] Guillow, S.R., Lu, G. and Grzebieta, R.H. (2001). Quasi-static axial compression of thin-walled circular aluminium tubes, Internation Journal of Mechanical Sciences, vol. 43(9), September 2001, pp. 2103 – 2123. [8] ASTM E8/E8M-11. (2011). Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials, American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, Pennsylvania, 2012, DOI: 10.1520/E0008_E0008M-11, www.astm.org. [9] Lu, G. and Yu, T. (2003). Energy Absorption of Structures and Materials, ISBN: 1-85573-688-8, Woodhead Publishing Limited, Abington.

http://www.asme.org/

http://www.astm.org/



ตนแบบอปกรณยดตรงกระดกประเภทภายนอกแบบพลวต

ส าหรบภาวะกระดกหนาแขงหกชนดเปด The Prototype of Dynamic External Fixation Device

for Open-Type Tibia Fracture

ธนนนต ศรสพรรณ1, และ สภกจ รปขนธ1*

1 สาขาวชาวศวกรรมเครองกล ส านกวชาวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร อ าเภอเมอง จงหวดนครราชสมา 30000 *ตดตอ: [email protected], เบอรโทรศพท: 044-224553, โทรสาร: 044-224613

บทคดยอ งานวจยนเปนการน าเสนอตนแบบอปกรณยดตรงกระดกประเภทภายนอกทมฟงกชนการท างานแบบ

พลวตเพอชวยกระตนการสรางกระดกใหมในภาวะของการซอมแซมส าหรบผปวยภาวะกระดกหนาแขงหกแบบเปด โดยทท าการศกษาดวยการสรางแบบจ าลองไฟไนตเอลเมนตของการยดตรงกระดกหนาแขงหกภายใตภาระกระท าแบบพลวตและวเคราะหถงประสทธภาพทางกล ไดแก คาความแขงตงและความแขงแรงโครงสรางอปกรณ ตลอดจนคาความเครยดบรเวณกระดกหก ผลการวจยพบวาคาความแขงตงโครงสรางของอปกรณทไดออกแบบมคาอยในเกณฑทนาพอใจ รวมทงความแขงแรงโครงสรางของอปกรณมความเพยงพอตอการใชงานภายใตภาระกระท าทง 4 รปแบบ ไดแก ภาระกระท าในแนวแกน , ภาระกระท าแบบโมเมนตดดสจดในแนวหนา-หลง , ภาระกระท าแบบโมเมนตดดสจดในแนวดานขาง , และภาระกระท าแบบโมเมนตบด นอกจากนผลการวจยยงพบวาอปกรณดงกลาวสามารถท างานภายใตภาระแบบพลวต ซงชวยในเรองของการกระตนการสรางกระดกใหมไดดวย แตอยางไรกตามอปกรณทไดออกแบบนควรมการทดสอบในระดบหองปฏบตการกอนการใชงานในทางคลนก ค ำหลก: อปกรณยดตรงกระดกแบบภายนอก, ภาระแบบพลวต, ความแขงตง, ระเบยบวธไฟไนตเอลเมนต Abstract The present study aimed to propose the novel dynamic external fixation device used to the stimulation new bone function for the patient with open-typed tibia fracture. In this study, the finite element model of the open type tibia fracture which stabilized by the external fixator device were established. The new external fixation device was then investigated the mechanical performance (such as the construction stiffness and strength as well as the inter-fragment fracture strain) to compare with the different type of external fixation device. According to the results, the new device has the desired mechanical construction stiffness which higher than other external fixator. Also the structural strength of the device is sufficient to operate under load (e.g., axial loading, AP-bending, ML-bending and torsion loading). In addition, the result revealed that the device can be responded under the dynamic load which helps to the stimulating new bone formation. However, the designed device must be test in the laboratory level before the clinical trial. Keywords: External fixation device, Dynamic load, Construction stiffness, Finite element analysis.



43

1. บทน า ภาวะกระดกหกชนดเปดเปนภาวะกระดกหกท

เกดขนพรอมกบมบาดแผลเปดบนผวหนง ซงมสาเหตมาจากการเกดอบตเหตทงอบตเหตจากการเลนกฬาและอบตเหตจากการจราจรเปนสวนใหญ โดยภาวะกระดกหกแบบเปดมกจะเกดขนกบกระดกหนาแขง เนองจากกระดกดงกลาวไมมกลามเนอมาปกคลมมเพยงชนไขมนและผวหนงเทานน ทงนในการรกษาภาวะกระดกหนาแขงหกทางศลยแพทยนยมใชการรกษาดวยอปกรณยดตรงกระดกแบบภายนอก [1] เนองจากอปกรณชนดนสามารถหลกเลยงการตดเชอบรเวณบาดแผลทเกดการทมทะลของกระดกออกมาไดดกวาอปกรณชนดอน โดยทในการรกษาดวยอปกรณยดตรงกระดกแบบภายนอกจะท าโดยการใชเหลกปลายแหลมทมเขาไปในกระดก จากนนจะท าการจดเรยงกระดกและยดโลหะปลายแหลมเหลานนไวกบโครงสรางภายนอกรางกาย เพอตรงกระดกบรเวณทเกดรอยแตกใหอยในแนวเดมของรางกายและเพอจ ากดการเคลอนทของกระดกบรเวณรอยแตกไมใหเคลอนทมากเกนไป ซงจากงานวจยทผานมาพบวาปจจยหนงซงสงผลตอการตดของกระดกนน กคอการบรหารรางกายดวยกระตนใหกระดกบรเวณรอยแตกเกดการเคลอนทเลกนอยหรอรบแรงกดอดทเหมาะสม ในชวงภายหลง 3 - 4 สปดาห โดยทจะสงผลใหเกดการชวยกระตนใหเกดการสรางกระดกใหมทรวดเรวยงขน [2]

ปจจบนอปกรณยดตรงกระดกแบบภายนอกทใชในโรงพยาบาลในประเทศไทยสวนใหญเปนอปกรณทส งซอมาจากบรษทผผลตทงในไทยและตางประเทศ ซงพบวามราคาคอนขางสงประกอบกบจ านวนผปวยทมากเพมขนในแตละโรงพยาบาล ดวยเหตผลดงกลาวจงเปนทมาของการออกแบบและพฒนาตนแบบอปกรณยดตรงกระดกภายนอกของทางกลมงานศลยกรรมออรโธปดกส โรงพยาบาลมหาราช นครราชสมา [3-4] ทงนพบวาอปกรณดงกลาวใหผลการรกษาเปนทนาพอใจและเกดภาวะแทรกซอนต า อยางไรกตามอปกรณดงกลาวยงคงมขอจ ากดบางประการในแงของประสทธภาพทางกลของอปกรณและ

สวนชวยกระตนใหเกดกระดกเชอมตดกนของอปกรณดงกลาวยงคงใชงานไดอยางไมสมบรณ ดงนนงานวจยนจงไดน าเสนอการออกแบบและผลการวเคราะหดวยระเบยบวธไฟไนตเอลเมนตของอปกรณยดตรงกระดกแบบภายนอกทมสวนชวยกระตนการสรางกระดกใหม เพอเปนตนแบบในการผลตใชในระดบคลนกสบตอไป

2. วสดและวธการ

2.1 แบบจ าลองไฟไนตเอลเมนต ในการศกษานแบบจ าลองอปกรณยดตรงกระดก

แบบภายนอกถกสรางขนดวยโปรแกรมคอมพวเตอรชวยในการออกแบบทเรยกวา SolidWorks โดยทโครงสรางอปกรณประกอบไปดวยชนสวนหลก 3 ชน คอ ชดจบยด (Clamp Set) ชดโครงสราง (Central Body) และหมดตรง (Schanz Screw) นอกจากนอปกรณดงกลาวถกออกแบบมาใหสามารถใชงานไดทงแบบสถตและแบบพลวตโดยการปรบเปลยนการท างานทตรงกลางของชดโครงสราง ซงภายในบรรจสปรงทมคาความแขง 75 N/mm ไว ดงแสดงในรปท 1 ทงนในการสรางแบบจ าลองกระดกหนาแขงจะท าการพจารณาอยางงายโดยการจ าลองดวยแทง Polyoxymethylene (POM) ขนาดเสนผาศนยกลางเทากบ 30 มลลเมตร และยาวเทากบ 120 มลลเมตร ซงระยะหางเทากบ 20 มลลเมตร รวมทงก าหนดใหมจ านวนสกรในการยดแนนกระดกเพอใหสอดคลองกบงานวจยของ Lang Yang และคณะ [5]

รปท 1 แบบจ าลองอปกรณยดตรงกระดกแบบ

ภายนอกทไดออกแบบ



44

ขนตอนในการสรางแบบจ าลองไฟไนตเอลเมนตจะใชโปรแกรมคอมพวเตอรทชวยในการวเคราะห ANSYS Workbench version 13 และเลอกใชเอลเมนตประเภทพระมดฐานสามเหลยมแบบสบจดขว (Tetrahedral 10-node element) ดงแสดงในรปท 2 โดยมจ านวนเอลเมนตทงหมด 348 ,211 เอลเมนต โดยทเงอนไขในการสรางแบบจ าลองการสมผสระหวางชนสวนแตละชนจะก าหนดใหมลกษณะแบบยดแนน (Glue) ยกเวนบรเวณการสมผสระหวางชนสวนสกรและแทงอะครลก ก าหนดใหสรางแบบจ าลองเกลยวเปนลกษณะเกลยวอยางงายและก าหนดการสมผสเปนลกษณะสมผสแบบมคาสมประสทธความเสยดทานต า (Frictionless) [6]

รปท 2 แบบจ าลองไฟไนตเอลเมนต

2.2. การก าหนดสมบตวสด ในการศกษาครงนไดท าการพจารณาสมบตวสดของ

แตละชนสวนใหมพฤตกรรมแบบเชงเสน, มลกษณะเปนเนอเดยวและมสมบตเทากนทกทศทา ง ( Linear homogeneous Isotropic materials) โดยทก าหนดใหชนสวนของโครงสรางตวอปกรณเปนวสดประเภทเหลกกลาไรสนม เกรด 304 และคารบอนไฟเบอร สวนหมดตรงซงก าหนดใหเปนวสดประเภทเหลกกลาไรสนม เกรด 316LVM โดยทคาโมดลสความยดหยน (E) และคาอตราสวนปวซอง ( ) ของวสดเปนไปตามตารางท 1 ตารางท 1 คณสมบตวสดของชนสวนแตละชน

วสด E (GPa) ( ) Stainless 304 190 0.29 Stainless 316LVM 200 0.33 Carbon fiber 230 0.3 แทง POM 2.5 0.3

2.3 การก าหนดเงอนไขขอบเขต การศกษานแบงการวเคราะหเปน 2 รปแบบ คอ

การวเคราะหแบบสถตและการวเคราะหแบบพลวต การวเคราะหแบบสถตเปนการวเคราะหเพอจ าลองภาวะทผปวยใสอปกรณดงกลาว ซงประกอบไปดวย 4 ภาระกระท าคอ ภาระกระท าในแนวแกน (Axial) ภาระกระท าแบบโมเมนตดดสจดในแนวหนา-หลง (Anterior-Posterior bending, AP-Bending) ภาระกระท าแบบโมเมนตดดสจดในแนวดานขาง (Medial-Lateral bending, ML-Bending) และภาระกระท าแบบโมเมนตบด (Torsion) ส าหรบการวเคราะหแบบพลวตนนเปนการวเคราะหเพอสงเกตพฤตกรรมทางกลของอปกรณเมอผปวยท าการกระตนการเชอมตดกนของกระดกโดยการนงสนขาในแนวแกน

การก าหนดเงอนไขขอบเขตการวเคราะหแบบสถตทง 4 รปแบบภาระกระท า แสดงในรปท 3 และการก าหนดเงอนไขขอบการวเคราะหแบบพลวตแสดงในรปท 4

(ก) (ข)

(ค)

(ง) รปท 3 เงอนไขการจ าลองการวเคราะหแบบสถต(ก) ภาระในแนวแกน (ข) ภาระโมเมนตบด

(ค) ภาระโมเมนตดดสจดแนว AP (ง) ภาระโมเมนตดดสจดแนว ML



45

รปท 4 เงอนไขการจ าลองการวเคราะหแบบพลวต

2.4 การวเคราะหประสทธภาพทางกลของอปกรณ

ในการศกษานจะท าการศกษาถง 2 พารามเตอรซงเปนตวชวดประสทธภาพทางกลของอปกรณยดตรงกระดกแบบภายนอก คอ ความแขงตงโครงสรางของอปกรณและความแขงแรงโครงสรางของอปกรณ โดยความแขงตงโครงสรางอปกรณจะไดมาจากการพจารณาความสมพนธระหวางภาระกรรมตอการเสยรปในทศทางเดยวกบภาระกรรมบรเวณชองวางของแทง POM ดงแสดงในความสมพนธในสมการท (1)

kF

(1)

โดยท k คอ คาความแขงตง ( / ), ( / deg)N mm N mm F คอ ภาระทกระท า ( ), ( )N N mm คอ ระยะการเสยรป ( ), (deg)mm

ส าหรบความแขงแรงโครงสรางของอปกรณเปนพารามเตอรทใชบงชวา อปกรณสามารถรบภาระกระท าไดมากนอยเพยงใดโดยไมเกดความเสยหายอยางถาวร ซงในการศกษานจะใชการพจารณาคาความเคนฟอนมสทเกดขนบนอปกรณเพอน าไปเทยบกบคาความเคนครากของวสด

3. ผลการวจย 3.1 การกระจายความเคน

ผลการวเคราะหการกระจายความเคนฟอนมสบนโครงสรางอปกรณและคาความเคนสงสดในแตละกรณสามารถแสดงไดตามรปท 5 ทงนพบวาต าแหนงทเกดคาความเคนสงสดจะอยบรเวณชนสวนหมดตรงใกลกบชดจบยด

(ก) ภาระแนวแกน

(ข) ภาระโมเมนตบด

(ค) ภาระโมเมนตดดสจดแนว AP



46

(ง) ภาระโมเมนตดดสจดแนว ML

รปท 5 การกระจายความเคนบนอปกรณในกรณภาระกระท าตางๆ (ก) Axial (ข) Torsion (ค) AP (ง) ML

3.2 คาความแขงตงโครงสรางของอปกรณ ผลการวเคราะหคาความแขงตงของโครงสราง

อปกรณภายใตภาระกระท าทง 4 รปแบบ สามารถแสดงไดในตารางท 2 โดยเมอเปรยบเทยบกบอปกรณดงเดมของโรงพยาบาลมหาราช (Korat Static External Fixation Device: KSEF) และอปกรณมาตรฐานชนดอนทไดถกศกษาโดย Lang Yang และคณะ[5] พบวา อปกรณทไดออกแบบมามคาความแขงตงอยในเกณฑสงกวาอปกรณอน ๆ

ตารางท 2 ผลการเปรยบเทยบกบอปกรณชนดอน

รปแบบ ความแขงตง (N/mm)

Axial AP-Bending

ML-Bending

Torsion (Ncm/degree)

อปกรณทไดออกแบบ

104.62 643.71 85.62 69.28

KSEF 76.47 456.70 61.01 27.91 Ilizarov 79.00 47.88 61.18 - Hybrid Ilizarov

102.00 289.94 127.68 -

Bar-Ring 59.00 53.28 76.96 - Reinforced Bar-Ring

80.00 63.64 71.04 -

Two-Ring 82.00 62.16 100.64 -

3.3 การจ าลองการกระตนโดยการสนขาของผปวย

การจ าลองการกระตนโดยการสนขาของผปวย ในแบบจ าลองนนไดท าการใหภาระกระท าในแนวแกนในลกษณะคลนไซนดวยแอมปลจดสงสด 100 นวตน

ความถ 0.5 เฮรท เพอดการเคลอนททเกดขนบรเวณรอยหางตรงกลางของแทง POM และใชเพอดผลคาความแขงของสปรง ผลการเคลอนทแสดงในรปท 6

รปท 6 ผลระยะการเคลอนทบรเวณรอยหาง

4. อภปรายผลการวจย

4.1 ความแขงตงโครงสรางของอปกรณ การวเคราะหคาความแขงตงโครงสรางของ

อปกรณยดตรงกระดกแบบภายนอกนน แสดงใหเหนถงประสทธภาพโดยรวมของอปกรณ จากผลการวเคราะหจะเหนไดวา อปกรณทไดออกแบบในการศกษานมคาความแขงตงโครงสรางในแนวแกนและแนวโมเมนตดดสจดในแนวดานหนา-หลงสงกวาอปกรณมาตรฐานชนดอน ๆ ซงคาความแขงตงในแนวแกนถอวาเปนคาทส าคญเปนอยางยง เนองจากภาระกรรมในแนวแกนนน เปนภาระกรรมทมคาสงทสด ในขณะทผปวยใสอปกรณยดตรงกระดก เพราะเปนภาระกรรมทเกดจากน าหนกของผปวยในขณะทผปวยลงน าหนกในขาขางทใสอปกรณยดตรงกระดก 4.2 ความแขงแรงโครงสรางของอปกรณ

ขณะทอปกรณยดตรงกระดกแบบภายนอกรบภาระกรรมในการวเคราะหความแขงตงโครงสรางทง 4 รปแบบ พบวา คาความเคนฟอนมสสงสดจะเกดทช นสวนจบยด ซงยดตดกบหมดตรงโดยสาเหตทเกดความเคนสงสดขนบรเวณนเนองจากลกษณะของอปกรณมความคลายคลงกบคานยนอยางงาย (Cantilever beam)

นอกจากนเมอพจารณาความเคนทเกดขนในการวเคราะหคาความแขงตงในแนวแกน ซงเปนภาระกรรมทจ าลองมาจากการลงน าหนกของผปวยไปยงขา



47

ขางทใสอปกรณยดตรงกระดกท าใหเราสามารถประมาณไดวา ผปวยไมควรลงน าหนกไปยงขาขางทใสอปกรณเกน 15% ของน าหนกตว ดวยคา safety factor 1.4 (พจารณาจากผปวยน าหนก 60 กโลกรม)

ดงนน เมอพจารณาจากผลการกระจายความเคนและความเคนฟอนมสสงสดทเกดขนบนอปกรณทไดออกแบบ ซงความเคนสงสดจะเกดขนทช นสวนหมดตรงในทก ๆ ภาระกระท าและคาสงสดเกดขนทภาระกระท าแบบโมเมนตดดสจดในแนว ML มคา 304.92 MPa คาความเคนดงกลาวยงคงมคาต ากวาคาความเคนครากของหมดตรง (SS316LVM ความเคนคราก 899 MPa) จะเหนไดวา อปกรณดงกลาวมความแขงแรงเพยงพอตอการใชงาน โดยไมท าใหอปกรณเกดความเสยหายอยางถาวร 4.3 การจ าลองการกระตนโดยการสนขาของผปวย

จากงานวจยทผานมาพบวา การกระตนดวยการท าใหเกดการเคลอนทของกระดกบรเวณรอยแตกเปนระยะ 1-2 มลลเมตร ดวยความถ 0.5 เฮรท ในชวงแรกของการรกษาจะชวยใหเกดการเชอมตดของกระดกทรวดเรวยงขน [7,8] ซงเมอพจารณาจากผลการวเคราะหจะพบวา อปกรณทไดออกแบบมานนใหการเคลอนททอยในระยะทเหมาะสมแกการกระตนการสรางกระดกใหม

5. สรปผลการวจย อปกรณยดตรงกระดกหนาแขงแบบภายนอกเปน

อปกรณทางการแพทยทใชในการรกษาภาวะกระดกหนาแขงหกแบบเปด โดยทมวตถประสงคเพอใหบรเวณรอยแตกเกดการสรางกระดกเชอมตดกน ทงนปจจบนเนองจากขอจ ากดเรองราคาทคอนขางสง และความลาชาในการรกษา จงไดเปนแนวคดในการออกแบบอปกรณดงกลาว ซงจากผลการศกษาพบวา

อปกรณทไดออกแบบมคาความแขงตงของโครงสรางภายใตภาระกระท าทงสรปแบบคอนขางสงเมอเปรยบเทยบกบอปกรณมาตรฐานรปแบบอน ๆ

ซงเปนพารามเตอรทสามารถบงชไดวา อปกรณทไดออกแบบมคาประสทธภาพทางกลอยในเกณฑทด

อปกรณทไดออกแบบเมอรบภาระกระท าทงสรปแบบ มคาความเคนฟอนมสสงสดไมเกนความเคนครากของวสดแตละชน แสดงใหเหนวา อปกรณดงกลาวมความแขงแรงเพยงพอตอการใชงานภายใตขอบเขตภาระกระท าในการศกษาน

สวนชวยกระตนการสรางกระดกใหมของอปกรณทไดออกแบบมความเหมาะสมของระยะการเคลอนตวทบรเวณรอยหางตรงกลางแทง POM ซงเกดจากการเลอกใชสปรงทมความแขงเหมาะสมกบภาระกระท า แตหากผปวยมขนาดรางกายแตกตางออกไปจากทไดศกษาในงานวจยน อาจตองมการปรบเปลยนสปรงใหมความแขงเหมาะสมกบคนไขมากยงขน ดงนน อปกรณทไดออกแบบมาถอวามความเหมาะสมแกการผลต เพอเปนตนแบบในการใชงานในระดบคลนก แตอยางไรกตาม อปกรณดงกลาวควรมการทดสอบในระดบหองปฏบตการเพอเปรยบเทยบและยนยนผลการศกษาทได กอนการน าไปทดสอบใชจรงในระดบคลนก

6. กตตกรรมประกาศ ทางคณะวจยขอขอบคณ นพ.ยงยง สขเสถยร แผนกศลยศาสตรออรโธปดกส โรงพยาบาลมหาราชนครราชสมา ส าหรบการใหค าปรกษาและอปกรณยดตรงกระดกแบบภายนอกทออกแบบขนเพอใชในงานวจยมา ณ ทน

7. เอกสารอางอง [1] ผศ. นพ.อาร ตนาวล. การผาตดทางออรโธปดกสทควรทราบ. กรงเทพฯ : จฬาลงกรณมหาวทยาลย [2] ธนรฐ จนทอปฬ . กระดกหกรกษา (ตวเอง ) ได. วารสารศนยบรการวชาการ ปท 11, ฉบบท 4, ต.ค.- ธ.ค. 2546. [3] SUKSATHIEN Y.; SUKSATHIEN R.; Clinical Study of a New Design Multifunction Dynamic



48

External Fixator System for Open Tibial Fracture. J Med Assoc Thai 2011, 94(9), PP:1084-88. [4] SUKSATHIEN Y.; SUKSATHIEN R.; Clinical Study of a New Design Multifunction Dynamic External Fixator System for Bone Reconstruction. J Med Assoc Thai 2011, 94(10) [5] YANG Lang; NAYAGAM Selvadurai; SALEH Michael. Stiffness Characteristics And Inter-fragmentary Displacements With Different Hybrid External Fixator. Clinical Biomechanics [J].2003.18(2),PP:166-172. [6] KARUNRATANAKUL Kavin; SCHROOTEN Jan; OOSTERWYCK Hans-van. Finite Element Modeling Of A Unilateral Fixator For Bone Reconstruction: Importance Of Contact Setting. Medical Engineering and Physics [J]. 2010.32, PP:461-467. [7] A.E. GOODSHIP and J. KENWRIGHT. THE INFLUENCE OF INDUCED MICROMOVEMENT UPON THE HEALING OF EXPERIMENTAL TIBIAL FRACTURES. The Journal of Bone and Joint Surgery. [J].1985.67, PP:650-655. [8] J. KENWRIGHT; J.B. RICHARDSON; J.L. CUNNINGHAM; S.H. WHITE; A.E. GOODSHIP; M.A. ADAMS; P.A. MAGNUSSEN and J.H. NEWMAN. AXIAL MOVEMENT AND TIBIAL FRACTURES: A controlled randomized trial of treatment. The Journal of Bone and Joint Surgery. [J].1991.73, PP:654-659.

ME SUT-08


อทธพลทางชวกลศาสตรของรปแบบรอยแตกกระดกสะโพกหกตอสมรรถนะทางกล

ของการยดตรงกระดกดวยอปกรณไดนามกฮพสกร THE BIOMECHANICAL INFLUENCE OF HIP FRACTURE PATTERNS ON

MECHANICAL PERFORMANCE OF DYNAMIC HIP SCREW STABILIZATION

เกษม ศรอ านวย1 และ สภกจ รปขนธ1*

1 ส านกวชาวศวกรรมศาสตร สาขาวศวกรรมเครองกล มหาวทยาลยเทคโลยสรนาร 111 ถนนมหาวทยาลย ต าบลสรนาร อ าเภอเมอง จงหวดนครราชสมา 30000

*ตดตอ: [email protected] , เบอรโทรศพท 0-4422-4553, เบอรโทรสาร 0-4422-4070

บทคดยอ อปกรณ ไดนามกฮพสกรเปนหนงในอปกรณ มาตรฐานท นยม ใชรกษา ผปวย ภาวะกระดกสะโพกหก

นอกเหนอจาก อปกรณแกนดามยดตรงกระด ก ซงการรกษาผาตดดวยการ ใชอปกรณ ดงกลาวนนมวตถประสงคเพอใหกระดกบรเวณทแตกหกอยในสภาวะมเสถยรภาพและสามารถเชอมตอกนได อยางมประสทธภาพ ทงนจากงานวจยทผานมาพบวารปแบบการแตกของกระดกเปนหนงในปจจยส าคญทสงผลตอสมรรถนะทางชวะกลศาสตรในการยดตรงกระดก ใน งานวจยนเปนการศกษาผลกระทบทางชวกลศาสตรของอทธพลรปแบบรอยแตกกระดกสะโพกหกตอสมรรถนะทางกล ในการยดตรงดวย อปกรณ ไดนามกฮพสกร โดยทท าการศกษาดวยการสรางแบบจ าลองไฟไนตเอลเมนตของการยดตรงกระดกดวยอปกรณไดนามกฮพสกรของรอยแตกกระดกสะโพกหกตามวธการแบงของ AO 3 รปแบบ ไดแก รอยแตกแบบมนคง A1.1, A2.1 และรอยแตกแบบไมมนคง A3.1 ซงจากผลการศกษาพบวาการใชอปกรณไดนามกฮพสกรกบรอยแตกแบบ A1.1 จะมประสทธภาพเชงกลทสงกวาการน าไปใชกบรอยแตกแบบ A2.1 และ A3.1 โดยทผลของคาความเครยดบรเวณรอยแตกในรปแบบรอยแตกแบบ A3.1 จะมคาสงกวารอยแตกแบบ A1.1 เทากบ 63.59% และต ากวารอยแตกแบบ A2.1 เทากบ 2.2% ค ำหลก: ผลกระทบทางชวกลศาสตร, รปแบบการแตก, ไดนามกฮพสกร, ระเบยบวธไฟไนตเอลเมนต Abstract Dynamic Hip Screw (DHS) is the medical standard devices which widely used to the treatment of hip fracture patient as well as Trochanteric Gamma Nail (TGN). Clinically, the purpose of orthopedic surgery using the stabilization device is to treat the bone fracture in a state that is connected together effectively. Since, the hip fracture pattern is one of the significant factors that affect to the mechanical performance of fixation device. The aim of the present study was to evaluate the biomechanical effect of the fracture patterns to the hip stabilization using the DHS device. In the study, the 3D FE analysis domains consist of the intact femur stabilized by 4-hole of DHS with differ three fracture pattern of AO classification (e.g., stable type-A1.1, A2.1 and unstable type-A3.1). According to the simulation results, the uses of DHS seem to be proper for the fracture of stable type A1.1, A2.1 which revealed higher performance than unstable type A3.1. In addition, the results also exhibited that the equivalent strain on

mailto:[email protected]

ME SUT-08


50

the fracture site of the fracture pattern of A3.1 display the higher magnitude than fracture pattern of A1.1 as 63.59% and lower magnitude than A2.1 as 2.2%. Keyword : Biomechanical influence, Hip fracture pattern, Dynamic Hip Screw, Finite Element Method

1. บทน า ปจจบนปญหากระดกตนขาหกเปนปญหาหนง

ทเกดขนมากทสดในการบาดเจบทางกระดกของผสงอายและมแนวโนมทเพมสงขนทกป มการประมาณการณวามผปวยกระดกสะโพกหกทวโลกราวๆ 1.66 ลานคนในป ค .ศ .1990 และมการคาดการณวาจะเพมสงขนเปน 6.26 ลานคนในป 2050 [1] ส าหรบในประเทศไทยมการรวบรวมขอมลผปวยกระดกตนขาหกทเกดขนบรเวณภาคเหนอของประเทศไทยทจงหวดเชยงใหมซงท าการส ารวจตามโรงพยาลและหนวยงานทเกยวของ พบวาในป 1997 และ 1998 พบผปวยกระดกตนขาหก 151.2 และ185.2 คนตอประชากร 100,000 คนตามล าดบ [2] กระดกตนขาหกสามารถแบงไดเปนสามประเภทตามต าแหนงทเกดการหก ไดแก การแตกหกทบรเวณคอกระดก (femoral neck fracture) การแตกหกทบรเวณอนเตอรโทรชานเทอรก (intertrochanteric fracture) และการแตกหกทใตบรเวณอนเตอรโทรชานเทอรก (subtrochanteric fracture) ซงบรเวณทพบมากสดคอ บรเวณคอกระดกและอนเตอรโทรชานเทอรก พบมากถงรอยละ 90 ของกระดกสะโพกหก [3] การรกษากระดกตนขาหกบรเวณอนเตอรโทรชานเทอรก ปจจบนวธทถอเปนมาตรฐานคอการผาตดใสอปกรณยดตรงกระดกไวภายใน (internal fixation) โดยมวตถประสงคเพอท าใหกระดกทแตกหกมความมนคงแขงแรงและสามารถเชอมตดกนไดดงเดม ปจจยทสงผลตอความมนคงแขงแรงบรเวณรอยแตกของกระดกประกอบดวย 5 ปจจย ดงน (1) คณภาพของกระดก (2) รปแบบการแตกหกของกระดก (3) การจดเรยงกระดก (4) ชนดของอปกรณทใชยดตรงกระดก และ (5) ต าแหนงของอปกรณ ทงนปจจยทางดานคณภาพของกระดกและรปแบบของการ

แตกหกของผปวยนนเปนปจจยทไมสามารถควบคมได ในขณะทปจจยทางดานชนดและต าแหนงของอปกรณทใชในการยดตรงกระดกจะเปนปจจยทสามารถควบคมได ดงนนการเลอกอปกรณใหเหมาะสมกบผปวยนนจงถอวาเปนสงทส าคญอยางยงอปกรณยดตรงกระดกไวภายในทนยมใชในปจจบนมอยสองชนด ไดแก อปกรณแผนดามยดตรงกระดกไดนามกฮพสกร (dynamic hip screw - DHS) และ อปกรณแกนดามยดตรงกระดกโทรชานเทอรกแกมมาเนล (trochanteric gamma nail - TGN) ดงแสดงในรปท 1 โดยทอปกรณ DHS จะเปนอปกรณเรมแรกทไดมการพฒนาและใชงานกอนอปกรณ TGN ซงจากงานวจยทผานมาพบวา อปกรณ TGN จะสามารถท าใหเกดเสถยรภาพและมนคงไดดกวา อยางไรกตามอปกรณ DHS กยงเปนทนยมและพบเหนใชงานกนอยางแพรหลายในปจจบน เนองจากราคาถกและสะดวกตอแพทยผใชงานมากกวา [4] ดงนนปจจยทจะใชในการตดสนใจเลอกใชอปกรณทงสองชนดนกคอ รปแบบรอยแตกหกของกระดกนนเอง รวมไปถงดลยพนจของแพทยผรกษา

(ก) (ข)

Lag screw

DHS plate

Fix screw

Lag screw

TGN nail

Fix screw

รปท 1 อปกรณยดตรงกระดก (ก) อปกรณ DHS (ข) อปกรณ TGN

ME SUT-08


51

โดยทวไปแลวรปแบบของรอยแตกหกนนจะถกแบงออกเปน 2 ประเภทหลกๆ ไดแก รอยแตกหกแบบมนคง (stable fracture) และ รอยแตกหกแบบไมมนคง (unstable fracture) [5] ตามทฤษฏแลวรอยแตกหกแบบมนคงนนจะท าการรกษาโดยใชอปกรณ DHS เปนหลก สวนรอยแตกแบบไมมนคงจะรกษาโดยการใชอปกรณ TGN [6] อยางไรกตามเนองจากอปกรณ DHSเปนอปกรณทมราคาถกกวา และสามารถผาตดใสเขาไปในกระดกไดงายกวา อกทงยงเสยงตอการตดเชอในการผาตดไดนอยกวา จงไดมการน าอปกรณดงกลาวไปใชกบรอยแตกประเภทไมมนคง ซงผลทตามมากคอไมสามารถท าใหกระดกเกดการเชอมตดกน เกดการหลดหลวมของอปกรณ สกรทะลทหวกระดก [7]-[9] ภาวะเหลานสงผลใหแพทยตองท าการผาตดซ า ซงผปวยกจะไดรบความเสยงจากการผาตดและสญเสยคาจายทสงขนอกดวย นอกจากนแลวปญหารปแบบรอยแตกบางประเภททไมสามารถบงชไดชดวาเปนรปแบบการแตกหกแบบใด กเปนอกปจจยหนงทมความส าคญเชนกน

รปท 2 การจดประเภทตามระบบ AO (ก) A1.1 (ข) A1.2 (ค) A1.3 (ง) A2.1 (จ) A2.2 (ฉ) A2.3

(ช) A3.1 (ซ) A3.2 (ญ) A3.3

ดงนนงานวจยนจงมจดประสงคเพอท าการศกษารปแบบรอยแตกของกระดกตนขาหกบรเวณอนเตอรโทรชานเทอรกทมผลตอประสทธภาพทางกลของอปกรณ DHS โดยขอมลทไดจากงานวจยนจะเปนประโยชนตอแพทยในการน าไปประกอบการพจารณาเลอกใชอปกรณ ซงจะท าใหการรกษามประสทธภาพทดยงขน งานวจยนท าการศกษาโดยใชระเบยบวธไฟไนตเอลเมนต

2. วสดและวธการ

2.1 แบบจ าลองไฟไนตเอลเมนตสามมต แบบจ าลองของกระดกตนขาทถกน ามาใชใน

งานวจยนอางองลกษณะและรปรางของกระดกตนขาเทยมดานซายของชาวยโรป ( Pacific Research Laboratories-Model #3406) ซงสรางขนดวยการใชหลกการวศวกรรมยอนรอย (Reverse engineering) ในขณะทแบบจ าลองของอปกรณแผนดามยดตรงกระดก DHS ถกสรางขนโดยใชโปรแกรมสรางแบบจ าลองสามมต Solidworks 2012 จากนนแบบจ าลองทถกสรางขนนจะถกน าไปสรางเปนแบบจ าลองไฟไนตเอลเมนตดวยโปรแกรม MSC. Patran โดยเลอกใชเอลเมนตทรงสหนา (Ten-node tetrahedral) ทมขนาดเอลเมนต 4 มลลเมตรเทากน จ านวนเอลเมนตของแบบจ าลองทงหมดอยระหวาง 85,820 ถง 95,071 เอลเมนต แบบจ าลองไฟไนตเอลเมนตนจะถกน าไปแกปญหาดวยโปรแกม MSC. Marc ตอไป

2.2 การก าหนดคณสมบตเชงกลของวสด คณสมบตเชงกลของกระดกตนขาจะมความแตกตางกนตามต าแหนงภายในกระดกซงสามารถแสดงคาไดดงตารางท 1 2.3 การก าหนดเงอนไขสภาพขอบเขต แรงเนองจากน าหนกตวและกลามเนอทเกยวของในขณะเดนถกน ามาใชในงานวจยดงตารางท

(ก) (ข) (ค)

(ง) (จ) (ฉ)

(ช) (ซ) (ญ)

ME SUT-08


52

2 ขนาดของแรงทถกพจารณาเปนแรงกระท าสงสดทเกดขนในชวงของวฎจกรการเดนมนษย (Gait cycle) ซงถกอธบายไวจากงานวจยของ Bern-arno และคณะ [12] ทปลายดานลางของกระดกตนขาถกก าหนดใหไมสามารถเคลอนทไดอยางอสระทงสามแนวแกน ดงรปท 3

ตารางท 1 แสดงคณสมบตวสด [11]

Region Elastic modulus (MPa) /

Possion ratio Cortical bone Trabecular

bone Femoral head 17,000/0.3 900/0.29 Femoral neck 17,000/0.3 620/0.29 Introchanteric 17,000/0.3 260/0.29 Interactive tissue 3/0.4 3/0.4 Femoral shaft 17,000/0.3 -

Implant 200,000/0.3 ตารางท 2 แรงทกระท ากบกระดกตนขาภายใตสภาวะ

เนองจากการเดน [12]

Force Magnitudes (N)

Point X Y Z

Hip contact

452.38 261.90 -1,833.3 P1

Abductor -475 20 700 P2

Tensor Fascia Latae

82.40 127 -59.45 P2

Vastus Lateralis

5.63 -135 -673.13 P3

Vastus Medialis

3.80 -12.93 -70.76 P4

2.4 การก าหนดเงอนไขการสมผส ในการก าหนดเงอนไขการสมผสของแตละชนสวนนน บรเวณทสมผสกนระหวางกระดกกบ

กระดก จะก าหนดใหมการสมผสกนแบบเชอมตดกน เสมอนหนงวาชนสวนทสมผสกนอยนเปนชนเดยวกน ซงเรยกวา “Glue” บรเวณทสมผสกนระหวางกระดกกบอปกรณ DHS จะก าหนดใหมการสมผสกนแบบไมคดแรงเสยดทาน ซงชนสวนทสมผสกนสามารถเคลอนทไดอสระและหลดออกจากกนได เรยกวา “Touch”

รปท 3 เงอนไขขอบเขตของปญหา

3. ผลการวจย

3.1 ความแขงแรงของอปกรณ DHS การศกษาความแขงแรงของอปกรณ DHS นนจะศกษาจากการกระจายตวของความเคนวอนมส (von Mises stress) ผลจากการศกษาพบวาการกระจายความเคนทเกดขนบนอปกรณ DHS มลกษณะดงรปท 4 กรณรปแบบรอยแตก A1.1 ต าแหนงทมความเคนสงสดเกดขนบรเวณ lag screw

P1

P2

P3

P4

Z

Y

X

Interactive tissue

Femoral head

Femoral neck

Intertrochanteric

Femoral shaft

ME SUT-08


53

และมการสงผานความเคนเลกนอยไปยงแผน DHS กรณรปแบบรอยแตก A2.1 ต าแหนงทมคาความเคนสงสดเกดขนท lag screw ซงมคาสงกวากรณ กรณ A1.1 ประมาณรอยละ 4.5 และมการสงผานความเคนไปยงแผน DHS มากกวากรณ A1.1 ซงสงเกตไดจากเฉดส (สแดง) ทเกดขนบนแผน DHS ส าหรบกรณรปแบบรอยแตก A3.1 ต าแหนงทเกดคาความเคนสงสด คอ ต าแหนงของ lag screw เชนเดยวกนแตจะมคาสงกวากรณ A1.1 และ A2.1 ถงประมาณรอยละ 52.11% และ 45.53% ตามล าดบ และมการกระจายความเคนไปยงแผน DHS ทสงกวาทงสองกรณขางตน

ตารางท 3 คาความเคนสงสดบนอปกรณ DHS รปแบบรอยแตก Maximum von Mises

stress (MPa) A1.1 610.99 A2.1 638.61 A3.1 929.39

3.2 การเคลอนทบรเวณรอยแตก คาความเครยดยดหยนสมมล (Equivalent elastic strain) บรเวณรอยแตกทวเคราะหไดจากโปรแกรม จะเปนตวแปรทใชในการศกษาการเคลอนทของกระดกหก จากการศกษาพบวากรณรอยแตก A1.1 ใหคาความเครยดทบรเวณรอยแตกนอยทสด รองลงมาคอ A3.1 และ A2.1 ตามล าดบ ซงแสดงดงตารางท 4 กรณรอยแตก A1.1 คาความเครยดจะมคาสงทบรเวณดาน Lateral epiphysis และ Medial epiphysis โดยดานทเกดคาความเครยดสงทสด คอ บรเวณดาน Medial epiphysis ในกรณรอยแตก A2.1 จะมลกษณะการกระจายความเครยดคลายกบกรณ A1.1 กลาวคอ ความเครยดจะมคาสงทบรเวณฝ ง Lateral epiphysis และจะมคามากทสดทางดาน Medial epiphysis เชนเดยวกน แตความเครยดทเกดขนนจะมคาสงกวาถงประมาณรอยละ 67.26

ตารางท 4 คาความเครยดทบรเวณรอยแตก

รปแบบรอยแตก Equivalent Elastic Strain A1.1 0.4914 A2.1 0.8220 A3.1 0.8039

ส าหรบกรณรปแบบรอยแตก A3.1 ลกษณะการกระจายตวของความเครยดจะมคาสงตลอดทวทงหนาตด คาความเครยดกรณ A3.1 จะมคาสงกวากรณ A1.1 ประมาณรอยละ 63.59 และต ากวากรณ A2.1 ประมาณรอยละ 2.2 ลกษณะการกระจายตวของความเครยดทบรเวณรอยแตก แสดงอยในรปท 5

4. การอภปรายผล จากผลการศกษาพบวารปแบบรอยแตกทง 3 รปแบบ ในสภาวะการใชงานอปกรณ DHS คาความเคนสงสดเกดขนทช นสวน Lag screw ซงผลการศกษานสอดคลองกบหลกการทางกลศาสตร เมอกระดกตนขารบภาระกรรมทบรเวณสมผสขอตอสะโพก (hip contact force) แรงจะถกสงผานมาทหวของ lag screw ซงอยภายใน femoral head ซง lag screw นกจะท าหนาทเสมอนคานยนทวางตวอยในแนวเอยง โดยทปลายดานหนงถกจ ากดการเคลอนทดวยแผน DHS และปลายอกดานหนงมแรงกระท าเนองจากแรงทขอตอสะโพก เกดเปนแรงดดขนท lag screw โดยมจดหมนอยทแกนของแผน DHS ดงนนตามหลกกลศาสตรแลวต าแหนงทจะเกดคาความเคนสงสดท กคอต าแหนงท lag screw สมผสกบแผน DHS ซงผลการศกษากเปนไปตามหลกการดงกลาว ผลของรปแบบรอยแตกทแตกตางกน สงผลใหความเคนทเกดขนท lag screw นนมคาแตกตางกน กรณรปแบบรอยแตก A1.1 ทศทางของรอยแตกนนเกอบจะตงฉากกบทศทางของแกน lag screw เมอมภาระกรรมกระท าบนกระดกตนขาทศทางของรอยแตกจะสงผลใหเกดการดดตามแนวท lag screw รบแรงพอดและกระดกบรเวณรอยแตกสามารถเกดการสบอดเขาหากนไดด ในกรณรปแบบรอยแตก A2.1 ตางกบ

ME SUT-08


54

รอยแตก A1.1 ตรงทช นสวนตรงบรเวณ lesser trochanter หายไปซงเปนผลใหพนททท าหนาทคอยค าจนกระดกใหมเสถยรภาพมงคงลดนอยลง ท าใหกระดกมแนวแนวโนมเคลอนทไดมากขน ดงนน lag screw จงท าหนาทรบแรงเพมขนแทนสวนของกระดกทหายไป ซงเปนเหตผลทท าใหความเคนท lag screw เพมขนรอยละ 4.5 และมความเคนบางสวนสงผานไปยงแผน DHS ส าหรบรปแบบรอยแตก A3.1 ความเคนทเกดขนท lag screw มคาสงกวารปแบบ A1.1 และ A2.1 ถงประมาณรอยละ 50 ซงเปนผลมาจากทศทางของรอยแตก A3.1 เกอบจะขนานกบทศทางของ lag screw เมอกระดกตนขาไดรบภาระกรรมจากแรงขอตอสะโพก กระดกสวนบนมแนวโนมเคลอนทออกทางดานขางได สงใหผลกระดกไมสามารถเคลอนทสบอดเขาหากน แรงสวนใหญจงถกสงถายมายง lag screw นอกจากนเมอพจารณาขนาดของความเคนสงสดทเกดขนของทง 3 กรณศกษา จะพบวาคาความเคนสงสดนมคาเกนกวาความเคนครากของวสด stainless steel 316LVM ซงมคาความเคนครากเทากบ 600 – 800 MPa [13] ดงนนการรบภาระกรรมทภาวะแรงกระท าสงสดในวฏจกรของการเดน จะสงผลใหอปกรณ DHS เกดความเสยหายไดจงควรหลกเลยงการลงน าหนกอยางเตมทภายหลงจากการผาตด จากผลการศกษาจะเหนไดวาคาความเครยดจะเกดขนสงทบรเวณดาน Medial epiphysis และ Lateral epiphysis ส าหรบกรณรปแบบรอยแตก A1.1 และ A2.1 เนองจากเมอกระดกตนขาไดรบภาระกรรม กระดกตนขาทางดาน Medial epiphysis จะมลกษณะสบอดเขาหากน ในขณะททางดาน Lateral epiphysis จะมลกษณะแยกออกจากกน จงเปนผลใหคาความเครยดทบรเวณรอยแตกทง 2 ดานมคาทสงกวาบรเวณกงกลาง โดยเมอพจารณารปแบบรอยแตก A1.1 และ A2.1 นนจะพบวารปแบบรอยแตก A2.1 จะมคาความเครยดสงกวา A1.1 ถงรอยละ 67.26 ทางดาน Medial epiphysis ซงเปนผลเนองจากการสญเสยชนสวน Lesser trochanter ของกรณ A2.1 ซง

เดมกระดกสวนนท าหนาทค าจนใหกระดกทแตกหกนนมเสถยรภาพมากขน เมอกระดกในสวนนหายไปจงท าใหกระดกสามารถเคลอนทไดมากขน ส าหรบกรณรปแบบรอยแตก A3.1 คาความเครยดจะเกดขนสงทบรเวณดาน Medial epiphysis และ Lateral epiphysis มากกวาตรงกงกลางของรอยแตกอยเลกนอย เพราะทศทางของรอยแตกประเภทนสงผลใหกระดกมแนวโนมทสามารถเคลอนออกทางดานขางได ดงนนจงเหนวาการกระจายความเครยดบรเวณรอยแตกชนดนมคาสงเกอบตลอดทงหนาตด จากงานวจยของวณาและคณะ [14] กลาววาระยะการเคลอนทของรอยแตกทเหมาะสม เพอใหกระดกทแตกหกเกดการเชอมตดกนไดเรวและแขงแรง ควรอยในชวงรอยละ 2 ถง 10 ของคาความเครยดทบรเวณรอยแตก ซงจากการศกษาคาความเครยดทบรเวณรอยแตกของทง 3 กรณมคาสงกวารอยละ 10 เนองจากในการศกษานนภาระกรรมทกระดกตนขาไดรบ เปนแรงทเกดขนเนองจากแรงกระท าสงสดในชวงของวฏจกรการเดน ดงนนในทางปฏบตจงควรหลกเลยงการลงน าหนกอยางเตมทหลงจากทไดรบการผาตด เพราะจะสงผลใหกระดกทแตกไมสามารถเกดการเชอมตดกนได

5. การสรปผลการวจย การใชอปกรณแผนดามยดตรงกระดก DHS กบรอยแตกประเภทมนคง จะมประสทธภาพเชงกลทสงกวาการน าไปใชกบรอยแตกประเภทไมมนคงและรอยแตกทไมแนชดวาเปนประเภทใด ดงนนรปแบบรอยแตกชนดไมมนคงนนควรจะหลกเลยงการใชอปกรณแผนดามยดตรงกระดกน เนองจากกอใหเกดความเสยงสงตอการเสยหายของอปกรณ และท าใหกระดกทบรเวณแตกหกเกดการขยบมากเกนไปท าใหกระดกไมเกดการเชอมตด นอกจากนแลวหลงการผาตดใหมผปวยควรจะหลกเลยงการเดนทลงน าหนกอยางเตมทในขาทท าการรกษาอกดวย

ME SUT-08


55

6. เอกสารอางอง [1] Haynes, R.C. and Miles, A.W. (1997). Comparative dynamic evaluation of the sliding/characteristics of the Gamma nail: A biomechanical, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine, vol. 211(5), May 1997, pp. 411 - 417. [2] Rojanasthien, S. and Luevitoonvechkij, S. (2005). Epidemiology of hip fracture in Chiang Mai, Journal of the Medical Association of Thailand, vol. 88(5), October 2005, pp. 105 - 109. [3] Zuckerman, J.D. (1996). Hip Fracture, New England Journal of Medicine, vol. 334(23), June 1996, pp. 1519 - 1525. [4] Anglen, J.O. and Weinstein, J.N. (2008). Nail or plate fixation of intertrochanteric hip fractures: Changing pattern of practice - A review of the American Board of Orthopaedic Surgery database, Journal of Bone and Joint Surgery - Series A, vol. 90(4), April 2008, pp. 700 - 707. [5] Kulkarni, G. S., Limaye, R., Kulkarni, M. and Kulkarni, S. (2006). Intertrochanteric fractures, Indian Journal Orthopaedics, vol. 40(1), January 2006, pp. 16 - 23. [6] Dhillon, M.S. (2008). Implant selection for proximal femur fractures, Pb Journal of Orthopaedics, vol. 5(1), 2008, pp. 51 - 56. [7] Kim, W.Y., Han, C.H., Park, J.I. and Kim, J.Y. (2001). Failure of intertrochanteric fracture fixation with a dynamic hip screw in relation to pre-operative fracture stability and osteoporosis, International Orthopaedics, vol. 25(6), 2001, pp. 360 - 362. [8] Haynes, R.C., Pöll, R.G., Miles, A.W. and Weston, R.B. (1997). An experimental study of

the failure modes of the Gamma Locking Nail and AO Dynamic Hip Screw under static loading: A cadaveric study, Medical Engineering and Physics, vol. 19(5), June 1997, pp. 446 - 453. [9] Virat Panpanich (2008). Fixation Failure of Dynamic Hip Screw in Intertrochanteric Fractures, Buddhachinaraj Medical Journal, vol. 25(3), August 2008, pp. 779 - 785. [10] AO foundation, Switzerland (2010), URL : www.aofoundation.org/legal on 17/05/2013. [11] Rooppakhun, S., Chantarapanich, N., Chernchujit, B., Mahaisavariya, B., Sucharitpwatskul, S. and Sitthiseripratip, K. (2010). Mechanical evaluation of stainless steel and titanium dynamic hip screws for trochanteric fracture, paper presented in the World Academy of Science, Engineering and Technology, vol. 70, September 2010, pp. 662 - 665. [12] Behrens, B.A., Nolte, I., Wefstaedt, P., Stukenborg-Colsman, C. and Bouguecha, A. (2009). Numerical investigations on the strain-adaptive bone remodelling in the periprosthetic femur: Influence of the boundary conditions, BioMedical Engineering Online, vol. 8, April 2009, no. 7. [13] Online database of engineering materials, URL : http://www.matweb.com/index.aspx on 17/05/2013 [14] วณา ฟ นเพง และ กนตธร ช านประศาสน (2549). ผลของความยาวโลหะยดกระดกและการยดกระดกโดยใชรปแบบการวางสกรทแตกตางกนตอความเครยดบรเวณกระดกหกในภาวะกระดกตนขาหก, การประชมวชาการเครอขายวศวกรรมเครองกลแหงประเทศไทยครงท 20. จงหวดนครราชสมา.

ME SUT-08


56

รปท 4 การกระจายความเคนบนอปกรณ DHS

รปท 5 การกระจายความเครยดบรเวณรอยแตก

Von Mises stress (MPa)

A1.1 A2.1 A3.1

Equivalent elastic strain

Max. Max. Max.

Max. Max. Max.

ME SUT-09


การพฒนาโปรแกรมส าหรบออกแบบใบพดเครองบนเพอใหไดแรงขบสงสด Software Development for Propeller Design to Reach Maximum Thrust

อภลกษณ หลอนกลาง1 และ ชโลธร ธรรมแท2

1,2 สาขาวชาวศวกรรมเครองกล ส านกวชาวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร

111 ถ.มหาวทยาลย ต.สรนาร อ.เมอง จ.นครราชสมา 3000 2 โทร 044-224556, โทรสาร. 044-224613, E-mail: [email protected]

บทคดยอ โปรแกรมถกพฒนาขนส าหรบประเมนประสทธภาพของใบพดและออกแบบใบพดอากาศยาน โดยใช

ทฤษฎ Blade Element Momentum ผลการค านวณประสทธภาพใบพดเปรยบเทยบกบการทดลองพบวา ผลลพธทไดสอดคลองกนเปนอยางด แสดงใหเหนถงความแมนย าของโปรแกรม และเมอน าโปรแกรมไปใชในการออกแบบใบพดท าใหไดใบพดทมแรงขบสงสดโดยใหสมประสทธแรงขบสงถง 0.23 ค ำหลก: การออกแบบใบพด, แรงขบสงสด, ทฤษฎเบลดเอเลเมนตโมเมนตม Abstract Software was developed for predict efficiency and design aircraft propellers base on Blade-Element Momentum Theory. The software is adequate accuracy because the comparison efficiency of propeller with existing experiments shows very good agreements. The software was used to design propellers to reach maximum thrust which give maximum thrust coefficient 0.23. Keywords: Propeller design, Maximum Thrust, Blade Element Momentum Theory

1. บทน า ใบพด ( Propeller) เปนอปกรณหนงในการสรางแรงขบ ( Thrust) ใหกบอากาศยาน แมวาในอากาศยานหลายรนใชการขบเคลอนดวยไอพน (Jet) ใบพดกยงเปนทนยมกบเครองบนขนาดเลกถงขนาดกลาง ใบพดนอกจากจะใชในการขบเคลอนอากาศยานแลว ยงมการใชใบพดในการขบเคลอนเรออกดวย การสรางแรงขบใหกบอากาศยานท าไดโดยการเพมความเรวใหกบอากาศผานพนทจ ากดหนงท าใหเกด มวลอตราการไหลของอากาศ m เมอคณเขากบความเรวทเปลยนแปลงแปลง V ผลทไดคอแรงขบตามกฏขอท 2 ของนวตน หรอ VmF การเพมความเรวนอาจไดจากไอพนจากเครองยนต Jet หรอ

ใช ใบพดทถกตอเขากบเครองยนตสบหรอเครองยนต Turboprop ใบพดทหมนดวยความเรวสงจะเพมความเรวใหกบอากาศท าใหมแรงขบในทสด การเพมความเรวใหกบอากาศอาจดเปนเรองงายดงเชนพดลมทใชอยตามบานเรอนเพอใชในการระบายอากาศ เพยงแคมใบพดทมลกษณะเอยงท ามมกบแกนหมน แลวตอเขากบอปกรณสรางแรงบด เมอใบพดหมนอากาศกจะเพมความเรว ในความเปนจรงแลวการจะใหลมทออกมาจากใบพดมความเรวสงสดเทาทจะเปนไปไดนนเปนเรองยาก เนองจากมปจจยทเกยวของหลายประการดวยกน เชนรปรางของใบพด แพนอากาศทใชท าใบพดจ านวนใบพด ความเรวรอบของการหมน และอนๆ จงตองมการวเคราะหใบพดใน

ME SUT-09


58

เชงวศวกรรม นกวทยาศาสตรจงไดคดหลกในการวเคราะหใบพดขนมาเชน Rankine[1] Froude[2-3] ทพฒนาทฤษฎ Actuator disk และไดมการพฒนาตอเนองมาเปน Blade Element Momentum Theory (BEM) [4] ซงมการกลาวถงทฤษฎนทงในต าราดานอากาศยาน [5] เรอ [6] เฮลคอปเตอร [7] และยงสามารถน าไปประยกตเขากบกงหนลม [8] โดยมการน าเอาทฤษฎ BEM ไปใชในการออกแบบใบพดเครองบน [9] ออกแบบใบพด autonomous underwater vehicle (AUV) [10] วเคราะหใบจกรเรอ [11] มการปรบปรงทฤษฎ BEM ส าหรบอากาศยาน [12] และสามารถน าเอาทฤษฎ BEM ใชในการหารปรางใบทดทสดของกงหนลม [13] ในการศกษาครงนเพอตองการหาแรงขบทไดจากใบพดทมลกษณะแตกตางกนออกไป โดยมทฤษฎจ านวน 2 ทฤษฎมาใชในการค านวณคอ ทฤษฎท 1 ทฤษฎ Momentum เพอจะน ามาอธบายวาเมอใบพดของอากาศยานหมนจะท าใหเกดแรงฉดได และทฤษฎท 2 คอ Blade Element เพอจะน ามาอธบายในการหามมปะทะของใบพด ณ ต าแหนงใดๆ บนใบพดของอากาศยาน โดยเมอน าทฤษฎทงสองมารวมกน นนคอทฤษฎ Blade Element Momentum กจะสามารถหาคาสมประสทธแรงตางๆ ของใบพดได รวมทงยงสามารถทจะพฒนาโปรแกรมเพอท าใหสามารถหารปรางใบพดทใหแรงขบทดทสดไดอกดวย

2. รปรางใบพด ใบพดใชหลกการสรางแรงขบเชนเดยวกบการสรางแรงยกของปกเครองบน ดงนนใบพดจงตองใชแพนอากาศเชนเดยวกบปกเครองบน แตเนองจากใบพดมการหมนรอบแกนดวย สงทแตกตางจากปกเครองบนกคอใบพดจะมองคประกอบของความเรวในสองทศทาง นนคอความเรวจากเครองบนทเคลอนทไปขางหนา 0V และความเรวในแนวการหมนของใบพด r ดงนนความเรวสมพทธทกระท ากบหนาตด

ใบกงหนคอ 222

0 rVVr ดงแสดงในรปท 1

รปท 1 องคประกอบความเรวทหนาตดใบพด

ตลอดความยาวใบจะมคาความเรวในแนวแกนเทากนคอ 0V แตความเรวในแนวเสนรอบวงมคาไมเทากนเนองจาก r จะเปลยนตามความยาว r ทเปลยนไป นนคอทปลายใบจะมความเรวในแนวเสน รอบวงมากทสดและจะลดลงจนไปถงโคนใบ เชนนท าใหความเรว rV มคาไมเทากนและเกดความสมพนธของมมลมสมพทธ

r

V

0tan (1)

ทไมเทากนจากปลายใบถงโคนใบอกดวย โดยปลายใบจะมมม นอย และจะมากขนไปถงโคนใบ ดงนนแพนอากาศทน ามาใชท าใบพดจะตองมมมเอยงตามมมลมสมพทธ และยงจะตองเปดมมปะทะ เพอใหเกดแรงยกทสงขน ดงนนมมหนาตดแพนอากาศทเทยบกบแกนการหมนจะมคาเปน

(2) เรยกมม วามมบด ( pitch) ซงมคาไมเทากนจากโคนถงปลายใบ ดงทกลาวมานการออกแบบใบพดอาจพจารณาโดยงายวาเพยงปรบมม ใหเหมาะกบความเรว 0V และ r กเพยงพอ แตกลบไมเปนเชนนนเนองจากเกดการเหนยวน าความเรวทงในแนวแกนและแนวเสนรอบวงท าใหมม ทเหมาะสมตางออกไปเลกนอย ซงจะไดกลาวตอไปในหวขอท 3

3. ทฤษฎBlade-Element Momentum วเคราะหโมเมนตมของการไหลผานใบพดเปนแบบ 1 มต โดยจ าลองใบพดทก าลงหมนใหเปน

ME SUT-09


59

Actuator Disk (AD) กลาวคอเปนแผนจานโปรงทยอมใหอากาศไหลผานไปได รายละเอยดการวเคราะหจากเอกสารอางอง [1-4] เมอใบพดหมนจะท าใหอากาศถกดดจาก free stream 0V ผาน AD ท าใหมความเรวมากขนเปน pV และพนออกเปนความเรวทสงขนอกท Slip stream sV ดงแสดงในรปท 2

รปท 2แบบจ าลองการไหลผาน Actuator Disk

จากกฎอนรกษมวล constAVm ความเรวทเพมขนจาก 0V เปน PV และ SV ท าให Stream tube จะตองมขนาดใหญไปเลกเปนสวนโคงตามความเรวทลดลงดงรปท 2 ทระนาบ AD ความเรวอากาศจะเพมขนเปน VVVP 0 หรออาจเขยนในรป

000 )1( VaaVVVP (3)

เรยก a วา axial induction factor เปนตวแปรทท าใหความเรวในแนวแกนเพมมากขนดงแสดงในรปท 3 ในท านองเดยวกนนท าการวเคราะหโมเมนตมเชงมมใน 1 มต จะพบวาเกดการเหนยวในแนวเสนรอบวงหรอแนวการหมนของใบพดจากคลนทาย ( wake) ท าใหความเรวในแนวเสนรอบวงมคาลดลงเปน ra )1(

เรยก a’ วา rotational induction factor ดงนนทหนาตดใบพดมม จะมคาเปลยนจากสมการ (1) ไปเปน

ra

Va

)'1(

)1(tan 0 (4)

รปท 3องคประกอบของความเรวและแรงบนหนาตดใบพด

จากรปท 3 เมอพจารณาองคประกอบของแรงของใบความยาวจ ากด dr ใดๆ ภายใตมมลม และมมปะทะ จะเกดแรงยก dL แรงตาน dD ซงจะกอใหเกดแรงขบ dT และแรงบด dQ ดงน

cdrVdT r

2

12

1 (5)

crdrVdQ r

2

22

1 (6)

เมอ c คอ chord และ

sincos1 DL CC (7) cossin2 DL CC (8)

การไดมาซงสมการ (4) (5) และ (6) เรยกวาทฤษฎ Blade- Element พจารณาโมเมนตมเชงเสนและเชงมมผาน AD อกครงแตครงน เปนการวเคราะหผานหนาตด dr ท าให Stream tube มลกษณะเปนวงแหวน ( Strip) แรงขบและแรงบดจากการวเคราะหดวยทฤษฎโมเมนตมผาน Strip เปนดงน

adraVrdT )1(4 2

0 (9)

draaVrdQ )1(4 0

2 ( 10) เมอรวมเอาสมการ (5)=(9) และ (6)=(10)เปนการรวมกนระหวางทฤษฎ Momentum และ ทฤษฎ Blade-Element จงเรยกวาทฤษฎ Blade-Element Momentum หรอ BEM ใหความสมพนธเปนดงน

2cos1

5.0

1

1

s

a

a (11)

ME SUT-09


60

2sin

5.0

1

1s

a

a

(12)

เมอ rNcs 2/ เรยกวา solidity โดย N คอจ านวนใบพดจากการทใบพดมความยาวจ ากดดงนนจงเกด Tip lossซงสามารถปรบปรงสมการดวย Prandtl Tip loss factor (F) โดยจะคณเขาไปทฝ งขวามอของสมการ (9) และ (10) ซงจะปรากฏเปนตวหารในฝ งขวามอของสมการ (11) และ (12)

4. การหาประสทธภาพของใบพด จากทฤษฎ BEM มสมการหลกทเกยวของ 3 สมการคอ (4) (11) และ (12) พบวาทง 3 สมการมคาทไมทราบคาทงหมด 3 คา คอ a a’ และ จงสามารถท าการหาค าตอบของสมการได หากทราบขอมลของใบพดคอ รปรางใบทประกอบไปดวยตวแปร และ c จ านวนใบ (N) ความเรวรอบใบพด ( ) คา CL CD ทมมปะทะ ตางๆของแพนอากาศ ความเรวอากาศยาน ( 0V ) จะท าใหหาผลเฉลยจนไดคา Thrust (T) และ Torque (Q) ของใบพดทงใบโดย

drcVNT

tip

hub

R

R

r 1

2

2

1 (13)

drcrVQ

tip

hub

R

R

r 2

2

2

1 (14)

และน าไปสการหาประสทธภาพใบพดได หากตองการออกแบบกสามารถก าหนดให c N 0V และชนดแพนอากาศ ใหเปนตวแปรเพอท าการออกแบบคาทเหมาะสมได เนองดวยสมการ BEM ทง 3 นนเปนสมการแบบไมเปนเชงเสน จงไมสามารถหาผลเฉลยดวยวธแมนตรงได เพราะฉะนนจงตองใชวธการแกสมการดวยระเบยบวธการค านวณเชงตวเลขเขาชวยในการแกสมการทง 3 สมการน การค านวณเพอหาคาสามารถท าไดดงน

1. สมคา และ 2. ค านวณมมลมสมพทธ จากสมการ (4) 3. ค านวณ ซงจะได CL(), CD()

4. แกคา และ จากสมการ (11) และ (12) จากนนกลบไปค านวณจากขอ 2 และท าซ าจนกวาคาจะลเขา กระบวนการนสามารถน าไปเขยนเปนโปรแกรมคอมพวเตอรได ในงานวจยนไดท าการเขยนเปนโปรแกรมดวยภาษา MATLAB ท าการทดสอบความแมนย าของโปรแกรมดวยการเปรยบเทยบประสทธภาพของใบพด( )ทคา Advance Ratio ( nDVJ /0 ) ตางๆ เมอ n คอความเรวรอบการหมนในหนวย rev/sec และ D คอเสนผานศนยกลางใบพดเปรยบเทยบการค านวณกบการทดลองของ Evans and Liner [14] ซงนยามเปน Thrust ทไดหารดวย Torque ทให

dQ

dTV

0 (15)

ทดสอบใบพดชนด 3 ใบ มความกวางใบเทากนตลอด มการบดมมใบไมเทากนจากโคนถงปลายใบ ใชแพนอากาศรน NACA 16-series [15] ในทนไดท าการเปรยบเทยบผลโดยการใสขอมลของใบพดทระยะ 0.75R และมมบด 40.2, 50.8 และ 54.7 องศา ผลการเปรยบเทยบแสดงอยในรปท 4

รปท 4 เปรยบเทยบPropeller efficiency จากทฤษฎ BEM กบการทดลองทระยะ 0.75R และมมบดสามคา

ผลเปรยบเทยบแสดงใหเหนถงความแมนย าของโปรแกรมทไดพฒนาขนโดยทมม นอยจะใหความแมนย ามาก และความแมนย าจะลดลงเมอ มม มากขน เนองจากเมอมม มากขน มมปะทะ มาก

ME SUT-09


61

ขนดวย และทมมปะทะ สงพฤตกรรมการไหลผานแพนอากาศจะยงซบซอนขน เกดการไหลแบบ Separation จนท าใหทฤษฎ BEM ไมเพยงพอตอการค านวณเหตผลเดยวกนนท าใหผลลพธทคา J สงมความแมนย านอยลงดวยเพราะเมอคา J สงหมายถงมม สงเชนกน นอกจากนใบพดทใชทดสอบทหนาตด 0.75R นนเปน NACA 16-003 แตในการค านวณใชขอมล NACA 16-006 แทนเนองจากไมมการทดสอบของNACA 16-003 ความหนาแพนอากาศทไมเทากน จะสงผลใหขอมล CL(), CD() มคาไมตรงกนดวย เปนผลใหการค านวณเกดความผดพลาดได

5. การออกแบบใบพดทใหแรงขบสงสด ในหวขอท 4 เมอทราบรปรางใบกจะสามารถหาแรงขบ แรงบด และประสทธภาพได แตถาหากก าหนดรปใบเปนตวแปรกจะสามารถใชในการออกแบบเพอหาแรงขบมากทสดของใบพดไดเชนกน ในหวขอนท าการศกษา ใบพดทมจ านวน 2 และ 3 ใบ โดยมคาอตราสวนความเรวปลายใบตอความเรวอากาศยานหรอ Tip Speed Ratio ( 0/VRTSR ) เทากบ 3 4 และ 5 โดยพจารณารปรางใบเปนส าคญนนคอ chord และ twist ของใบพดทความยาวใบตางๆ ท าการหาคาสงสดของแรงขบทหนาตดใบพดดวยวธ Exhaustive Search โดยมขนตอนดงน

1. ก าหนดความเรวลมออกแบบและจ านวนใบ 2. ก าหนด Tip Speed Ratio (TSR) 3. เรมการค านวณจากโคนใบ 4. โดยการแทนคามมบดและความโตของใบ 5. หาคาสมประสทธแรงฉด 6. ทระยะ r หนงๆ หาคาของความโตและมมบด

ของใบทท าใหไดสมประสทธแรงสงสดเกบไว 7. ท าซ าไปเรอยๆ จากโคนใบไลไปทปลายใบ 8. ประมวลผลคาทเกบไวจะไดใบพดทท าใหได

แรงขบสงสด

ตวอยางผลค านวณ Thrust coefficient 42/ DnTkT จากการคนหา chord และ twist

ของใบพดแบบ 2 ใบ คา TSR เทากบ 5 และใชหนาตดของใบพดเปน NACA 0012 ทความยาวใบพด 0.3R 0.5R และ 0.75R แสดงอยในรปท 5-7 ตามล าดบ

ผลการค านวณแสดงใหเหนวาใบพดจะให Thrust สงสดท chord และ twist ทเหมาะสมคาคาหนงตาม contour ของรป 5-7 หากchordและ twist มคามากหรอนอยเกนไปจะท าให Thrust ลดลง อธบายไดวาการทใบมความกวางใหญหรอเลก และ มมบดใบมากหรอนอย จะสงผลใหการเหนยวน าความเรวลม (ตวแปร a และ a’) ทหนาตดใบเปลยนไป ท าใหเกดแรงยกแรงตานทหนาตดใบเปลยนไปดวยเชนกนตามสมการ (4) (11) และ (12) สงผลใหแรงขบมการเปลยนแปลงไปดวย และจะมคาเหมาะสมท chord และ twist เพยงคาเดยว

รปท 5 Contour ของแรงท chordและ twist ตางๆ

กรณสองใบพดท 0.3R และ TSR=5

ME SUT-09


62

รปท 6Contour ของแรงท chordและ twist ตางๆกรณ

สองใบพดท 0.5R และ TSR=5

รปรางใบทกอใหเกดแรงขบสงสดของกรณศกษา ใบพด 2 และ 3 ใบ ท TSR เทากบ 3 4 และ 5 แสดงอยในรปท 8 สงเกตไดวา กรณ 2 ใบพดใบจะกวางกวา 3 ใบพด และ ใบทหมนเรว ( TSR สง) จะมความกวางใบทนอยและมความเรยว ( Taper) กวาใบทหมนชา ผลค านวณ Thrust coefficient แสดงอยในตารางท 1 จากกรณศกษานพบวาใบพดแบบ 2 ใบ และม TSR เทากบ 3 จะใหสมประสทธแรงขบสงสดถง 0.23 โดยใบจะมความกวางทเทากนจาก 0.3R-0.7R จากนนจะ Taper ไปทปลายใบ การเปรยบเทยบรปรางใบ 3 มต กรณให Thrust coefficient สงสดและต าสดแสดงในรปท 9

รปท 7Contour ของแรงท chordและ twist ตางๆกรณ

สองใบพดท 0.7R และ TSR=5

รปท 8 รปรางใบพดทใหแรงขบสงสดในทTip Speed

Ratioและจ านวนใบตางกน

รปท 9 รปราง 3 มตของใบพดทใหแรงขบสงสด

เปรยบเทยบใบพดทใหแรงขบสงสด (N=3 TSR=3) และต าสด (N=2 TSR=5)

ตารางท 1 ผลค านวณ Thrust coefficient ดวย BEM

TSR Number of Blade

Thrust Coefficient

3 2 0.21 3 0.23

4 2 0.12 3 0.14

5 2 0.09 3 0.09

ME SUT-09


63

6. สรป จากการศกษาเพอพฒนาโปรแกรมเพอค านวณ

ประสทธภาพใบพดดวยทฤษฎ BEM ไดท าการสรางโปรแกรมและทดสอบโปรแกรม ซงใหผลลพธการประเมนประสทธภาพใบพดทใกลเคยงกบผลการทดลองเปนอยางด แสดงใหเหนวาโปรแกรมทสรางขนมความแมนย า

เมอพฒนาโปรแกรมตอเพอใชในการออกแบบใบพดเพอใหไดแรงขบสงสด จากตวแปรของรปรางใบพดทเกยวของ พบวากรณใบพด 3 ใบ และคา TSR=4 เมอคนหาคาทดทสดของ chord และ twist จะให Thrust coefficient สงสดเปน 0.23

การศกษานเนนไปทการหารปรางใบทดทสดใหเกดแรงขบสงสด ทงนตวแปรแรงขบสงสดอาจไมใชตวแปรทดทสดในการออกแบบ จงควรพจารณาถงตวแปรอนดวยเชน แรงบดต าสด และ ประสทธภาพสงสด

เอกสารอางอง [1] W. J. M. Rankine, “On the Mechanical

Principles of the Action of Propellers,”Transactions, Institute of Naval Architects, Vol. 6: pp. 13-30, 1865.

[2] R. E. Froude, Transactions, Institute of Naval Architects, Vol. 30: p. 390. 1889.

[3] Froude, W., “On the Elementary Relation between Pitch, Slip, and PropulsiveEfficiency,” Transactions, Institute of Naval Architects, Vol. 19: pp. 47-57, 1878,

[4] H. Glauert, “The Elements of Aerofoil andAirscew Theory”, The Press Syndicate of the University of Cambridge, New York, 1999,

[5] E. Torenbeek and H. Wittenberg, Flight Physics: Essentials of Aeronautical Disciplines and Technology with Historical Notes, Springer, 2009

[6] J. Carlton,Marine Propellers and Propulsion, 2ndEds, Elsevier, 2007

[7] G. Leishman, Principles of Helicopter Aerodynamics, Cambridge University Press, 2000

[8] T. Burton, et al., Wind Energy Handbook. John Wiley &Son, 2001

[9] F. E. Weick, “Propeller Design Practical Application of The Blade Element Theory-I”, NACA Technical note No. 235, 1926

[10] E. Larnicol, et. al., “Design of AUV propeller based on a blade element method” OCEANS '98 Conference Proceedings, 28 Sep -1 Oct, 1998

[11] W. Lam, et al., “A review of the equations used to predict the velocity distribution within a ship’s propeller jet”, Ocean Engineering, Volume 38, Issue 1, pp. 1–10,January 2011.

[12] M. K. Rwigema, “Propeller Blade Element Momentum Theorywith Vortex Wake Deflection”, 27th International Congress of TheAeronautical Sciences

[13] C. Thumthae and T. Chitsomboon,“Optimum Blade Profiles for a Variable Speed Wind Turbine in Thailand’s Wind Regime”, the 7th Thailand Energy Network Conference (ENETT7), 2011

[14] A.J. Evans and G. Liner, “A wind-tunnel Investigation of the Aerodynamic Characteristics of a Full-scale Supersonic-type Three-blade Propeller at Mach Numbers to 0.96”, NACA Technical note No. 1375, 1953.

B.N. Daley and D. R. Lord, “Aerodynamics Characteristics of Several 6-percentThick Airfoils at Angle of Attack from0o to 20o at High Subsonic Speeds”, NACA Technical note No. 3424, 1955.

http://ieeexplore.ieee.org/search/searchresult.jsp?searchWithin=p_Authors:.QT.Larnicol,%20E..QT.&newsearch=partialPref

http://ieeexplore.ieee.org/xpl/mostRecentIssue.jsp?punumber=5877

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0029801810002404

http://www.sciencedirect.com/science/journal/00298018

http://www.sciencedirect.com/science/journal/00298018/38/1

ME SUT-10


การสรางเครองฝกบนจ าลองตนแบบ

PROTOTYPING OF FLIGHT SIMULATOR MODULE

ธวลรตน ทองปน1, กนตธร ช านประศาสน1*

1 สาขาวชาวศวกรรมเครองกล ส านกวชาวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร 111 ถนนมหาวทยาลย ต าบลสรนาร อ าเภอเมอง จงหวดนครราชสมา 30000

1 ตดตอ: E-mail: [email protected], เบอรโทรศพท: 08-4038-8255, เบอรโทรสาร: 0-4422-4613 *ตดตอ: E-mail: [email protected], เบอรโทรศพท: 0-4422-4286, เบอรโทรสาร: 0-4422-4613

บทคดยอ งานวจยนมวตถประสงคเพอศกษาองคประกอบทส าคญตอการสรางเครองฝกจ าลองการบน เพอใชในการ

เรยนการสอนของนกศกษาสาขาวชาวศวกรรมอากาศยาน มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร การสรางเครองฝกบนจ าลองนจะท าการสรางหองนกบน ( Cockpit) ทเหมอนกบเครองบนฝก การจ าลองภาพการบนจะใชโปรแกรมส าเรจรปในการสรางภาพ โดยจะท าการเชอมตออปกรณควบคมอากาศยานเขากบคอมพวเตอร เพอใหการตอบสนองของภาพทปรากฏเหมอนกบการบนจรง อกทงเครองมอวดประกอบการบนตางๆ จะเชอมตอเขากบระบบควบคม เพอใหการตอบสนองของเครองมอวดมความสมจรง ในดานการเคลอนทเครองตนแบบนจะสรางใหหองนกบนสามารถเคลอนทไดใน 3 ทศทาง คอการควง (Roll) การเงย (Pitch) และการเคลอนทตอบสนองกบความเรงหรอแรงกระแทก ( Shock) โดยการท างานจะใช Servo Motor 3 ตวในการควบคมการเคลอนทของ Motion Platform โดยแสดงผลมมมองดานหนาดวยจอ LCD 2 จอ และแสดงผลมมมองหนาตาง ซาย-ขวา อกขางละ 1 จอ สวนเครองมอวดประกอบการบนแสดงผลดวยจอ LCD อก 1 จอภาพโดยใชจอสมผสเพอใหสามารถปรบคาของเครองมอวดได ผลการศกษาพบวาโปรแกรม Microsoft Flight Simulator X (FSX) มคณสมบตทเหมาะสมเนองจากสามารถแสดงผลหลายมมมองออกไปทจอแสดงผลตางๆ ได สามารถเชอมตอกบโปรแกรมก าเนดสญญาณการเคลอนท และสงสญญาณไปควบคม Servo ให Motion Platform เกดการเคลอนทตามทาทางการบนได ค ำหลก: โปรแกรมจ าลองการบน, เครองจ าลองการเคลอนไหว, ระบบการเคลอนท 3DOF Abstract The goal of this research is to research about the significant component to build a flight simulator prototype for using in aeronautical engineering class of Suranaree University of Technology (SUT). The flight simulator prototype including cockpit of training aircraft, image by on-the-shelf program is connected to the computer with control stick for sense the real feeling of flight. So the flight instruments are included. For getting the real feeling of flight, this prototype can move in 3 directions including roll, pitch and shock by using three servo motor for controlling the platform. Image was shown in 5 multiple screens, two of five show the look forward view, two of five show the look left and right views, respectively and the last one show the instruments panel view by touch screen monitor for adjust the flight instruments. Microsoft

ME SUT-10


65

Flight Simulator (FSX) has a appropriate properties, because it can display many of views and can connect to the motion signal generator to control the servo motors for platform moving following the maneuver of the real flight. Keywords: flight simulator software, motion simulator, 3DOF

1. บทน า ระบบจ าลองการบน (Flight Simulator) เปนอก

หนงอปกรณทชวยเพมศกยภาพใหกบนกบน โดยชวยฝกฝนการท าการบนใหมประสทธภาพเพมมากขน อกทงยงชวยใหผทมความสนใจทางดานการบนสามารถศกษาหาความรตาง ๆ เกยวกบเครองบนผานระบบจ าลองการบน เพอหลกเลยงการบนจรง ซงเปนเรองทเสยงตออบตเหตและสนเปลองงบประมาณเปนจ านวนมาก โปรแกรมเกมสจ าลองการบนทมวางขายในทองตลอดคอ โปรแกรม X-Plane และ Microsoft Flight Simulator X (FSX) นนกยงท าไดเพยงการบนผานหนาจอคอมพวเตอร ดงแสดงในรปท 1 หากจะตองการใหระบบจ าลองการบนนเสมอนจรงมากยงขนจ าเปนตองเพมอปกรณเชอมตอ นนคอ ระบบการเคลอนทซงจะสามารถชวยให ผท าการบน รบรถงแรงกระท าทมตออากาศยานขณะท าทาทางการบนตาง ๆ โดยแรงกระท านนจะชวยใหรบรไดวาทาทางการบนทบนอยในระบบจ าลองการบน มความปลอดภยมากนอยเพยงใด[1] [4]

รปท 1 เกมสจ าลองการบน[5]

รปท 2 เครองจ าลองการบน [3]

อยางไรกตามเครองฝกบนจ าลองทมอยในประเทศไทยนน ไมไดผลตโดยคนไทย เปนการน าเขาและใชเทคโนโลยจากตางประเทศทงสน ดงตวอยางในรปท 2 แมวาในปจจบนนเทคโนโลยทใชกบเครองฝกบนจ าลอง ไมใชเทคโนโลยทใหมเมอเทยบกบการทเราเรมมเครองฝกบนจ าลองครงแรกในประเทศไทย แมกระนนเครองฝกบนจ าลองทตองสงซอจากตางประเทศ กลบมราคาสงแมวาจะเปนเครองฝกบนแบบเรยบงายและเปนขนพนฐานกตาม ทงนอาจเปนเพราะการทมระบบจ าลองการบน (Flight Simulator) อยหลายระบบ แตการทจะตองเชอมตอระบบการท างานของโปรแกรมเขากบอากาศยานจ าลอง (Aircraft Simulator) อาจตองการเทคโนโลยทเฉพาะและเปนความลบทางการคาของแตละบรษท อกทงการทจะไดระบบหองฝกบนเสมอนจรง (Virtual Cockpit) มความตองการผพฒนาระบบคอมพวเตอรกราฟฟกสททนสมยกเปนได ผวจย จงมแนวความคดทจะสรางเครองฝกบนจ าลองขน เพอสรางองคความรใหกบคณาจารย นกวจยและบคคลากรของมหาวทยาลย สรางทกษะในดานการสรางเครองจ าลองการบน สรางองคความรทจะน าเทคโนโลยตาง

http://dict.longdo.com/search/appropriate

ME SUT-10


66

ๆ มาประกอบใชรวมกน พรอมทงน าเทคโนโลยใหม ๆ ทใชกบอากาศยานในปจจบน มาบรรจเขาในเครองฝกบนจ าลองน เชน แผงหนาปทมดจตอล ระบบควมคมการบนดวยไฟฟา (Fly by Wire) ระบบสงผานหนาจอแบบสมผส (Touch Screen) เปนตน ซงแมวาเครองบนรนใหม ๆ จะใชระบบเหลานอยางกวางขวาง แตในเครองฝกบนจ าลองยงไมไดมการน ามาใชงานอยางแพรหลาย ซงผวจยไดเดนทางเขาศกษาดงานเครองจ าลองการบนทมอยในประเทศไทย หลายสถานทดวยกน ทงของบรษทการบนไทยจ ากด (มหาชน) สถานบนการบนพลเรอน โรงเรยนนายเรออากาศ ซงแตละหนวยงานดงกลาวมภาระกจในการผลตบคคลากรทแตกตางกน จงใชเครองฝกบนจ าลองทแตกตางกน ซง ผวจยไดศกษาความเหมาะสมเบองตนวามหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร ควรใชเครองฝกบนจ าลองแบบใดเพอจะไดเหมาะสมกบการพฒนาการเรยนการสอน และงานวจยของมหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร และเหมาะสมกบการรองรบการขยายตวของอตสาหกรรมการบนเขามาในเขตจงหวดนครราชสมาตอไป การสรางเครองฝกบนจ าลองนจงนบเปนนวตกรรมใหมของการเรยนการสอนดานอากาศยาน เพราะจะเปนการใชเครองมอทผลตขนใชงานเองในประเทศ โดยคณาจารยและนกวจยของมหาวทยาลยเทคโนโลยสรนารเอง ดงนนเมอไดเครองตนแบบแลว ประโยชนทได ไมเพยงต อการทมหาวทยาลยสามารถสรางเครองฝกบนจ าลองตนแบบไดเอง ซงเปนการประหยดงบประมาณของชาตเทานน สงทส าคญกวานนคอการทคณาจารยและบคคลากรไดทกษะและองคความรทจะสามารถถายทอดใหกบนกศกษาของมหาวทยาลย และบคคลทมความตองการทจะเรยนรเพอเขาสภาคอตสาหกรรมการบนและอากาศยาน เพอรวมกนสรางความเขมแขงในดานนใหกบประเทศไดตอไป นอกเหนอจากนนการทสามารสรางเครองตนแบบไดเอง จะสามารถท าใหมหาวทยาลยสามารถทจะพฒนาตอยอดความรดานนใหมความสมบรณ เพมความทนสมยและสามารถผลตเพอ

การคาทงนเพอรองรบการขยายตวของความตองการบคคลากรดานการบนและอากาศยานทจะเกดขนในอนาคตอนใกลนตอไปดวย

2. โปรแกรมจ าลองการบน หวขอนเปนการศกษาโปรแกรมจ าลองการบนทเหมาะสมตอการพฒนาไปสเครองฝกบนจ าลอง โดยโปรแกรมทน ามาศกษาม 2 โปรแกรมดวยกนคอ X-Plane และ Microsoft Flight Simulator X (FSX) โดยโปรแกรมทเหมาะสมตอการสรางเครองฝกบนจ าลองควรมคณลกษณะดงตอไปน - สามารถตอออกหลายหนาจอภาพ - สามารถจ าหนาตางของหนาจอครงลาสดได

- สามารถเชอมตอดวยโปรแกรม สรางสญญาณการเคลอนทได (โปรแกรม Motion Platform Designer)

ผลการศกษาคณลกษณะดงกลาวแสดงอยในตารางท 1 ผลการศกษาท าใหสรปไดวาโปรแกรม FSX มคณสมบตทคอนขางเหมาะสมตอการน าไปใชเปนโปรแกรมแสดงผลการจ าลองการบน

ตารางท 1 ความสามารถของโปรแกรม Flight Simulator

หวขอ/โปรแกรม

X-Plane Microsoft

Flight Simulator X

การตอออกหลายหนาจอ

ตอออกหลายหนาจอตองใชคอมพวเตอร

เทากบจ านวนจอทออก

สามารถใช คอมพวเตอร

เพยงตวเดยวในการตอออกหลายหนาจอ

การจ าการแสดงผลหนาจอ

ท าไมได ท าได

การเชอมตอโปรแกรม Motion

Platform Designer

เชอมตอได เชอมตอได

ME SUT-10


67

รปท 3 แสดงการเชอมตอหลายจอภาพและจอภาพเครองมอวด

การแสดงผลหลายจอภาพจากโปรแกรม FSX แสดงอยในรปท 3 ซงสามารถแสดงภาพมมมองดานหนาและมมมองหนาตางทงสองขางได และสามารถแสดงมมมองเครองมอวดประกอบการบนได โดยทงหมดใชคอมพวเตอรเพยงเครองเดยว

3 Motion Platform Designer Motion Platform Designer คอโปรแกรมทใชชวยดงคาการเคลอนทของเครองบนในโปรแกรม FSX มาแปลงเปนความเรงเพอควบคมการเคลอนทของ Platform ซงความสามารถของโปรมแกรมสามารถค านวณคาการเคลอนทของเซอรโวมอเตอรแตละตวได ทงนการเคลอนทนนโปรแกรมจะค านวณเพอใหไดคาทเสมอนขณะท าการบนมากทสด ดงแสดงในรปท 4

รปท 4 โปรแกรม Motion Platform Designer

การเชอมตอจากโปรแกรม FSX กบ Motion Platform Designer นนจะเชอมตอกนผาน UDP Protocol ซงเปนการเชอมตอและสอสารกนผานระบบสาย LAN โดยม Plugin ชวยในการเชอมตอเพยงแคตดตงลงบน FSX เทานน ดงทแสดงในรปท 5 การเชอมตอจะตองก าหนด port ในการเชอมตอ โดยปกตจะก าหนด port รบคอ 7777 และ port ทเปนตวสงคอ 8888 และ IP ทใชคอเครองเดยวกน หากเครองเดยวกนจะตองใช 127.0.0.1 สวนเครองทจะรบขอมลนนกจะใช IP ของเครองนนไดเลยเชน 192.168.25.19

รปท 5 รปแสดงการเชอมโปรแกรม Motion Platform Designer, Flight Simulator และ Model เขาดวยกน

4.วธการควบคมเซอรโวมอเตอร เนองจากการสราง Motion platform ของจรงตองใชงบประมาณทสงและอาจเกดความผดพลาดได เบองตนจงท าการทดลองตอสญญาณจากโปรแกรม Motion Platform Designer ผานไมโครคอนโทรลเลอร รน Arduino Mega 2560 ไปควบคมเซอรโวขนาดเลกทใชควบคม Platform ชนด 3DOF ขนาดเลก เพอดการตอบสนองของ Platform แผนผงล าดบงานในการเขยนโปรแกรมลงใน Arduino 2560 แสดงในรปท 7 แผนผงล าดบงานของโปรแกรม

Font View

Left View Right View Instrument View

ME SUT-10


68

รปท 6 แสดง flow chart ของ การเขยนโปรแกรมลงใน Arduino 2560

ผลการศกษาคาการเคลอนทของเซอรโวมอเตอรขณะท าการบนในทาทางตาง ๆ แสดงอยในรปท 8 ถง 12 ซงการต าแหนงการวางเซอรโวมอเตอรดงแสดงในรปท 7

M1 คอ เซอรโวมอเตอรตวท 1 M2 คอ เซอรโวมอเตอรตวท 2 M3 คอ เซอรโวมอเตอรตวท 3

รปท 7 ต าแหนงการวางเซอรโวมอเตอร

รปท 8 ความสมพนธของต าแหนงเซอรโวมอเตอรขณะท าการน าเครองขน

จากรปท 8 ต าแหนงการเคลอนทของเซอรโวมอเตอรท 1 และ 2 มคาเปนบวก(เคลอนทข น) และเซอรโวมอเตอรท 3 มคาเปนลบ(เคลอนทลง) แสดงวาขณะน าเครองขน platform จะเฉดหนาขน

รบขอมลจาก UDP

เชอมตอ UDP

แปลงคาทไดจากการรบ UDP ใหเปนองศาของมอเตอร

ก าหนดการเชอมตอชองสญญาณในการควบคมมอเตอร

สงงานไปยงมอเตอรทตองการดวยมมทแปลงคามาได

ดานหนา

ME SUT-10


69

รปท 9 ความสมพนธของต าแหนงเซอรโวมอเตอรขณะท าการบนไตระดบ จากรปท 9 ต าแหนงการเคลอนทของเซอรโวมอเตอรท 1, 2 มคาเปนบวก และ 3 เปน แสดงวา

ขณะบนไตระดบ platform จะเงยหนาขนเลกนอย และมการสนของ platform ในทาทางกมและเงยเลกนอย

รปท 10 ความสมพนธของต าแหนงเซอรโวมอเตอรขณะท าการบนระดบ

จากรปท 10 ต าแหนงการเคลอนทของเซอรโวมอเตอรท 1, 2 และ 3 มคาการเคลอนททใกลเคยงกน(เคลอนทข นลงเลกนอย) แสดงวาขณะบนไตระดบ platform จะสนขนลงเลกนอย

ME SUT-10


70

รปท 11 ความสมพนธของต าแหนงเซอรโวมอเตอรขณะท าการบนลดระดบ

จากรปท 11 ต าแหนงการเคลอนทของเซอรโวมอเตอรท 1 และ 2 มคาเปนลบ( เคลอนทลง) และเซอรโวมอเตอรท 3 มคาเปนบวก( เคลอนทข น ) แสดงวาขณะบนลดระดบ platform จะกมหนาลงในชวงแรก

รปท 12 ความสมพนธของต าแหนงเซอรโวมอเตอรขณะท าการลงจอด

จากรปท 12 ต าแหนงการเคลอนทของเซอรโวมอเตอรท 1 และ 2 มคาเปนลบ(เคลอนทลง) และเซอรโวมอเตอรท 3 มคาเปนบวก(เคลอนทข น) แสดงวาขณะบนลดระดบ platform จะกมหนาลง

คาพารามเตอรของเซอรโวมอเตอรทจะน ามาใชงานจรง จากการทดลองท าการบนบนเพอศกษา ดวยทาทางการบนตางๆ ไดคาพารามเตอรของเซอรโวมอเตอรตางๆดงน

ME SUT-10


71

5.สรป

จากการศกษาโปรแกรมจ าลองการบนทเลอกใชคอโปรแกรม Microsoft Flight Simulator X หรอ FSX เนองจากมคณสมบตทเหมาะสมตอการน าไปสรางเปนเครองจ าลองการบน เนองจากสามารถแสดงผลมมมองนกบน มมมองหนาตาง และ มมมองเครองมอวดประกอบการบนไดจากคอมพวเตอรเพยงเครองเดยว และสามารถเชอมตอกบโปรแกรมก าเนดสญญาณการเคลอนทได โปรแกรม FSX สมารถท างานรวมกบโปรแกรม Motion Platform Designer และสามารถสงสญญาณไปใหกบ motion platform ชนด 3DOF ขนาดเลกได โดยเชอมตอสญญาณขอมลผาน UDP ไปยง Arduino 2560 เพอไปขบ servo ท าให platform สามารถเคลอนทไดตามทาทางการบน งานวจยนจะท าการพฒนาตอไปสการสราง เครองฝกจ าลองการบน ชนดการเคลอนทแบบ 3DOF ทสามารถรบ pay load ขนาด 200 kg ตอไป

6.กตตกรรมประกาศ ขอขอบคณ มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนารทสนบสนนทนในงานวจยนเปนอยางยง

7.เอกสารอางอง

[1] กฤษดา จนทรแดง. “การจ าลองพลศาสตรยานยนตรวมกบยานพาหนะจรงแบบยอสวน(COLLABORATION OF VEHICLE DYNAMIC SIMULATION WITH SCALING VEHICLE)”สาขาวชาวศวกรรมเครองกล ภาควชาวศวกรรมเครองกล คณะวศวกรรมศาสตร จฬาลงกรณมหาวทยาลย,2551 [2] ปรชา วรรณภม , วภษต ทรงวฒศล ,นนทรตน อนทเอบ และ กฤษดา อรณวไลรตน.“โปรแกรมจ าลองการบนเพอชวยในการออกแบบระบบเสถยรภาพของอากาศยาน(Flight Simulator Programming for Design and Analysis of Aircraft Stability and Control)”.ภาควชาวศวกรรมการบนและอวกาศยาน คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเกษตรศาสตร วทยาเขตบางเขน [3] AIRBUS 319-320-321 - FULL FLIGHT SIMULATOR, Baltic Aviation Acadamy, URL: http://www.balticaa.com, access on 15/09/2012. [4] Baarspul, M.; Hosman, R. J.; Van der Vaart, J. C.(1986). Some fundamentals of simulator cockpit motion generation. Advances in Flight Simulation: Visual and Motion Systems, London, Royal Aeronautical Society (RAeS ), 20 [5] HOTAS Warthog by Skypig, THAIC-130, URL: http://www.thaic-130.net, access on 25/07/2012.

ทาทางการบน การเคลอนท(องศา)

ความเรว (องศาตอวนาท)

ทอรก (นวตน-เมตร)

ก าลง (วตต)

Max Min Max Min Max Min Max Min

Take-off 30 -45 60 -110 125 50 115 0

Climb 15 -20 155 -135 125 40 170 0

Cruise 4 -4 19 -12 122 58 21 0

Descend 24 -30 99 -55 125 45 95 0

Landing 50 -85 350 -350 125 5 275 0

http://www.balticaa.com/

http://www.thaic-130.net/

ME SUT-11


การออกแบบระบบเซอรโวกบตวสงเกตเพอควบคม

ต าแหนงลกบอลลอยตวดวยสนามแมเหลก Design of Servo System with Observer

for Positioning Control of Magnetic Levitation Ball

จระพล ศรเสรฐผล1* และ ธนรชต อนศร1

1สาขาวชาวศวกรรมเครองกล ส านกวชาวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร 111 ถนนมหาวทยาลย ต าบลสรนาร อ าเภอเมอง จงหวดนครราชสมา 30000

*Email: [email protected], 044-224412

บทคดยอ บทความนน าเสนอ การวด การกระจด ทเปลยนแปลงไปจากต าแหนงสมดลเพอน าไปประยกตใชใน

การประมาณคาการสนทเกดขน เมอระบบ ถกรบกวนจากการสนทมตอระบบลกบอลลอยตวดวยสนามแมเหลกไฟฟา โดยตวควบคมทใชคอระบบเซอรโว Type-1 ในการปรบปรงระบบใหมเสถยรภาพ และสามารถควบคมได แตเนองจากในระบบควบคมต าแหนงลกบอลลอยตวดวยแมเหลกใหอยในต าแหนงสมดลนน มความซบซอนและ ไมเปนเชงเสน จงจ าเปนตองออกแบบตวคมควบคกบตวสงเกต ผลการศกษาออกแบบและควบคมพบวา ตวควบคมทออกแบบสามารถท าใหระบบมเสถยรภาพ อกทงการใชตวสงเกตสามารถทจะสงเกตผลการตอบสนองของระบบและสามารถตรวจวดการเปลยนแปลงเมอมแรงภายนอกมากระท ากบระบบไดอยางมประสทธภาพ ค ำหลก: ระบบเซอรโว Type-1, ตวสงเกต, ลกบอลลอยตว Abstract

This paper presented the measurement of the displacement of the equilibrium position changes to apply in the estimation of occurring oscillation. When the system is disturbed by vibration with Magnetic Levitation Ball by using controller that is the Servo System Type-1 in order to improve the system to be stable and controllable. However, the position control system with Magnetic Levitation Ball in the equilibrium position that is complex and nonlinear so it is necessary to design the controller with the observation. The result of designed studying and controlling found that the designed controller that can make the system stable. In addition to it can be noted that the use of the system response and detect changes on the external forces on the system effectively. Keywords: Type-1 Servo System, Observer, Magnetic Levitation Ball

ME SUT-11


73

1. บทน า การวเคราะหการสนของเครองจกรเปนวธหนง

ทใชในการวางแผนการซอมบ ารง และน าไปใชวเคราะหสภาพการท างานรวมทงอายการใชงาน ของเครองจกร โดยประโยชนทไดรบจากการตรวจสอบ วเคราะหการสนสะเทอนของเครองจกร คอ ลดความเสยหายจากการทเครองจกรหยดท างาน เพมประสทธภาพในการบ ารงรกษา สามารถท านายอายการใชงานและยดอายการใชงานของเครองจกร สงผลใหสามารถหาวธปองกน และจดเตรยมอะไหลเพอแกไขสงทผดปกตของเครองจกรไดลวงหนา ทงยงชวยประหยดคาใชจายในการซอมบ ารงเครองจกร แตเนองจากเครองมดวดทใชในภาคอตสาหกรรมนน มราคาแพง ท าใหการตดตงใชงานเครองมอวดการสนเพอวเคราะหสภาพการท างานของเครองจกรจงยง ไมนยมอยางแพรหลาย งานวจยนไดน าเสนอ การประมาณการสนสะเทอน โดยใชระบบลกบอลลอยตวดวยสนามแมเหลกไฟฟา เพอวดการกระจด ในแนวตง ซงมราคาถกและไมมความยงยากในการใชงาน อกทงยงสามารถน าไปเปนแนวทางในการศกษาและพฒนาอปกรณในการวดการสนสะเทอนตอไป หากพจารณาระบบลกบอลลอยตวดวยสนามแมเหลกไฟฟานน สามารถแบงออกเปน 2 สวน คอระบบ ทางกล (การเคลอนทของลกบอล ) และระบบทางไฟฟา (การเหนยวน ากระแสของขดลวด ) แตเนองจากระบบลกบอลลอยตวดวยสนามแมเหลกไฟฟานน เปนระบบทไมเปนเชงเสนและไมมเสถยรภาพ จงตองมการปรบปรงระบบใหมเสถยรภาพในการท างาน ตวอยางเชน [1] การใช Pole-Placement, Lead Compensator, หรอออกแบบ PID Controller เปนตน ท าใหระบบสามารถควบคมไดและมเสถยรภาพ เพอน าไปประยกตใชตอไป [2] น าเสนอรายละเอยดการออกแบบ ชดควยคม การใชระบบควบคมของระบบลอยตวดวยสนามแมเหลก เพอน าไปใชควบคมระบบแบบทไมเปนเชงเสนทไมมเสถยรภาพในการใชงาน โดยน าเสนอรายละเอยดการวเคราะหสมการทาง

คณตศาสตรของระบบ การสราง ฟงกชนการถายโอน จนถงเทคนคการออกแบบตวชดเชย แบบเฟสล าหนาและน าเสนอผลการตอบสนองของระบบหลงการชดเชย [3] น าเสนอการสรางแบบจ าลองทางคณตศาสตร และการท า Linearization ระบบและท าการออกแบบตวควบคมและตวสงเกตโดยใช Linear State Feedback เมอท าการทดสอบแลว ระบบปอนกลบมเสถยรภาพ และมความคงทนในต าแหนงสมดล [4] น าเสนอบทความการพฒนาตวสงเกตบนระบบควบคมแบบปอนกลบส าหรบระบบลอยตวดวยสนามแมเหลก และท าการพฒนาตวสงเกตดวยการน า Filter มาใชรวมกบตวสงเกตแบบเดม ซงผลการทดลองพบวา การใช Filter นนแสดงใหเหนถงผลการการตอบสนองของสญญาณทดข นกวาระบบสงเกตเดม [5] น าเสนอวธการควบคมระบบลอยตวดวยสนามแมเหลกไฟฟาทเปน SISO (Single Input Single Output) ดวยระบบควบคมปรบตวไดอยางงายโดยใชโครงขายประสาทเทยมรวมกบ Offset Error Reduction ซงบทบาทของโครงขายประสาทเทยมนนมหนาทชดเชยโครงสรางของระบบทเปนเชงเสนโดยมวตถประสงคทจะลดขนาดของความผดพลาดทเกดจากความไมเปนเชงเสนของระบบในระบบลอยตวดวยสนามแมเหลกไฟฟา

งานวจยนไดน าเสนอการวดการกระจด ทเปลยนแปลงไปเมอระบบถกรบกวนจากการสนทม ตอระบบลกบอลลอยตวดวยสนามแมเหลกไฟฟา ดวยการออกแบบระบบเซอรโว Type-1 ควบคกบตวสงเกตเพอควบคมต าแหนงลกบอลลอยตวดวยสนามแมเหลก ซงมรายละเอยดดงน

2. แบบจ าลองระบบลกบอลลอยตวดวย

สนามแมเหลกไฟฟา แบบจ าลองระบบลกบอลลอยตวดวยสนามแมเหลกนนแบงได 2 สวนดงน

ME SUT-11


74

2.1 แรงเคลอนแมเหลกไฟฟา การเปลยนแปลงของระยะระหวางลกบอลกบแมเหลก x และกระแสในขดลวดสนามแมเหลกก าหนดใหเปนตวแปร i ซงแรงทเกดขนเปนผลของสนามแมเหลกทกระท ากบลกบอลแสดงดงรปท 1

R

L

x0

mg

f

i

x(t)

รปท 1 แผนภาพแสดงแรงทกระท าตอลกบอล

เมอพจารณาสมการการเคลอนทของนวตนไดวา -mx mg f (1)

ซงแรงแมเหลกเกดจากการเปลยนแปลงการเหนยวน ารวมของระบบในชองวางเมอมการปอนกระแสเปนฟงกชนก าลงสองและมแรงเปนครงหนงของแรงทเกดในทศทางตรงกนขามกบการเคลอนท [6]

21 ( )

2

dL xf i

dx (2)

โดยท 1 0 0( ) ( )L x L L x x เมอ

( )L x คอ ผลรวมของคาความเหนยวน ารวมของระบบ

1L คอ คาความเหนยวน าของขดลวด

0L คอ คาความเหนยวน าทเกดจากลกบอล

0x คอ การกระจดในต าแหนงสมดล

จากสมการท (1) และ (2) เมอพจารณาทสภาวะสมดลสถต (Static Equilibrium) 0x สามารถเขยนใหมไดเปน

2i

mg cx

(3)

เมอ 0 0 2c L x คอคาคงทของสนามแมเหลก (Electromagnetic Constant)

เนองจากความไมเปนเชงเสนขอ งแรงแมเหลกในสมการท (2) ดงนนจงท าการ Linearization ณ จดปฏบตงานดวยอนกรมเทเลอร

2

2

0 0 0

3 2

0 0 0

2 2i i i

f c c x c ix x x

(4)

แทนสมการท (3) และ (4) ลงสมการท (1) ไดวา

2

0 0

3 2

0 0

2 2i i

mx c x c ix x

(5)

2.2 การเหนยวน าไฟฟา จาก Kirchoff’s Voltage Laws ซงเปนสมการ ผลรวมทางพชคณตของแรงดนรอบวงปดเทากบศนย ดงน

( )di

V Ri L xdt

(6)

เมอลกบอลอยทต าแหนงสมดล (0

x x ) และมคาเหนยวน าของขดลวดมากกวาลกบอลมากๆ (

1 0L L ) และจดรปใหมไดดงน

1 1

1di Ri V

dt L L

(7)

จากสมการท (5) และสมการท (7) น าไปหาฟงกชนการถายโอนของระบบเปดดวยการแปลงลาปลาซและจดรปสมการใหมไดเปน

2

3 2

1 1

( )

( )

i

x x

k CX s

V s s C s k s k C

(8)

โดยท 2 3 2

0 0 0 0

1 1 2 1

2 , 2

, C 1

x ik ci mx k ci mx

C R L L

และสามารถเขยนสมการปรภมสเตตดงน

ME SUT-11


75

2

0 0

3 2

0 0

1

1

0 1 00

2 20 0

1

0 0

x xci ci

x x Vmx mx

i iR

LL

1 0 0

x

Y x

i

(9)

3. การออกแบบระบบควบคมแบบปอนกลบดวย

เซอรโว Type-1 บนตวสงเกต การออกแบบตวควบคมโดยใชวธการ

ปอนกลบตวแปรสเตต (State-Variable Feedback) การสรางหรอการทดสอบการท างานของตวควบคมทท าการออกแบบมานนจะตองประกอบดวยขอมลจากสญญาณของสเตตเวกเตอร (State Vector) ของระบบทกคาซงสวนมากแลวการวดขอมลจากตวแปรสเตตหรอสญญาณสเตตเวกเตอรทกคาเปนไปไดยาก ถงแมในบางระบบจะสามารถวดคาตวแปรส เตตไดแตกอาจจะตองเสยคาใชจายสงในการวด การควบคมจงมการน าเอาตวประมาณคาตวแปรสเตต (State Estimator) หรอ ตวสงเกตมาใชงานเพอประมาณคาตวแปรสเตตของระบบทจะท าการควบคม วธการทใชในการออกแบบตวสงเกตเพอใหสามารถประมาณคาตวแปรสเตตของระบบไดอยางถกตอง และรวดเรวจงมความส าคญตอการควบคมระบบอยางมาก

เมอพจารณาระบบเชงเสนทคาตวแปรของระบบไมขนกบเวลาทตองการจะใชตวสงเกตในการประมาณคาตวแปรสเตตของระบบ และ ท าการออกแบบตวควบคมเพอใหระบบมเสถยรภาพโดยใชตวควบคมแบบปอนกลบดวยระบบเซอรโว Type-1 ทมตวอนทกรลซงเหมาะสมส าหรบระบบทเปน Type-0 และท าการออกแบบบนตวสงเกต ซงจะมอลกอรทมดงรปท 2

kI

A

-+

-

+

Xreference or r

x∫

-+ B

-+ ∫

A

B-

+ ∫+

L

K

Plant (Magnetic Levitation Ball)

Observer

x

u

รปท 2 แผนภาพการท างานของระบบเซอรโว

Type-1บนตวสงเกต

การใชตวสงเกตในการควบคมและประมาณคาตวแปรสเตตของระบบจะตองมการตรวจสอบวาระบบนนมคณสมบตในการควบคม (Controllability) และสงเกต (Observability) ไดหรอไม ซง ระบบใดๆ จะมคณสมบตในการควบคมและสงเกตกตอเมอ คาล าดบชนเมตรกซของระบบไดเทากบ n (Rank( , )=n) [7] เมอ n คอ อนดบของระบบหรอของเมตรกซ A

ตวแปรปรภมสเตตของระบบจะเขยนอยในรป

x Ax Bu (10) y Cx

ตวสงเกตของระบบทตองการจะมรปแบบดงน

ˆ ˆ ˆ[ ]x Ax Bu L y Cx (11)

เมอ L = เมตรกซอตราขยายของตวสงเกต [n x 1] x = คาตวแปรสเตตของตวสงเกต [n x 1]

สมการท (10) ลบดวยสมการท (11) จะได

ˆ ˆ ˆ{ [ ]}x x Ax Bu Ax Bu L y Cx

จดรปสมการจะได

ˆ ˆ[ ]( )x x A LC x x

สามารถเขยนไดเปน [ ]e A LC e

เมอ ê x x

ME SUT-11


76

เมอคาความแตกตางของ ˆ 0x x จะท าใหคาความผดพลาดของตวแปรสเตตซงวดไดจากระบบจรง และตวสงเกตหมดไปผลทไดนนจะท าใหตวสงเกตจะสามารถประมาณคาของตวแปรสเตต ในระบบทตองการท าการสงเกตไดอยางมประสทธภาพ ในล าดบตอไปเปนการออกแบบตวควบคมแบบปอนกลบดวยเซอรโว Type-1 ควบคตวสงเกตดงน ก าหนดให [7]

x Ax Bu (12) y Cx (13)

Îu Kx k (14)

r y r Cx (15)

เมอ x คอ ตวแปรสเตตของระบบ u คอ สญญาณควบคม y คอ สญญาณออก คอ ขอมลทสงออกมาจากอนทกรล r คอ สญญาณเขาอางอง (ระยะสมดล 2 cm.)

สมมตใหระบบเปนดงสมการท (12) สามารถควบคมไดอยางสมบรณ สมการถายโอนของระบบจะเปน

1( ) ( )pG s C sI A B

จากสมการท (12) และ (15) สามารถเขยนสมการระบบพลศาสตรอยในรป

( ) 0 ( ) 0( ) ( )

( ) 0 ( ) 0 1

x t A x t Bu t r t

t C t

(16)

เราจะออกแบบระบบใหมเสถยรภาพ กลาวคอ x , และ u เขาใกลคาคงทตามล าดบ ณ สภาวะสมดล 0t และ เราได y r ดงนน ทสภาวะสมดล เราจะได ( ) 0 ( ) 0

( ) ( )( ) 0 ( ) 0 1

x A x Bu r

C

(17)

เมอ ( )r t เปน Unit Step input และม ( .)r r t r const ส าหรบ 0t

จากสมการท (16) และ (17) จะได

( ) ( )0( )

( ) ( )0 0

e e

e

e e

x t x tA Bu t

t tC

(18)

ก าหนดให ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

e

e

e

x t x x t

t t

u t u u t

เมอ ( ) ( ) ( )e e I eu t Kx t k t (19)

ก าหนด Order ของระบบใหมเปน (n+1) เวคเตอรความผดพลาด ( )e t โดย

( )( ) ( 1)

( )

e

e

x te t n vector

t

จากสมการท (18) จะได

ˆ êe Ae Bu

เมอ 0ˆ ˆ, B=0 0

A BA

C

และจากสมการท (19) จะได

êu Ke

เมอ ˆ IK K k เมอแทนคาจากตารางท 1 ลงในสมการท (8) ไดฟงกชนการถายโอนของระบบเปดดงน

3 2 5

1238

113.2 981 (1.111 10 )Openloop

Gs s s

ตารางท 1 ตารางแสดงคาพารามเตอรของชดทดสอบ Description Parameters Values (unit)

Mass of Ball m 41.30 x 10-3 kg Nominal Airgap 0x 0.02 m Resistance R 1.71 Inductive 1L 15.10 x 10-3 H Initial Current 0i 1.05 A

ME SUT-11


77

Electromagnetic Constant

c 1.47 x 10-4 Nm2A-2

Natural Frequency

n 31.3rad s

Damping Ratio 0.7

จากสมการถายโอนของระบบพบวามโพลวงเปดอยท -113.245, 31.3215 และ -31.3215 มโพลวงเปดของระบบมคาเปนบวก สงผลใหระบบไมมเสถยรภาพ เมอท าการแทนคาพารามเตอรตางๆ ในตารางท 1 ลงในสมการท (9) และก าหนดตวแปรสเตต

1 2,x x และ 3x ดงตอไปน 1

2

3

x x

x x

x i

จะได 1 1

2 2

3 3

0 1 0 0

981.038 0 18.6864 0

0 0 113.245 66.2251

x x

x x V

x x

โดยก าหนดให

0 1 0

981.038 0 18.6864

0 0 113.245

0

0 1 0 0

66.2251

,

A

B C

[0]D และเมอพจารณาระบบซงม 3Rank ดงนนระบบนมความสามารถในการสงเกต

การออกแบบตวสงเกตประกอบดวย เมทรกซอตราขยายของตวสงเกต เมอ 1 2 3

TL L L L ซง

การหาอตราขยายของตวสงเกต นน เราจะออกแบบโดยเลอกจาก 10 เทาของความถธรรมชาตของระบบ ท าใหโพลของตวสงเกตอยท

1,2219.1 223.527s i และ

3300s

ท าใหได Characteristic Equation ดงน

3 2 5

7

738.2 2.294 10

2.94 10

( )

( ) 0

s s s

(20)

ท าการหาเมทรกซอตราขยายของตวสงเกตจากสมการดงน

0sI A LC (21) ท าการเปรยบเทยบคาสมประสทธทไดจาก

สมการท (20) กบสมการท (21) จะได

4 5394.38 7.97 10 2.28 10T

L

ล าดบตอไปเปนตรวจสอบความสามารถในการควบคมเนองจากระบบถกจดรปใหมท าใหระบบมล าดบขน 4

4Rank ดงนนระบบน มความสามารถในการควบคม จงท าการออกแบบหาคาเมทรกซอตราขยายของตวควบคม 1 2 3 K k k k และ Ik โดยเลอกโพลของตวควบคมดงน

1,2 21.91 22.3527s i โพลตวทสามและสดงน

3,4 100s ได Characteristic Equation

4 3 2243.82 19,744

634,110 9,795,706 0

s s s

s

(22)

คาเมทรกซอตราขยายของตวควบคมไดจาก ˆ ˆ ˆ 0sI A BK (23)

ท าการเปรยบเทยบคาสมประสทธทไดจากสมการท (22) กบสมการท (23) จะได

ˆ 705.7 167 1.9717 7,915.7K

4. ผลการจ าลอง จากการจ าลองควบคมระบบลกบอลลอยตวดวยสนามแมเหลกไฟฟา เพอรกษาระยะหางใหอยในต าแหนงสมดลหรอต าแหนงอางองทไดออกแบบคอ 2 เซนตเมตร โดยการออกแบบตวควบคมดวยระบบเซอรโว Type-1 ในการปรบปรงระบบใหมเสถยรภาพและสามารถควบคม แตเนองจากในระบบจรงความซบซอนและไมเปนเชงเสน ดงนนจงจ าเปนตองใชตว

ME SUT-11


78

สงเกตในการออกแบบตวควบคม โดยแบงการจ าลองออกเปน 2 สวนดงน 4.1 การจ าลองทไมมการรบกวนระบบ จากรปท 5 แสดงการกระจดของลกบอลทมตวควบคมเพอรกษาระยะหางใหอยในต าแหนงสมดลหรอระยะอางอง (2 เซนตเมตร) โดยพจารณาจากตวสงเกต จะเหนไดวา การกระจดเขาสต าแหนงสมดลไดทเวลา 0.3 วนาท และมคาโอเวอรชตคดเปน 4% และเมอพจารณาการปรบตวของระบบควบคมดงรปท 6 จะเหนวาเมอการกระจดเปลยนแปลงไปจากต าแหนงสมดล ระบบจะปรบแรงดนไฟฟาเพอใหลกบอลอยในต าแหนงสมดลไดอยางเหมาะสม

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

0.5

1

1.5

2

2.5

Time (sec)

Dis

pla

cem

en

t (c

m)

Reference

Observer

รปท 5 แสดงการกระจดของลกบอลทมตวควบคม

และไมมการรบกวน

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Time (sec)

Vo

lta

ge (

Vo

lt)

รปท 6 แสดงแรงดนไฟฟาของตวควบคม

ทไมมการรบกวน

4.2 การจ าลองทมการรบกวนระบบ ในล าดบตอไปเปนการจ าลองระบบควบคม

เมอมการรบกวนจากระบบภายนอก โดยก าหนดใหระบบถกรบกวนดวยแรงทมขนาด 10 N และมความถ 10 Hz แสดงดงรปท 7

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

Time (sec)F

orce (

N)

รปท 7 แสดงแรงทรบกวนตอระบบ

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.5

1

1.5

2

2.5

Time (sec)

Dis

pla

cem

en

t (c

m)

Reference @Equilibrium

Plant

Observer

รปท 8 แสดงการกระจดของลกบอลทมตวควบคม

และมการรบกวนระบบ

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Time (sec)

Vo

lta

ge (

Vo

lt)

รปท 9 แสดงแรงดนไฟฟาของตวควบคม

ทมการรบกวน

ME SUT-11


79

เมอพจารณาการกระจดของลกบอลทมตวควบคมและมการรบกวนระบบ พบวาเมอระบบ ถกรบกวนท าใหพฤตกรรมการเคลอนทของลกบอลเปลยนแปลงไปในลกษณะเดยวกนกบแรงทกระท า โดยขนาดแอมพลจดการสนเทากบ 0.37 cm เทยบจากต าแหนงสมดลของลกบอล (2 cm) และเมอม การกระจดเพมขน ตวควบคมจะท าการจายแรงดนไฟฟาเพอใหลกบอลอยทต าแหนงสมดล ในทางตรงกนขามหากการกระจดมคาลดลงจากต าแหนงสมดล ตวควบคมกจะท าการจายแรงดนไฟฟาลดลงตามไปดวย เพอท าใหลกบอลเขาสต าแหนงสมดลแสดงดงรปท 8 และ 9

5.สรป จากการศกษาสมการการเคลอนทของระบบลกบอลลอยตวดวยสนามแมเหลกไฟฟา จะเหนวาระบบนนไมเปนเชงเสน จงตองท าการ Linearization ระบบดวยอนกรมเทเลอรเพอใหระบบเปนเชงเสน และไดท าการออกแบบตวควบคมระบบลกบอลลอยตวดวยสนามแมเหลกไฟฟา โดยการเลอกใชตวควบคมแบบปอนกลบดวยระบบเซอรโว Type-1 ทมตว Integral ในการออกแบบจากตวสงเกต เพอสงเกตพฤตกรรมการตอบสนองของระบบ ซงผลทไดจากการจ าลองการท างานของระบบดวยโปรแกรม MATLAB พบวาตวควบคมทออกแบบ สามารถท าใหระบบมเสถยรภาพ อกทงการใชตวสงเกตสามารถทจะสงเกตผลการตอบสนองของระบบและสามารถตรวจวดการเปลยนแปลงเมอมแรงภายนอกมากระท ากบระบบไดอยางมประสทธภาพ ซงในการศกษาถดไปจะท าการทดสอบกบระบบจรง หากพบวาหลกการทไดน าเสนอนสามารถท างานไดจรง ตอไปการตรวจวดการสนดวยระบบลกบอลลอยดวยสนามแมเหลก จะไดน ามาชวยวเคราะหการสนของเครองจกรแทนการวเคราะหแบบเดมได

6. กตตกรรมประกาศ ขอขอบคณ มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร ท

ใหการสนบสนนทนวจยรวมถงเครองมอและอปกรณตางๆในการท างาวจย


[1] Dahiru Sani Shu’aibu, Sharifah Kamilah Syed-Yusof, NorsheilaFisal And Sanusi Sani Adamu, Low Complex System For Levitating Ferromagnetic Materials, International Journal Of Engineering Science And Technology. Vol. 2(6), 2010, 1844-1859. [2] T. H. Wong, Design of a Magnetic Levitation Control System, IEEE Transactions on Education, Vol. E-29, No. 4, November 1986. [3] Celso Jose Munaro, Moacir Rosado Fillho, Raquel Machado Borges, Saul da Silva Munareto and Wagner Teixeira da Costa, Modeling and Observer-Based Nonlinear Control of a Magnetic Levitation System, IEEE International Conference on Control Applications, September 18-20, 2002. [4] Ting-En Lee, Juhn-Perng Su and Ker-Wei Yu, Implementation of the State Feedback Control for a Magnetic Levitation System, IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, May 23-25, 2007. [5] Muhammad Yasser, Hiroki Tanaka and Ikuro Mizumoto, A Method of Simple Adaptive Control Using Neural Networks with Offset Error Reduction for AN SISO Magnetic Levitation System, Proceedings of the 2010 International Conference on Modeling, Identification and Control, Okayama, Japan July 17-19, 2010. [6] B.V. Jayawant, D.P Rea, New electromagnetic suspension and its stabilisation, Proc. IEEE, Vol. 115, No. 4, April 1968.

ME SUT-11


80

[7] Katsuhiko Ogata, Modern Control Engineering, Fourth Edition, 2002, Prentice-Hall, Inc., Upper Saddle River, New Jersey, 964PP.

ME SUT-12


แบบจ าลองระบบควบคมความเรวรอบเครองยนต Biogas ดวยตวควบคม PID

Model of Biogas Engine Speed Control System with PID Controller

จระพล ศรเสรฐผล1 *สนทร โอษฐงาม1 และวรชย อาจหาญ2

1 สาขาวชาวศวกรรมเครองกล ส านกวชาวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร 2 สาขาวชาวศวกรรมเกษตร ส านกวชาวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร

111 ถนนมหาวทยาลย ต าบลสรนาร อ าเภอเมอง จงหวดนครราชสมา 30000 *Email: [email protected], 044-224412

บทคดยอ

เครองยนต Biogas ไดเขามามบทบาทส าคญทงภาคเกษตรและอตสาหกรรม เนองจากเครองยนต Biogas เปนเครองยนตทใชเชอเพลงทมตนทนในการผลตต ากวาเชอเพลงชนดอนทใชในปจจบน เครองยนต Biogas ทน ามาใชงานจะใชลกษณะการผลตกระแสไฟฟาและบ าบดน าเสยในโรงงานอตสาหกรรมเปนสวนใหญ ซงงานประเภทนจ ะตองรกษาความเรวรอบของเครองยนตใหคงท เชน เครองผลตกระแสไฟฟาจะตองรกษาความเรวรอบของ Generator เพอควบคมความถในการจายพลงงานไฟฟาใหกบอปกรณไฟฟา งานวจยนน าเสนอแบบจ าลองระบบควบคมความเรวรอบเครองยนต Biogas ดวยตวควบคมแบบ PID Controller เครองยนต Biogas ควบคมต าแหนงลนปกผเสอดวยมอเตอรไฟฟากระแสตรง (DC Motor)ในการรกษาความเรวรอบของเครองยนตใหคงท ในขณะทเครองยนตถกรบกวนจากโหลดภายนอก จะท าใหเครองยนตเกดการแกวงตว จงไดน าระบบควบคมแบบ PID มาลดการแกวงตวของระบบควบคมความเรวรอบ ค ำหลก: เครองยนต Biogas, มอเตอรไฟฟากระแสตรง, PID Controller Abstract

Biogas engines took a major role in both agricultural and industrial engines, Because Biogas is a fuel for engines that have lower production costs than other fuels in use today. Biogas engines are used to generate electricity and use the waste water treatment plant in the majority. This kind of work is required to maintain a constant engine speed such as electricity to maintain the speed of the Generator to control the frequency of the electrical power. This project presents a system speed controlling biogas engine by PID controller, Biogas engine controlled throttle valve with DC motor in maintaining the speed of the engine to be fixed while the engine was disturbed by the external load that cause the swing, so the PID system controller used to reduced the swing of the speed control system. Keywords: Biogas Engine, DC Motor, PID Controller

ME SUT-12


82

1. บทน า

ในบทความนน าเสนอแบบจ าลองระบบควบคมความเรวรอบเครองยนต Biogas ดวยตวควบคมแบบ PID ในการควบคมความเรวรอบของเครองยนตใหคงท เมอเครองยนตถกรบกวนจากโหลดภายนอกท าใหความเรวรอบของเครองยนตเปลยนแปลงไป [1-2]นอกจากโหลดภายนอกทกระท ากบเครองยนตยนตแลวเปอรเซนตกาซมเทนในระบบเชอเพลงกมผลท าใหความเรวรอบเครองยนตเกดการเปลยนแปลงไดเชนกน แตเครองยนตจะตองสามารถท างานใหไดตามความเรวรอบทไดท าการออกแบบไว ระบบควบคมการท างานของเครองยนตนน [5] ไดใชมอเตอรไฟฟากระแสตรง (DC Motor)ในการควบคมต าแหนงของลนปกผเสอ โหลดรบกวนจากภายนอกจะท าใหเครองยนตเกดการแกวงตวเนองจากความเรวทเปลยนแปลงไป ระบบควบคมแบบ PID จะชวยลดสญญาณรบกวนและท าใหเครองยนตกลบสความเรวรอบทตองการไดรวดเรวยงขน ส าหรบระบบทมความซบซอนการค านวณหาคาสมประสทธ PID จะท าไดโดยยาก [3-4] วธการหาคาสมประสทธ PID โดยการสมแบบมขอบเขต เปนอกหนงวธทจะมาชวยในการค านวณหาคาสมประสทธ PID ไดอยางรวดเรว

2. การหาแบบจ าลองทางคณตศาสตรของระบบ

ควบคมความเรวรอบเครองยนต Biogas แบบจ าลองทางคณตศาสตรทน ามาใชในการ

สรางแบบจ าลองระบบควบคมความเรวรอบของเครองยนต Biogas ไดแบงออกเปนสองสวนคอ สวนท 1 แบบจ าลองมอเตอรไฟฟากระแสตรง (DC Motor) และสวนท 2 แบบจ าลองเครองยนต Biogas 2.1 แบบจ าลองมอเตอรไฟฟากระแสตรง[4] (DC Motor) เปนสวนทใชในการควบคมต าแหนงลนปกผเสอของเครองยนต Biogas โดยมโครงสรางดงรปท1

รปท 1 Schematic Diagram of a DC Motor

สมการ Transfer function ทางไฟฟา ( ) ( ) ( ) ( )a a a a a bV s R I s sL I s V s (1)

เมอ b eV K ( ) ( ) ( ) ( )a a a a a eV s R I s sL I s K s (2)

aR = Armature resistance ( )

aL = Armature inductance (H.)

bV = Back EMF (V.)

aV = Armature voltage (V.)

eK = Back EMF constant (V/(rad/s))

aI = Armature (Amp.) = Rotation (rad/s) สมการ Transfer function ทางกล

( )( )t a

e

sK I s

I s b

(3)

eI = Moment of inertia (Kg.m)

tK = Torque constant (N.m/Am) b = Frictional constant (N.m/(rad/s)) จากสมการท 2 และ 3 เมอพจารณา input ของระบบคอ aV และ output คอ ต าแหนงเชงมม (angular position, )

2

( ) 1

( ) ( ) ( )

t

a e e a a e t

Ks

V s s I Ls I R bL s bR K K

(4)

2.2 แบบจ าลองเครองยนต Biogas [6],[10] 1.แบบจ าลองลนปกผเสอ (Throttle Model) ในขณะทเครองยนตท างานจะท าใหความดนภายนอก ( ambP ) และความดนภายใน ( manP ) ทอรวมไอดแตกตางกนดงรปท 2

ME SUT-12


83

รปท 2 Throttle Valve Body

จากรปท 2 จะไดสมการอตราความดน ดงน

( )man

man ai ao

man

RTP m m

V (5)

R = คาคงทของแกสในอดมคต (J/k.mol)

manT = อณหภมภายในทอรวมไอด (K)

ambT = อณหภมบรรยาอากาศ (K)

manV = ปรมาตรทอรวมไอด (m3)

manP = ความดนภายในทอรวมไอด (N/m2)

ambP = ความดนบรรยากาศ (N/m2)

สมการอตราการไหลมวลของอากาศไหลผานลนปกผเสอ( aom )

4

e manao vol d

man

Pm V

RT

(6)

vol = ประสทธภาพเชงปรมาตร

dV = ปรมาตรกระบอกสบ (m3)

e = ความเรวรอบเครองยนต (rad/s)

สมการอตราการไหลมวลของอากาศไหลเขาลนปกผเสอ( aim )

amb thai d

man

P Am C PRI

RT (7)

dC = สมประสทธอตราการไหลของอากาศ

ก าหนดใหพนทเปดของลนเรง ( thA ) 2 2

0

cos

4 4 costh

d dA

(8)

d = เสนผานศนยกลางทอรวมไอด (mm)

ฟงกชนทมผลตอความดนในการไหลของ อากาศผานลนปกผเสอ( PRI )

กรณท 1 อตราสวนความดนผานลนเรง มคามากกวาคาวกฤต ( /man ambP P > 0.528) อตราการไหลกจะเปน

1/21/ ( 1)/2

11

man man

amb

P PPRI

P Pamb

(9)

กรณท 2 เมออตราสวนความดนนอยกวาอตราสวนวกฤต ( /man ambP P < 0.528) (สภาวะทของไหลมความเรวเทากบความเรวเสยง) และจะไดอตราการไหลเปน

( 1)/2( 1)

1/2 2

1PRI

(10)

โดยท p

v

C

C อตราสวนของความรอนจ าเพาะ

2.การสรางแรงบด (Torque Production model)

สมการอตราการไหลของมวลอากาศออกจากทอรวมไอดเขาสกระบอกสบ apm

120

d vol e manap

man

V Pm

RT

(11)

e = ความเรวรอบของเครองยนต (rad/s)

สมการอตราการไหลของมวลเชอเพลง fm จะมความสมพนธกบอตราการไหลของมวล

อากาศ apm ออกจากทอรวมไอดเขาสกระบอกสบ

ap

f

th

mm

L

(12)

thL =The theoretical Air/Fuel mass ratio for gasoline.

= (Air/Fuel)/Stoichiometric

สมการคาก าลงบงช iP เปนก าลงทถายทอดจากแกสภายในกระบอกสบ

u i f

i

e

H mP

(13)

vH = คาความรอนเชอเพลง (J/Kg)

i = ประสทธภาพเชงความรอน

ME SUT-12


84

การสญเสยแรงบดในการหมนของเพลาขอเหวยงโดยมแรงเสยดทาน fT กระท ากบเพลาขอเหวยงคาแรงบดไดค านวณออกมาคอ Mean Effective Torque eT และฟงกชนการจดระเบด ( )SI

สมการแรงบดประสทธผล eT

( ) T4

u d i vole f

th man

H VT SI

L R T

(14)

3.การหมนของเครองยนต (Rotation Engine model) Newton is second law.

e e e l eI T T b (15)

eI = Equivalent inertia of crankshaft

iT = Load Torque b = Viscous damping constant of crankshaft

3. การออกแบบสมประสทธตวควบคม PID ในการหาคาสมประสทธ PID ไดใชโปรแกรม

MatLab ในสวนของ Simulink และ M-file มาชวยในการออกแบบ โดยท าจ าลองการท างานบนสวนทเปน Simulink (รปท3 ) และใหโปรแกรมท าการหาคาสมประสทธ PID โดยก าหนดขอบเขตของการตอบสนองของระบบ เชน คา Overshot และ คา Settling time บนสวนทเปน M-file (รปท 4) ซงทง 2 สวนจะเชอมโยงกน

Biogas Engine DC

Motor

Reference Engine Speed

PID Engine Speed

Throttle Valve

Position

รปท 3 Block Diagram of Engine Speed Control

Kp,Ki,Kd

รปท 4 กระบวนการออกแบบคา PID

เงอนไขการออกแบบระบบควบคม PID ขนอยกบความตองการของระบบวาตองการผลการตอบสนองอยางไร แตส าหรบระบบควบคมความเรวรอบเครองยนต Biogas ตองการผลการตอบสนองให Overshot มคาไมเกน 2300 rpm และคา Settling Time มคาไมเกน 2 เปอรเซนต

4. อปกรณทดลอง

ในการทดลอง Simulation ระบบควบคมความเรวรอบเครองยนต Biogas ประกอบไปดวยมอเตอรไฟฟากระแสตรง (DC Motor) และเครองยนต Biogas ตารางท 1 ตารางแสดงคาพารามเตอรของมอเตอรไฟฟากระแสตรง

Parameter Value/Unit La 2.95 x 10-3 H.

R 5.22 b 1.09 x 10-5 N.m.s

I 1.60 x 10-6 N.m.s2

Ke 2.34 x 10-2 V.s

Kt 2.34 x 10-2 N.m/A.

ME SUT-12


85

ตารางท 2 ตารางแสดงคาพารามเตอรของเครองยนต Biogas พารามเตอร Value/Unit

D 50 mm. L 55.6 mm. d 20 mm. Vd 109.8 m3 R 286 J/kg.K Hv 21 MJ/Kg

Tamb 303 K Tman 303 K Pamb 101,325 N/m2 Pman 80,000 N/m2

Ie 0.0057 Kg.m2 Tf 2.7596 N.m.s/rad b 0.0162 N.m Cd 1.4

0.8

0.8 Lth 6.19 λ 1

5. ผลการทดลอง

จากการจ าลองระบบควบคมความเรวรอบของเครองยนตดวยตวควบคมแบบ PID โดยม input คอ ความเรวรอบทตองการ และ output คอ ความเรวรอบทไดจากแบบจ าลอง ในการจ าลองไดใชมอเตอรไฟฟากระแสตรง (DC Motor)ในการควบคมต าแหนงองศาลนปกผเสอ เพอควบคมความเรวรอบของเครองยนตใหไดตามความตองการของระบบทไดท าการออกแบบไว ตาม เงอนไขการออกแบบซงไดผลการทดลองดงตางรางท 3 ตางรางท 3 คาสมประสทธ PID

Kp Ki Kd Value 0.0051 0.057 0.00008

ซงการทดลองนไดท าการควบคมความเรวรอบของเครองยนตไวท 2000 rpm และผลการทดลอง รปท 5 คอความเรวรอบของเครองยนตทตองการ รปท 6 คอต าแหนงลนปกผเสอทปรบตวใหไดความเรวรอบทตองการ รปภาพท 5-6 เปนการท างานของระบบทยงไมมสญญาณรบกวนเขาไปในระบบ รปภาพท 7 ไดท าการสรางสญญาณรบกวนเขาไปทวนาทท 2 โดยการเพมภาระใหกบระบบของเครองยนต รปภาพท 8 ผลการตอบสนองของลนปกผเสอในขณะทมสญญาณรบกวนวนาทท 2 ซงลนปกผเสอมการปรบตวเพอรกษาความเรวรอบของเครองยนต ใหไดตามสญญาณอางองของระบบ และไดน าระบบควบคมแบบ PID มาควบคมสญญาณ เพอใหการตอบสนองในชวง Transient response มการตอบสนองทมคา Overshotมคานอยทสด และลดคา Settling time

0 1 2 3 40

500

1000

1500

2000

2500

Time

RP

M

Engine Speed no load

รปท 5 ความเรวรอบของเครองยนต Biogas

ในขณะทไมมโหลด

0 1 2 3 40

5

10

15

20

Time

Angle

(degre

e)

Throttle Position no load

รปท 6 ต าแหนงลนปกผเสอในขณะทไมมโหลด

ME SUT-12


86

0 1 2 3 40

500

1000

1500

2000

2500

Time

RP

MEngine Speed with load

รปท 7 ความเรวรอบของเครองยนต Biogas

ในขณะทมโหลดรบกวน

0 1 2 3 40

5

10

15

20

Time

Angle

(degre

e)

Throttle Position with load

รปท 8 ต าแหนงลนปกผเสอในขณะทมโหลดรบกวน

6. สรปผล

ในการออกแบบคาสมประสทธตวควบคมแบบ PID โดยวธการสมหาคาเพอใหไดผลการตอบสนองตามความตองการของผออกแบบ ทไดก าหนดเงอนไขใหกบระบบไมใหเครองยนตมคา Overshot ของเครองยนตสงเกนไป และคาทไดจากการออกแบบสามารถทจะน าไปใชกบระบบจรงได เพอปองกนการแกวงตวของเครองยนตขณะท างาน และในขณะทมโหลดจากภายนอกมากระท ากบระบบ

7. เอกสารอางอง [1] ณฐวฒ พลศร , “การเปรยบเทยบสมรรถนะของ

เครองยนตดเซลดดแปลงเมอใชน ามนเบนซน กาซหงตมและกาซชวภาพเปนเชอเพลง ”, วทยานพนธวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต , มหาวทยาลยขอนแกน, 2011.

[2] สมบรณ ศรพรมงคลชย , “การปรบปรงเครองยนตสนดาภายในส าหรบใชกาซชวภาพ ”, เทคโนโลยกาซชวภาพ , 6, เขาถงไดจาก Biogas Technology Center, 2010.

[3] Ayman A. Aly, “PID Parameter Optimization Using Genetic Algorithm Technique for Electrohydraulic Servo Control System”, Intelligent Control and Automation, 2011, 2, 69-76.

[4] Bindu R., and Mini K., “Tuning of PID Controller for DC Servo Motor using Genetic Algorithm”, International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, vol. 2, Issue 3, March 2012.

[5] Guomin Li and Kai Ming Tsang, “Concurrent Relay-PID Control for Motor Position Servo System”, International Journal of Control, Automation, and System, vol. 5, no. 3, June 2007.

[6] John B. Heywood, “Internal Combustion Engine Fundamentals”, Original edition.

[7] Katsuhiko Ogata, “Modern Control Engineering”, Pearson Education International, fourth edition.

[8] Mooncheol Won, Seibum B. and J. K. Hedrick, “Air-to-Fuel Control of Spark Ignition Engines Using Gaussian Network Sliding Control”, IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 6, no. 5, September 1988.

[9] Neenu Thomas, Dr. P. Poongodi, “Position Control of DC Motor Using Genetic Algorithm Based PID Controller”, Proceedings of the World Congress on Engineering 2009, Vol. II, WCE 2009, July 2009.

[10] P. V. Manivannan, M. Singaperumal and A. Ramesh, “Development of An Idle Speed

ME SUT-12


87

Engine Model Using In-Cylinder Pressure Data and An Idle Speed Controller For A Small Capacity Port Fuel Injected SI Engine” International Journal of Automotive Technology, Vol. 12, No. 1, pp. 11-20(2011).

[11] Tran Minh Tien, Pham Xuan Mai, Nguyen Dinh Hung and Huynh Thanh Cong, “A Study on Power Generation System Using Biogas Generated the Waste Of Pig Farm”, IFOST 2010 Proceedings.

[12] Toshihiro Aono, and Takehiko Kowatari, “Throttle-Control Algorithm for Improving Engine Response Based on Air-Intake Mode and Throttle-Response Model”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 53, No. 3, June 2006.

ME SUT-13


การออกแบบระบบควบคมของเครองอดขนรปผลตภณฑเมลามน

โดยวธการคนหาแบบสม Design controller of the extrusion machine of melamine products

by Random Search.

จระพล ศรเสรฐผล1* , ณรงคศกด สแกว1 , และ วรพจน ข าพศ1

1สาขาวชาวศวกรรมเครองกล มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร อ.เมอง จ.นครราชสมา 3000 *Email: [email protected] , โทรศพท: 0-4422-4412, โทรสาร: 0-4422-4613

บทคดยอ ในปจจบนภาชนะทท าจากวสดเมลามนเปนทนยมใชอยางแพรหลาย เพราะมความสวยงามและแขงแรงทนทานตอการใชงาน ซงกระบวนการอดขนรปผลตภณฑเมลามนเปนกระบวนการผลตทส าคญ โดยมการควบคมอณหภมแบบปอนกลบ (Feedback Control) ทมตวควบคมแบบพไอด ทจ าเปนตองควบคมอณหภมของแมพมพใหคงท กอนทจะเรมกระบวนการผลตทกครงจะตองมการอนแมพมพใหมอณหภมท 150 - 170 องศาเซลเซยส จงจะเรมกระบวนการอดขนรปได ซงตองใชเวลาประมาณ 100 - 120 นาท จงท าใหสนเปลองพลงงานไฟฟาเปนจ านวนมาก ดงนนบทความนจงไดน าเสนอวธการออกแบบ ตวควบคมพไอดใหมความเหมาะสมกบระบบและสามารถควบคมอณหภมของระบบใหท างานเปนไปตามความตองการได ค าส าคญ : การระบเอกลกษณของระบบ , แบบจ าลองทางคณตศาสตรของเครองอดขนรปเมลามน , จนเนตก อลกอรทม Abstract Nowadays, the melamine containers are used pervasively. Because, beautiful and strength to usability. The extrusion process of melamine product is an important process. PID controller with feedback signal is used to control temperature of extrusion process. Before start is extrusion process be must control temperature of mold have constant. The molds of heat up have temperature about 150 – 170 degree Celsius. Be must has time about 100 – 120 minute. Therefore, this paper presented to design PID controller method for optimize system and temperature controllable with requirement. Keywords: System identification / Mathematical models of extrusion machine of melamine products / Genetic Algorithm

mailto:[email protected]

ME SUT-13


89

1. บทน า กระบวนการอดขนรปภาชนะทท าจากวสด

เมลามน ซงกระบวนการอดขนรปผลตภณฑเมลามนเปนกระบวนการผลตทส าคญ ส าหรบการควบคมอณหภมจะใชระบบควบคมอณหภมแบบปอนกลบทม ตวควบคมแบบพไอด เพอใชในการควบคมอณหภมของแมพมพใหคงท กอนจะเรมกระบวนการผลตทกครงจะตองผานกระบวนการอนแมพมพใหแมพมพมอณหภมท 150 – 170 องศาเซลเซยส จงจะสามารถเรมกระบวนการอดขนรปได เนองจากกระบวนการอนแมพมพของเครองอดขนรปผลตภณฑเมลามน จะใชเวลาในกระบวนการอนแมพมพนานประมาณ 2 ชวโมง เนองจากมคา Overshoot ของอณหภมสงและใชเวลาเขาสสภาวะสมดลของอณหภมทใชงานจรงนานแสดงดงรปท 1

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 800020

40

60

80

100

120

140

160

180

Time (sec)

Tem

pera

ture

(C

)

รปท 1 ผลการตอบสนองของอณหภมทใชงานจรง

ซงบรษทมจ านวนเครองอดขนรปผลตภณฑเมลามนประมาณ 300 เครอง จงท าใหมการสนเปลองพลงงานไฟฟามาก ปญหาทพบเครองอดขนรปผลตภณฑเมลามนมการใชงาน มาเปนระยะเวลา นาน และปราศจากวธการปรบคาตวแปรของตวควบคมพไอดทเหมาะสม จงสงผลตอประสทธภาพในการควบคมอณหภมไมเปนไปตามความตองการ ดงนนบทความนจงไดน าเสนอวธการระบเอกลกษณแบบวงเปด (Open-loop identification) ของเครองอดขนรปผลตภณฑเมลามน

เพอประมาณคาสมประสทธของตวแปรในแบบจ าลองทางคณตศาสตร เพอน าไปใชในการออกแบบตวควบคมพไอดทเหมาะสม ใหมการตอบสนองอณหภมของกระบวนการอนแมพมพ ซงใชเวลาในการเขาสสภาวะสมดลเรวขน

บทความทเกยวของกบงานวจย ไดแก (ZhengJia Wang, 2010) ไดเสนอวธการควบคมอณหภม แบบ PID controller โดยใชหลกการประมาณตวแปรสมประสทธของ PID controller ใหเหมาะสม โดยอางองขอมลจาก Finite element [1] (John J.,1986) ไดเสนอวธการควบคมตวแปรใหมประสทธภาพของ ระบบทมความซบซอนโดยใชการระบเอกลกษณของ GA [2] (J.L. Ebert, 2010) ไดเสนอวธการควบคมอณหภมบนแผนความรอน ใชวธการควบคมแบบ PID ในรปแบบจ าลองทางคณตศาสตร เพอใหระบบมการตอบสนองทไวขนและมประสทธ ภาพ มากขน [3] (Liu Yucheng 2009) น าเสนอการปรบสมประสทธตวควบคมของเครองท าความรอนใหมประสทธภาพโดย จนเนตกอลกอรทม [4] (Shimpei Hashida, 2007) ไดศกษาการควบคมอณหภมในกระบวนการความรอนตามรปแบบ Back-Box และเสนอวธการควบคมตามรปแบบความแตกตางอณหภม (TDM) [5] (อาทตย ศรแกว ,2008) ไดน าเสนอการใช Artificial Intelligence (AI) รวมทงการใชจนเนตกอลกอรทมเพอคนหาคาตวแปรทเหมาะสมทสด [6]

2. แบบจ าลองทางคณตศาสตร

เมอมการจายกระแส ไฟฟาใหกบแผน Heater จะท าใหแผน Heater เกดความรอน โดยความรอนทเกดขน จะม การสญเสยพลงงานความรอนจากการรบกวนของระบบภายนอก และมถายโอนไปยงแผนรอง Mold ดวยการน าความรอน เมอแผนรอง Mold เกดความรอนจะถกถายโอนไป Mold ตอดวยการน าความรอน ส าหรบแผนรอง Mold จะมการถายโอนความรอนออกแบบการพาความรอน การแผรงสความรอนและจะไดรบพลงงานความรอนจากการรบกวน

ME SUT-13


90

ของระบบภายนอกดวย การวเคราะหเพอน าไปสรางแบบจ าลองทางคณตศาสตรทเราสนใจเฉพาะแผน Heater กบแผนรอง Mold เนองจากมการใชผลตภณฑของ Mold ทหลากหลายจงยงไมไดท าการวเคราะหท Mold ดงนนจงใชกฎอนรกษพลงงานพจารณาการถายเทความรอนของระบบในการสรางแบบจ าลองทางคณตศาสตรดงแสดงดงรปท 2

แผนรอง Mold

Heater

รปท 2 แผนภาพการถายเทความรอนของระบบ

เมออตราการเพมขนของอณหภมเทากบ

พลงงานความรอนทไหลเขาในระบบจะตามกฎการอนรกษพลงงานดงน

11

1p I cond dist

dTmC Q Q Q

dt (1)

22

2p cond conv rad dist

dTmC Q Q Q Q

dt (2)

จากสมการท (1) และ (2) สามารถจดรปสมการใหอยในเทอมการเปลยนแปลงอณหภมทต าแหนงท T1 และ T2ไดดงน

22 1 1

1

1 1

dist

cond

T TI RNT Q

C C R

(3)

2 1 2 2 2

2

2 2 2

air air

dist

cond conv rad

T T T T T TT Q

C R C R C R

(4)

ก าหนดให 1 1pC mC และ 2 2pC mC เมอ m คอ มวลของชนงาน I คอ คากระแสไฟฟา R คอ คาความตานทานไฟฟา

N คอ จ านวนแผน Heater

1, 2p pC คอ ความจความรอนจ าเพาะของ Heater และแผนรอง Mold

IQ คอ พลงงานทไดจากการจายกระแสไฟฟาใหกบแผน Heater,

condQ คอ การสญเสยพลงงานของการน าความรอน

convQ คอ การสญเสยพลงงานการพาความรอน

radQ คอ การสญเสยพลงงานการแผรงสความรอนของแผนรอง Mold

1 2,dist distQ Q คอ การสญเสยพลงความรอนจากการรบกวนภายนอกท Heater และแผนรอง Mold

ในการพจารณาหาคาประมาณตวแปรของ

แบบจ าลองทางคณตศาสตร จะจดสมการท (3) และ (4) ใหอยในรปสมการปรภมสเตต จงไดก าหนดอณหภมเปนตวแปรสเตตในแตละชวงคอ T1และT2

โดยมอนพตของระบบคอ IQ ดงสมการท (5)

1 11 1

22

2 2

1

1 2

2

1 1

1 1

0 11 0

10 1

0

cond cond

cond cond conv rad

dist

air I

distconv rad

C R C RT T

TT

C R C R R R

QCT Q

QC R R

(5)

จดรปอยางงายจะได

1 11 1

222

2 2

1

1 2

0

11 0

0 1

0

air

dist

I

dist

a a

C CT TTb c

a b c TaTC

C C

QC Q

Q

โดยท 1 1 1

, ,cond conv rad

a b cR R R

ME SUT-13


91

3. การประมาณตวแปรของระบบ จากแบบจ าลองทางคณตศาสตรจะมตวแปร

ของโครงสรางทไมทราบคา จงใชเทคนคการระบเอกลกษณระบบ (System Identification) เพอหาตวแปรทท าใหแบบจ าลองทางคณตศาสตรสมบรณทสด การระบเอกลกษณจะใชวธการคนหาแบบจนเนตกอลกอรทม เพอประมาณคาตวแปรของแบบจ าลองทางคณตศาสตร

จากรปท 3 โดยเกบขอมล Input คอ คากระ แสไฟฟา

IQ และ Output คอ อณหภม T แบบระบบเปดเพอน ามาเปน plant ใหกบระบบ ซง น าคา Output ของ Plant ไปเปรยบเทยบก บ Output ของ Model จะไดคา Error เพอใชในการปรบคาสมประสทธของตวแปรจนกวาจะมคา Error นอยทสด

Model

Genetic Algorithm

Plant

Error

รปท 3 การระบเอกลกษณแบบวงเปด โดยเกบผลการทดลองแบบระบบเปดโดยไมม

การวดอณหภม Feed back กลบทตวควบคม แตใชการเปดปด magnetic เพอตดตอกระแส ไฟฟาทจายใหกบแผน Heater แทนตวควบคม โดยในการ ท าการทดลองเปดปด Magnetic จะท าการเปดปดเปนจ านวน 2 ครง ซงก าหนดคาเรมตนในการโปรแกรมดงน

50 R , 32airT C และ N = 3 สวนตวแปรทไม

ทราบคาจะใชการประมาณคาตวแปรดวยโปรแกรมจนเนตกอลกอรทมเพอหาคา ผลทไดแสดงดงตารางท 1

ตารางท 1 คาตวแปรทไดจากการประมาณคา Parameter Ga1 Ga2 Ga3 mean

a 61.605 62.513 61.815 61.978 b 1.958 2.158 2.069 2.062 c 5.465 5.318 5.125 5.302

C1 4,386.89 4,542.15 4,298.25 4,406.09 C2 42,318.12 42,542.23 43.685.45 42,848.6 1

distq 1.438 1.514 1.415 1.456 2

distq 0.065 0.087 0.073 0.075

4. การออกแบบระบบควบคม

เครองอดขนรปเมลามน จากการระบเอกลกษณส าหรบระบบเปด จะใช

คาตวแปรเฉลยเปนคาสมประสทธของแบบจ าลองทางคณตศาสตรของเครองอดขนรปผลตภณฑ เมลามน เพอน าไปใชในการออกแบบระบบควบคมพไอด ซงสามารถเขยนแผนภาพระบบควบคมของเครองอดขนรปผลตภณฑเมลามนในระบบปดทมตวควบคมพไอดแสดงดงรปท 4

PID

Controller

System

Set point Temperature

Scope

รปท 4 แผนภาพระบบควบคมแบบปด ของเครองอดขนรปผลตภณฑเมลามน

ส าหรบการออกแบบคาพไอด งานวจยนใช

วธการคนหาแบบสม โดยท าการเขยนโปรแกรมสมคาสมประสทธตวควบคม ภายใตการก าหนดเงอนไขขอบเขตการตอบสนองของอณหภมเชน คา Overshot ไมเกน 180 องศาเซลเซยสและเวลาเขาสสภาวะสมดลไมเกน 3500 sec เพอหาคาสมประสทธ ของตวควบคมพไอดทเหมาะสมแสดงดงรปท 5

ME SUT-13


92

เรมตน

เลอกคา Kp, Ti, Td

แสดงคา

ตรวจสอบ

เงอน ข

จบกระบวนการ

Simulink

Close-loop

model

รปท 5 แสดงแผนภาพกระบวนการออกแบบคา

สมประสทธตวควบคม

5. ผลการทดลอง ผลจากการออกแบบคา สมประสทธของตว

ควบคมพไอดใหมภายใตเงอนไขทก าหนดดงตารางท 2 มการตอบสนองของอณหภมเขาสสภาวะสมดลเปรยบเทยบกบผลการตอบสนองของอณหภมของการทดลอง แสดงดงรปท 6 ตารางท 2 คาสมประสทธตวควบคมทไดจากการ

ออกแบบ No. test Kp Ti Td Ran 1 70 260 30 Ran 2 80 270 27 Ran 3 75 270 25 เฉลย 75 266.67 27.33

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 800020

40

60

80

100

120

140

160

180

Time (sec)

Tem

pera

ture

(C

)

Simulation

Experiment

รปท 6 แสดงการเปรยบเทยบการตอบสนอง ของอณหภม

6. สรปผลการทดลอง

บทความน จากการศกษาการท างานของเครองอดขนรปผลตภณฑเมลามน ไดใชการระบเอกลกษณโดยใชวธการคนหาแบบจนเนตกอลกอรทม เพ อประมาณคาตวแปรของแบบจ าลองทางคณตศาสตรของเครองอดขนรปผลตภณฑเมลามน เพอน าไปใชในการออกแบบคาสมประสทธตวควบคมพไอดของระบบ โดยวธการคนหาแบบสม ซงคาสมประสทธของตวควบคมทได ท าใหระบบมการตอบสนองของอณหภมเขาสสภาวะสมดลเปนไปตามเงอนไขทก าหนดได

7. กตตกรรมประกาศ

ขอขอบคณทางมหาวทยาลยเทคโนโลย สรนาร และบรษท ศรไทยชปเปอรแวร จ ากด มหาชน ทใหการสนบสนนงานวจย


[1] ZhengJia Wang, ZhouPing Yin ,YouLun Xiong. Temperature control and PID parameters optimization based on Finite Element Model, 2010 International Conference on Electrical and Control Engineering [2] JOHN J. GREFENSTETTE, MEMBER, IEEE Optimization of Control Parameters for Genetic

ME SUT-13


93

Algorithms IEEE TRANSACTIONS ON SYSTEM, MAN, AND CYBERNETICS, VOL.SMC-16,NO 1,JANUARY/FEBRUARY 1986 [3] J. L. Ebert, G. W. van der Linden, D. de Roover, L. L. Porter, R. L. Kosut and A. Emami-Naeini .Model-based Temperature Control of Heated Plates, 18th IEEE Conferenceon Advanced Thermal Processing of Semiconductors - RTP 2010 [4] Liu Yucheng, Liu Yubin, Li Taifu1, Su Yingying, Wuang Debiao, A Method of Synthetic Optimizing Adjustment Based on Genetic Arithmetic for Control of Electric Heater, 2009 International Forum on Computer Science-Technology and Applications. [5] Shimpei Hashida, Ikuo Nanno, Nobutomo Matsunaga and Shigeyasu Kawaji. Experimental Study on Uniform Temperature Control for Two-dimensional Heating Plate Control, International Conference on Control, Automation and Systems 2007 Oct. 17-20, 2007 in COEX, Seoul, Korea [6] อาทตย ศรแกว. (2552).ปญญาเชงค านวณมหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร, นครราชสมา.

สาขาวชาวศวกรรมเครองกล ส านกวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร 111 ถ.มหาวทยาลย ต.สรนาร อ.เมอง จ.นครราชสมา 30000 โทรศพท : 0-4422-4410-1, 0-4422-4577, 0-4422-4176 โทรสาร : 0-442- 4613

Documents

การประชุมเสนอผลงานบัณฑิตศึกษาวิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัย ...eng.sut.ac.th/me/2014/activity/conference/%ca%d1%c1%c1%b9%d2%… ·