โอริง นวัตกรรมชิ้นเล็กอันน่าทึ่ง
เป็นเรื่องธรรมดาที่คนส่วนใหญ่จะสนใจ และให้ความสำคัญกับนักประดิษฐ์ และสิ่งประดิษฐ์ที่ก่อให้เกิดผลกระทบในวงกว้าง เช่น โทมัส เอดิสัน (Thomas Edison) กับหลอดไฟ หรือรูดอล์ฟ ดีเซล (Rudolf Diesel) กับเครื่องยนต์ดีเซล หรือพี่น้องตระกูลไรท์ (Wright) กับเครื่องบิน แต่โลกใบนี้ก็ยังมีสิ่งประดิษฐ์อีกหลายอย่างที่มีรูปแบบไม่ซับซ้อน แต่สามารถใช้งานได้ดี และพบเห็นได้ง่าย เช่น ลวดหนีบกระดาษ (paper clip) เข็มซ่อนปลาย (safety pin) ซึ่งคนส่วนมากไม่รู้ และอาจไม่สนใจด้วยว่า ใครเป็นผู้ประดิษฐ์สิ่งของเหล่านี้ ยิ่งเป็นสิ่งประดิษฐ์ที่ไปแอบแฝงอยู่ในสินค้าหรือผลิตภัณฑ์อื่นแล้ว ก็ยิ่งยากที่จะมีคนให้ความสนใจ
Last Update : 15:55:13 27/01/2011
V-Ring
Brand : CR
Last Update : 14:58:54 15/02/2011
O-Ring
Brand : GAPI
Last Update : 17:18:44 29/01/2011
Speedi Sleeve
Brand : CR
Last Update : 14:45:28 28/01/2011
Oil Seal
Brand : CR
Last Update : 14:43:03 28/01/2011
Backup ring ST13
Brand : ECONOMOS
Model : ST13
Last Update : 22:38:44 27/01/2011

โอริง นวัตกรรมชิ้นเล็กอันน่าทึ่ง

Last Update: 15:55:13 27/01/2011
Page View (1633)

     ยางโอริง (O-ring) เป็นหนึ่งในสิ่งประดิษฐ์เล็กๆ ที่ไม่มีคนสนใจถึงที่มา รวมถึงผู้ประดิษฐ์ด้วยเช่นกัน แต่ทว่าเจ้าสิ่งประดิษฐ์ขนาดเล็กนี้กลับส่งผลกระทบต่อการพัฒนาเครื่องจักรกล รวมถึงมีส่วนเกี่ยวพันกับเหตุการณ์ประวัติศาสตร์หนึ่งอย่างเหลือเชื่อ ยางโอริงคือ อะไร? ยางโอริงมีลักษณะเป็นยางวงขนาดเล็ก ใช้เป็นอุปกรณ์สำหรับกันซึม กันรั่ว ในเครื่องใช้ไฟฟ้า อิเล็กทรอนิกส์ รถยนต์ สุขภัณฑ์ และอื่นๆ

     ยางโอริงเป็นผลงานการประดิษฐ์ของนายช่างชาวเดนมาร์ก ชื่อ นีล คริสเตนเซ่น (Niels Christensen) ซึ่งขณะที่เขานำผลงานนี้ไปจดสิทธิบัตรเมื่อปี ค.ศ. 1937 นั้น นีลมีอายุปาเข้าไปถึง 72 ปีแล้ว นี่เป็นเครื่องยืนยันได้อย่างดีว่า ความเป็นนักประดิษฐ์ไม่ได้ถูกจำกัดด้วยเรื่องของอายุ

นีล คริสเตนเซ่น

ภาพจาก http://www.wisconsinhistory.org/whi/fullimage.asp?id=61097

     ก่อนหน้านั้น 11 ปีคือในปี ค.ศ. 1926 นีล คริสเตนเซ่นได้เข้าทำงานที่บริษัทมิดแลนด์ สตีล โพรดักส์ (Midland Steel Products) รัฐโอไฮโอ ประเทศสหรัฐอเมริกา โดยทำงานในส่วนการพัฒนาระบบเบรกของยานพาหนะและรถบรรทุก ซึ่ง ณ บริษัทนี้เองที่เขาตัดสินใจแก้ปัญหาหนึ่งที่เขาพบเป็นประจำ นั่นคือ การรั่วซึมของของเหลวในระบบไฮดรอลิก นีล พยายามหาวัสดุที่สามารถช่วยให้กระบอกสูบเคลื่อนที่ได้ราบรื่น ขณะเดียวกันต้องกั้นของเหลวไม่ให้ซึมออกมาด้วย เขาตัดสินใจทดลองใช้ยางโอริง (แน่นอนว่าก่อนหน้านั้นเคยมีผู้นำยางวงมาใช้เป็นวัสดุกันซึมบ้างเช่นกัน แต่ปรากฏว่า ยางวงสึกหรออย่างรวดเร็ว) และทำร่อง (groove) ชิ้นงานให้มีลักษณะแตกต่างจากเดิม

     นีลทดลองยางโอริงด้วยวิธีการเรียบง่าย เขาใส่ยางโอริงที่ต้องการทดสอบลงร่องและนำไปทดสอบ หลังจากใช้งานระยะหนึ่ง ก็นำยางโอริงมาดูผ่านแว่นขยายเพื่อหารอยขูดขีด (scratch) บนตัวยาง ซึ่งจากการทดลองและปรับเปลี่ยนตัวแปรต่างๆ นีลได้ข้อสรุปว่า ยางโอริงที่เหมาะกับการใช้งานควรมีหน้าตัด (cross section) เป็นวงกลม และร่องชิ้นงานควรมีระยะความลึกมากกว่ารัศมีของยางโอริงประมาณ 1.5 เท่า

     สิ่งที่นีลค้นพบคือ เมื่อยางโอริงมีขนาดเหมาะสมกับร่องชิ้นงาน ยางโอริงจะให้ประสิทธิภาพในการใช้งานสูงมาก ซึ่งบันทึกของเขาระบุว่า ยางโอริงที่นำมาทดสอบโดยให้ผ่านการชัก 2,790,000 ½ รอบที่ระดับความดัน 600 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (psi) และทดสอบโดยผ่านการชักอีก 2,790,000 รอบที่ความดันบรรยากาศปกติ ไม่มีปัญหาการรั่วซึม และยังติดแน่นดี

     กลไกการทำงานของโอริง แม้จะรู้ความสัมพันธ์ระหว่างขนาดยางโอริงกับร่องชิ้นงาน แต่ในเวลานั้นนีลไม่ทราบกลไกการทำงาน และไม่มีใครอธิบายได้ จนปี ค.ศ. 1941 นักวิจัยจากบริษัท โว้กต์-ซีคอร์สกี (Vought-Sikorsky) และบริษัท ล็อกฮีดแอร์คราฟ (Lockheed Aircraft) ได้ทดสอบยางโอริงในกระบอกสูบแบบโปร่งใส โดยบันทึกภาพขณะทดสอบ และนำมาดูด้วยกล้องฉายภาพทำให้พบว่า ยางที่อยู่ในร่องชิ้นงานที่มีขนาดกว้างกว่ายางโอริง เมื่อถูกแรงกระทำจากด้านหนึ่งยางจะหมุนไปประมาณ 20 องศา การหมุนของยางจะดึงน้ำมันไฮดรอลิกให้ติดอยู่บนผิวยาง เกิดเป็นชั้นฟิล์มบางมาก (ชั้นฟิล์มน้ำมันอาจหนาเพียง 1/1000 นิ้ว) ช่วยหล่อลื่นระหว่างผนังกระบอกสูบกับเนื้อยาง และคอยปกป้องยางโอริงจากการสึกกร่อน ช่วยให้ยางมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น ปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อการหล่อลื่นคือ ความกว้างของร่องชิ้นงาน หากร่องมีขนาดแคบเกินไปยางโอริงจะหมุนไม่ได้ ทำให้ไม่เกิดการหล่อลื่น ตรงกันข้ามร่องที่มีขนาดกว้างมาก จะส่งผลให้ยางโอริงมีพื้นที่ในการหมุนมากเกินไป ซึ่งแทนที่จะเป็นผลดีกลับกลายเป็นผลลบเพราะทำให้ยางโอริงสึกหรอง่ายขึ้น

โอริงหลากสี หลายขนาด

ภาพจาก http://www.andersonseal.com/tools/

วัสดุที่ทำยางโอริง
     ยางโอริงยุคแรกผลิตจากยางธรรมชาติ ซึ่งใช้ร่วมกับน้ำหรือสารเคมีที่ไม่ทำลายเนื้อยาง ส่วนยางโอริงที่ผลิตจากยางสังเคราะห์ ถูกนำมาใช้ในช่วงทศวรรษที่ 1930 โดยบริษัท ดูปองท์ (DuPont) เป็นบริษัทแรกที่ผลิตยางโอริงจากยางนีโอพรีน (neoprene)
     การเลือกยางโอริงต้องพิจารณาหลายปัจจัยด้วยกัน เช่น ความทนสารเคมีของวัสดุ อุณหภูมิใช้งาน ความดันขณะผนึก (pressure sealing) ราคา เป็นต้น ซึ่งสามารถแบ่งยางโอริงตามประเภทวัสดุได้ 2 ประเภทคือ
     1.ประเภทเทอร์โมเซท (Thermoset) เช่น ยางบิวทาไดอีน (butadiene rubber, BR) ยางบิวทิล (butyl rubber) คลอโรซัลโฟเนต โพลิเอทิลีน (chlorosulfonate polyethylene) ยางอีพิไคโอโรไฮดริน (epichiorohydrin rubber, ECH,ECO) ยางเอทิลีนโพรพิลีน (ethylene propylene rubber, EPR) ฟลูออโรอิลาสโทเมอร์ (fluoroelastomer, FKM) ยางไนไตร์ล (nitrile rubber) เป็นต้น
     2.ประเภทเทอร์โมพลาสติก (Thermoplastic) เช่น เทอร์โมพลาสติกอิลาสโทเมอร์ (thermoplastic elastomer) ชนิดสไตรีนิกส์ (styrenics) โพลิเอทิลีนความหนาแน่นต่ำ (low density polyethylene, LDPE) โพลิเอทิลีนความหนาแน่นสูง (high density polyethylene, HDPE) โพลิยูรีเทน (polyurethane) โพลิอีเทอร์ (polyether) โพลิเอสเทอร์ (polyester) เป็นต้น

ผลกระทบของยางโอริงต่อเครื่องจักรกล
     ด้วยเหตุที่สิ่งประดิษฐ์ของนีล คริสเตนเซนเป็นอุปกรณ์กันซึมที่แตกต่างจากอุปกรณ์กันซึมแบบเดิมอย่างแผ่นปะเก็นค่อนข้างมาก ทำให้ไม่ค่อยมีผู้สนใจใช้ กระทั่งเกิดสงครามโลกครั้งที่ 2 กองทัพสหรัฐต้องสร้างเครื่องบินรบจำนวนมาก โดยในเครื่องบินใช้ระบบไฮดรอลิกหลายส่วนด้วยกัน เช่น ระบบเปิด-ปิดประตู ระบบล้อลงจอด (landing gear) และอื่นๆ ดังนั้นนีลจึงตัดสินใจนำสิ่งประดิษฐ์ของตนเองไปนำเสนอแก่กองทัพ ซึ่งผลการทดสอบในอุปกรณ์ไฮดรอลิกออกมาดีมาก ยางโอริงจึงถูกประยุกต์ใช้ในเครื่องบิน และด้วยเหตุที่อุปกรณ์กันซึมชนิดนี้ใช้งานง่าย มีประสิทธิภาพสูง แถมราคาถูก ดังนั้นในเวลาไม่นานยางโอริงก็ถูกประยุกต์ใช้งานอย่างกว้างขวางจนถึงทุกวันนี้

ยางโอริง: ต้นเหตุการระเบิดของยานแชลเลนเจอร์
     โศกนาฏกรรมหนึ่งที่หลายคนยังจำได้คือ การระเบิดของกระสวยอวกาศแชลเลนเจอร์ (Challenger) เมื่อวันที่ 28 มกราคม ค.ศ. 1986 หลังจากกระสวยอวกาศทะยานออกจากฐานปล่อยเพียง 73 วินาทีและเกิดระเบิดกลางอากาศ ซึ่งจากการตรวจสอบหาสาเหตุพบว่า ต้นเหตุที่ทำให้ก๊าซร้อนรั่วออกจากตัวจรวดขับดันด้วยเชื้อเพลิงแข็ง (solid rocket booster, SRB) มาจากโอริงตัวหนึ่งของตัวจรวดทางขวาขาดขณะกำลังเร่งเครื่องขึ้น และเกิดเป็นรอยแตก ส่งผลให้ก๊าซร้อนแรงดันสูงภายในรั่วออกมากระทบกับถังเชื้อเพลิงขนาดใหญ่ตรงกลาง แรงดันจากก๊าซร้อนที่รั่วออกมายังทำให้จรวดขับดันเครื่องทางขวาถีบตัวออก ซึ่งมีผลให้โครงสร้างของถังเชื้อเพลิงภายนอกเสียหาย ไฮโดรเจนเหลวทะลักออกมา และระเบิดอย่างรุนแรงจนกระสวยถูกฉีกเป็นชิ้นๆ

สภาพน้ำแข็งที่เกาะใต้ฐานปล่อยแชลเลนเจอร์

ภาพจาก http://en.wikipedia.org/wiki/Space_Shuttle_Challenger_disaster 

     เมื่อมีการตรวจสอบลึกลงไปจึงพบว่า โอริงที่เกิดปัญหาทำจากวัสดุชื่อ เอฟเคเอ็ม (FKM – vinylidene fluoride-hexafluoropropylene) ซึ่งเป็นสารประกอบฟลูออโรคาร์บอนที่ทนต่อน้ำมันปิโตรเลียม และสภาพอุณหภูมิสูงดี แต่ไม่เหมาะกับการใช้ในสภาพอากาศหนาวเย็น เนื่องจากเมื่ออุณหภูมิของโอริงต่ำกว่าค่าอุณหภูมิแก้ว (glass transition, Tg) ของยาง โอริงจะสูญเสียความยืดหยุ่น กลายเป็นวัสดุที่เปราะหักง่าย ซึ่งศาสตราจารย์ ริชาร์ด ไฟน์แมน (Richard Feynman) นักฟิสิกส์ชื่อดังในขณะนั้นได้แสดงให้เห็นว่า หลังจากนำยางโอริงแช่ในน้ำเย็น 0ºC ครู่หนึ่งเมื่อนำยางขึ้นจากน้ำ ปรากฏว่า ยางสูญเสียสภาพความยืดหยุ่นไป เช่นเดียวกันสภาพอากาศในวันปล่อยยานแชลเลนเจอร์มีความหนาวเย็นมาก จนยางโอริงมีสภาพเปราะหักง่าย และนำมาซึ่งโศกนาฏกรรมครั้งใหญ่ครั้งหนึ่งในประวัติศาสตร์

ภาพขณะศาสตราจารย์ริชาร์ด ไฟน์แมน ทดลองแช่ยางในน้ำเย็น

ภาพจาก http://www.samizdata.net/blog/archives/cat_aerospace.html

แหล่งข้อมูลอ้างอิง
O-Ring [On-line]. Available: http://en.wikipedia.org/wiki/O-ring
O-Ring [On-line]. Available: http://www.uh.edu/engines/epi555.htm
A Word About O-Rings [On-line]. Available: http://www.logwell.com/tech/O-ring/index.html
Space Shuttle Challenger disaster [On-line]. Available: http://en.wikipedia.org/wiki/Space_Shuttle_Challenger_disaster
FKM [On-line]. Available: http://en.wikipedia.org/wiki/FKM
Ring Master [On-line]. Available: http://www.americanheritage.com/articles/magazine/it/1991/1/1991_1_58.shtml

MTEC (ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ) : http://www.mtec.or.th/index.php?option=com_content&task=view&id=1295&Itemid=176



 
© 2000-2008 CopyRight by SKF-Economos Sealing Solutions (Thailand) Ltd.
Tel. 02-769-9000  Fax. 02-769-9090  Website. www.skf.co.th
disclaimer | privacy | contact us

  Sale Login Warehouse Login Driver Login