ออกแบบและสร้างต้นแบบหัวรถจักรไฟฟ้าจำลองสำหรับการแข่งขัน TRRN Railway Challenge 2026

บทคัดย่อ

ปัจจุบันนี้การขนส่งทางระบบรางได้มีความนิยมใช้งานอย่างแพร่หลายเนื่องจากการขนส่ง ระบบรางสามารถเคลื่อนย้ายคนและสิ่งของในปริมาณมากแม้น้าหนักเยอะ มีความปลอดภัยสูง และมี ค่าใช้จ่ายค่อนข้างต่า โดยในส่วนของโครงการปริญญานิพนธ์นี้ทางคณะผู้จัดทาได้มีความสนใจใน การศึกษาและออกแบบหัวรถจักรไฟฟ้าจาลองสาหรับการแข่งขันเชิงวิศวกรรมในรายการ TRRN Railway Challenge โดยมุ่งเน้น สมรรถนะของหัว รถจักรให้มีประสิทธิภาพสูงสุด ทั้งในด้านการ คานวณจากการทดสอบและจาลองของหัวรถจักร การเขียนแบบโดยละเอียดและกระบวนการผลิตที่ ทาได้จริง การเลือกและทดสอบวัสดุที่เหมาะสมกับวัตถุประสงค์ ภายใต้ข้อกาหนดของการแข่งขัน ดังนั้นปริญญานิพนธ์เล่มนี้จะนาเสนอการศึกษาและออกแบบหัวรถจักรไฟฟ้า จาลองโดยใช้ตัว ต้นกาลังเป็นไฟฟ้า ใช้งานในรางกว้างขนาด 30 เซนติเมตร และรัศมีโค้งแคบสุดที่ 6.5 เมตร มี ความเร็วสูงสุดอยู่ในช่วง 14.5 - 15 กิโลเมตรต่อชั่วโมง เป็นการออกแบบหัวรถจักรไฟฟ้า ในส่วนของ งานจักรกล ได้แก่ โครงสร้างโบกี้ คอนเทนเนอร์ ชุดล้อ ชุดแฟริ่ง ระบบเบรก และระบบส่งกาลัง รวมถึงส่วนที่เป็นงานทางด้านไฟฟ้า เช่น มอเตอร์ และกล่องควบคุม โดยมีการปรับปรุงและพัฒนารุ่น เดิมในเชิงวิศวกรรมอย่างเป็นระบบเพื่อสามารถวัดประเมินผลได้อย่างเป็นรูปธรรม คาสาคัญ: Locomotive / Chassis / Bogie / Container / Vibration ก Name Mr. Chatrin Yaemkleeb Mr. Warach Tiraoram Mr. Nopphasit Kataeezeng Miss Piyatida Worravanpreecha Mr. Wachirawit Teachasai Thesis Title Design and Prototype Development of an Electric Locomotive Model of the TRRN Railway Challenge 2026 Department Mechanical and Aerospace Engineering Advisor Asst Prof Pongsak Nimdum, PhD Academic year 2025 Abstract Rail transportation has become increasingly popular due to its high capacity, safety, and cost-effectiveness. This thesis focuses on the design and development of a scaled electric locomotive for the TRRN Railway Challenge, an engineering competition aimed at promoting practical and efficient design solutions. The project emphasizes performance optimization through simulation, precise drafting, manufacturability, and material testing in accordance with competition standards. The proposed locomotive operates on a 30 cm gauge track, with a minimum turning radius of 6.5 meters and a target speed range of 14.5–15 km/h. The design encompasses both mechanical components—such as the bogie structure, container, wheelset, fairing, braking, and power transmission systems—and electrical systems, including the motor and control unit. The work builds upon previous models with systematic engineering improvements to achieve measurable performance outcomes. Keywords: Locomotive / Chassis / Bogie / Container / Vibration ข สารบัญ บทที่ 1 บทนา ..............................................................................................................................1 1.1 ที่มาและความสาคัญ .........................................................................................................1 1.2 วัตถุประสงค์ ......................................................................................................................1 1.3 ขอบเขตโครงงาน ..............................................................................................................2 1.4 ประโยชน์และผลที่คาดว่าจะได้รับ ....................................................................................2 1.5 งบประมาณ .......................................................................................................................2 1.6 แผนการดาเนินงาน ...........................................................................................................3 บทที่ 2 ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง ............................................................................................................4 2.1 ทฤษฎีที่เกี่ยวข้องของโบกี้ .................................................................................................4 2.1.1 การออกแบบโครงสร้างหรือโบกี้ .......................................................................... 6 2.1.2 ทฤษฎีการคานวณที่เกี่ยวข้องกับโบกี้ .................................................................. 7 2.2 ทฤษฎีที่เกี่ยวข้องระบบส่งกาลัง ..................................................................................... 11 2.2.1 กฎของนิวตัน ..................................................................................................... 11 2.2.2 ต้นกาลัง ............................................................................................................. 12 2.2.3 ระบบส่งกาลังแบบเกียร์ ..................................................................................... 15 2.2.4 ระบบส่งกาลังแบบโซ่และสป็อกเก็ต .................................................................. 16 2.3 ทฤษฎีที่เกี่ยวข้องระบบรองรับการสั่นสะเทือน .............................................................. 24 2.3.1 หลักการสั่นของระบบมวล-สปริง-แดมเปอร์ ..................................................... 24 2.3.2 ประเภทของระบบรองรับการสั่นสะเทือน .......................................................... 25 2.3.3 ทฤษฎีที่ใช้ในการวิเคราะห์ระบบรองรับการสั่นสะเทือน ................................... 28 2.4 ทฤษฎีที่เกี่ยวข้องระบบเบรก.......................................................................................... 31 2.4.1 ประเภทของระบบเบรก ..................................................................................... 31 ค 2.4.2 สมการการคานวณที่เกี่ยวข้องกับระบบเบรก .................................................... 33 2.5 ทฤษฎีแรงฉุดและแรงยึดเกาะในระบบขับเคลื่อนของรถไฟ........................................... 35 2.5.1 สมการการคานวณที่เกี่ยวข้องกับแรงฉุดและแรงยึดเกาะในระบบขับเคลื่อนของ รถไฟ............................................................................................................................. 35 บทที่ 3 ขั้นตอนการออกแบบ ................................................................................................... 38 3.1 ความต้องการของโครงงานในการออกแบบ (Design Requirements) ..................... 38 3.2 การออกแบบหัวรถจักรไฟฟ้า ......................................................................................... 39 3.2.1 การออกแบบหรือการคานวณ ........................................................................... 39 3.2.2 วัสดุและอุปกรณ์ ................................................................................................ 39 3.2.3 วิธีการดาเนินงาน/การทดสอบ .......................................................................... 40 3.3 ข้อจากัดในการดาเนินการ (Constraints) ................................................................... 40 3.3.1 ข้อจากัดในการออกแบบหัวรถจักรไฟฟ้า .......................................................... 40 3.3.2 ข้อจากัดในการ Simulation (FEA) ................................................................. 41 3.4 มาตรฐานการออกแบบ (Standards)........................................................................... 42 3.5 เลือกเทคนิคหรือเครื่องมือที่เหมาะสมสาหรับงานวิศวกรรม ......................................... 42 3.6 หลักการออกแบบ ........................................................................................................... 43 3.6.1 การพิจารณาต้นแบบ ......................................................................................... 43 3.6.2 แผนภูมิสัณฐานวิทยา (Morphological Chart)............................................. 65 3.6.3 แนวคิดในการออกแบบ (Conceptual Generation) .................................... 66 3.6.4 เมทริกซ์การตัดสินใจ (Pugh Chart) ................................................................ 69 3.6.5 การเลือกต้นแบบ ............................................................................................... 70 3.7 ผลการคานวณจากการทดสอบ (Performance calculation, Structural calculation) ........................................................................................................................ 70 3.7.1 ผลการจาลองเพลาล้อ ....................................................................................... 70 3.7.2 ผลการจาลองพื้นที่หน้าสัมผัสระหว่างล้อและราง ............................................. 72 ง 3.7.3 ผลการจาลองชิ้นส่วนที่ยึดมอเตอร์ .................................................................... 74 3.7.4 ผลการจาลองการสั่นสะเทือนของโครงสร้าง ..................................................... 75 3.7.5 ผลการจาลองจานเบรก ..................................................................................... 76 3.8 การคานึงถึงความปลอดภัยในการออกแบบ .................................................................. 78 3.9 การคานึงถึงสิ่งแวดล้อม ................................................................................................. 79 3.9.1 ชิ้นส่วนและวัสดุ................................................................................................. 79 3.9.2 พลังงาน ............................................................................................................. 79 3.10 แบบสาหรับการผลิตจริง (Final Design for Fabrication) .................................... 80 บทที่ 4 ผลการทดสอบ/ผลการทดลอง/ผลลัพธ์การวิเคราะห์โดยระเบียบวิธีเชิงตัวเลข ......... 84 4.1 รายละเอียดผลการสร้างจริงและการปรับปรุงแก้ไขทางวิศวกรรม ................................ 84 4.1.2 การปรับปรุงแผงกั้นเสียงเพื่อความเหมาะสมทางการผลิต ............................... 86 4.1.3 การพัฒนาและปรับปรุงชุดล้อวัดระยะทางด้วยกลไกควบคุมแรงกดสปริง ....... 86 4.1.4 การปรับแก้องศาจุดยึดโช้คอัพ .......................................................................... 87 4.1.5 การติดตั้งอุปกรณ์ตั้งความตึงโซ่และล็อคตาแหน่งเพลา ................................... 88 4.1.6 การเพิ่มชุดเหล็กกันโคลงเพื่อสมรรถนะและความนุ่มนวล ................................ 88 4.2 การตรวจสอบขนาด (Dimensional Verification) ................................................... 89 4.2.1 ชิ้นงาน Motor Mount (A), (B), (C) .............................................................. 89 4.2.2 ชิ้นงาน Caliper Hub ....................................................................................... 89 4.3 ผลการทดสอบคุณสมบัติวัสดุ ........................................................................................ 90 4.4 การทดสอบย่อยก่อนการแข่งขัน .................................................................................... 93 4.4.1 ผลการทดสอบแรงเสียดทานของล้อ ................................................................. 93 4.4.2 ผลการทดสอบแผ่นดูดซับเสียง ......................................................................... 93 4.4.3 ผลการทดสอบอัตราเร่ง ..................................................................................... 96 4.5 รายละเอียดการปรับปรุงแก้ไขเพิ่มเติมก่อนการแข่งขัน ................................................ 97 จ 4.5.1 การปรับรูปทรงก้อนยางรองรับแรงสั่นสะเทือน ................................................. 97 4.5.2 การปรับปรุงระบบเบรกเพื่อรองรับรายการ Maintenance Challenge........ 97 4.6 ผลจากการแข่งขัน ......................................................................................................... 98 4.6.1 ผลการทดสอบสมรรถนะ (Performance Results) ....................................... 98 4.6.2 ผลการแข่งขันด้านพลังงานและการควบคุม (Energy & Control Performance) ......................................................................................................... 100 4.6.3 ผลการแข่งขันด้านการออกแบบและนวัตกรรม (Design & Innovation) ... 101 บทที่ 5 สรุปผลและข้อเสนอแนะ ................................................................................................. 103 5.1 สรุปผลการดาเนินงานตามข้อกาหนด (Design Requirements & Constraints) . 103 5.2 การประเมินผลตามวัตถุประสงค์ของโครงการ ............................................................ 103 5.3 สรุปผลการแข่งขัน ....................................................................................................... 104 5.4 ข้อเสนอแนะสาหรับการพัฒนาในอนาคต.................................................................... 104 5.4.1 การพัฒนาด้านระบบขับเคลื่อน (Traction System) ................................... 104 5.4.2 การเพิ่มประสิทธิภาพด้านพลังงาน (Energy Efficiency) ............................ 104 5.4.3 การพัฒนาระบบควบคุมและความแม่นยา (Control System).................... 104 5.4.4 การปรับปรุงด้านความสบายในการโดยสาร (Ride Comfort) ..................... 104 5.4.5 การออกแบบเพื่อการบารุงรักษา (Maintainability) .................................... 105 5.4.6 การพัฒนานวัตกรรมเพิ่มเติม (Innovation Development) ...................... 105 เอกสารอ้างอิง .............................................................................................................................. 106 Appendix ................................................................................................................................... 111 ฉ สารบัญตาราง ตารางที่ 1.1 แสดงงบประมาณ ..........................................................................................................2 ตารางที่ 3.1 แสดงแผนภูมิสัณฐานวิทยา (Morphological Chart) ................................................ 65 ตารางที่ 3.2 แสดงรายละเอียดของหัวรถจักรไฟฟ้ารูปแบบที่ 1 ...................................................... 66 ตารางที่ 3.3 แสดงรายละเอียดของหัวรถจักรไฟฟ้ารูปแบบที่ 2 ...................................................... 67 ตารางที่ 3.4 แสดงรายละเอียดของหัวรถจักรไฟฟ้ารูปแบบที่ 3 ...................................................... 68 ตารางที่ 3.5 แสดงเมทริกซ์การตัดสินใจ (Pugh Chart).................................................................. 69 ตารางที่ 4.1 แสดงผลการทดลองวัสดุ SS400 ................................................................................ 90 ช สารบัญรูปภาพ รูปที่ 1.1 แสดงแผนการดาเนินงาน ....................................................................................................3 รูปที่ 2.1 Single Axle Bogie ............................................................................................................4 รูปที่ 2.2 Two Axle Bogie ...............................................................................................................4 รูปที่ 2.3 Three Axle Bogie ............................................................................................................5 รูปที่ 2.4 Jacobs Bogie....................................................................................................................5 รูปที่ 2.5 Self-Steering Bogie .........................................................................................................5 รูปที่ 2.6 แสดงการเสียรูปจากการดัด ................................................................................................6 รูปที่ 2.7 แสดงการเสียรูปจากการบิด ................................................................................................6 รูปที่ 2.8 แสดงล้อสัมผัสกับราง..........................................................................................................6 รูปที่ 2.9 แสดงการรับแรง .................................................................................................................7 รูปที่ 2.10 แสดงแรงที่เกิดขึ้นขณะมีความลาดชัน [9] ........................................................................8 รูปที่ 2.11 แสดงเกณฑ์ความเสียหาย (Failure Criteria) ...................................................................9 รูปที่ 2.12 มอเตอร์แบบเหนี่ยวนา .................................................................................................. 13 รูปที่ 2.13 ซิงโครนัสมอเตอร์ .......................................................................................................... 13 รูปที่ 2.14 แสดงอัตราทดเกียร์........................................................................................................ 15 รูปที่ 2.15 แสดงระบบโซ่ ................................................................................................................ 16 รูปที่ 2.16 แสดงส่วนประกอบโซ่ [15] ............................................................................................ 16 รูปที่ 2.17 แสดงรูปแบบการยึดของโซ่ ............................................................................................ 17 รูปที่ 2.18 แสดงขนาดโซ่มาตรฐาน ANSI ....................................................................................... 18 รูปที่ 2.19 แสดง Drive Ratio [16] ................................................................................................ 18 รูปที่ 2.20 แสดง Center Distance [16]....................................................................................... 19 รูปที่ 2.21 แสดง NUMBER OF STRAND ...................................................................................... 20 รูปที่ 2.22 แสดงการหย่อนของข้อโซ่ .............................................................................................. 21 รูปที่ 2.23 เฟืองโซ่แผ่นเรียบ........................................................................................................... 21 ซ รูปที่ 2.24 เฟืองโซ่ดุมยื่นหนึ่งข้าง ................................................................................................... 22 รูปที่ 2.25 เฟืองโซ่ดุมยื่นสองข้าง .................................................................................................... 22 รูปที่ 2.26 เฟืองโซ่สแตนเลส .......................................................................................................... 23 รูปที่ 2.27 เฟืองโซ่พลาสติก ............................................................................................................ 23 รูปที่ 2.28 เฟืองโซ่ฟันสองชั้น ......................................................................................................... 24 รูปที่ 2.29 ถุงลม (Air Spring) ........................................................................................................ 26 รูปที่ 2.30 โช๊คอัพ (Shock Absorber) .......................................................................................... 27 รูปที่ 2.31 สปริง (Coil Spring) ...................................................................................................... 27 รูปที่ 2.32 ระบบช่วงล่างแบบแขนลาก (Trailing Arm) .................................................................. 27 รูปที่ 2.33 แสดงยางเชียร์บล็อก (Rubber Block Primary) ........................................................... 28 รูปที่ 2.34 แสดงสปริงต่อกันแบบขนาน .......................................................................................... 30 รูปที่ 2.35 แสดงสปริงต่อกันแบบอนุกรม........................................................................................ 30 รูปที่ 2.36 เบรกแบบใช้สุญญากาศ ................................................................................................. 31 รูปที่ 2.37 เบรกแบบลมอัด............................................................................................................. 32 รูปที่ 2.38 ไดนามิคเบรก ................................................................................................................ 32 รูปที่ 2.39 เบรกแบบรีเจนเนอเรทีฟ ............................................................................................... 33 รูปที่ 2.40 ระบบเบรกแบบจาน ...................................................................................................... 33 รูปที่ 2.41 การถ่ายน้าหนักขณะฉุด................................................................................................. 36 รูปที่ 3.1 แดมเปอร์รอง................................................................................................................... 49 รูปที่ 3.2 แสดงความลาดเอียงของล้อรถไฟ ..................................................................................... 56 รูปที่ 3.3 แสดงการตีขึ้นรูป ............................................................................................................. 59 รูปที่ 3.4 แสดงการหล่อ .................................................................................................................. 60 รูปที่ 3.5 แสดงการกลึงขึ้นรูปจากแท่งตัน ....................................................................................... 61 รูปที่ 3.6 แสดง Increment encoder ........................................................................................... 62 รูปที่ 3.7 แสดง Absolute Encoder ............................................................................................. 62 รูปที่ 3.8 แสดงความแตกต่างของ Increment Encoder และ Absolute Encoder ..................... 63 ฌ รูปที่ 3.9 แสดง Incremental Encoder ........................................................................................ 63 รูปที่ 3.10 แสดง Linear Encoder ................................................................................................ 64 รูปที่ 3.11 แสดงหัวรถจักรไฟฟ้ารูปแบบที่ 1................................................................................... 66 รูปที่ 3.12 แสดงหัวรถจักรไฟฟ้ารูปแบบที่ 2................................................................................... 67 รูปที่ 3.13 แสดงหัวรถจักรไฟฟ้ารูปแบบที่ 3................................................................................... 68 รูปที่ 3.14 แสดงผลการจาลองของเพลาล้อ .................................................................................... 71 รูปที่ 3.15 แสดงผลการจาลองของเพลาล้อ .................................................................................... 71 รูปที่ 3.16 แสดงผลการจาลองของเพลาล้อ .................................................................................... 72 รูปที่ 3.17 แสดงผลการจาลองล้อ ................................................................................................... 73 รูปที่ 3.18 แสดงผลการจาลองล้อ ................................................................................................... 73 รูปที่ 3.19 แสดงผลการจาลองล้อ ................................................................................................... 73 รูปที่ 3.20 แสดงภาพการจาลองที่ยึดมอเตอร์ ................................................................................. 74 รูปที่ 3.21 แสดงภาพการจาลองโครงสร้างแชสซีและที่กันเสียง ...................................................... 76 รูปที่ 3.22 แสดงภาพการจาลองจานเบรก ...................................................................................... 77 รูปที่ 3.23 แสดงภาพประกอบหัวรถจักร ........................................................................................ 80 รูปที่ 3.24 แสดงภาพประกอบโบกี้ ................................................................................................. 81 รูปที่ 3.25 แสดงภาพประกอบโครงสร้างแชสซี ............................................................................... 81 รูปที่ 3.26 แสดงภาพประกอบระบบรองรับการสั่นสะเทือน ........................................................... 81 รูปที่ 3.27 แสดงภาพประกอบระบบส่งกาลัง .................................................................................. 82 รูปที่ 3.28 แสดงภาพประกอบระบบต้นกาลัง ................................................................................. 82 รูปที่ 3.29 แสดงภาพประกอบ Pivot Connecting........................................................................ 82 รูปที่ 3.30 แสดงภาพประกอบล้อเอ็นโคดเดอร์ ............................................................................... 83 รูปที่ 4.1 แสดงหัวรถจักรไฟฟ้าต้นแบบรุ่นแรก................................................................................ 84 รูปที่ 4.2 แสดงภาพการทดลองวัสดุ SS400 ................................................................................... 90 รูปที่ 4.3 แสดงการทดลองสปริง ..................................................................................................... 92 รูปที่ 4.4 แสดงกราฟความสัมพันธ์ระหว่างแรงและระยะยุบตัวของสปริง ....................................... 92 ญ รูปที่ 4.5 แสดงการทดลองแรงเสียดทานของล้อ ............................................................................. 93 รูปที่ 4.6 แสดงกราฟค่า LAeq สภาวะ Baseline ............................................................................ 94 รูปที่ 4.7 แสดงกราฟค่า LAeq สภาวะ Treatment ........................................................................ 94 รูปที่ 4.8 แสดงภาพการทดสอบอัตราเร่ง ........................................................................................ 96 รูปที่ 4.9 แสดงเงื่อนไขรายการ ATP ............................................................................................... 99 รูปที่ 4.10 แสดงเงื่อนไขรายการ Noise.......................................................................................... 99 รูปที่ 4.11 แสดงเงื่อนไขรายการ Traction ..................................................................................... 99 รูปที่ 4.12 แสดงสเกลสาหรับประเมินดัชนีความสะดวกสบายในการขับขี่ NMV ............................. 100 ฎ บทที่ 1 บทนา 1.1 ที่มาและความสาคัญ การแข่งขัน TRRN Railway Challenge เป็นเวทีที่ส่งเสริมให้นิสิตนักศึกษาออกแบบและ พัฒนาหัวรถจักรไฟฟ้าจาลองที่สามารถวิ่งได้อย่างมีประสิทธิภาพภายใต้ข้อกาหนดที่ใกล้เคียงกับ สภาพการใช้งานจริง ไม่ว่าจะเป็นความเร็วสูงสุดในทางตรง การเข้าโค้งรัศมีแคบ การเร่งความเร็วจาก จุดหยุดนิ่ง การหยุดแม่นยาในตาแหน่งกาหนด รวมถึงข้อจากัดด้านพลังงาน และขนาดของตัวรถ ทั้งนี้ ผู้ใช้งานที่ได้รับประโยชน์จากการพัฒนาโครงการดังกล่าวประกอบด้วย ผู้เข้าร่วมการแข่งขัน TRRN Railway Challenge ประจาปี 2569 รวมถึง ภาคอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องกับระบบรางขนาดเล็กหรือ ระบบขนส่งอัตโนมัติจาลอง เช่น บริษัทที่ดาเนินธุรกิจด้า นการออกแบบระบบรถไฟจาลองใน นิทรรศการ สวนสนุก หรือโรงงานอัตโนมัติ ซึ่งต้องการต้นแบบที่มีสมรรถนะสูงและปรับแต่งได้ตาม ลักษณะการใช้งาน จากผลการแข่งขันในปีที่ผ่านมา พบว่าหัวรถจักรมีค่า Traction Time อยู่ที่ 7.17 วินาที ที่ระยะทาง 10 เมตร ซึ่งยังไม่ถึงระดับมาตรฐานที่โครงการมุ่งหวังในการพัฒนา อีกทั้งในการทดสอบความทนทาน (Endurance) ที่ระยะทาง 1.26 กิโลเมตร หัวรถจักรยังใช้เวลานานถึง 6 นาที 30 วินาที ซึ่งใช้ ระยะเวลามากกว่าที่จาเป็นต่อการแข่งขัน และระบบหยุดตาแหน่งอัตโนมัติ (ATP) ยังคงมีค่าความ คลาดเคลื่อนสูงถึง 62 เซนติเมตร ซึ่งสะท้อนถึงความไม่แม่นยาในการควบคุม ด้วยเหตุนี้ ทางโครงงาน มีความมุ่งมั่นและพัฒนาแก้ไขจุดบกพร่องดังกล่าว เพื่อเสริมการแข่งขัน TRRN Railway Challenge 2026 1.2 วัตถุประสงค์ 1. เพื่อออกแบบและสร้างสมรรถนะของหัวรถจักรไฟฟ้า ให้สามารถทาอัตราเร่งจากจุดหยุดนิ่ง ได้ภายใน 5 วินาที ในระยะทาง 10 เมตร 2. เพื่อออกแบบและสร้างสมรรถนะของหัวจักรรถไฟฟ้า ให้สามารถวิ่งที่ความเร็วเฉลี่ยตลอด เส้นทางระหว่าง 14.5-15 กิโลเมตรต่อชั่วโมง 3. เพื่อออกแบบและสร้างระบบขับเคลื่อนให้สามารถหยุดรถแบบ ATP ได้ภายในระยะความ คลาดเคลื่อนของตาแหน่งหยุดไม่เกิน ±5 เซนติเมตร 1 1.3 ขอบเขตโครงงาน โครงงานนี้มีขอบเขตในการศึกษา ออกแบบ พัฒนาและสร้างหัวรถจักรไฟฟ้าจาลองสาหรับใช้ งานในการแข่งขัน TRRN Railway Challenge 2026 โดยเน้นการปรับปรุงสมรรถนะให้เหมาะสมกับ ภารกิจและข้อกาหนดที่กาหนดไว้ในสนามแข่งขันจริง ภายใต้ข้อจากัดด้านขนาด ความเร็ว พลังงาน และรัศมีของราง การดาเนินงานครอบคลุมการออกแบบระบบขับเคลื่อนที่สามารถตอบสนองต่อการใช้งานใน สถานการณ์เร่งความเร็วจากจุดหยุดนิ่งภายในระยะทางที่กาหนด พร้อมทั้งควบคุมการหยุดให้มีความ แม่นยาสูง รวมถึงการจัดการพลังงานให้เพียงพอต่อการทดสอบความทนทานในระยะเวลาที่เหมาะสม โดยโครงงานจะพิ จารณาองค์ ป ระกอบเชิ ง กล (Mechanical), ระบบควบคุ ม (Control), และ โครงสร้างตัวรถ (Chassis Structure) อย่างครบถ้วน นอกจากนี้ หัวรถจักรต้นแบบจะต้องสามารถเคลื่อนที่ผ่านทางโค้งที่มีรัศมีจากัด โดยไม่สูญเสีย เสถียรภาพหรือเกิดการลื่นไถล พร้อมออกแบบให้รองรับการประกอบ ถอดปรับปรุง และซ่อมบารุงได้ ง่ายภายใต้ข้อจากัดด้านทรัพยากร 1.4 ประโยชน์และผลที่คาดว่าจะได้รับ 1. ได้รับความรู้และขั้นตอนการออกแบบระบบราง 2. หัว รถจักรไฟฟ้าขนาดเล็กของคณะผู้จัดทาใช้เป็นคู่มื อที่สามารถนาไปต่ อยอดในการ ออกแบบหัวรถจักรรถไฟฟ้าขนาดใหญ่ได้ 3. หัวรถจักรไฟฟ้าขนาดเล็กสามารถผลิตและนาไปใช้จริงในการประยุกต์และใช้ในการทาธุรกิจ 1.5 งบประมาณ ตารางที่ 1.1 แสดงงบประมาณ รายละเอียด ค่าวัสดุ เช่น เหล็กโครงสร้าง เพลาล้อ ล้อ แบริ่ง โซ่ สกรู และมอเตอร์ ค่าการผลิต เช่น กลึง และเลเซอร์ชิ้นส่วนประกอบภายใน ค่าเดินทาง และที่พักขณะไปแข่งขัน งบประมาณรวม 2 งบประมาณ (บาท) 70,000 20,000 10,000 100,000 บาท 3 Piyatida - Electrical Piyatida รูปที่ 1.1 แสดงแผนการดาเนินงาน Machining & Fabrication Component Integration 4.3 4.4 Validation Data Collection and Analysis Feedback & Improvement Plan 5.3 5.4 5.5 Activity Proposal : Phase 1 Progress I : Phase 2 Progress II : Phase 3, Phase 4 Final : Phase 5 Verification 5.2 Issue date 23/6/2025 14/8/2025 27/10/2025 15/1/2026 Prototype Build Prototype/Test/Verification & Validation 5.1 Phase 5 Preliminary Testing Procurement 4.2 4.5 Drawing Release & Final BOM 4.1 Piyatida Wachirawit Warach Chatrin Nopphasit Nopphasit Warach Wachirawit Piyatida Chatrin Piyatida Nopphasit Manufacturing Cost & Feasibility Evaluation Safety and Standard Compliance Phase 4 3.6 3.5 Warach Material and Component Selection 3.4 Chatrin Chatrin CAD - Structural Design and Basic Analysis Nopphasit Nopphasit - Assembly and Maintenance Consideration Layout Design - Electrical Wachirawit Chatrin Wachirawit - Brake - Drive Nopphasit - Decision Embodiment Design Functional Decomposition Piyatida - Selection Nopphasit Chatrin Evaluation of concepts: evaluating solution against requirements Warach - Power Train - Structure Nopphasit Wachirawit - Wheel, Traction - Suspension Wachirawit Concept generation: generating multiple solutions Chatrin Warach - Calculation - Theory Piyatida Warach - Budgets Conceptual Design Design basics Chatrin - Planing: Task, Time,Responsibility, Monitoring (P/A) Wachirawit Project planing - Team member/Role/Contact Chatrin Piyatida - Standard 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% Warach Chatrin 100% 100% 100% 100% Nopphasit - Constraints - Requirement Warach Wachirawit 3.3 3.2 3.1 Phase 3 2.3 2.2 2.1 Phase 2 1.5 1.4 Literature review: Book/Paper/Patents/Internet: Google and ChatGPT Product design specification (PDS) and Standard Benchmarking 1.3 Piyatida Nopphasit 100% Nopphasit - Track Base Challenge Status Responsible - Presentation Challenge Statement Define Problem & Gather information Problem statements 1.2 1.1 Phase Phase 1 P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P/A 7/7/2025 W3 21/7/2025 W5 Semester 1 4/8/2025 W7 18/8/2025 W9 Responsible Piyatida Worravanpreecha (Head) Chatrin Yaemkleeb (Head) Warach Tiraoram, Wachirawit Teachasai (Head) Nopphasit Kataeezeng (Head) 23/6/2025 W1 15/9/2025 W13 Target date 14/8/2025 27/10/2025 15/1/2026 31/3/2026 1/9/2025 W11 Status Finish Finish Finish Finish 29/9/2025 W15 24/11/2025 W19 onsite onsite onsite onsite 13/10/2025 W17 8/12/2025 W21 22/12/2025 W23 5/1/2026 W25 Semester 2 19/1/2026 W27 2/2/2026 W29 16/2/2026 W31 2/3/2026 W33 16/3/2026 W35 1.6 แผนการดาเนินงาน บทที่ 2 ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง 2.1 ทฤษฎีที่เกี่ยวข้องของโบกี้ โบกี้ มี ห ลากหลายประเภทซึ่ ง แตกต่า งกั น ไปตามลั ก ษณะการใช้ งาน ระบบกั น สะเทื อ น ความสามารถในการรับน้าหนัก และสมรรถนะในการเข้าโค้ง โดยไม่มีการจาแนกประเภทอย่างตายตัว เนื่องจากสามารถออกแบบใหม่ให้สอดคล้องกับวัตถุประสงค์เฉพาะได้ อย่างไรก็ตาม หากพิจารณาโดย ภาพรวมสามารถแบ่งประเภทได้คร่าวๆ ได้แก่ 1. Single Axle Bogie ตัวโบกี้จะมีลักษณะ 2 ล้อ ต่อ 1 เพลา ต่อ 1 โบกี้ ซึ่งข้อดีคือมีความ คล่องตัว น้าหนักเบา แต่ข้อเสียคือการกระจายน้าหนัก [1] รูปที่ 2.1 Single Axle Bogie 2. Two Axle Bogie เป็นรูปทรงที่พบบ่อย 1 โบกี้ มี 4 ล้อ 2 เพลา ข้อดีข้อเสียอยู่ตรงกลาง ระหว่าง Single Axle และ Three Axle [2] รูปที่ 2.2 Two Axle Bogie 4 3. Three Axle Bogie มี 6 ล้อ 3 เพลา ต่อ 1 โบกี้ มีสเถียรภาพในทางตรง แบกน้าหนัก ได้ เยอะ แต่ความคล่องตัวต่า [3] รูปที่ 2.3 Three Axle Bogie 4. Jacobs Bogie อีกหนึ่งรูปทรงที่พบบ่อย ลักษณะคล้าย Two Axle Bogie แต่จะวางค่อม ระหว่างตู้โดยสารแทนขอพ่วง คิดค้นโดยวิศวกรขนส่งทางรางชาวเยอรมัน ชื่อ Wilhelm Jakobs ซึ่ง ทาให้มีจุดศูนย์ถ่วงต่า ลดเสียงล้อกระทบราง [4] รูปที่ 2.4 Jacobs Bogie 5. Self-Steering Bogie มักใช้กับรถไฟความเร็วสูง สามารถปรับล้อให้ขนานกับแนวรางได้ ตลอดเวลา โดยมีลิงก์ต่อเชื่อมระหว่างล้อ เพลาล้อ หรือโบกี้ ซึ่งขึ้นอยู่กับการออกแบบ [5] รูปที่ 2.5 Self-Steering Bogie 5 2.1.1 การออกแบบโครงสร้างหรือโบกี้ การออกแบบโบกี้จะแบ่งเป็น 2 ส่วนหลักคือชุดล้อ (Wheel set) และเฟรมโบกี้โดยที่การ ออกแบบชุดล้อ จะแบ่งออกเป็น 3 ส่วนย่อยคือ เพลา ล้อ และชุดยึดติดชุดล้อเข้ากับเฟรมโบกี้ 1. การออกแบบเพลาจะเป็นการวิเคราะห์ขนาดเพลาที่รับรองแรงจาก 2 กรณีการเสียหาย คือ การเสียรูปจากการดัดและการเสียรูปจากการบิด [6] รูปที่ 2.6 แสดงการเสียรูปจากการดัด รูปที่ 2.7 แสดงการเสียรูปจากการบิด 2. การออกแบบล้อจะเป็นการออกแบบขนาดล้อที่ใหญ่ขึ้นเพื่อเพิ่มแรงเสียดทานกับตัวราง ล้อ มีขนาดเล็กเกินไปจะเกิดแรงดึงกลับที่สูงเกินกว่าระบบส่งกาลังสามารถรับได้ [7] รูปที่ 2.8 แสดงล้อสัมผัสกับราง 3. การออกแบบชุดยึดติดชุดล้อกับตัวเฟรมจะเป็นการออกแบบโดยคานึงถึงความเสียหายที่จะ เกิดขึ้นที่ข้อต่อเนื่องจากภาระโหลดต่างๆ เช่น โหลดเนื่องจากการเบรกการลากมวลและภาระโหลด ตามแนวแกนและแนวรัศมี [8] 6 รูปที่ 2.9 แสดงการรับแรง การออกแบบโครงสร้างโบกี้จะแบ่งการออกแบบเป็น 3 ส่วนย่อย ในส่วนแรกคือ ข้อจากัดด้าน ขนาดของตัวเฟรมโบกี้ ส่วนที่สองคือ การคัดเลือกวัสดุที่ใช้ และส่วนที่สามคือ การออกแบบจุดยึดติด ต่างๆ เช่นระบบส่งกาลัง ระบบเบรก และระบบกันสะเทือน เป็นต้น 1. การออกแบบความยาวของตัวโบกี้ขึ้นอยู่กับระยะห่างฐานล้อที่จะทาให้ หัวรถจักรสามารถ วิ่งเข้าโค้งรัศมี 6.5 เมตรได้และยังต้องคานึงถึงการจัดวางอุปกรณ์ต่างๆและจุดศูนย์ถ่วงให้สมดุล รวมถึงความกว้างที่ไม่ควรเกิน 70 เซนติเมตร เพื่อสามารถเข้าไปซ่อมบารุงในศูนย์ซ่อมบารุงได้ 2. การเลือกใช้วัสดุต้องคานึงถึงความหนาจากภาระโหลดที่ได้รับ ได้แก่น้าหนักด้านบนโบกี้ใน แนวดิ่ง แรงที่เกิดจากการออกตัว ลากจูง และเบรก โดยต้องไม่ทาให้โครงสร้างเสียรูป 3. การออกแบบส่วนยึดติดกับอุปกรณ์ต่างๆ เช่น ช่วงล่าง ระบบเบรก และระบบส่งกาลัง โดย จะทาการออกแบบให้มีความแข็งแรงไม่มีการเสียรูป จากโหลดที่กระทากับโบกี้ เช่น โหลดเนื่องจาก การเบรก การลากมวล และภาระโหลดในแนวดิ่ง 2.1.2 ทฤษฎีการคานวณที่เกี่ยวข้องกับโบกี้ การคานวณภาระโหลดที่ใช้ในการพิจารณาความเสียหายที่เกิดขึ้นที่ตัวเฟรมจะมี 3 กรณี ดังต่อไปนี้ 1. ภาระโหลดที่เกิดจากการลากมวล 2. ภาระโหลดที่เกิดจากการเบรกจะเกิดแรง Moment 3. ภาระโหลดในแนวดิ่งที่เกิดจากมวลของอุปกรณ์ที่ติดตั้งเหนือโบกี้ 7 แรงในการเคลื่อนที่และแรงเฉื่อย ใช้ในการหาแรงที่เกิดขึ้นเมื่อหัวรถจักรเคลื่อนที่ ในการ คานวณหาแรงในการลากจูง แรงที่เกิดขึ้นเมื่อเร่งความเร็วและเบรก หรือการขึ้นพื้นที่ต่างระดับ การ หาแรงที่กระทากับโครงสร้างของโบกี้ จากสมการกฎข้อที่ 2 ของนิวตัน 𝐹 = 𝑚𝑎 (2.1) โดย 𝐹 = ผลรวมของแรง (N) 𝑚 = มวลที่พิจารณา (kg) 𝑎 = ความเร่งเชิงเส้น (m/s2) รูปที่ 2.10 แสดงแรงที่เกิดขึ้นขณะมีความลาดชัน [9] โดยที่แรงขับจากมอเตอร์ต้องมีค่ามากกว่าแรงเสียดทานและมวล จะได้ 𝐹 = 𝑚𝑔𝑠𝑖𝑛𝜃 + 𝑓 (2.2) 𝑓 = 𝜇𝑁 (2.3) ซึง่ โดย 𝑓 = แรงเสียดทาน (N) 𝜇 = ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน 𝑁 = Normal force (N) 𝑔 = ความเร่งโน้มถ่วง (m/s2) 8 Distortion energy or Von-Mises Criterion เป็นทฤษฎีความเสียหายที่ได้รับความนิยมและ มีความแม่นยามากที่สุดสาหรับการทานายความเสียหายแบบวัสดุเหนียว โดยพิจารณาว่าวัสดุจะเกิด ความเสียหายหรือวัสดุจะเกิดจุดครากก็ต่อเมื่อ Distortion energy มีค่าเพิ่มขึ้นถึงค่าวิกฤติ [10] โดย ทฤษฎีความเสียหายแบบ Von-Mises กรณีวัสดุเหนียวจะทานายการเกิดความเสียหายก็ต่อเมื่อ 𝜎𝑒 ≤ 𝑆𝑦 (2.4) 2 𝜎𝑒 = √𝜎𝑥2 + 𝜎𝑦2 − 𝜎𝑥 𝜎𝑦 + 3𝜏𝑥𝑦 (2.5) เมื่อ โดย 𝜏= 𝑇𝑐 𝐽 และ 𝜎 = 𝑀𝑐 𝐼 (2.6) โดย 𝜏 = Torsion หรือ Shear Loading ที่เกิดขึ้น (MPa) 𝑇 = แรงที่ทาให้เกิดการบิด (N) 𝐽 = โมเมนต์ความเฉื่อยเชิงขั้ว 𝜎 = Axial Loading หรือ Bending ที่เกิดขึ้น (MPa) 𝑀 = แรงที่ทาให้เกิดการดัดงอ (N) 𝐼 = โมเมนต์ความเฉื่อย 𝑐 = ระยะจาก Centroid ไปถึงจุดที่เกิดความเสียหายที่สนใจ (mm) รูปที่ 2.11 แสดงเกณฑ์ความเสียหาย (Failure Criteria) ค่าความปลอดภัยในการออกแบบ (Safety Factors) Concept and Definition สาหรับใน การออกแบบทางวิศวกรรมมักมีการคิดค่าความปลอดภัย เรียกว่า (Safety Factors, S.F.) ซึ่งโดยปกติ 9 จะออกแบบให้อยู่ในช่วง 1.25 ถึง 4 อย่างไรก็ตามการ เลือกใช้ค่าความปลอดภัยในการออกแบบ ขึ้นอยู่กับลักษณะของภาระโหลดและชนิดของวัสดุด้วย เช่น การทานายความเสียหายของวัสดุเหนียว แบบแรงสถิตยศาสตร์ เป็นการออกแบบที่เกี่ยวข้องกับทฤษฎี ความเสียหายที่เกี่ยวข้องกับจุดคราก (Yield) โดยจะต้องออกแบบไม่ให้วัสดุเกินจุดคราก เรียกจุดนี้ว่า Significant Strength ของวัส ดุ เหนียว ซึ่งคล้ายกันกับกรณีวัสดุเปราะที่มีการรับโหลดแบบสถิตยศาสตร์ จากทฤษฎีความเสียหายการ ออกแบบจะต้องไม่ให้วัสดุเกิดจุด Tensile Strength ดังนั้นจุดดังกล่าวก็จะกลายเป็นค่า Significant Strength กรณีของวัสดุเปราะ และหากพิจารณาในกรณีการรับภาระแบบความล้า ค่า Significant Strength ก็คือค่า Fatigue Strength ดังนั้นสรุปได้ว่าการคานวณหาค่า S.F. สามารถนิยามได้จาก การพิจารณาค่า Stress ตามสมการด้านล่าง 𝑆. 𝐹. = 𝑠𝑖𝑔𝑛𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑛𝑡 𝑠𝑡𝑟𝑒𝑛𝑔𝑡ℎ 𝑜𝑓 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙𝑠 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑠𝑝𝑜𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔 𝑠𝑖𝑔𝑛𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑛𝑡 𝑠𝑡𝑟𝑒𝑠𝑠, 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑙𝑜𝑎𝑑 (2.7) Selection of a Numerical Value สาหรับการวิเคราะห์หาค่า S.F. โดยส่วนใหญ่แล้ว การ เลือกจะขึ้นกับประสบการณ์ในการออกแบบของวิศวกร และในบ้างครั้งการเลือกใช้ค่าก็จะถูกกาหนด โดยมาตรฐานการออกแบบของชิ้นส่วนอุปกรณ์นั้นๆ เช่น การออกแบบถังความดันจะใช้ค่า S.F. ตาม มาตรฐาน ASME Pressure Vessel Codes และการออกแบบอาคารจะใช้ค่าความปลอดภัย ตาม Building Codes เป็นต้น แรงฉุ ด อากาศ เนื่ อ งจากกำลั ง จากมอเตอร์ ที่ ถู ก ส่ ง ไปยั ง ล้ อ จะใช้ ป ระโยชน์ ไ ด้ ไ ม่ เ ต็ม ประสิทธิภาพเพราะจะเกิดการสูญเสียในระบบถ่ายทอดกำลัง (Transmission Loss) ในส่วนที่เหลือ นั้นจะถูกนำไปใช้เพื่อเอาชนะแรงแรงฉุดการเคลื่อนที่ต่างๆ ได้แก่ แรงต้านอากาศ แรงต้านการหมุน ของล้อ และแรงต้านทางชัน แรงต้านอากาศคือแรงฉุดที่เกิดบนผิวของตัวรถไฟอันเนื่องมาจากแรงดันและแรงเสียดทาน ของอากาศที่ไหลผ่านรถไฟ การออกแบบรูปทรงของรถไฟจึงจำเป็นต้องคำนึงถึงหลักการทางอากาศ พลศาสตร์ของยานยนต์ โดยจะสามารถทำให้รถไฟมีรูปทรงที่เป็นไปตามหลักอากศพลศาสตร์และลด อัตราการกินกระแสไฟฟ้า ในขณะรถไฟวิ่งอยู่บนราง รถไฟจะถูกกระทำด้วยแรงฉุดของอากาศ ซึ่งสามารถอธิบายได้ด้วย สัมประสิทธิ์แรงฉุดอากาศ (CD) ซึ่งคำนวณได้จากสมการที่ 2.8 [39] 𝐶𝐷 = 𝐷 1 2 𝜌𝑈 𝐴𝐷 2 10 (2.8) โดย 𝐶𝐷 = สัมประสิทธิ์แรงฉุดอากาศ 𝐷 = แรงฉุดอากาศที่กระทำกับตัวรถไฟ (N) 𝜌 = ความหนาแน่นของอากาศ (kg/m3) 𝑈 = ความเร็วของอากาศ (m/s) 𝐴𝐷 = พื้นที่หน้าตัดด้านหน้าและด้านหลังของรถไฟ (m3) 2.2 ทฤษฎีที่เกี่ยวข้องระบบส่งกาลัง 2.2.1 กฎของนิวตัน 1. กฎข้อที่ 1 ของนิวตัน ใช้เป็นสมการตั้งต้นเพื่อหาสมการการคานวณที่เกี่ยวข้องกับแรงเมื่อ วัตถุหยุดนิ่งหรือความเร็วคงที่ ∑ 𝐹𝑥 = 0 ∑ 𝐹𝑦 = 0 (2.9) 2. กฎข้อที่ 2 ของนิวตัน ใช้เป็นสมการตั้งต้นเพื่อหาสมการการคานวณที่เกี่ยวข้องกับแรงเมื่อ v วัตถุมีความเร่ง ∑ 𝐹𝑥 = 𝑚𝑎 (2.10) 3. แรงต้านอากาศ ใช้หาแรงต้านอากาศที่มีผลต่อหัวรถจักรไฟฟ้า [39] 𝐹𝑑𝑟𝑎𝑔 = โดย 1 𝐶𝐷 𝐴𝑓𝑎𝑐𝑒 𝜌𝑎𝑖𝑟 𝑉 2 2 𝐹𝑑𝑟𝑎𝑔 = แรงต้านอากาศที่กระทาต่อพื้นที่หน้าตัดของวัตถุ (N) 𝐶𝐷 = ค่าสัมประสิทธิ์แรงต้านอากาศ 𝐴𝑓𝑎𝑐𝑒 = พื้นที่หน้าตัดที่ตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ (m2) 𝜌𝑎𝑖𝑟 = ความหนาแน่นของอากาศ (kg/m3) 11 (2.11) 𝑉 = ความเร็วของวัตถุ (m/s) 4. แรงต้านเนื่องจากการเลี้ยวโค้ง ใช้หาแรงต้านเนื่องจากการเลี้ยวโค้งของหัวรถจักรไฟฟ้า เมื่อ r(s) มากกว่าหรือเท่ากับ 300 เมตร 𝐹𝑐𝑢𝑟𝑣 = 6.3 𝑀 𝑟(𝑠) − 55 𝑒𝑓𝑓 (2.12) 4.91 𝑀 𝑟(𝑠) − 30 𝑒𝑓𝑓 (2.13) เมื่อ r(s) น้อยกว่า 300 เมตร 𝐹𝑐𝑢𝑟𝑣 = โดย 𝐹𝑐𝑢𝑟𝑣 = แรงต้านเนื่องจากการเลี้ยวโค้ง (N) 𝑀𝑒𝑓𝑓 = มวลรวมของวัตถุ (kg) 𝑟(𝑠) = รัศมีของทางโค้ง (m) 2.2.2 ต้นกาลัง ทางคณะผู้จัดทาได้มีการเลือกใช้มอเตอร์ไฟฟ้า เนื่องจากขอบเขตในรายการแข่ง TRRN Railway Challenge 2026 ในปัจจุบันมีการพัฒนามอเตอร์ไฟฟ้าได้ดีมากขึ้น และมีการปรับปรุง ระบบการทางานให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น ง่ายต่อการบารุงรักษา จึงเหมาะสาหรับการใช้มอเตอร์ ไฟฟ้าในการขับเคลื่อนหัวรถจักรเป็นอย่างมาก คณะผู้จัดทาการวิจัยจึงจาเป็นต้องใช้พลังงานไฟฟ้า เป็นหลัก โดยพิจารณาชนิดของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ (AC Motor) สามารถที่จะแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภทคือมอเตอร์ แบบเหนี่ ย วนา (Induction Motor) และซิงโครนัส มอเตอร์ (Synchronous Motor) 12 1. มอเตอร์แบบเหนี่ยวนา (Induction Motor) รูปที่ 2.12 มอเตอร์แบบเหนี่ยวนา มอเตอร์แบบหนึ่งเฟส (Single Phase Induction Motor) มอเตอร์แบบหนึ่งเฟสโดยทั่วไปมี ขนาดเล็ก มีกาลังตั้งแต่ประมาณ 1 แรงม้า (HP) ไปจนถึง 5 แรงม้า ภายในประกอบด้วยการพัน ขดลวดสเตเตอร์แบบหนึ่งเฟส เพื่อรองรับการจ่ายไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบหนึ่งเฟส [11] มอเตอร์แบบสามเฟส (Three Phase Induction Motor) มอเตอร์สามเฟสเป็นที่นิยมอย่าง แพร่หลายในภาคอุตสาหกรรม เนื่องจากมีความสามารถในการให้กาลังสูง โดยมีกาลังตั้งแต่ 1 แรงม้า ไปจนถึงมากกว่า 300 แรงม้า มอเตอร์ชนิดนี้จะมีขดลวดแม่เหล็กสามชุด พันตามลาดับของระบบ [11] 2. ซิงโครนัสมอเตอร์ (Synchronous Motor) รูปที่ 2.13 ซิงโครนัสมอเตอร์ ซิงโครนัสมอเตอร์ เป็นมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับชนิดหนึ่งที่มีคุณลักษณะเด่น คือ โรเตอร์จะ หมุนด้วยความเร็วที่สัมพันธ์โดยตรงกับความถี่ของกระแสไฟฟ้าที่จ่ายให้กับมอเตอร์ ซึ่งเรียกว่า ความเร็วซิงโครนัส (Synchronous Speed) โดยไม่มีการลื่นไถล (Slip) ระหว่างการหมุนของโรเตอร์ กับสนามแม่เหล็กหมุนจากสเตเตอร์ (Stator) หลักการทางานของมอเตอร์ชนิดนี้อาศัยสนามแม่เหล็ก หมุนที่เกิดจากสเตเตอร์ เพื่อเหนี่ยวนาให้โรเตอร์ซึ่งเป็นแม่เหล็กถาวร (Permanent Magnet) หรือโร เตอร์ที่ได้รับการกระตุ้นด้วยกระแสตรง (DC Excitation) หมุนตามไปด้วยอย่างตรงจังหวะ ส่งผลให้ 13 มอเตอร์สามารถรักษาความเร็วรอบได้อย่างคงที่ แม้ในสภาวะที่มีการเปลี่ยนแปลงของโหลด ซึ่งได้รับ ความนิยมในงานอุตสาหกรรม [12] Service Factor (SF) คือ ค่าตัวเลขที่บ่งบอกถึงความสามารถของอุปกรณ์ มีความสาคัญในการ เลือกใช้อุปกรณ์ที่เหมาะสมกับภาระงานที่คาดการณ์ไว้ โดยเฉพาะในกรณีที่ลักษณะของแรงกระแทก ที่ไม่สามารถคาดเดาได้ล่วงหน้า การกาหนดค่า SF ที่เหมาะสมช่วยให้สามารถเลือกใช้อุปกรณ์ที่มี ความสามารถในการรับมือกับกรณีเหล่านี้ได้อย่างปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ อีกทั้งยังช่วยลดความ เสี่ยงในการเกิดความเสียหายจากการทางานเกินกาลังของอุปกรณ์ ซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อความ ปลอดภัย ส่งผลให้อายุการใช้งานของอุปกรณ์ยืนยาวขึ้น และลดต้นทุนในการบารุงรักษา [13] สูตรการคานวณค่า Service Factor (SF) ไม่มีค่าตายตัว แต่สามารถใช้แนวทางและตาราง อ้างอิงเพื่อประเมินค่า SF ที่เหมาะสมสาหรับการใช้งานได้ ซึ่งมีแนวทางการประเมินค่า SF ดังนี้ 1. ประเภทของโหลด - โหลดสม่าเสมอ (Uniform Load) โหลดที่มีลักษณะคงที่ ไม่มีความผันผวนหรือแรงกระแทก เช่น สายพานลาเลียง พัดลม ปั๊ม โดยทั่วไปใช้ SF = 1.0 ถึง 1.25 - โหลดปานกลางที่มีการกระแทกเล็กน้อย (Moderate Shock Load) โหลดที่มีความผันผวน หรือแรงกระแทกเล็กน้อย เช่น เครื่องผสม เครน ลิฟต์ โดยทั่วไปใช้ SF = 1.25 ถึง 1.5 - โหลดหนักและมีการกระแทกมาก (Heavy Shock Load) โหลดที่มีความผันผวนหรือแรง กระแทกสูง เช่น เครื่องบด เครื่องตี เครื่องอัด โดยทั่วไปใช้ SF = 1.5 ถึง 2.0 2. ระยะเวลาการทางาน - ทางานต่อเนื่อง 8 ชั่วโมง/วัน ใช้ SF ตามประเภทของโหลด - ทางานต่อเนื่อง 16 ชั่วโมง/วัน เพิ่ม SF ขึ้น 0.25 จากค่าที่ได้จากประเภทของโหลด - ทางานต่อเนื่อง 24 ชั่วโมง/วัน เพิ่ม SF ขึ้น 0.5 จากค่าที่ได้จากประเภทของโหลด 3. สภาพแวดล้อม - สภาพแวดล้อมปกติ ใช้ SF ตามประเภทของโหลดและเวลาการทางาน - สภาพแวดล้อมที่มีฝุ่น ความชื้น หรืออุณหภูมิสูง เพิ่ม SF ขึ้น 0.25 ถึง 0.5 14 2.2.3 ระบบส่งกาลังแบบเกียร์ ระบบเกียร์จัดเป็นระบบส่งกาลังแบบไม่ลื่นไถล (Mechanical Power Transmission) โดยใช้ ฟันเฟือง (Gear) เพื่อโอนถ่ายแรงหมุนช่วยในการส่งกาลัง (Power Transmission) จากจุดหนึ่งไปยัง อีกจุดหนึ่ง ผ่านการขบของฟันเฟือง หน้าที่หลักของอัตราทดเกียร์คือการปรับแรงบิดและความเร็วของ การหมุนให้สอดคล้องกับการใช้งาน โดยอัตราทดคานวณจากอัตราส่วนของจานวนฟันระหว่างเฟือง ตามต่อเฟืองขับ การออกแบบระบบเกียร์อาจใช้ชุดเกียร์เดียว หรือหลายชุดตามความต้องการ [14] อัตราทดเกียร์คืออัตราส่วนของจานวนฟันของเฟืองตาม (Driven Gear) ต่อจานวนฟันของ เฟืองขับ (Driving Gear) รูปที่ 2.14 แสดงอัตราทดเกียร์ อัตราทดเกียร์ (𝑖) = จานวนเฟื องตาม (𝑧2 ) ความเร็วรอบของฟั นเฟื องขับ (𝑛1 ) = จานวนเฟื องขับ (𝑧1 ) ความเร็วรอบของฟั นเฟื องตาม (𝑛2 ) (2.14) รูปแบบระบบเกียร์ - แบบอัตราทด > 1 : เฟืองตามมีขนาดใหญ่กว่าเฟืองขับ ใช้เพื่อเพิ่มแรงบิด ขาออกหมุน ช้าลง - แบบอัตราทด < 1 : เฟืองตามมีขนาดเล็กกว่าเฟืองขับ ใช้เพื่อเพิ่มความเร็ว ขาออก หมุนเร็วขึ้น อัตราทดเกียร์ (𝑖) = อัตราแรงบิด (𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜) = แรงบิดขาออก (𝑇𝑜𝑢𝑡 ) แรงบิดขาเข้า (𝑇𝑖𝑛 ) (2.15) ชุดเกียร์ (Compound Gear Trains) เมื่อระบบต้องการอัตราทดสูง หรือความเร็วสูง การใช้ชุดเกียร์จะสามารถประหยัดพื้นที่ ลดภาระบนเฟือง และลดต้นทุน 15 อัตราทดเกียร์รวม (𝑖𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ) = อัตราเกียร์ชดุ ที่ 1 (𝑖1 ) × อัตราเกียร์ชดุ ที่ 2 (𝑖2 ) ×. . × อัตราเกียร์ชดุ ที่ 𝑛 (𝑖𝑛 ) (2.16) 2.2.4 ระบบส่งกาลังแบบโซ่และสป็อกเก็ต เป็นระบบส่งกาลังเชิงกลที่อาศัยการถ่ายทอดแรงบิดและการหมุนผ่านโซ่ ซึ่งมีลักษณะเป็นข้อ ต่อเชื่อมกัน โดยโซ่จะขบกับเฟืองโซ่ (Sprockets) ที่ติดตั้งอยู่บนเพลาขับ (Driving Shaft) และเพลา ตาม (Driven Shaft) รูปที่ 2.15 แสดงระบบโซ่ หลักการทางานคือการส่งกาลังจากต้นกาลังไปยังอุปกรณ์ปลายทางโดยอาศัยการหมุนอย่าง ต่อเนื่อง ซึ่งช่วยควบคุมทั้งความเร็วรอบและแรงบิดได้อย่างแม่นยา ทั้งนี้ ระบบโซ่จัดเป็นระบบที่ไม่มี การลื่นไถล (Non-Slip Transmission) จึงเหมาะสาหรับงานที่ต้องการการส่งกาลังอย่างมีเสถียรภาพ และประสิทธิภาพสูง ส่วนประกอบโซ่ รูปที่ 2.16 แสดงส่วนประกอบโซ่ [15] แผ่น (Link Plate) แบ่งออกเป็นแผ่นประกบด้านใน (Inner Plate) และแผ่นประกบ ด้านนอก (Outer Plate) เป็นชิ้นส่วนที่รองรับแรงดึง (Tensile Strength) ที่เกิดจากการหมุน ของมอเตอร์ เป็นชิ้นส่วนที่มีความแข็งแรงและเป็นชิ้นส่วนที่เชื่อมต่อแต่ละข้อเข้าด้วยกัน 16 สลัก (Pin) จะเชื่อมเข้ากับเพลทในและเพลทนอก โดยมีความแข็งแรงมากที่สุดเพราะ ต้องทาหน้าที่รับแรงเฉือน แรงบิด แรงดึง และแรงกระชากทั้งหมดที่ถูกถ่ายเทมากจากแผ่น ประกบ โรลเลอร์ (Roller) เป็นชิ้นส่ว นที่ครอบบุช และสลัก มีห น้าที่รองรับแรงกดและแรง กระแทก บุช (Bush) เป็นชิ้นส่วนที่เสริมความแข็งแรงให้กับโครงสร้างของโซ่ ถูกสวมอยาระหว่าง โรลเลอร์และสลัก มีหน้าที่รองรับแรงกระทาที่ถูกส่งถ่ายมาจากชิ้นส่วนอื่นๆ รูปแบบการยึด รูปที่ 2.17 แสดงรูปแบบการยึดของโซ่ (Riveted – RV) ตัวสลักจะถูกทาการกดย้าบนด้านนอกของตัวเพลท (Cotter Pin - CP) เป็นรูปแบบการใส่ปิ้นคั้นในรู (Coupler Links - JL) มีหน้าตาคล้ายกิ๊บหนีบสลัก โซ่ ANSI หมายถึ ง โซ่ มาตรฐานที่ กาหนดโดย ANSI (American National Standards Institute) ซึ่ ง ใช้ กั น อย่า งแพร่ ห ลายในระบบส่ ง กาลั ง ทางกล โดยเฉพาะในภาคอุ ต สาหกรรม เครื่องจักรกล และยานยนต์ 17 รูปที่ 2.18 แสดงขนาดโซ่มาตรฐาน ANSI Drive Ratio คือ อัตราส่วนระหว่างความเร็ว ของเพลาที่มีความเร็วสูง (Driving Shaft) ต่อ ความเร็วของเพลาที่มีความเร็วต่า (Driven Shaft) ตามปกติการ Drive Ratio แบบชั้นเดียว (Single Reduction) จะไม่ควรเกิน 7 ต่อ 1 หากสูงกว่านั้นให้เลือกการลดรอบแบบ 2 ชั้นและ Drive Ratio แบบสองชั้น (Double Reduction) ไม่ควรเกิน 10 ต่อ 1 หาก Drive Ratio น้อยลงจะทาให้การ ทางานราบรื่น รูปที่ 2.19 แสดง Drive Ratio [16] Center Distance คือ ระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางของเฟืองตัวเล็กและจุดศูนย์กลางของ เฟืองตัวใหญ่ 18 รูปที่ 2.20 แสดง Center Distance [16] 𝐿= 𝐷 + โดย 𝑑 2 (2.17) 𝐿 = ระยะห่างระหว่างเพลา (mm) 𝐷 = เส้นผ่านศูนย์กลางเฟืองตัวใหญ่ (mm) 𝑑 = เส้นผ่านศูนย์กลางเฟืองตัวเล็ก (mm) การเลือกโซ่ส่งกาลัง (Roller Chain Selection) ให้เหมาะสมกับเครื่องจักรเป็นปัจจัยสาคัญที่ ส่งผลต่อประสิทธิภาพ ความปลอดภัย และความทนทานของระบบส่งกาลัง โดยโซ่ที่เลือกอย่าง เหมาะสมจะช่วยให้การถ่ายทอดกาลังเป็นไปอย่างเสถียรภาพ ลดการสูญเสียพลังงาน และสามารถ รองรับภาระได้อย่างต่อเนื่องโดยไม่เกิดการลื่นไถล 1. EQUVALENT HORSEPOWER (การเลือกโซ่ส่งกาลังแบบชั้นเดียว) 𝐷𝑒𝑠𝑖𝑔𝑛 𝐻𝑜𝑠𝑝𝑜𝑤𝑒𝑟 = 𝑃 × 𝑆𝑒𝑟𝑣𝑖𝑐𝑒 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 (2.18) โดย 𝐷𝑒𝑠𝑖𝑔𝑛 𝐻𝑜𝑠𝑝𝑜𝑤𝑒𝑟 (Hp) 𝑃 = แรงม้าของมอเตอร์ (Hp) ค่า Service factor สามารถเลือกตามลักษณะของการใช้งาน จากข้อ 2.2.2 2. EQUVALENT HORSEPOWER (การเลือกโซ่ส่งกาลังแบบสองชั้น) 𝐷𝑒𝑠𝑖𝑔𝑛 𝐻𝑜𝑠𝑝𝑜𝑤𝑒𝑟 = โดย 𝑃 𝑆𝑒𝑟𝑣𝑖𝑐𝑒 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 19 (2.19) 𝐷𝑒𝑠𝑖𝑔𝑛 𝐻𝑜𝑠𝑝𝑜𝑤𝑒𝑟 (Hp) 𝑃 = แรงม้าของมอเตอร์ (Hp) ค่า Service factor สามารถเลือกตามลักษณะของการใช้งาน จากข้อ 2.2.2 3. RPM OF SMALL SPROCKET 𝑟𝑝𝑚ตาม = โดย 𝑟𝑝𝑚ขับ 𝐺𝑒𝑎𝑟 𝑅𝑎𝑡𝑖𝑜 (2.20) 𝑟𝑝𝑚ตาม = ความเร็วรอบของเฟืองตาม (rpm) 𝑟𝑝𝑚ขับ = ความเร็วรอบของเฟืองขับ (rpm) 𝐺𝑒𝑎𝑟 𝑅𝑎𝑡𝑖𝑜 = อัตราทดของเฟือง 4. NUMBER OF STRAND ในส่วนของการเลือกเบอร์โซ่ส่งกาลังนั้นสามารถเลือกได้จากตาราง รูปที่ 2.21 แสดง NUMBER OF STRAND แกน X : RPM OF SMALL SPROCKET = ค่า rmpตาม แกน Y : EQUVALENT HORSEPOWER = ค่า Design Hospower (Hp) การสึกหรอ (Wear) การยืดตัว (Elongation) หรือการหย่อนของข้อโซ่ (Chain Pitch) โดย ปกติควรรักษาระดับการหย่อนไว้ที่ประมาณ 4 เปอร์เซ็นต์ของระยะห่างระหว่างเพลาและระยะห่าง 20 ระหว่างเพลามีค่า 1 เมตรขึ้นไปควรรักษาระดับการหย่อนประมาณ 2 เปอร์เซ็นต์ หากข้อโซ่ (Chain Pitch) ยืดตัวเกินค่าเปอร์เซ็นต์ที่กาหนด ถือว่าต้องเปลี่ยนโซ่ [17] รูปที่ 2.22 แสดงการหย่อนของข้อโซ่ 𝐿𝐸 = 𝐿 × 4% (2.21) โดย 𝐿𝐸 = ระยะการรห้อยตัวของโซ่ (mm) 𝐿 = ระยะห่างระหว่างเพลา (mm) เฟืองโซ่ (Sprocket) เป็นเฟืองชนิดหนึ่งที่ใช้ร่วมกับโซ่ในระบบส่งกาลัง (Power Transmission System) โดยทาหน้าที่ถ่ายทอดกาลังจากแหล่งพลังงานมอเตอร์ไปยังโหลเพลา หรือล้อ ผ่านการ เคลื่อนที่ของโซ่ การเลือกใช้ Sprocket ที่เหมาะสมเป็นปัจจัยสาคัญที่ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพ ความทนทาน และอายุการใช้งานของทั้งโซ่และระบบโดยรวมควรเริ่มจากการพิจารณาขนาดและ เลือกเบอร์ของเฟืองโซ่ให้ตรงกับเบอร์ของโซ่ตามมาตรฐานที่กาหนด เพื่อให้การทางานมีความแม่นยา และเกิดความสมดุลระหว่างแรงบิดและความราบรื่น ซึ่งโดยทั่วไปสามารถแบ่งออกได้เป็น 6 ประเภท หลัก โดยแต่ละประเภทได้รับการออกแบบให้เหมาะสมกับลักษณะการใช้งานที่แตกต่างกัน [18] 1. เฟืองโซ่แผ่นเรียบ (Sprocket No Hub Extension) รูปที่ 2.23 เฟืองโซ่แผ่นเรียบ เฟือง Type A (TA Type) เป็นฟันเฟืองที่ทาหน้าที่เพื่อเป็นกลไกในการขับเคลื่อนส่งกาลังจาก เครื่องจักรไปยังล้อ หรือจุดต่างๆ ซึ่งฟันเฟืองชนิดนี้มีลักษณะเป็นแผ่นเหล็กกล้าทรงกลมมีฟันเฟือง 21 โดยรอบ มีรูบริเวณตรงกลาง และไม่มีดุม เฟืองโซ่ชนิดนี้มีหลากหลายขนาดให้เลือกใช้ตามความ เหมาะสมของชิ้นงาน เพื่อนาไปติดตั้งหน้าแปลน หรือดุมล้อ 2. เฟืองโซ่ดุมยื่นหนึ่งข้าง (Sprocket One Side Hub Extension) รูปที่ 2.24 เฟืองโซ่ดุมยื่นหนึ่งข้าง เฟือง Type B (TB Type) เป็นฟันเฟืองที่ทาหน้าที่เช่นเดียวกับเฟืองโซ่แผ่นเรียบ มีหน้าที่ส่ง กาลังจากเครื่องจักรไปยังจุดที่ต้องการ เพียงแต่ว่าลักษณะของเฟืองชนิดนี้แตกต่างออกไปเล็กน้อย มี ดุมยื่นออกมาด้านหนึ่ง ทาให้สามารถขันนอตยึดเฟืองเข้ากับแกนเพลาเครื่องจักรได้ง่ายขึ้น และยัง ช่วยให้สามารถรับน้าหนักได้เพิ่มมากขึ้นอีกด้วย ฟันเฟืองชนิดนี้เหมาะกับงานที่ต้องรับแรงกดจาก น้าหนักประมาณหนึ่ง และงานที่มีความเร็วต่าไปจนถึงงานที่ต้องใช้ความเร็วสูง 3. เฟืองโซ่ดุมยื่นสองข้าง (Sprocket Two Side Hub Extension) รูปที่ 2.25 เฟืองโซ่ดุมยื่นสองข้าง เฟือง Type C (TC Type) เป็นฟันเฟืองที่มีคุณสมบัติพิเศษคือ สามารถรับน้าหนักได้ มาก เนื่องจากด้านข้างของฟันเฟืองมีดุมออกมาทั้งสองข้าง ส่งผลให้ชนิดนี้มีความแข็งแรงมากเป็นพิเศษ จึง เหมาะกับติดตั้งเป็นเฟืองโซ่ตัวตามในงานที่ต้องเจอกับงานโหลดหนัก ความเร็วสูง แรงบิดสูง เป็น ประจา 22 4. เฟืองโซ่สแตนเลส (Stainless Steel Sprocket) รูปที่ 2.26 เฟืองโซ่สแตนเลส เฟืองโซ่ที่ทามาจากวัสดุที่มีความแรงสูงพิเศษอย่างสแตนเลส ซึ่งมีคุณสมบัติเหนือกว่าเหล็ก ธรรมดาหลายด้าน เนื้อสแตนเลสแข็งแกร่งกว่าเหล็กธรรมดาหลายเท่าจึงไม่ค่อยเกิดการกัดกร่อน เสื่อมสภาพ ไม่เกิดสนิมตลอดอายุการใช้งาน โดนน้าได้ และสามารถทนกับอุณหภูมิร้อนจัดได้สบาย จึงเหมาะกับเครื่องจักรอุตสาหกรรมที่ใช้งานในพื้นที่เปียกชื้น ร้อนจัด หรือแม้แต่งานที่ต้องรับกับ น้าหนักมากพิเศษ 5. เฟืองโซ่พลาสติก (Plastic Sprocket) รูปที่ 2.27 เฟืองโซ่พลาสติก เฟืองโซ่ที่ทามาจากวัสดุพลาสติกหลากหลายชนิด มักใช้ในงานผลิตสินค้าต่างๆ ของโรงงาน อุตสาหกรรม สิ่งของที่นิยมนาเฟืองโซ่พลาสติกมาใช้กับระบบกลไกขับเคลื่อนมีตั้งแต่ ของเล่น หุ่นยนต์ และอีกมากมาย 23 6. เฟืองโซ่ฟันสองชั้น (Double Sprocket) รูปที่ 2.28 เฟืองโซ่ฟันสองชั้น ฟันเฟืองชนิดสองชั้นมีลักษณะเป็นทรงกลมมีฟันเฟืองโดยรอบ มีทั้งแบบดุมเดี่ยว ดุมคู่ หรือไม่ มีดุม เช่นเดียวกับชนิดอื่นๆ โดยความแตกต่างของชนิดนี้คือฟันเฟืองคู่นั้นเอง หมายความว่าเราต้องใช้ โซ่สองเส้นเพื่อให้ส่งกาลังไปในทิศทางเดียวกัน ซึ่งการใช้โซ่สองเส้นนั้นมีข้อ ดีช่วยให้มีการยืดจับดีกว่า เดิม สามารถรับน้าหนักได้มากขึ้น และลาเลียงของบนสายพานลาเลียงได้เร็วกว่า 2.3 ทฤษฎีที่เกี่ยวข้องระบบรองรับการสั่นสะเทือน ระบบรองรับ การสั่น สะเทือน (Suspension System) เป็นกลไกสาคัญที่เชื่อมต่อระหว่าง โครงสร้างของยานพาหนะกับล้อ มีหน้าที่หลักในการดูดซับแรงสั่นสะเทือนจากพื้นผิวถนนหรือราง เพื่อให้แรงที่ส่งผ่านไปยังตัวรถและผู้โดยสารลดลง ช่วยให้การเคลื่อนที่นุ่มนวล มีเสถียรภาพ และเพิ่ม ความปลอดภัยในขณะใช้งาน 2.3.1 หลักการสั่นของระบบมวล-สปริง-แดมเปอร์ ระบบรองรับการสั่นสะเทือนสามารถจาลองในเชิงกลศาสตร์ได้ด้วยระบบ มวล-สปริง-แดม เปอร์ ซึ่งเป็นระบบพลศาสตร์แบบหนึ่งที่ใช้ในการวิเคราะห์พฤติกรรมการตอบสนองของโครงสร้าง ภายใต้แรงกระทาจากภายนอก สมการการเคลื่อนที่ของระบบสั่นสะเทือนหนึ่งองศาอิสระ (Single Degree of Freedom, SDOF) เขียนได้ดังนี้ [19] 𝑚𝑥̈ + 𝑐𝑥̇ + 𝑘𝑥 = 𝐹(𝑡) โดยที่ 𝑚 = มวลของระบบ 𝑐 = ค่าความหนืดของแดมเปอร์ 24 (2.22) 𝑘 = ค่าความแข็งของสปริง 𝑥 = การกระจัด 𝐹(𝑡) = แรงกระทาภายนอกตามเวลา ระบบนี้สามารถนามาวิเคราะห์ลักษณะการตอบสนองแบบต่างๆ ได้ เช่น การสั่นอย่างเป็น อิสระ (Free Vibration), การสั่นภายใต้แรงกระทา (Forced Vibration), และการตอบสนองต่อการ เปลี่ยนแปลงแบบฉับพลัน (Impulse or Step Response) ลักษณะการสั่นของระบบจะขึ้นกับค่าความหนืดสัมพัทธ์ (Damping Ratio, ζ) ซึ่งจาแนกได้ เป็น 3 กรณีหลัก 1. Underdamped (ζ < 1) : ระบบสั่นลดระดับแบบมีการแกว่ง 2. Critically Damped (ζ = 1) : ระบบกลับสู่สมดุลเร็วที่สุดโดยไม่เกิดการแกว่ง 3. Overdamped (ζ > 1) : ระบบกลับสู่สมดุลอย่างช้าโดยไม่เกิดการแกว่ง ค่าความถี่ธรรมชาติ (Natural Frequency, ωn) และอัตราการลดทอน (Damping Ratio, ζ) ของระบบเป็นตัวแปรสาคัญในการวิเคราะห์การออกแบบระบบกันสะเทือน เพื่อให้สามารถแยกการ สั่นสะเทือนจากพื้นผิวได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยเฉพาะในระบบรางที่ต้องการเสถียรภาพและความ นุ่มนวลในการเคลื่อนที่สูง [19] การออกแบบระบบกันสะเทือนของหัวรถจักรจึงต้องคานึงถึงความสัมพันธ์ระหว่างมวล ค่า ความแข็ง และค่าความหนืด เพื่อควบคุมพฤติกรรมการสั่นให้เหมาะสมกับสภาพการใช้งานจริง 2.3.2 ประเภทของระบบรองรับการสั่นสะเทือน การออกแบบระบบรองรับ การสั่นสะเทือนจะแบ่งออกเป็นการออกแบบระบบรองรับ การ สั่ น สะเทื อ นหลั ก (Primary Suspension) และระบบรองรั บ การสั่ น สะเทื อ นรอง (Secondary Suspension) [20] 1. ระบบรองรับการสั่นสะเทือนหลัก (Primary Suspension) อยู่ระหว่างเพลาล้อ (Wheelset) และโครงโบกี้ (Bogie Frame) ทาหน้าที่กรองแรงสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นโดยตรงจากรอยต่อรางหรือ ความไม่เรียบของพื้นผิวราง องค์ประกอบหลักคือสปริงและแดมเปอร์ ซึ่งช่วยลดแรงสะเทือนในย่าน ความถี่สูงและปานกลาง สปริงทาหน้าที่รับน้าหนักและคืนแรงในทิศตรงข้ามกับการยุบตัว ส่วนแดม 25 เปอร์ทาหน้าที่หน่วงการสั่นของสปริงไม่ให้เกิดการแกว่งซ้าหรือเรโซแนนซ์ที่รุนแรง การออกแบบที่ดี ของระบบนี้จะช่วยให้ล้อสามารถปรับตัวตามรางได้โดยไม่สูญเสียการยึดเกาะ 2. ระบบรองรับการสั่นสะเทือนรอง (Secondary Suspension) อยู่ระหว่างโครงโบกี้และตัวถัง รถ ทาหน้าที่ลดแรงสั่นสะเทือนความถี่ต่าที่เหลือจากระบบชั้นแรก และเพิ่มความสบายในการโดยสาร องค์ประกอบหลักได้แก่สปริงลมหรือสปริงเหล็กแบบไม่เชิงเส้น ซึ่งสามารถปรับความแข็งตามน้าหนัก บรรทุกเพื่อรักษาระดับตัวรถให้คงที่ ร่วมกับแดมเปอร์ ที่ช่วยควบคุมการแกว่งตัวของตัวถังรถและลด การส่าย (Hunting Motion) เมื่อวิ่งด้วยความเร็วสูง โดยส่วนใหญ่จะออกแบบและคัดเลือกอุปกรณ์ที่เหมาะสมที่สุดตามข้อกาหนดในการแข่งขัน ที่ มีการประลองทดสอบการสั่นสะเทือนและความดังเสียง ซึ่งสามารถแบ่งระบบรองรับการสั่นสะเทือน เป็นประเภทต่างๆ ได้ดังนี้ 1. ถุงลม (Air Spring) เป็นอุปกรณ์รองรับที่ใช้การอัดอากาศภายในถุงยางยืดหยุ่น เพื่อดูดซับ แรงกระแทกและปรับระดับความสูงของตัวรถตามน้าหนักบรรทุก มีข้อดีคือสามารถปรับค่าความแข็ง ได้ตามสภาพการใช้งาน ให้ความนุ่มนวลสูง [21] รูปที่ 2.29 ถุงลม (Air Spring) 2. โช๊คอัพ (Shock Absorber) ทาหน้าที่ควบคุมการสั่นของระบบสปริง โดยแปลงพลังงาน จลน์จากการสั่นเป็นพลังงานความร้อนผ่านการหน่วงของของเหลวภายใน ใช้ร่วมกับสปริงหรือแหนบ เพื่อเพิ่มความเสถียรและลดการสั่นสะเทือนหลังจากรถวิ่งผ่านสิ่งกีดขวาง มีผลต่อความมั่นคงในการ ควบคุมและความสบายในการโดยสาร [19] 26 รูปที่ 2.30 โช๊คอัพ (Shock Absorber) 3. สปริ ง (Coil Spring) เป็ น องค์ ป ระกอบพื้ น ฐานของระบบรองรั บ แรงกระแทก ทาจาก เหล็กกล้าขดเป็นเกลียว มีคุณสมบัติยืดหยุ่นสูง ทาหน้าที่รับแรงจากล้อและส่งต่อแรงอย่างนุ่มนวลไป ยังโครงรถ นิยมใช้งานร่วมกับโช๊คอัพเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการดูดซับแรงสะเทือน [22] รูปที่ 2.31 สปริง (Coil Spring) 4. ระบบช่วงล่างแบบแขนลาก (Horn Guide หรือ Trailing Arm) เป็นกลไกนาทางที่ควบคุม การเคลื่อนไหวของเพลาล้อให้เป็นไปตามแนวราง โดยช่วยให้ล้อสามารถหมุนเลี้ยว (Steer) ได้อย่าง เหมาะสมในช่วงเข้าโค้ง และรักษาตาแหน่งของเพลาล้อให้มั่นคง รูปที่ 2.32 ระบบช่วงล่างแบบแขนลาก (Trailing Arm) 27 5. ยางเชียร์บล็อก (Rubber Shear Block) เป็นชั้นวัสดุยืดหยุ่นที่ช่วยลดแรงสั่นสะเทือนใน ทิศทางด้านข้างและด้านหน้า –หลัง ใช้แทนหรือติดตั้งร่วมกับสปริงเหล็กเพื่อเพิ่มความยืดหยุ่นของ ระบบ รูปที่ 2.33 แสดงยางเชียร์บล็อก (Rubber Block Primary) 2.3.3 ทฤษฎีที่ใช้ในการวิเคราะห์ระบบรองรับการสั่นสะเทือน 1. ความถี่ธรรมชาติ (Natural Frequency) คือความถี่ที่ระบบจะสั่นได้เองโดยไม่มีแรงกระตุ้น จากภายนอก หลังจากถูกรบกวนครั้งแรก โดยขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของมวล (Mass) และความแข็ง (Stiffness) ของระบบ หากระบบรองรับแรงสั่นสะเทือน เช่น สปริง –แดมเปอร์ มีความถี่ธรรมชาติ ใกล้เคียงกับแรงกระตุ้นจากพื้นผิวถนน จะทาให้เกิดการสั่นสะเทือนมากขึ้น ดังนั้นจึงต้อง ออกแบบ เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้ความถี่ธรรมชาติของโครงสร้างอยู่ในช่วงของแรงกระตุ้นที่พบบ่อย [19] 𝑓𝑛 = 1 𝑘 √ 2𝜋 𝑚 (2.23) โดย 𝑓𝑛 = ความถี่ธรรมชาติ (Hz) 𝑘 = ค่าความแข็ง 𝑚 = มวลของระบบ 2. การสั่นพ้อง (Resonance) คือปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อความถี่ของแรงกระตุ้นภายนอก ตรงกับความถี่ธรรมชาติของระบบ ส่งผลให้เกิดการสั่นสะเทือนที่มีแอมพลิจูดเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ซึ่ง อาจทาให้เกิดความเสียหายกับระบบหากไม่ได้ออกแบบให้รองรับได้ การวิเคราะห์และออกแบบระบบ รองรับต้องคานึงถึงการสั่ นพ้องเพื่อหลีกเลี่ยงหรือควบคุมให้อยู่ในระดับปลอดภัย เช่น การเลือกค่า ความแข็งหรือมวลให้เหมาะสม หรือติดตั้งแดมเปอร์เพื่อช่วยลดพลังงานของการสั่น 28 สาหรับระบบกันสะเทือนของรถไฟ ความถี่ธรรมชาติของระบบแนวดิ่งโดยทั่วไปอยู่ในช่วง 0.91.2 Hz และในแนวข้างประมาณ 1 Hz ดังนั้น หากแรงสะเทือนจากรางหรือแรงสั่นที่เกิดขึ้นมีความถี่ ใกล้เคียงกับค่านี้ จะเกิดเรโซแนนซ์ได้ง่าย การควบคุมเรโซแนนซ์สามารถทาได้โดย - การเพิ่มแดมป์ (Damping Ratio) เพื่อให้ระบบสูญเสียพลังงานสั่นสะเทือนได้เร็วขึ้น - การปรับ ค่าความแข็งของสปริง (Stiffness) เพื่อเปลี่ยนความถี่ธรรมชาติให้อยู่ห่างจากช่วงแรง กระตุ้น - การใช้สปริงแบบไม่เชิงเส้น (Non-linear Spring) เพื่อให้ค่าความแข็งเปลี่ยนตามระยะยุบตัว หากระบบไม่มีการหน่วงที่เพียงพอ การสั่นที่เกิดจากเรโซแนนซ์อาจนาไปสู่ความเสียหายของ อุปกรณ์ เช่น การแตกร้าวของบ็อกกี้ การคลายของข้อต่อ หรือการสูญเสียความสบายในการโดยสาร อย่างรุนแรง 3. ความเร็วเชิงมุม (Angular Velocity) เป็นอัตราที่มุมของวัตถุเปลี่ยนไปตามเวลา ใช้หน่วย เป็นเรเดียนต่อวินาที (rad/s) ในระบบที่มีการหมุน เช่น ล้อ เพลาหรือชิ้นส่วนกลหมุนต่างๆ ในระบบ รถไฟจาลอง ความเร็วเชิงมุมมีความสาคัญในการออกแบบอัตราทดเกียร์และการควบคุมแรงบิด เพื่อให้เกิดแรงขับเคลื่อนที่เหมาะสมและตอบสนองต่อการเร่งหรือหยุดในเวลาที่กาหนด 𝜔 = 2𝜋𝑓 (2.24) โดย 𝜔 = ความเร็วเชิงมุม (rad/s) 𝑓 = ความถี่ (Hz) 4. การแยกการสั่นสะเทือน (Vibration Isolation) การแยกการสั่นสะเทือนเป็นการลดของ การสั่นสะเทือน โดยทั่วไปคือการแยกการสั่นสะสะเทือนระหว่างมวล (หรืออุปกรณ์หรือน้า หนัก บรรทุก) และแหล่งที่มาของการสั่นสะเทือนเพื่อให้การตอบสนองแบบ ไดนามิค (Dynamic) ของ ระบบลดลงภายใต้เงื่อนไขที่กาหนดของการกระตุ้นด้วยการสั่นสะเทือน 5. ผลรวมของค่าความแข็งของสปริง ในการออกแบบระบบรองรับการสั่นสะเทือน มักใช้สปริง มากกว่าหนึ่งตัว การรวมค่าความแข็งของสปริงจะขึ้นอยู่กับลักษณะการจัดวาง กรณีสปริงต่อกันแบบขนาน (Parallel Springs) 29 รูปที่ 2.34 แสดงสปริงต่อกันแบบขนาน 𝑘𝑒𝑞 = 𝑘1 + 𝑘2 +. . +𝑘𝑛 (2.25) เหมาะกับการรับน้าหนักร่วมกัน ระบบจะแข็งขึ้น กรณีสปริงต่อกันแบบอนุกรม (Series Springs) รูปที่ 2.35 แสดงสปริงต่อกันแบบอนุกรม 1 1 1 1 = + +. . + 𝑘𝑒𝑞 𝑘1 𝑘2 𝑘𝑛 (2.26) ระบบจะอ่อนตัวลง เหมาะสาหรับการดูดซับแรงสะเทือนมากขึ้น การคานวณค่าความแข็งรวม (Equivalent Stiffness) มีความสาคัญต่อการคานวณความถี่ ธรรมชาติ และการเลือกแดมเปอร์ที่เหมาะสม เพื่อให้ระบบสามารถแยกแรงสั่นได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในการศึกษาพฤติกรรมของระบบรองรับการสั่น สะเทือน มักใช้การจาลองแบบ Multi-Body System (MBS) ซึ่งจาลององค์ประกอบแต่ละส่วน เช่น ล้อ โครงโบกี้ สปริง และแดมเปอร์ ให้เป็นมวล ที่เชื่อมต่อกันด้วยแรงยืดหยุ่นและแรงหน่วง จากนั้นวิเคราะห์การตอบสนองเมื่อได้รับแรงกระตุ้นจาก ราง (Track Irregularity) การวิเคราะห์นี้ช่วยให้สามารถประเมินค่าความถี่ธรรมชาติ แรงสั่นสะเทือน และพฤติกรรมเรโซแนนซ์ได้อย่างละเอียด ซึ่งเป็นข้อมูลสาคัญในการออกแบบระบบกันสะเทือนให้ เหมาะสมกับสภาพการใช้งานจริง ระบบกันสะเทือนของรถไฟเป็นการผสมผสานระหว่างกลศาสตร์ของการสั่น สปริง และแดม เปอร์ เพื่อให้การเคลื่อนที่ของขบวนรถเกิดความสมดุลระหว่าง ความนุ่มนวลในการโดยสาร (Ride Comfort) และเสถียรภาพของการเคลื่อนที่ (Running Stability) 30 2.4 ทฤษฎีที่เกี่ยวข้องระบบเบรก ระบบเบรกเป็นหนึ่งในองค์ประกอบสาคัญของยานพาหนะและระบบขนส่งทางราง ทาหน้าที่ ชะลอความเร็วและหยุดการเคลื่อนที่ ทั้งในกรณีการใช้งานทั่วไป และในสถานการณ์ฉุกเฉิน โดยระบบ เบรกจะต้องสามารถสร้างแรงต้านทานการเคลื่อนที่ได้อย่างมีประสิทธิภาพและปลอดภัย 2.4.1 ประเภทของระบบเบรก จากการศึกษาพบว่าระบบเบรกของหัวรถจักรไฟฟ้าสามารถจาแนกได้เป็น 4 ประเภทหลักที่มี การใช้งานและเหมาะสมต่อการออกแบบระบบต้นแบบ ได้แก่ 1. เบรกแบบใช้สุญญากาศ เป็นระบบเบรกที่อาศัยหลักการสร้างสุญญากาศในกระบอกเบรก เพื่อลดแรงดันด้านหนึ่งของลูกสูบ ทาให้เกิดแรงดึงให้ลูกสูบเคลื่อนที่ไปกดผ้าเบรกกับจานเบรก การ ทางานจะเริ่มจากการปล่อยอากาศเข้าสู่ด้านล่างของกระบอกเบรก ขณะที่ด้านบนเป็นสุญญากาศ แรงดันที่แตกต่างกันนี้จะทาให้ลูกสูบเคลื่อนตัวลงมากดระบบเบรกให้ทางาน ข้อดีของระบบนี้คือ สามารถใช้งานพร้อมกันทุกโบกี้ แต่มีข้อจากัดด้านแรงเบรกสูงสุดที่สามารถสร้างได้ รวมถึงปัญหาด้าน การบารุงรักษา เช่น การขัดตัวของลูกสูบในกระบอกเบรกจะทาให้เกิดปัญหาลูกสูบค้างจนทาให้เบรก จับจนล้อร้อนแดง [23] รูปที่ 2.36 เบรกแบบใช้สุญญากาศ 2. เบรกแบบลมอัด ใช้หลักการอัดลมแรงกันสูงเพื่อดันลูกสูบในกระบอกเบรก ทาให้ผ้าเบรกกด กับจานเบรก ระบบนี้มีข้อดีคือ สามารถสร้างแรงเบรกได้มากกว่าระบบสุญญากาศ เนื่องจากแรงดัน ลมสามารถควบคุมได้อย่างแม่นยา ส่งผลให้สามารถใช้กระบอกเบรกขนาดเล็ก และตอบสนองต่อ คาสั่งได้อย่างรวดเร็ว มีต้นทุนการดูแลรักษาน้อยกว่า และเป็นระบบที่ได้รับความนิยมในการใช้งาน จริง [24] 31 รูปที่ 2.37 เบรกแบบลมอัด 3. ไดนามิคเบรก (Dynamic Brake) เหมาะสาหรับรถไฟที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า โดยจะ ทางานโดยการเปลี่ยนมอเตอร์ให้ทาหน้าที่เป็นเครื่องกาเนิดไฟฟ้า ซึ่งได้นับแรงหมุนจากล้อรถที่ยัง เคลื่อนที่อยู่ จากนั้นพลังงานไฟฟ้าที่ได้จะถูกปล่อยผ่านตัวต้านทาน ซึ่งจะเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็น พลังงานความร้อนแล้วระบายทิ้ง ระบบนี้มีประสิทธิภาพสูงสุดในช่วงความเร็วสูง แต่จะมีประสิทธิภาพ ลดลงเมื่อความเร็วต่า จึงจาเป็นต้องมีการผสมผสานกับเบรกกลไก [25] รูปที่ 2.38 ไดนามิคเบรก 4. เบรกแบบรีเจนเนอเรทีฟ (Regenerative Braking) เป็นระบบเบรกที่ทางานคล้ายกับไดนา มิคเบรก แต่พลังงานไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะไม่นาไปปล่อยทิ้งผ่านตัวต้านทาน แต่จะถูกส่งกลับไปยังระบบ จ่ายไฟของหัวรถจักรอื่นที่กาลังขับเคลื่อนอยู่ ส่งผลให้สามารถใช้พลังงานซ้าและเพิ่มประสิทธิภาพของ ระบบได้ อย่างไรก็ตาม ระบบนี้มีความซับซ้อนในด้านการออกแบบและควบคุมพลังงานไฟฟ้า จึงไม่ เป็นที่นิยมในเชิงพาณิชย์ทั่วไป [26] 32 รูปที่ 2.39 เบรกแบบรีเจนเนอเรทีฟ 5. ระบบเบรกแบบจาน (Disc Brake) ใช้หลักการสร้างแรงเสียดทานระหว่างผ้าเบรก (Brake Pad) และจานเหล็กรูปทรงแบน (Rotor) ที่ติดตั้งอยู่กับล้อหรือเพลา เมื่อมีการส่งแรงดันจากระบบอัด ลมหรือไฮดรอลิกไปยังก้านลูกสูบภายใน Caliper ผ้าเบรกจะถูกกดเข้าสัมผัสกับจานหมุนจนเกิดแรง ต้าน ซึ่งจะชะลอหรือหยุดการเคลื่อนที่ของล้อโดยทันที [27] รูปที่ 2.40 ระบบเบรกแบบจาน 2.4.2 สมการการคานวณที่เกี่ยวข้องกับระบบเบรก ในการออกแบบระบบเบรกของหัวรถจักรไฟฟ้าขนาดเล็ก จาเป็นต้องอ้างอิงสมการพื้นฐานด้าน กลศาสตร์ของของแข็งและการหมุน เพื่อใช้ในการคานวณแรงเบรก แรงเสียดทาน และแรงบิดที่ระบบ จะต้องผลิตออกมาเพื่อให้สามารถหยุดหัว รถจักรได้อย่างปลอดภัย สมการสาคัญที่เกี่ยวข้องมี ดังต่อไปนี้ 1. สมการแรงที่เกิดจากแรงดันในกระบอกเบรก ใช้คานวณแรงที่ระบบอัดลมหรือไฮดรอลิกสามารถส่งไปยังกระบอกเบรกได้ เพื่อออกแบบ ขนาดกระบอกและแรงดันที่เหมาะสมให้สามารถสร้างแรงเบรกได้เพียงพอ 33 𝐹 =𝑃∙𝐴 (2.27) โดย 𝐹 = แรงที่กระทา (N) 𝑃 = ความดัน (Pa) 𝐴 = พื้นที่หน้าตัดที่ตั้งฉากกับแรง (m2) 2. แรงเสียดทานของผ้าเบรก ใช้วิเคราะห์แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นจริงในระบบเบรก ซึ่งมีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของการ ชะลอความเร็ว 𝐹𝑓 = 𝐶𝑓 ∙ 𝑁 (2.28) โดย 𝐹𝑓 = แรงเสียดทาน (N) 𝐶𝑓 = ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน 𝑁 = แรงตั้งฉากกับพื้นที่ (N) 3. แรงบิดจากแรงเสียดทานเบรก ใช้ประเมินแรงบิดรวมที่ระบบเบรกสามารถผลิตได้ โดยสัมพันธ์กับขนาดของดิสก์เบรก และ ตาแหน่งที่แรงกระทา 𝑇 =𝐹∙𝑟 (2.29) โดย 𝑇 = แรงบิด (N/m) 𝐹 = แรงเสียดทาน (N) 𝑟 = รัศมีของจานเบรก (m) 4. แรงบิดในระบบการหมุน ใช้เพื่อคานวณแรงบิด ที่ต้ อ งใช้ ในการชะลอหรื อหยุ ดการหมุน ของล้ อหรื อเพลา ซึ่งช่ ว ย เปรียบเทียบกับแรงบิดที่ระบบเบรกสามารถผลิตได้จริง 34 𝑇̅ = 𝐼 ∙ 𝛼̅ (2.30) โดย 𝑇̅= โมเมนต์ของแรง (N/m) 𝐼 = โมเมนต์ความเฉื่อย (kgm2) 𝛼̅ = ความเร่งเชิงมุม (m/s2) 2.5 ทฤษฎีแรงฉุดและแรงยึดเกาะในระบบขับเคลื่อนของรถไฟ แรงฉุด คือ แรงที่ระบบขับเคลื่อนของหัวรถจักรส่งผ่านจากล้อไปยังราง เพื่อทาให้ขบวนรถ เคลื่อนที่ แรงฉุดนี้มาจากการแปลงพลังงานจากมอเตอร์ไฟฟ้าหรือเครื่องยนต์สันดาปภายในผ่านระบบ ส่งกาลัง และถ่ายแรงไปยังล้อขับ ความสามารถในการสร้างแรงฉุดอย่างมีประสิทธิภาพเป็นสิ่งสาคัญต่อการออกแบบรถไฟ เพราะต้องสามารถออกตัวได้โดยไม่เกิดการหมุนฟรี เร่งความเร็วขบวนรถได้เพียงพอ ลากตู้พ่วงตาม น้าหนักบรรทุกที่กาหนด และปีนทางลาดชันได้โดยไม่ลื่น 2.5.1 สมการการคานวณที่เกี่ยวข้องกับแรงฉุดและแรงยึดเกาะในระบบขับเคลื่อนของรถไฟ ในการออกแบบหัวรถจักร จาเป็นต้องพิจารณาว่าระบบขับเคลื่อนสามารถสร้างแรงฉุดได้ เพียงพอต่อการลากจูงและเร่งความเร็วหรือไม่ และต้องไม่ส่งแรงเกินค่าที่แรงยึดเกาะจะรองรับได้ เนื่องจากจะทาให้ล้อหมุนฟรี และสูญเสียประสิทธิภาพของระบบ สมการสาคัญที่เกี่ยวข้องมีต่อไปนี้ 1. แรงฉุดสูงสุดจากแรงยึดเกาะ แรงฉุดที่สามารถสร้างได้จริงจะถูกจากัดด้วยแรงยึดเกาะระหว่างล้อและราง 𝑇𝑥 = 𝑓𝑥 ∙ 𝑄 = 𝑍 โดย 𝑇𝑥 = แรงฉุดสูงสุดที่ล้อสามารถส่งได้ (N) 𝑓𝑥 = สัมประสิทธิ์แรงยึดเกาะ 𝑄 = น้าหนักที่เพลาขับกดลงบนราง (N) 2. แรงฉุดตามทฤษฎีและแรงฉุดที่เกิดขึ้นจริง 35 (2.31) แรงฉุดตามทฤษฎีสามารถคานวณได้จาก 𝑍𝑚𝑎𝑥,𝑡ℎ = 𝑓𝑥 ∙ 𝑊𝐷 (2.32) โดย 𝑊𝐷 = น้าหนักรวมที่ตกลงเพลาขับ (N) อย่างไรก็ตาม ในการใช้งานจริงอาจไม่สามารถใช้แรงยึดเกาะได้เต็ม 100% เนื่องจาก น้าหนักล้อ กระจายไม่เท่ากัน ล้อบางเพลาอาจยกตัวจากแรงบิด เกิดการลื่นไถลหากส่งแรงมากเกินไป ดังนั้น จึง มีการวัดค่าประสิทธิภาพการใช้แรงยึดเกาะ ดังนี้ 𝜂= โดย 𝑍𝑚𝑎𝑥 𝑍𝑚𝑎𝑥,𝑡ℎ (2.33) 𝜂 = ความสามารถในหารใช้แรงยึดเกาะจริง 𝑍𝑚𝑎𝑥 = แรงฉุดที่เกิดขึ้นจริง (N) 3. การถ่ายน้าหนักขณะฉุด เมื่อหัวรถจักรเริ่มฉุดลาดขบวนรถ จะเกิดโมเมนต์จากแรงดึงที่ทาให้เพลาหน้าเบาขึ้นและเพลา หลังหนักขึ้น ซึ่งมีผลต่อค่า 𝑄 ล้อหน้าที่ลดลง ทาให้ 𝑇𝑥 ลดลงตาม รูปที่ 2.41 การถ่ายน้าหนักขณะฉุด 𝑍𝑚𝑎𝑥 = โดย 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ 𝑓𝑥 ℎ𝑑ℎ − ℎ𝑝 ℎ𝑝 1 + 2𝑓𝑥 ( + ) 𝑏 𝑎 𝑚 = มวลหัวรถจักร (kg) 36 (2.34) ℎ𝑑ℎ = ความสูงของจุดดึง ℎ𝑝 = ความสูงของ Pivot Bogie 𝑎 = ระยะฐานล้อของโบกี้ 𝑏 = ระยะระหว่างโบกี้ 4. ค่าการลื่นไถลและการควบคุม ล้อจะส่งแรงฉุดได้มากที่สุดในช่วง Slip ที่เหมาะสม โดยค่าการลื่นไถล คานวณได้จาก 𝑠𝑥 = โดย 𝑢−𝑣 𝑢 (2.35) 𝑠𝑥 = Slip Ratio 𝑢 = ความเร็วของเส้นรอบวงล้อ (m/s) 𝑣 = ความเร็วของรถไฟ (m/s) ค่าการลื่นไถลสูงเกินไปจะลดค่าการยึดเกาะ เพราะล้อหมุนฟรี ระบบควบคุมแรงฉุดในรถไฟ สมัยใหม่จะพยายามรักษาค่า Slip ให้เหมาะสมที่สุดตลอดเวลา 5. การควบคุมแรงฉุดแยกเพลา เพื่อให้การใช้แรงยึดเกาะมีประสิทธิภาพสูงสุดในแต่ละเพลา จึงมีการควบคุมแรงบิดแยกในแต่ ละเพลาขับ โดยใช้สมการ 2.31 𝑇𝑥,𝑖 = 𝑓𝑥,𝑚𝑎𝑥 ∙ 𝑄𝑖 , 𝑀𝑖 = 𝑇𝑥,𝑖 ∙ 𝑟 โดย 𝑇𝑥,𝑖 = แรงฉุดที่เพลา i 𝑄𝑖 = น้าหนักที่ตกบนเพลานั้น (N) 𝑓𝑥,𝑚𝑎𝑥 = ค่าสัมประสิทธิ์ยึดเกาะสูงสุด 𝑀𝑖 = แรงบิดของมอเตอร์ที่เพลานั้น 𝑟 = รัศมีล้อ (m 37 (2.36) บทที่ 3 ขั้นตอนการออกแบบ บทนี้แสดงถึงกระบวนการออกแบบและการดาเนินการที่เกี่ยวข้องกับโครงงานพัฒนาหัวรถจักร ไฟฟ้าสาหรับการแข่งขัน TRRN Railway Challenge 2026 โดยมีการศึกษาเกี่ยวกับการออกแบบหัว รถจักร เพื่อให้สามารถทางานได้อย่างมีประสิทธิภาพและสามารถแก้ไขปัญหาในปีที่ผ่านมาได้ ทั้งนี้มี การออกแบบ ผลิต และทดสอบ โดยมีการวิเคราะห์ด้วยหลักการทางวิศวกรรมเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ตาม วัตถุประสงค์ 3.1 ความต้องการของโครงงานในการออกแบบ (Design Requirements) เพื่อให้การพัฒนาและออกแบบหัวรถจักรไฟฟ้าเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพและเหมาะสมกับ เงื่อนไขการใช้งานจริง จาเป็นต้องกาหนดความต้องการในการออกแบบอย่างชัดเจนในด้านสมรรถนะ ความปลอดภัย และความเหมาะสมกับสภาพแวดล้อม โดยข้อกาหนดเหล่านี้จะเป็นแนวทางในการ เลือกใช้วัสดุ ระบบขับเคลื่อน และโครงสร้างของหัวรถจักรอย่างเหมาะสม ความต้องการในการออกแบบหัวรถจักรไฟฟ้า ได้กาหนดความต้องการหลักๆ ดังต่อไปนี้ 1. หัวรถจักรสามารถทาอัตราเร่งจากจุดหยุดนิ่งได้ไม่เกิน 5 วินาที ภายในระยะทาง 10 เมตร 2. ออกแบบและสร้างสมรรถนะของหัวจักรรถไฟฟ้า ให้สามารถวิ่งที่ความเร็วเฉลี่ย ตลอด เส้นทางระหว่าง 14.5-15 กิโลเมตรต่อชั่วโมง 3. ค่าความคลาดเคลื่อนในการหยุดของระบบ ATP น้อยกว่า ±5 เซนติเมตร 4. ออกแบบหัวรถจักรไฟฟ้าสาหรับวิ่งผ่านรัศมีโค้งแคบไม่เกิน 6.5 เมตร 5. ออกแบบหัวรถจักรไฟฟ้าที่สามารถ วิ่งที่ความชันไม่เกิน 4.94% 6. ออกแบบหัวรถจักรไฟฟ้าที่มีค่าการ สั่น NMV น้อยกว่า 1.5 7. ออกแบบหัวรถจักรไฟฟ้าที่สามารถทำงานได้โ ดยมีจำนวนการสัมผัสตัวรถระหว่างการ แข่งขันเท่ากับ 0 ครั้ง 8. ออกแบบชิ้นส่วนหลัก เช่น เพลา ให้มีค่า Safety Factor (SF) ไม่น้อยกว่า 2 เพื่อให้สามารถ รองรับแรงที่เกิดขึ้นระหว่างการใช้งานได้อย่างปลอดภัย 38 9. ออกแบบชุดจับยึดมอเตอร์ให้สามารถรองรับน้าหนักไม่น้อยกว่า 10 kg โดยไม่เกิดการเสีย รูปหรือความเสียหายต่อโครงสร้าง 10. ออกแบบโครงสร้างให้มีการดูดซับเสียง (Noise Absorption) อย่างเหมาะสม โดยไม่ ก่อให้เกิดปรากฏการณ์เรโซแนนซ์ (Resonance) ในช่วงการทางาน 11. ออกแบบระบบเบรกให้สามารถชะลอและหยุดรถได้อย่างปลอดภัย โดยรองรับสภาวะการ ทางานสูงสุด และมีความเสถียรในการควบคุม 3.2 การออกแบบหัวรถจักรไฟฟ้า 3.2.1 การออกแบบหรือการคานวณ ในการออกแบบหัวรถจักรไฟฟ้า จาเป็นต้องดาเนินการออกแบบและคานวณด้านวิศวกรรม อย่างเป็นระบบ เพื่อให้ได้ค่าทางเทคนิคที่เหมาะสมกับการใช้งานจริง โดยใช้หลักการทางกลศาสตร์ ควบคู่กับการวิเคราะห์ด้วยซอฟต์แวร์ทางวิศวกรรม เพื่อประเมินประสิทธิภาพและความแข็งแรงของ โครงสร้างอย่างถูกต้อง 1. ออกแบบภายใต้ความกว้างรางเล็กขนาด 30 เซนติเมตร 2. คานวณหาระยะฐานล้อสูงสุดสาหรับรัศมีโค้งเล็กขนาด 6.5 เมตร 3. วิเคราะห์โครงสร้างและกลไกด้วยโปรแกรม FEA เพื่อประเมินความแข็งแรง 4. พิจารณาปัจจัยการผลิต เช่น ความง่ายในการถอดประกอบ และวัสดุทหี่าได้ง่าย 3.2.2 วัสดุและอุปกรณ์ ในการดาเนินโครงการออกแบบและสร้างหัวรถจักรจาลอง จาเป็นต้องเลือกใช้วัสดุและอุปกรณ์ ที่เหมาะสมกับลักษณะงาน โดยพิจารณาจากความแข็งแรง น้าหนัก ความสะดวกในการผลิต และ ความสามารถในการวิเคราะห์และทดสอบด้วยซอฟต์แวร์ทางวิศวกรรม 1. วัสดุโลหะสาหรับโครงสร้าง ใช้สาหรับสร้างชิ้นส่วนหรือโครงสร้างที่ต้องการความแข็งแรง เช่น เหล็กกล้า อะลูมิเนียม หรือไทเทเนียม ซึ่งเหมาะสาหรับงานวิศวกรรมโครงสร้างหรือเครื่องกล 2. ซอฟต์แวร์ออกแบบ 3D เช่น SolidWorks เป็นโปรแกรมที่ใช้สร้างแบบจาลองสามมิติ (3D Modeling) ของชิ้นส่วนและชุดประกอบ (Assembly) ใช้ในงานออกแบบวิศวกรรมและผลิตภัณฑ์ เพื่อการพัฒนาและทดสอบแนวคิดก่อนการผลิตจริง 39 3. โปรแกรมวิเคราะห์ เช่น SolidWorks Simulation, Abaqus และ Ansys โปรแกรมเหล่านี้ ใช้สาหรับวิเคราะห์ความแข็งแรง ความเครียด ความเสียรูป และพฤติกรรมทางกลของชิ้นงานภายใต้ แรงหรือเงื่อนไขต่าง ๆ โดยใช้หลักการของ Finite Element Analysis (FEA) 3.2.3 วิธีการดาเนินงาน/การทดสอบ กระบวนการดาเนินงานของโครงการนี้ประกอบด้วยหลายขั้นตอนที่เชื่อมโยงกัน ตั้งแต่การ ออกแบบ วิเคราะห์ ไปจนถึงการผลิตและประกอบ เพื่อให้ได้ต้นแบบที่สามารถใช้งานได้จริงและตรง ตามวัตถุประสงค์ของการทดสอบ 1. การออกแบบชิ้นงาน เป็นขั้นตอนแรกที่ใช้โปรแกรม SolidWorks เพื่อสร้างแบบร่างและ แบบจาลองของชิ้นส่วนตามเงื่อนไขที่กาหนด เช่น ขนาด วัสดุ รูปทรง 2. การสร้างแบบจาลอง 3 มิติ แสดงรายละเอียดของชิ้นส่วนและจุดประกอบ เพื่อให้เข้าใจ ภาพรวมของกลไกและวิธีการทางาน 3. การจาลองและประเมินค่า ใช้ซอฟต์แวร์วิเคราะห์เพื่อประเมินค่าพารามิเตอร์สาคัญ เช่น ความแข็งแรง การเสียรูป การกระจายแรง 4. การผลิตและประกอบ ผลิตชิ้นงานจริงตามแบบที่ออกแบบไว้และประกอบเป็นระบบ สมบูรณ์ 5. การทดสอบและปรับแต่ง เก็บข้อมูลการทางานจริง เช่น ความเสถียร ประสิทธิภาพ เพื่อ นามาปรับปรุงให้ระบบดียิ่งขึ้น 6. การแข่งขัน นาผลงานที่ออกแบบ ผลิต และทดสอบแล้ว เข้าสู่การแข่งขันตามวัตถุประสงค์ ของโครงการ 3.3 ข้อจากัดในการดาเนินการ (Constraints) 3.3.1 ข้อจากัดในการออกแบบหัวรถจักรไฟฟ้า การออกแบบหัวรถจักรไฟฟ้าจาเป็นต้องพิจารณาข้อจากัดเชิงพื้นที่และข้อกาหนดทางเทคนิคที่ เกี่ยวข้องกับสภาพแวดล้อมการใช้งานจริง รวมถึงข้อกาหนดจากการแข่งขัน โดยข้อจากัดเหล่านี้ส่งผล ต่อการกาหนดรูปแบบโครงสร้าง ระบบล้อ และสมรรถนะของหัวรถจักรในภาพรวม ข้อจากัดในการออกแบบหัวรถจักรไฟฟ้า ประกอบไปด้วยดังต่อไปนี้ 40 1. โครงสร้างที่ออกแบบต้องสามารถผลิต ประกอบ และถอดซ่อมได้อย่างสะดวก ภายใต้ ข้อจำกัดด้านพื้นที่ใช้งาน ซึ่งมีขนาดกว้าง 80 เซนติเมตร และยาวไม่เกิน 3 เมตร 2. ออกแบบให้ระบบสามารถบำรุงรักษาและเปลี่ยนชิ้นส่วนได้สะดวก โดยใช้เวลาไม่เกิน 15 นาที 3. การออกแบบชุดล้อช่วงล่างภายใต้เงื่อนไขความกว้างรางที่ เล็ก (30 เซนติเมตร) ต้องอาศัย การวิเคราะห์แรงและโมเมนต์ในระดับละเอียดเพื่อหลีกเลี่ยงการพลิกคว่า 4. การออกแบบหัวรถจักรไฟฟ้าเพื่อให้สามารถวิ่งผ่านเส้นทางที่มี รัศมีโค้งเล็กขนาด 6.5 เมตร ได้ อ ย่า งมี ป ระสิ ท ธิ ภาพ จาเป็ น ต้ อ งกาหนดระยะฐานล้อ ให้ เ หมาะสม โดยไม่ ส่ ง ผลกระทบต่อ เสถียรภาพของตัวรถ 5. ตามกฎการแข่งขันได้กาหนดให้ความเร็วสูงสุดของรถไม่เกิน 15 กิโลเมตรต่อชั่วโมง เพื่อ ความปลอดภัยและเป็นไปตามมาตรฐานการแข่งขัน 3.3.2 ข้อจากัดในการ Simulation (FEA) แม้การจาลองด้วยวิธี Finite Element Analysis (FEA) จะเป็นเครื่องมือสาคัญในการวิเคราะห์ ความแข็งแรงของชิ้นส่วน แต่กระบวนการดังกล่าวยังมีข้อจากัดหลายประการที่อาจส่งผลต่อความ แม่นยาของผลการวิเคราะห์ ข้อจากัดเหล่านี้เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติวัสดุ สมมติฐานในสภาวะอุดมคติ และลักษณะของแรงที่ใช้ในการจาลอง ข้อจากัดในจาลองด้วยวิธี Finite Element Analysis ประกอบไปด้วยดังต่อไปนี้ 1. ข้ อ มู ล คุ ณ สมบั ติ วั ส ดุ ที่ นามาใช้ ใ นการจาลองสถานการณ์ (Simulation) อ้า งอิ ง จาก ฐานข้อมูลมาตรฐาน อาจมีความคลาดเคลื่อนจากวัสดุที่ใช้งานจริงในบางกรณี 2. การจาลองทาภายใต้เงื่อนไขอุดมคติ เช่น ความสมบูรณ์ของรูปทรง ความเรียบของพื้นผิว และไม่มีรอยต่อหรือความคลาดเคลื่อนจากกระบวนการผลิตจริง ซึ่งอาจส่งผลต่อความแม่นยาของผล การวิเคราะห์ 3. การจาลองแรงแบบคงที่จึงไม่สามารถสะท้อนผลกระทบที่เกิดจากแรงที่เปลี่ยนแปลงตาม เวลาได้อย่างครบถ้วน โดยเฉพาะในกรณีที่ต้องพิจารณาความเมื่อยล้าของวัสดุ ( Fatigue) หรือ พฤติกรรมเชิงไดนามิก เช่น การสั่น การตอบสนองต่อแรงกระแทก หรือการเสียรูปในระยะยาว 41 3.4 มาตรฐานการออกแบบ (Standards) ในการออกแบบยานพาหนะทางราง จาเป็นต้องอ้างอิงมาตรฐานที่เป็นที่ยอมรับในระดับสากล เพื่อให้มั่นใจว่ายานพาหนะที่ผลิตขึ้นจะมีความปลอดภัย แข็งแรง ทนทาน และสามารถให้บริการได้ อย่างมีประสิทธิภาพ โดยมาตรฐานต่างๆ ที่เกี่ยวข้อง ประกอบไปด้วย 1. EN 12663 - Structural requirements of railway vehicle bodies มาตรฐานนี้กาหนด ข้อกาหนดด้านโครงสร้างของตัวถังรถไฟ โดยระบุชนิดและระดับของแรงที่โครงสร้างจะต้องสามารถ รับได้ในสถานการณ์ต่างๆ เช่น แรงอัดตามแนวยาว แรงกระแทก หรือแรงเฉือน เพื่อให้มั่นใจว่า โครงสร้างมีความแข็งแรงเพียงพอและปลอดภัยต่อการใช้งานจริง ทั้งในกรณีปกติและเหตุการณ์ ฉุกเฉิน เช่น การชน 2. ISO 10516 - Reference masses of railway vehicles มาตรฐานนี้กาหนดมวลอ้างอิง ของยานพาหนะทางรางในรูปแบบต่างๆ เช่น มวลเปล่า (Tare mass), มวลรวมพร้อมผู้โดยสารหรือ สินค้า (Gross mass) และมวลออกแบบ (Design mass) ซึ่งเป็นข้อมูลสาคัญในการคานวณแรงทาง กล เช่น แรงเบรก แรงฉุด และแรงกดบนล้อและราง เพื่อการออกแบบระบบรองรับ น้าหนัก และ ระบบความปลอดภัย ให้เหมาะสมสอดคล้องกับเงื่อนไขการใช้งานจริง 3. EN 12299:2009 - Railway applications - Ride comfort for passengers Measurement and evaluation มาตรฐานนี้ เ กี่ ย วข้ อ งกั บ การประเมิ น ระดั บ ความสบายของ ผู้โดยสาร โดยเน้นการวัดค่าความเร่งและการสั่นสะเทือนที่ผู้โดยสารรับรู้ได้ระหว่างการเดินทาง มาตรฐานกาหนดวิธีการวัดในทิศทางต่างๆ (แนวตั้ง แนวนอน ฯลฯ) รวมถึงการประเมินผลตามค่าทาง เชิงสถิติ ซึ่งช่วยให้สามารถออกแบบระบบรองรับและระบบช่วงล่างให้สอดคล้องกับความต้องการด้าน ความสบายของผู้โดยสาร 3.5 เลือกเทคนิคหรือเครื่องมือที่เหมาะสมสาหรับงานวิศวกรรม กระบวนการออกแบบและสร้างหัว รถจักรไฟฟ้า ได้ดาเนินการโดยเลื อกใช้เครื่ องมื อ และ ซอฟต์แวร์ทางวิศวกรรมที่เหมาะสม เพื่อให้การออกแบบ วิเคราะห์ และประเมินผลเป็นไปอย่าง ถูกต้องและมีประสิทธิภาพสูงสุด ดังนี้ 1. Solid Works โปรแกรม SolidWorks ถูกนามาใช้ในการออกแบบชิ้นส่วนและโครงสร้างของหัวรถจักรไฟฟ้า ในรูปแบบสามมิติ (3D CAD) เพื่อให้สามารถมองเห็นภาพรวมของการจัดวางชิ้นส่วนภายในได้อย่าง ถูกต้องและสอดคล้องกับข้อจากัดทางพื้นที่ของการแข่งขัน โปรแกรมนี้ยังถูกใช้ในการคานวณหาค่า 42 ทางกลศาสตร์เบื้องต้น เช่น ตาแหน่งจุดศูนย์ถ่วง (Center of Gravity: CG) และการกระจายน้าหนัก ของหัวรถจักร โดยโปรแกรมนี้ช่วยให้สามารถออกแบบโครงสร้างได้อย่างแม่นยาและตรวจสอบความ ถูกต้องของการประกอบก่อนการผลิตจริง โดยมีรายละเอียดการประยุกต์ใช้แสดงในหัวข้อ 3.10 2. Ansys โปรแกรม ANSYS สาหรั บ การวิ เ คราะห์ ค วามเค้ น และความเครี ย ด (Stress and Strain Analysis) ของชิ้นส่วนโครงสร้าง เพื่อประเมินความแข็งแรงของวัสดุและจุดที่อาจเกิดความเสียหาย รวมถึ ง ใช้ใ นการวิเ คราะห์ จุ ด สั ม ผัส ระหว่า งล้ อ และราง (Contact Patch Analysis) เพื่ อ ศึ ก ษา พฤติกรรมการกระจายแรงและประสิทธิภาพการยึดเกาะของล้อกับราง ซึ่งเป็นปัจจัยสาคัญต่อ สมรรถนะการทรงตัวและการเคลื่อนที่ของหัวรถจักร โดยมีรายละเอียดการประยุกต์ใช้แสดงในหัวข้อ 3.7 3.6 หลักการออกแบบ หลักการออกแบบหัวรถจักรไฟฟ้านี้อ้างอิงจากความรู้ทางทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง เพื่อใช้เป็นแนวทาง ในการคัดเลือกรูปแบบที่เหมาะสม เนื่องจากหัวรถจักรที่ใช้ในการแข่งขันมีหลายประเภทดังที่ได้ศึกษา ไว้ในบททฤษฎีที่เกี่ยวข้อง คณะผู้จัดทาจึงได้กาหนดหลักเกณฑ์ในการพิจารณาและคัดเลือกรูปแบบ ของหัวรถจักรไว้ดังต่อไปนี้ 3.6.1 การพิจารณาต้นแบบ 1. โครงสร้างของหัวรถจักรไฟฟ้า โครงสร้างของหัวรถจักรไฟฟ้าประกอบด้วยส่วน Chassis ซึ่งเป็นโครงหลักของตัวรถ ทาหน้าที่ รองรับน้าหนักและเป็นฐานสาหรับติดตั้งอุปกรณ์ต่างๆ โดยในส่วนต่อไปจะกล่าวถึงรูปแบบของ โครงสร้างที่เหมาะสมและสามารถนามาใช้กับหัวรถจักรไฟฟ้าได้ O-Frame สามารถกระจายแรงเท่ากัน แรงจาก Wheelsets และ Suspension กระจายรอบ วง ทาให้ลดจุดรวมแรง (Stress Concentration) ความแข็งแรงโครงสร้างสูง การเป็นวงปิดช่วยให้ ต้านแรงบิด (Torsion) และแรงเฉือน (Shear) ได้ดีกว่า H-Frame ทาให้ Frame ไม่บิดตัวเมื่อรับแรง จากล้อหรือราง เช่น Y25 bogie มีน้าหนักมากกว่า (Heavier) เนื่องจากมีโครง Cross Beam ทั้งหน้า และหลั ง ทาให้ ใ ช้ วั ส ดุ มากขึ้ น ยื ด หยุ่ น น้ อ ยกว่า (Less Flexible) โครงที่ แ ข็ ง มากทาให้ รั บ แรงสั่นสะเทือนได้น้อย ต้องพึ่งระบบกันสะเทือนที่ดีมาช่วย [28] 43 Welded Frame มีข้อดี คือ แข็งแรง ซ่อมง่าย ใช้กันมากในรถไฟโดยสารและรถสินค้า สร้าง มาจาก Steel Plate, Box Beams และ Square Tube เช่น BT10 Passenger Bogie และมีข้อเสีย คือ มี Residual Stress จากการเชื่อม อาจเกิด Fatigue Crack โดยเฉพาะที่มุมหรือรอยเชื่อมหนา [29] H-Frame มีความยืดหยุ่น ในการบิดตัว (Torsional Flexibility) ใช้วัสดุน้อยกว่า O-frame โครงสร้างไม่ซับซ้อน ความแข็งแรงโครงสร้างต่ากว่า O-frame โครงเปิดทาให้รับแรงบิดได้ไม่ดีนัก อาจเกิดการบิดตัวเมื่อวิ่งเร็วมากการกระจายแรงไม่สมดุล มีน้าหนักมากกว่า (Heavier) เนื่องจากมี โครง Cross Beam ทั้งหน้าและหลัง ทาให้ใช้วัสดุมากขึ้น ยืดหยุ่นน้อยกว่า (Less Flexible) โครงที่ แข็งมากทาให้รับแรงสั่นสะเทือนได้น้อย ต้องพึ่งระบบกันสะเทือนที่ดีมาช่วย [30] Three-piece bogie มี 3 ชิ้นส่วนหลัก Bolster, Side Frame และ Wheelsets ซึ่งจะมีร่อง สล็อตในจุดของ Primary Suspension ซึ่งเป็นจุดเชื่อมระหว่าง Side Frame และ Wheelsets ซึ่ง จะมีการติดตั้งสปริงและ Secondary Suspension เป็นจุดเชื่อมระหว่าง Bolster และ Side Frame ซึ่งสามารถเลือก Absorber ได้หลากหลายเช่น ถุงลม สปริง และแดมเปอร์ รับน้าหนักได้มาก เหมาะ กับรถบรรทุกสินค้าหนัก (โหลดสูงกว่า 100 ตัน) ไม่เหมาะกับความเร็วสูง เสียงดังและแรงกระแทกสูง เนื่องจากระบบเชื่อมต่อไม่แน่นแบบ Integral Frame [31] 2. ระบบส่งกาลัง ระบบส่งกาลังของหัวรถจักรไฟฟ้าเป็นองค์ประกอบสาคัญที่ทาหน้าที่ถ่ายทอดพลังงานจาก มอเตอร์ไฟฟ้าไปยังล้อขับเคลื่อนของรถไฟ เพื่อให้เกิดแรงฉุดลากที่เพียงพอในการขับเคลื่อนขบวนรถ ระบบนี้ประกอบด้วยส่วนต่างๆ เช่น มอเตอร์ขับเคลื่อน เพลาขับ เฟืองส่งกาลัง และชุดควบคุม ซึ่ ง ต้องทางานอย่างสัมพันธ์กันอย่างมีประสิทธิภาพ การออกแบบและเลือกใช้ระบบส่งกาลังที่เหมาะสม จึงมีผลโดยตรงต่อสมรรถนะ ความปลอดภัย และความคุ้มค่าด้านพลังงานของการเดินรถไฟฟ้า ต้นกาลังของหัวรถจักรไฟฟ้ามีหน้าที่หลักในการแปลงพลังงานไฟฟ้าให้เป็นพลังงานกลเพื่อ ขับเคลื่อนขบวนรถอย่างมีป ระสิทธิภาพ ปัจจุบันนิยมใช้มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ (AC Motor) เนื่องจากมีความทนทานและควบคุมง่าย [32] มอเตอร์ที่พบได้ทั่ว ไป ได้แก่ มอเตอร์เหนี่ยวนา (Induction Motor) และมอเตอร์ซิงโครนัส (Synchronous Motor) ซึ่งแต่ละประเภทมีคุณสมบัติ เฉพาะที่เหมาะสมกับรูปแบบการใช้งานที่แตกต่างกันดังนี้ [33] 44 มอเตอร์เหนี่ยวนา ข้อดี - โครงสร้างเรียบง่าย ไม่ต้องใช้แหล่งจ่ายกระแสตรงสาหรับโรเตอร์ - มีความทนทานสูง เหมาะกับงานที่ใช้งานหนักต่อเนื่อง - ต้นทุนการผลิตและการบารุงรักษาต่า - ใช้กับอินเวอร์เตอร์ทั่วไปได้ง่าย - แรงบิดเริ่มต้น (Starting torque) ค่อนข้างดี ข้อเสีย - มี Slip และความเร็วโรเตอร์ต่ากว่าความเร็วสนามแม่เหล็กเล็กน้อย ทาให้ควบคุมความเร็ว ไม่แม่นยา 100% - ประสิทธิภาพโดยรวมต่ากว่ามอเตอร์ซิงโครนัสเล็กน้อย - การควบคุมแรงบิดและความเร็วต้องพึ่งการปรับความถี่ไฟฟ้า (V/f control หรือ Vector Control) มอเตอร์ซิงโครนัส ข้อดี - ไม่มี Slip ความเร็วคงที่ เท่ากับความถี่ของแหล่งจ่ายไฟ ทาให้ควบคุมแม่นยา - ประสิทธิภาพสูง โดยเฉพาะที่โหลดคงที่ - ให้ค่า Power Factor ได้ดี ถ้าออกแบบให้ปรับค่า Excitation - เหมาะกับระบบที่ต้องการควบคุมความเร็วและแรงบิดอย่างแม่นยา เช่น รถไฟความเร็วสูง ข้อเสีย - โครงสร้างซับซ้อนกว่า อาจต้องใช้ Exciter หรือ Permanent Magnet ในโรเตอร์ - การควบคุมเริ่มต้นการหมุน (Starting) ต้องใช้วงจรช่วย หรือ VFD (Variable Frequency Drive) 45 - ต้นทุนในการผลิตและดูแลรักษาสูงกว่ามอเตอร์เหนี่ยวนา - อาจมีปัญหาหากต้องการใช้งานที่โ หลดเปลี่ยนแปลงบ่อย ๆ โดยไม่มีระบบควบคุ ม ที่ เหมาะสม ระบบส่งกาลังของหัวรถจักรไฟฟ้ามีบทบาทสาคัญในการถ่ายทอดแรงขับจากต้นกาลังไปยังล้อ ขับเคลื่อนอย่างมีประสิทธิภาพ ปัจจุบันมีการใช้กลไกส่งกาลังหลายประเภท เช่น โซ่ เฟือง และ สายพาน ซึ่งแต่ละระบบมีข้อดีและข้อจากัดที่แตกต่างกัน การเลือกใช้ระบบส่งกาลังที่เหมาะสม จาเป็นต้องพิจารณาปัจจัยด้านแรงบิด ความทนทาน และสภาพแวดล้อมการใช้งาน โดยรายละเอียด เปรียบเทียบข้อดีข้อเสียของแต่ละระบบมีดังนี้ [34] โซ่ ข้อดี - ทนทานต่อแรงบิดสูง เหมาะกับงานที่ต้องการแรงฉุดมาก - โครงสร้างแข็งแรงและทนต่อสภาพแวดล้อมได้ดี - สามารถถ่ายทอดกาลังได้มีประสิทธิภาพสูง ข้อเสีย - ต้องการการบารุงรักษาอย่างสม่าเสมอ เช่น การหล่อลื่น - มีเสียงดังและสั่นสะเทือนมากกว่าระบบอื่น - โซ่อาจยืดตัวหรือสึกหรอเมื่อใช้งานไปนาน เกียร์ ข้อดี - ทนทานและสามารถส่งกาลังได้อย่างแม่นยา - เหมาะกับการใช้งานที่ต้องการอัตราทดแรงบิดและความเร็วที่แน่นอน - มีความทนทานและอายุการใช้งานยาวนาน 46 ข้อเสีย - โครงสร้างซับซ้อนและมีต้นทุนสูง - ต้องการการบารุงรักษาและการหล่อลื่นอย่างต่อเนื่อง - น้าหนักมากและอาจเพิ่มความซับซ้อนของระบบ สายพาน ข้อดี - น้าหนักเบา โครงสร้างเรียบง่าย - ลดเสียงและแรงสั่นสะเทือนได้ดี - ง่ายต่อการติดตั้งและบารุงรักษา ข้อเสีย - ส่งกาลังได้จากัด เหมาะกับแรงบิดไม่สูงมาก - สายพานอาจลื่นหรือขาดได้หากไม่ได้รับการดูแลอย่างเหมาะสม - อายุการใช้งานจากัด ต้องเปลี่ยนบ่อยกว่าระบบอื่น 3. ระบบรองรับการสั่นสะเทือน ระบบรองรับการสั่นสะเทือนหลัก (Primary Suspension) อยู่ระหว่างเพลาล้อ (Wheelset) และโครงโบกี้ (Bogie Frame) ทาหน้าที่ลดแรงสั่นสะเทือนที่เกิดจากความไม่เรียบของรางโดยตรง อุปกรณ์สาคัญได้แก่ สปริง แดมเปอร์ โช๊คอัพ ยางเชียร์บล็อก และ Trailing Arm [20] สปริง (Spring) ทาหน้าที่รองรับแรงแนวดิ่งจากราง ช่วยให้ล้อเคลื่อนไหวขึ้น-ลงได้โดยไม่ส่งแรง กระแทกโดยตรงไปยังโครงบ็อกกี้ [22] ข้อดี - ช่วยลดแรงกระแทกจากราง ทาให้การขับเคลื่อนนุ่มนวลขึ้น - ปรับตัวได้ดีต่อความไม่เรียบของราง - โครงสร้างเรียบง่าย ทนทาน ใช้งานได้นาน 47 - ต้นทุนการผลิตและบารุงรักษาต่า ข้อเสีย - ไม่สามารถดูดซับพลังงานได้เอง ต้องใช้แดมเปอร์ช่วย - ถ้าค่าความแข็งไม่เหมาะสม อาจทาให้ระบบสั่นหรือเด้งเกินไป - ไม่สามารถปรับความแข็งอัตโนมัติเมื่อน้าหนักบรรทุกเปลี่ยน แดมเปอร์ (Damper) ทาหน้าที่ลดแรงสั่นสะเทือนและการเด้งของสปริง และการเคลื่อนที่ของ ชิ้นส่วนให้มั่นคง เป็นอุปกรณ์ที่ทางานเฉพาะการดูดซับพลังงาน (Dissipate Energy) ไม่มีสปริงในตัว และทางานโดยอาศัยการไหลของน้ามันหรือแก๊สผ่านช่องแคบเพื่อสร้างแรงหน่วง [22] ข้อดี - ตอบสนองเร็วและเสถียร - ปรับค่าแดมป์ให้เหมาะสมกับการใช้งานได้ - โครงสร้างเรียบง่ายกว่าโช๊คอัพที่รวมสปริง ข้อเสีย - ไม่รองรับน้าหนักหรือแรงกระแทกโดยตรง ต้องอาศัยสปริงแยกทางานร่วม - ต้องติดตั้งคู่กับสปริงเพื่อให้ระบบทางานครบ โช๊คอัพ (Shock Absorber) ทาหน้าที่ทั้งรองรับน้าหนักและดูดซับแรงสั่นสะเทือน รองรับแรง แนวดิ่งบางส่วนจากน้าหนักรถ (บางรุ่นอาจไม่รองรับเต็มน้าหนัก ต้องร่วมกับสปริงหลัก) และดูดซับ แรงสั่นสะเทือนและลดการเด้ง โดยทั่วไปจะรวม สปริง และแดมเปอร์ในตัวเดียว มีหลายรูปแบบ เช่น Coilover (สปริงคอยล์รอบแดมเปอร์) หรือ Twin-tube ข้อดี - ทางานแบบรวมชิ้นเดียว ลดจานวนชิ้นส่วน - ตอบสนองต่อแรงกระแทกได้ทันที - ลดพื้นทีต่ิดตั้งและติดตั้งง่าย 48 ข้อเสีย - ปรับความแข็งของสปริง และแดมเปอร์ไม่อิสระเท่าการใช้สปริงคู่กับแดมเปอร์แยก - ถ้าเสีย จะเสียทั้งฟังก์ชันรองรับน้าหนักและแดมเปอร์ - ราคาสูงกว่าการใช้สปริงและแดมเปอร์แยก ระบบรองรับการสั่นสะเทือนรอง (Secondary Suspension) อยู่ระหว่างโครงโบกี้และตัวถังรถ ทาหน้าที่กรองแรงสั่นสะเทือนความถี่ต่า เช่น รอยต่อรางหรือการโยกตัวของราง อุปกรณ์หลักคือ ถุง ลม สปริงเหล็กแบบไม่เชิงเส้น แดมเปอร์รอง และ Bolster/Bolsterless Structure [20] ถุงลม (Air Spring) ทาหน้าที่รองรับ น้าหนักของตัวถังรถ ควบคุมระดับความสูงของตัวรถให้ คงที่โดยใช้แรงดันอากาศในถุงลม [22] ข้อดี - ปรับความแข็งอัตโนมัติตามน้าหนักบรรทุก - ให้ความนุ่มนวลสูง เหมาะกับรถโดยสาร - ลดแรงสั่นสะเทือนในช่วงความถี่ต่าได้ดีมาก ข้อเสีย - มีระบบควบคุมที่ซับซ้อน ต้องตรวจสอบแรงดันสม่าเสมอ - ถุงลมเสื่อมสภาพได้เมื่อใช้เป็นเวลานาน - ต้นทุนติดตั้งและซ่อมบารุงสูงกว่าสปริงเหล็ก แดมเปอร์รอง (Secondary Damper) ทาหน้าที่ดูดซับแรงสั่นสะเทือนจากโครงโบกี้ก่อนถึง ตัวถังรถ โดยเฉพาะในแนวดิ่งและแนวข้าง รูปที่ 3.1 แดมเปอร์รอง 49 ข้อดี - ลดแรงสั่นสะเทือนในช่วงความถี่ต่าได้ดี - ช่วยควบคุมการเคลื่อนไหวของตัวถังให้มั่นคง - ลดการเอนของรถในขณะเข้าโค้ง ข้อเสีย - ต้องปรับค่าแดมเปอร์ให้เหมาะสมกับระบบโดยรวม - เสื่อมสภาพตามอายุการใช้งาน - ควบคุมไม่ดีอาจเกิดอาการแข็งหรือตอบสนองช้า ก้อนยาง (Rubber Block/Rubber Mount) วางระหว่างตัวถังรถกับโครงบ็อกกี้ หรือบางกรณี อยู่ระหว่างสปริงลมและจุดยึดหลัก เพื่อดูดซับแรงสั่นสะเทือนความถี่สูงที่สปริงลมหรือแดมเปอร์ไม่ สามารถกรองได้ทั้งหมด รวมถึงลดการสั่นสะเทือนเชิงโครงสร้าง (Structure-borne Vibration) ข้อดี - ลดเสียงและแรงสั่นสะเทือนที่ส่งผ่านเข้าสู่ตัวถังรถ - มีคุณสมบัติยืดหยุ่นสูงในหลายทิศทาง (Vertical, Lateral, Longitudinal) - ไม่ต้องใช้ระบบควบคุมซับซ้อน - น้าหนักเบาและต้นทุนต่ากว่าสปริงลม ข้อเสีย - เสื่อมสภาพได้เมื่อเจอความร้อน น้ามัน หรือรังสี UV - ไม่เหมาะกับการรองรับแรงบรรทุกสูงมากๆ - คุณสมบัติทางยืดหยุ่นลดลงตามอายุการใช้งาน - ต้องเปลี่ยนเป็นระยะเพื่อรักษาประสิทธิภาพการกันสะเทือน 50 จากระบบรองรั บ การสั่ น สะเทื อ นหลั ก (Primary Suspension) และระบบรองรั บ การ สั่นสะเทือนรอง (Secondary Suspension) นั้นสามารถนามารวมกันจึงได้เป็นแนวคิดทั้ง 9 รูปแบบ ดังนี้ รูปแบบ 1: ระบบกันสะเทือนหลักประกอบด้วยสปริง และแดมเปอร์ ระบบกันสะเทือนรองประกอบด้วยถุงลม ก้อนยาง และแดมเปอร์ ข้อดี - ระบบยืดหยุ่นดี แดมเปอร์สามารถแยกปรับได้ - ระบบกันสะเทือนรองสามารถกรองแรงสั่นสะเทือนสูงสุด (ทั้งแรงต่าและสูง) - ก้อนยางช่วยลดเสียงและแรงด้านข้าง ข้อเสีย - จานวนชิ้นส่วนเยอะ บารุงรักษาหลายจุด - ราคาสูง รูปแบบ 2: ระบบกันสะเทือนหลักประกอบด้วยสปริง ระบบกันสะเทือนรองประกอบด้วยถุงลม ก้อนยาง และแดมเปอร์ ข้อดี - ระบบกันสะเทือนหลักทนทาน - ระบบกันสะเทือนรองนุ่ม และลดแรงสั่นสะเทือนสูง ข้อเสีย - ระบบกันสะเทือนหลักไม่มแี ดมป์แยก อาจทาให้กระเด้งเกินไป - ต้องอาศัยแดมป์ในระบบกันสะเทือนรองมาก รูปแบบ 3: ระบบกันสะเทือนหลักประกอบด้วยโช๊คอัพ ระบบกันสะเทือนรองประกอบด้วยถุงลม ก้อนยาง และแดมเปอร์ 51 ข้อดี - ระบบกันสะเทือนหลักรองรับน้าหนัก และแดมป์รวมในตัว รวมถึงตอบสนองเร็ว - ระบบกันสะเทือนรองลดแรงสั่นสะเทือนครบทุกช่วง ข้อเสีย - โช๊คอัพแพง - ปรับแต่งแดมเปอร์กับสปริงได้จากัด - หากก้อนยางเสื่อมสภาพก็ต้องเปลี่ยน รูปแบบ 4: ระบบกันสะเทือนหลักประกอบด้วยสปริง และแดมเปอร์ ระบบกันสะเทือนรองประกอบด้วยถุงลม และแดมเปอร์ ข้อดี - ระบบกันสะเทือนหลักสามารถแยกแดมเปอร์ปรับได้ - ระบบกันสะเทือนรองไม่ซับซ้อน และบารุงรักษาง่าย ข้อเสีย - ระบบกันสะเทือนรองไม่มีก้อนยางช่วยลดเสียงและแรงด้านข้าง - การกรองแรงสูงบางช่วงอาจน้อยกว่าระบบกันสะเทือนหลัก รูปแบบ 5: ระบบกันสะเทือนหลักประกอบด้วยสปริง ระบบกันสะเทือนรองประกอบด้วยถุงลม และแดมเปอร์ ข้อดี - ระบบกันสะเทือนหลักและรองเรียบง่าย และง่ายต่อการบารุงรักษา ข้อเสีย - ระบบกันสะเทือนหลักไม่มีแดมป์แยก - ระบบกันสะเทือนรองไม่มีก้อนยางช่วยลดเสียงและแรงด้านข้าง 52 - มีความนุ่มนวลน้อยกว่ารูปแบบ 1 และ 3 รูปแบบ 6: ระบบกันสะเทือนหลักประกอบด้วยโช๊คอัพ ระบบกันสะเทือนรองประกอบด้วยถุงลม และแดมเปอร์ ข้อดี - ระบบกันสะเทือนหลัก โช๊ครวมแดมเปอร์และสปริงทาให้ตอบสนองแรงเร็ว - ระบบกันสะเทือนรองไม่ซับซ้อน และค่าบารุงรักษาต่า ข้อเสีย - ระบบกันสะเทือนหลักมีแดมเปอร์กับสปริงที่ปรับแต่งได้จากัด - ระบบกันสะเทือนรองไม่มีก้อนยางช่วยลดเสียงและแรงด้านข้าง รูปแบบ 7: ระบบกันสะเทือนหลักประกอบด้วยสปริง และแดมเปอร์ ระบบกันสะเทือนรองประกอบด้วยถุงลม และก้อนยาง ข้อดี - ระบบกันสะเทือนหลักมีแดมเปอร์ที่ปรับได้ - ระบบกันสะเทือนรองมีก้อนยางช่วยลดเสียงและแรงด้านข้าง ข้อเสีย - ระบบกันสะเทือนรองไม่มีแดมเปอร์ ทาให้การดูดซับแรงสั่นสะเทือนแนวดิ่งต่า - ต้องอาศัยแดมเปอร์ในระบบกันสะเทือนหลักมาก รูปแบบ 8: ระบบกันสะเทือนหลักประกอบด้วยสปริง ระบบกันสะเทือนรองประกอบด้วยถุงลม และก้อนยาง ข้อดี - ระบบกันสะเทือนรองมีก้อนยางช่วยลดเสียงและแรงด้านข้าง - ระบบเรียบง่าย 53 ข้อเสีย - ระบบกันสะเทือนหลักไม่มแี ดมป์แยก อาจทาให้กระเด้งเกินไป - ระบบกันสะเทือนรองไม่มีแดมเปอร์ ทาให้การดูดซับแรงสั่นสะเทือนแนวดิ่งต่า รูปแบบ 9: ระบบกันสะเทือนหลักประกอบด้วยโช๊คอัพ ระบบกันสะเทือนรองประกอบด้วยถุงลม และก้อนยาง ข้อดี - ระบบกันสะเทือนหลักรวมสปริงและแดมเปอร์ มีการตอบสนองเร็ว - ระบบกันสะเทือนรองมีก้อนยางช่วยลดเสียงและแรงด้านข้าง ข้อเสีย - ระบบกันสะเทือนหลักมีแดมเปอร์กับสปริงที่ปรับแต่งได้จากัด - ระบบกันสะเทือนรองไม่มีแดมเปอร์ ทาให้การดูดซับแรงสั่นสะเทือนแนวดิ่งต่า - ค่าบารุงรักษาสูง จากการวิเคราะห์จากข้อดีและเสียของทั้ง 9 รูปแบบ สามารถสรุปได้ว่า รูปแบบที่ดีที่สุดด้านความนุ่มนวล และการลดแรงสั่นสะเทือนสูงสุด คือ รูปแบบ 1 เพราะมี สปริงและแดมเปอร์แยกในระบบกันสะเทือนหลัก และในระบบกันสะเทือนรองมี ถุงลม ก้อนยาง และ แดมเปอร์ รูปแบบที่บารุงรักษาต่าที่สุด คือ รูปแบบ 5 หรือ 6 เพราะชิ้นส่วนในระบบกันสะเทือนรองน้อย รูปแบบที่คุมพื้นที่การติดตั้งและชิ้นส่วนรวมตัวเดียว คือ รูปแบบ 3 หรือ 9 เพราะใช้โช๊คอัพใน ระบบกันสะเทือนหลัก 4. ระบบเบรก ระบบเบรกเป็นอุปกรณ์สาคัญในระบบกลไกที่ทาหน้าที่ ลดความเร็วหรือหยุดการเคลื่อนที่ของ ล้อหรือเพลา โดยอาศัยหลักการแปลงพลังงานจลน์ให้เป็นพลังงานความร้อนผ่านแรงเสีย ดทาน (Friction force) ระหว่างผิวสัมผัสของเบรกกับจานหรือตัวรองรับแรง 54 ดิสก์เบรก (Disc Brake) ประกอบด้วยจานเบรก (Brake Disc หรือ Rotor) ที่หมุนพร้อมล้อ และคาลิเปอร์ (Caliper) ซึ่งภายในมีผ้าเบรก (Brake Pad) เมื่อมีการเหยียบเบรก น้ามันเบรกจะถูกส่ง เข้าไปดันลูกสูบในคาลิเปอร์ให้ผ้าเบรกหนีบจานเบรก ทาให้เกิดแรงเสียดทานและลดความเร็ว โดย เบรกดิสก์ทาหน้าที่รับแรงเสียดทานจากผ้าเบรกและแปลงพลังงานจลน์เป็นความร้อน เบรกคาลิเปอร์ เป็นกลไกดันผ้าเบรกเข้าหาจานเบรก ผ้าเบรกเป็นวัสดุเสียดทานที่สัมผัสกับจานเบรกเพื่อลดความเร็ว และไฮดรอลิกไลน์จะส่งแรงดันน้ามันเบรกจากแม่ปั๊มไปยังคาลิเปอร์ [27] ข้อดี - ระบายความร้อนได้ดี เนื่องจากจานเบรกเปิดโล่ง - ประสิทธิภาพคงที่ แม้ในอุณหภูมิสูง (ไม่ค่อยเกิด Brake Fade) - การบารุงรักษาง่าย เปลี่ยนผ้าเบรกได้สะดวก - น้าหนักรวมของระบบเบรกโดยทั่วไปเบากว่าแบบดรัม ข้อเสีย - ราคาและต้นทุนการผลิตสูงกว่า - ประสิทธิภาพลดลงเมื่อเปียกน้า (แต่ดีกว่าดรัมในระยะหลัง) - ต้องใช้แรงดันไฮดรอลิกสูงกว่าแบบดรัมในระบบที่ไม่มีตัวช่วยเสริมแรง ดรัมเบรก (Drum Brake) ประกอบด้วย ดรัม (Brake Drum) ที่หมุนพร้อมล้อ และ ผ้าเบรก (Brake Shoe) อยู่ภายใน เมื่อเหยียบเบรก ลูกสูบในกระบอกเบรกจะดันผ้าเบรกให้กางออกไปเสียดสี กับผิวด้านในของดรัม ทาให้ล้อหมุนช้าลง โดยเบรกดรัมทาหน้าที่รับแรงเสียดทานจากผ้าเบรกภายใน ก้ามเบรกจะเป็นผิวสัมผัสเสียดทานภายในดรัม ใช้ในการหยุดการหมุน กระบอกสูบล้อจะผลักผ้าเบรก ออกเมื่อได้รับแรงดันจากระบบไฮดรอลิก และสปริงคืนตัวจะดึงผ้าเบรกกลับเข้าที่เมื่อปล่อยเบรก ข้อดี - ต้นทุนการผลิตต่ากว่า - ผ้าเบรกมีพื้นที่สัมผัสมาก ให้แรงเบรกสูงในแรงกดต่า - ระบบ self-energizing (แรงหมุนช่วยเพิ่มแรงเสียดทาน) ทาให้ใช้แรงเหยียบน้อย - ป้องกันฝุ่นและน้าได้ดี เนื่องจากอุปกรณ์อยู่ภายในดรัม 55 ข้อเสีย - ระบายความร้อนได้ไม่ดี เกิดการ fade ได้ง่ายเมื่อเบรกต่อเนื่อง - บารุงรักษายากกว่า (ต้องถอดดรัมออกเพื่อเปลี่ยนผ้าเบรก) - การตอบสนองช้ากว่า และน้าหนักมากกว่าแบบดิสก์ 5. ล้อรถไฟ ล้อรถไฟถือเป็น องค์ป ระกอบหลัก ที่มีห น้าที่รองรับน้าหนักของตู้รถไฟและถ่ายทอดแรง ขับเคลื่อนไปยังราง โดยต้องมีความแข็งแรง ทนทาน และมีหน้าสัมผัสกับรางที่เหมาะสมเพื่อช่วยใน การยึดเกาะและลดการสึกหรอ ล้อรถไฟยังถูกออกแบบให้มีความลาดเอียงเล็กน้อยเพื่อช่วยในการเข้า โค้งโดยไม่ต้องใช้พวงมาลัย ซึ่งช่วยให้การทรงตัวเป็นไปอย่างมั่นคงและลดแรงเสียดทานระหว่างการ เคลื่อนที่ ระบบล้อจึงเป็นส่วนสาคัญที่ส่งผลต่อความปลอดภัยและประสิทธิภาพโดยรวมของรถไฟ อัตราความลาดเอียงของล้อรถไฟ (Conicity) [35] รูปที่ 3.2 แสดงความลาดเอียงของล้อรถไฟ ในการออกแบบล้อของรถไฟ การกาหนดอัตราความลาดเอียงของล้อ (Conicity) ถือเป็นปัจจัย สาคัญที่ส่งผลต่อพฤติกรรมการเคลื่อนที่ของรถไฟทั้งในทางตรงและขณะเข้าโค้ง โดยล้อที่มีความลาด เอียงเหมาะสมจะช่วยให้รถไฟสามารถวิ่งได้อย่างมั่นคง ลดแรงสั่นสะเทือน ลดการสึกหรอของล้อและ ราง และช่วยให้เกิดการบังคับเลี้ยวอัตโนมัติของเพลารถในขณะเข้าโค้งได้ อย่างมีประสิทธิภาพ ทั้งนี้ อัตราความลาดเอียงของล้อสามารถแบ่งออกได้หลายระดับ ซึ่งแต่ละระดับจะมีข้อดีข้อเสียและความ เหมาะสมที่แตกต่างกันไปตามลักษณะของระบบรถไฟ ดังนี้ 56 อัตราความลาดเอียงของล้อรถไฟ 1:10 ข้อดี - เข้าโค้งแคบได้ดี เนื่องจากเกิดความต่างรัศมีของล้อซ้าย-ขวาเร็ว - ลดการพึ่งพา Flange ในการนาทาง - เหมาะกับรถไฟเมือง/รถรางในพื้นที่จากัด - ช่วยให้พวงมาลัยล้อเป็นแบบ Self-Steering ได้ง่าย ข้อเสีย - มีแนวโน้มเกิด Hunting Oscillation ได้ง่ายที่ความเร็วสูง - สั่นสะเทือนมากในการวิ่งทางตรง - ทาให้เกิดแรงกระทาด้านข้างสูงขึ้น (Lateral force) - เพิ่มการสึกหรอของรางและล้อโดยเฉพาะที่ Flange - ไม่เหมาะกับรถไฟที่วิ่งความเร็วสูงหรือทางยาว อัตราความลาดเอียงของล้อรถไฟ 1:20 ข้อดี - เป็นค่ามาตรฐานสมดุลในระบบราง (UIC / JIS) - วิ่งทางตรงได้มั่นคง และยังเข้าโค้งได้ดี - ลดการสึกหรอของทั้งล้อและราง - สามารถใช้งานได้กับความเร็วปานกลางถึงสูง - ใช้ได้ทงั้ กับระบบรางในเมืองและระหว่างเมือง ข้อเสีย - ยังมีโอกาสเกิด Hunting ที่ความเร็วสูงมาก (>250 กม./ชม.) - หากโหลดเพลาหรือแนวรางไม่สมดุลอาจเกิดการสึกหรอไม่เท่ากัน 57 - เข้าโค้งแคบได้น้อยกว่าค่า 1:10 - ต้องการระยะโค้งมากขึ้นในการออกแบบทาง อัตราความลาดเอียงของล้อรถไฟ 1:40 ข้อดี - วิ่งทางตรงได้เสถียรมากในความเร็วสูง (เหมาะกับ HSR) - ลดแรงกระทาแนวขวาง (Lateral Force) ได้ดี - ลดความเสี่ยงในการเกิด hunting oscillation - ยืดอายุการใช้งานของชิ้นส่วนช่วงล่างและราง - เหมาะกับรางที่มีรัศมีโค้งใหญ่และการควบคุมคุณภาพสูง ข้อเสีย - เข้าโค้งได้ยาก ต้องใช้ Flange Friction มากขึ้น - เกิดแรงเสียดทานที่ Flange มาก หากรัศมีโค้งไม่ใหญ่พอ - ไม่เหมาะกับระบบรางที่มีโค้งแคบหรือเส้นทางในเมือง - อาจทาให้เกิดการสึกหรอแบบเฉพาะจุด (Local Wear) วิธีการผลิตล้อรถไฟ ล้อรถไฟเป็นชิ้นส่วนที่สาคัญอย่างยิ่งในระบบรถไฟ เนื่องจากเป็นจุดสัมผัสระหว่างตัวรถกับราง ซึ่งต้องรองรับน้าหนักและแรงกระทาจากการเคลื่อนที่ในทุกสภาวะการใช้งาน การผลิตล้อรถไฟจึงต้อง ให้ความสาคัญทั้งในด้านความแข็งแรง ความทนทานต่อการสึกหรอ และคุณสมบัติทางกลของวัส ดุ โดยทั่วไปกระบวนการผลิตล้อรถไฟสามารถแบ่งออกได้เป็นหลายวิธี เช่น การตีขึ้นรูป การหล่อ [36] และการกลึงขึ้นรูปจากแท่งโลหะตัน ซึ่งแต่ละวิธีมีข้อดีข้อเสียที่แตกต่างกันและส่งผลต่อคุณสมบัติการ ใช้งานของล้อรถไฟโดยตรง ดังนี้ 58 การตีขึ้นรูป (Forging) รูปที่ 3.3 แสดงการตีขึ้นรูป ข้อดี - โครงสร้างเนื้อโลหะแน่น แข็งแรง และทนต่อแรงกระแทกได้ดี - ความเหนียว (Toughness) และความแข็งแรงทางกล (Mechanical Strength) สูง - ล้อที่ได้มีความทนทานต่อการล้าตัวของวัสดุ (Fatigue Resistance) - เป็นวิธีมาตรฐานที่ใช้ในล้อรถไฟเชิงพาณิชย์ทั่วโลก - ผิวโลหะสม่าเสมอ แข็งแรง เหมาะสาหรับการใช้งานระยะยาว ข้อเสีย - ต้นทุนการผลิตสูงกว่าวิธีอื่น - ต้องใช้แม่พิมพ์ขนาดใหญ่และเครื่องจักรเฉพาะทาง - ขั้นตอนผลิตซับซ้อน ใช้แรงกดสูง - ไม่ยืดหยุ่นต่อการผลิตจานวนเล็ก 59 การหล่อ (Casting) รูปที่ 3.4 แสดงการหล่อ ข้อดี - เหมาะสาหรับการผลิตชิ้นส่วนขนาดใหญ่ในจานวนมาก - ต้นทุนเริ่มต้นต่ากว่าการ Forging - สามารถขึ้นรูปทรงซับซ้อนได้ง่ายกว่า - ใช้วัสดุหลากหลาย เช่น เหล็กหล่อเหนียว เหล็กหล่อสีเทา ฯลฯ ข้อเสีย - โครงสร้างโลหะมีความพรุน (Porosity) และความไม่สม่าเสมอสูง - ความเหนียวและความแข็งแรงต่ากว่าวิธี Forging - มีแนวโน้มแตกร้าวหรือชารุดได้เร็ว - การสึกหรอสูง และไม่ทนต่อ Cyclic Loading เท่าการ Forging - ไม่เหมาะกับรถไฟความเร็วสูงหรือรับโหลดสูง 60 การกลึงขึ้นรูปจากแท่งตัน (Machining from Billet) รูปที่ 3.5 แสดงการกลึงขึ้นรูปจากแท่งตัน ข้อดี - เหมาะกับการทาล้อรถไฟต้นแบบ (Prototype) หรืองานวิจัย - แม่นยาสูงในการควบคุมมิติของโปรไฟล์ล้อ - ไม่ต้องใช้แม่พิมพ์ - เหมาะสาหรับผลิตจานวนน้อย / แบบเฉพาะ ข้อเสีย - เปลืองวัสดุ (waste material สูงมาก) - ใช้เวลาในการผลิตนาน - ความแข็งแรงขึ้น กับ คุณภาพของ Billet เดิม ไม่มีการปรับโครงสร้างเม็ดโลหะ (Grain Structure) เหมือน Forging - ไม่เหมาะสาหรับงานใช้งานหนักหรือใช้งานเชิงพาณิชย์ระยะยาว 6. เอ็นโค้ดเดอร์ เอ็นโค้ดเดอร์ (Encoder) คือ เซ็นเซอร์ประเภทหนึ่งที่ทาการตรวจวัดจากการหมุนรอบ เพื่อหา ค่าที่ต้องการวัดเช่น การวัดความเร็วรอบ การวัดระยะทาง และการวัดทิศของการหมุน เป็นต้น นิยม ใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตประกอบ เครื่องมือวัด และเครื่องมือทางการแพทย์ ซึ่งตัวเอ็นโค้ดเดอร์จะ ทาการวัดค่าต่างๆ และส่งสัญญาณเอาท์พุตเป็นสัญญาณไฟฟ้า หรือ รหัสโค้ด (Binary or Gray) โดย เราสามารถเอาค่าที่ส่งมาใช้วิเคราะห์เป็นข้อมูลได้อย่างถูกต้องและแม่นยา 61 ในตัวของเอ็นโค้ดเดอร์จะมีแผ่นจานหมุนที่ติดอยู่กับเพลาหมุนโดยแผ่นจานหมุนจะถูกเจาะให้ มีช่องว่าง และช่องเล็กๆ นี้จะเป็นตัวกาหนด Pulse Per Revolution (P/R) โดยมี LED เป็นตัวส่ง และมีตัวรับจะมีการตรวจเช็คระหว่างเพลาหมุน ซึ่งจะจาแนกออกเป็น 2 ประเภท คือ - Increment encoder เป็นเอ็นโค้ดเดอร์ที่มีลักษณะจานหมุนเป็นช่องเรียงกัน มี LED เป็น แหล่งกาเนิดแสงส่งแสงผ่านช่อง ไปยังตัวรับแสง และจะตรวจจับแสงเพื่อส่งสัญญาณเอาต์พุตออกมา เป็นสัญญาณพัลส์ เพื่อเอาไปใช้งานส่วนมากจะใช้ในการตรวจจับนับรอบการหมุน [37] รูปที่ 3.6 แสดง Increment encoder - Absolute encoder เป็นเอ็นโค้ดเดอร์ประเภทที่แผ่นจานหมุนจะมีลักษณะจาเพาะ เพื่อใช้ ในการเข้ารหัส มี LED เป็นตัวกาเนิดแสงเช่นเดียวกับ Increment encoder และแต่ละ LED จะ กาหนด Bit ของตัวรหัส โดยตัว Absolute encoder จะมีความถูกต้องและแม่นยาสูง หากมีการหยุด จ่ายไฟให้ Absolute encoder ตัว Absolute encoder จะยังเก็บข้อมูล ไว้ได้ เมื่อมีการกลับมา จ่ายไฟอีกครั้ง เอาต์พุตเป็นแบบเข้ารหัส ไบนารี่ (Binary) หรือเกร (Gray) เป็นตัวเลขที่ระบุจานวน รอบ หรือองศารอบหมุน [37] รูปที่ 3.7 แสดง Absolute Encoder 62 การเลือกใช้งานเอ็นโค้ดเดอร์ (Encoder) จะต้องเหมาะสมกับลักษณะงานเพื่อให้ตัวเอ็นโค้ด เดอร์ทางานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด มีทั้งแบบ Increment Encoder และ Absolute Encoder โดยทั้ง 2 แบบ จะต้องดูลักษณะดังนี้ ความยาวสายสัญญาณเอ็นโค้ดเดอร์ ค่าความเร็วรอบสูงสุด (RPM) หน่วยเป็น รอบ/นาที จานวนพัลส์ต่อรอบ (PPR) และ Output เป็นแบบ NPN หรือ PNP รูปที่ 3.8 แสดงความแตกต่างของ Increment Encoder และ Absolute Encoder จากการใช้งานในปีที่ผ่านมา ระบบมีการเลือกใช้ เอ็นโค้ดเดอร์ แบบ Incremental Encoder ซึ่งถึงแม้ว่าจะสามารถตรวจจับการหมุนของเพลาและส่งสัญญาณพัลส์ได้ตามหลักการทางานพื้นฐาน ของเอ็นโค้ดเดอร์ทั่วไป แต่มีข้อจากัดในด้านความละเอียด (Resolution) ของการอ่านค่า ทาให้ไม่ สามารถตรวจจับการเคลื่อนไหวที่ละเอียดหรือความเร็วที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วได้อย่างแม่นยา ส่งผลให้เกิด ความคลาดเคลื่อนในการคานวณค่าตาแหน่งและความเร็วของมอเตอร์ โดยเฉพาะใน กรณี ที่ เ อ็ น โค้ ด เดอร์ ดั ง กล่า วถู ก ติ ด ตั้ ง ในรถไฟจาลอง ซึ่ ง มี การหมุ น ด้ ว ยความเร็ ว สู ง และมี แรงสั่นสะเทือนจากเคลื่อนที่ รูปที่ 3.9 แสดง Incremental Encoder จากปัญหาดังกล่าว จึงมีการปรับปรุงโดยเปลี่ยนมาใช้เอ็นโค้ดเดอร์แบบใหม่ที่มีล้อลูกกลิ้ง [38] (Measuring Wheel) ซึ่งเรียกว่า “Linear Encoder” หรือในบางกรณีเรียกว่า “Wheel Encoder” หรือ “Rotary Encoder with Measuring Wheel” เอ็นโค้ดเดอร์ประเภทนี้มีหลักการทางานโดย แปลงการกลิ้งของล้อลูกกลิ้งบนพื้นผิวแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้า (Pulse Signal) ซึ่งสามารถนาไปใช้ใน การคานวณระยะทางเชิงเส้น (Linear Distance) และความเร็วเชิงเส้น (Linear Velocity) ได้อย่าง แม่นยามากขึ้น 63 นอกจากนี้ การเลือกใช้ Linear Encoder ยังมีข้อดีที่สาคัญคือ - มีความละเอียดสูงกว่า เอ็นโค้ดเดอร์ แบบ Incremental ทั่วไป เนื่องจากสามารถตรวจจับ การเคลื่อนที่ได้ละเอียดในระดับมิลลิเมตร - ลดผลกระทบจากสิ่งรบกวนภายนอก (Noise) เช่น การสั่นสะเทือน หรือฝุ่นละอองที่อาจมีผล ต่อการอ่านค่าของเอ็นโค้ดเดอร์แบบออปติคัล (Optical Encoder) ที่ใช้แสงในการตรวจจับ - ให้สัญญาณการวัดที่มีเสถียรภาพ (Stable Signal) และเชื่อถือได้ในระยะยาว - สามารถประยุกต์ใช้งานได้กับระบบที่ต้องการการวัดระยะทางเชิงเส้น เช่น ระบบตรวจจับการ เคลื่อนที่ของยานพาหนะ หรือตรวจวัดระยะทางบนพื้นผิวที่มีการกลิ้งอย่างต่อเนื่อง ดังนั้น การเปลี่ยนมาใช้ Linear Encoder ในระบบใหม่นี้จึงช่วยให้การอ่านค่ามีความละเอียด และความแม่นยาสูงขึ้น ลดความคลาดเคลื่อนจากการวัด และช่วยให้ระบบควบคุมมอเตอร์ทางานได้ อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าเดิม รูปที่ 3.10 แสดง Linear Encoder 64 3.6.2 แผนภูมิสัณฐานวิทยา (Morphological Chart) ตารางที่ 3.1 แสดงแผนภูมิสัณฐานวิทยา (Morphological Chart) โครงสร้าง Chassis O Frame Welded Frame H Frame Three-piece ระบบส่งกาลัง ต้นกาลัง เหนี่ยวนา ซิงโครนัส ส่งกาลัง โซ่ สายพาน เกียร์ ระบบรองรับ การสั่นสะเทือน รูปแบบ 1 รูปแบบ 2 รูปแบบ 3 รูปแบบ 4 รูปแบบ 5 รูปแบบ 6 รูปแบบ 7 รูปแบบ 8 รูปแบบ 9 เบรก ดิสก์ Drum ล้อ อัตรา 1:10 1:20 1:40 วิธีการผลิต การตี การหล่อ การกลึง Encoder Linear จากหัวข้อ 3.5.1 ได้มีการศึกษาข้อมูลเชิงเปรียบเทียบถึงข้อดีและข้อเสียของชิ้นส่ว นหรื อ องค์ประกอบต่างๆ ของหัวรถจักรไฟฟ้า เพื่อนามาพัฒนาแนวทางการออกแบบเชิงระบบ ซึ่งได้จัดทา เป็น ตาราง Morphological (ตารางที่ 3.1) เพื่อแสดงทางเลือกของระบบและองค์ประกอบแต่ละส่วน อย่างเป็นระบบ โดยเฉพาะในส่วนของระบบรองรับการสั่นสะเทือน (Suspension System) ได้มีการ จาแนกออกเป็นหลายรูปแบบการจัดระบบ (Configuration) เพื่อใช้ในการวิเคราะห์และประเมินว่า รูปแบบใดมีความเหมาะสมที่สุดสาหรับหัวรถจักรต้นแบบ ทั้งในด้านการรองรับแรงสั่นสะเทือน การ คงเสถียรภาพของโครงสร้าง และการตอบสนองต่อวัตถุประสงค์รวมถึงกติกาของการแข่งขัน TRRN Railway Challenge ได้อย่างมีประสิทธิภาพ 65 3.6.3 แนวคิดในการออกแบบ (Conceptual Generation) จากตาราง Morphological ดังตารางที่ 3.1 นั้นสามารถช่วยทาให้ได้รูปแบบของหัวจักรรถไฟ ออกมาทั้ง 3 รูปแบบ โดยมีดังนี้ รูปแบบที่ 1: รูปที่ 3.11 แสดงหัวรถจักรไฟฟ้ารูปแบบที่ 1 ตารางที่ 3.2 แสดงรายละเอียดของหัวรถจักรไฟฟ้ารูปแบบที่ 1 โครงสร้าง ระบบส่งกาลัง Chassis O Frame Welded Frame H Frame Three-piece ต้นกาลัง เหนี่ยวนา ซิงโครนัส ส่งกาลัง โซ่ สายพาน เกียร์ ระบบรองรับ การสั่นสะเทือน แบบ 1 แบบ 2 แบบ 3 แบบ 4 แบบ 5 แบบ 6 แบบ 7 แบบ 8 แบบ 9 *หมายเหตุ: สีส้มคือสีที่เลือกใช้ในรูปแบบที่ 1 66 เบรก ดิสก์ ดรัม ล้อ อัตรา 1:10 1:20 1:40 วิธีการผลิต การตี การหล่อ การกลึง Encoder Linear รูปแบบที่ 2: รูปที่ 3.12 แสดงหัวรถจักรไฟฟ้ารูปแบบที่ 2 ตารางที่ 3.3 แสดงรายละเอียดของหัวรถจักรไฟฟ้ารูปแบบที่ 2 โครงสร้าง ระบบส่งกาลัง Chassis O Frame Welded Frame H Frame Three-piece ต้นกาลัง เหนี่ยวนา ซิงโครนัส ส่งกาลัง โซ่ สายพาน เกียร์ ระบบรองรับ การสั่นสะเทือน แบบ 1 แบบ 2 แบบ 3 แบบ 4 แบบ 5 แบบ 6 แบบ 7 แบบ 8 แบบ 9 *หมายเหตุ: สีส้มคือสีที่เลือกใช้ในรูปแบบที่ 2 67 เบรก ดิสก์ Drum ล้อ อัตรา 1:10 1:20 1:40 วิธีการผลิต การตี การหล่อ การกลึง Encoder Linear รูปแบบที่ 3: รูปที่ 3.13 แสดงหัวรถจักรไฟฟ้ารูปแบบที่ 3 ตารางที่ 3.4 แสดงรายละเอียดของหัวรถจักรไฟฟ้ารูปแบบที่ 3 โครงสร้าง ระบบส่งกาลัง Chassis O Frame Welded Frame H Frame Three-piece ต้นกาลัง เหนี่ยวนา ซิงโครนัส ส่งกาลัง โซ่ สายพาน เกียร์ ระบบรองรับ การสั่นสะเทือน แบบ 1 แบบ 2 แบบ 3 แบบ 4 แบบ 5 แบบ 6 แบบ 7 แบบ 8 แบบ 9 *หมายเหตุ: สีส้มคือสีที่เลือกใช้ในรูปแบบที่ 3 68 เบรก ดิสก์ Drum ล้อ อัตรา 1:10 1:20 1:40 วิธีการผลิต การตี การหล่อ การกลึง Encoder Linear 3.6.4 เมทริกซ์การตัดสินใจ (Pugh Chart) เกณฑ์ที่ใช้ในการคัดเลือกแบบการออกแบบถูกกาหนดขึ้นโดยอ้างอิงจากวัตถุประสงค์ของ โครงการ (Objectives) ร่วมกับข้อกาหนดทางวิศวกรรม (Design Requirements) ในหัวข้อ 3.1 และข้อจากัดของโครงการ (Constraints) ในหัวข้อ 3.3 เพื่อให้การเลือกแบบมีความเหมาะสมและ สอดคล้องกับการใช้งานจริงมากที่สุด โดยเกณฑ์ที่นามาใช้พิจารณา เช่น สมรรถนะด้านอัตราเร่ง ความสามารถในการควบคุม ความเร็ว ความแม่นยาของระบบ ATP ระดับเสียง ความแข็งแรงของโครงสร้าง และความสะดวกใน การบารุงรักษา ล้วนเป็นปัจจัยที่เชื่อมโยงโดยตรงกับวัตถุประสงค์ของโครงการ ซึ่งมุ่งเน้นให้ระบบมี ประสิทธิภาพและสามารถแข่งขันได้ นอกจากนี้ เกณฑ์ดังกล่าวยังสอดคล้องกับข้อกาหนดในหัวข้อ 3.1 เช่น ความปลอดภัยของโครงสร้าง (Safety Factor) ความสามารถในการรองรับน้าหนัก และการ ควบคุมเสียงรบกวน รวมถึงต้องอยู่ภายใต้ข้อจากัดในหัวข้อ 3.3 ได้แก่ ข้อจากัดด้านงบประมาณ น้าหนัก และระยะเวลาในการพัฒนา ดังนั้น การกาหนดเกณฑ์ ในการคัดเลื อ กแบบในขั้ นตอนนี้จึง เป็น การบูรณาการระหว่า ง วัตถุประสงค์ ข้อกาหนด และข้อจากัดของโครงการ เพื่อให้ได้แบบที่มีความเหมาะสมทั้งในเชิง วิศวกรรมและสามารถนาไปใช้งานได้จริง ตารางที่ 3.5 แสดงเมทริกซ์การตัดสินใจ (Pugh Chart) ลาดับที่ รายละเอียด 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Center of Gravity ตา่ การผลิตที่ไม่ซับซ้อน ง่ายต่อการประกอบ ง่ายต่อการบารุงรักษา ความน่าเชื่อถือ อัตรราเร่งดีขึ้น ความสามารถไต่ทางลาดชัน แรงฉุด สามารถควบคุมความเร็วไม่เกิน 15 กม./ชม. Pluses Minuses TRRN 2025 69 1 + + same + same + + + + 7 0 รูปแบบ 2 same + same same + + + 4 2 3 same same + same + + + + 5 1 3.6.5 การเลือกต้นแบบ จากตารางจะเห็นได้ว่ารูปแบบที่ 1 เป็นทางเลือกที่เหมาะสมที่สุด เนื่องจากมีค่า Center of Gravity (CG) ต่ากว่ารุ่น TRRN 2025 ประมาณ 10% ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อการเพิ่มเสถียรภาพของ รถไฟในระหว่างการเคลื่อนที่ โดย CG ที่ต่าลงช่วยให้แรงยึดเกาะระหว่างล้อและรางดีขึ้น ลดความ เสี่ยงในการลื่นไถลเมื่อต้องเข้าโค้งหรือเร่งความเร็ว นอกจากนี้ รูปแบบดังกล่าวยังมีข้อได้เปรียบใน ด้านกระบวนการผลิตที่ไม่ซับซ้อน สามารถประกอบและถอดบารุงรักษาได้ง่าย รวมถึงมีความแข็งแรง เพียงพอต่อการรับแรงบิดและแรงเฉือนในขณะใช้งานจริง จากการประเมินเชิงวิศวกรรมพบว่า รูปแบบที่ 1 สามารถตอบโจทย์วัตถุประสงค์หลักทั้งสาม ข้อของโครงการ ได้แก่ การเพิ่มอัตราเร่งให้ได้ภายใน 5 วินาทีในระยะทาง 10 เมตร การรักษา ความเร็วเฉลี่ยตลอดเส้นทางที่ 14.5–15 กิโลเมตรต่อชั่วโมง และการควบคุมระบบหยุดแบบ ATP ให้ มีค่าความคลาดเคลื่อนไม่เกิน ±5 เซนติเมตรได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทั้งนี้ยังคงคานึงถึงความสะดวก ในการประกอบและเคลื่อนย้าย รวมถึงความปลอดภัยในระหว่างการทดสอบภาคสนามด้วย 3.7 ผลการคานวณจากการทดสอบ (Performance calculation, Structural calculation) การออกแบบหัวรถจักรไฟฟ้าในโครงการนี้ให้ความสาคัญกับชิ้นส่วนทางกลหลักที่มีผลโดยตรง ต่อความปลอดภัยและสมรรถนะในการวิ่ง ได้แก่ ชุดล้อ เพลาล้อ และแชสซี โดยชุดล้อและเพลาล้อทา หน้าที่รองรับน้าหนัก ถ่ายทอดแรงขับและแรงเบรก รวมถึงรักษาการยึดเกาะกับราง ขณะที่แชสซีทา หน้าที่เป็นโครงสร้างหลักในการรองรับภาระและกระจายแรงจากระบบต่าง ๆ ตลอดการใช้งานจริง เพื่อให้การออกแบบเป็นไปตามข้อกาหนดทางวิศวกรรม (Design Requirements) ผู้จัดทาจึง ได้ดาเนินการวิเคราะห์ด้วยการคานวณด้วยมือ (Hand Calculation) ควบคู่กับการวิเคราะห์ด้วย แบบจาลองและการจาลองสถานการณ์ (Simulation) รวมถึงการทดสอบจริงในโมดูลหลักที่เกี่ยวข้อง กับความปลอดภัยในการใช้งาน 3.7.1 ผลการจาลองเพลาล้อ จากรูป 3.14 แสดงผลการวิเคราะห์ตัวประกอบความปลอดภัย (Factor of Safety: FOS) ของ เพลาล้อภายใต้การวิเคราะห์แบบ Static โดยพิจารณาจากเกณฑ์ความเค้นครากของวัสดุ (Yield strength) จากผลการวิเคราะห์พบว่าค่า FOS ต่าสุดมีค่าเท่ากับประมาณ 6.7 ซึ่งมากกว่าค่าที่กาหนด ขั้นต่า แสดงให้เห็นว่าเพลาล้อมีความแข็งแรงเพียงพอและมีค่าความปลอดภัยสูงต่อการรับแรงบิดและ แรงที่เกิดขึ้นระหว่างการใช้งานจริง โดยบริเวณที่มีค่า FOS ต่าสุดจะกระจุกตัวอยู่บริเวณปลายเพลา และรอยเปลี่ยนหน้าตัด ซึ่งเป็นตาแหน่งที่มีการรวมตัวของความเค้น 70 รูปที่ 3.14 แสดงผลการจาลองของเพลาล้อ รู ป ที่ 3.15 แสดงผลการกระจายความเค้ น สมมู ล แบบ von Mises ของเพลาล้ อ จากการ วิเคราะห์เชิงโครงสร้างแบบ Static พบว่าค่าความเค้นสูงสุดที่เกิดขึ้นมีค่าประมาณ 7.89 × 107 N/m² ซึ่งยังต่ากว่าค่าความเค้นครากของวัสดุที่ใช้ (5.30 × 108 N/m²) อย่างมีนัยสาคัญ แสดงให้เห็นว่า เพลาล้อไม่เข้าสู่สภาวะเสียรูปถาวร และโครงสร้างสามารถรองรับแรงที่กระทาได้อย่างปลอดภัย โดย บริเวณที่เกิดความเค้นสูงจะอยู่ใกล้บริเวณเกลียวและจุดเปลี่ยนหน้าตัดของเพลา รูปที่ 3.15 แสดงผลการจาลองของเพลาล้อ รูปที่ 3.16 แสดงผลการกระจัดตัว (Displacement) ของเพลาล้อภายใต้ภาระที่กาหนดจาก การวิเคราะห์แบบ Static โดยพบว่าค่าการกระจัดสูงสุดเกิดขึ้นบริเวณปลายเพลา และมีค่าค่อนข้าง ต่าเมื่อเทียบกับขนาดของชิ้นงาน แสดงให้เห็นว่าเพลาล้อมีความแข็งแกร่งเพียงพอ และการโก่งตัวที่ เกิดขึ้นไม่ส่งผลกระทบต่อการทางาน การจัดแนวของล้อ และความปลอดภัยในการใช้งาน 71 รูปที่ 3.16 แสดงผลการจาลองของเพลาล้อ 3.7.2 ผลการจาลองพื้นที่หน้าสัมผัสระหว่างล้อและราง จากข้อกาหนดในการออกแบบ (Design Requirements) ข้อที่ 1 ที่กาหนดให้อัตราเร่งต้อง สามารถเคลื่อนที่ในระยะทาง 10 เมตร ภายในเวลา 5 วินาที จึงได้มีการพัฒนาแนวคิดในการปรับปรุง สมรรถนะของระบบขับเคลื่อน โดยมุ่งเน้นไปที่การเพิ่มแรงยึดเกาะระหว่างล้อและราง (Wheel–Rail Adhesion) แนวทางที่นามาใช้คือการเพิ่มรัศมีของล้อ ซึ่งส่งผลต่อการเพิ่มพื้นที่สัมผัสและช่วยลดการ ลื่นไถลในขณะออกตัว ทาให้สามารถถ่ายทอดแรงฉุดจากมอเตอร์สู่รางได้อย่างมีประสิทธิภาพมาก ยิ่งขึ้น นอกจากนี้ ได้มีการใช้ซอฟต์แวร์ในการช่วยวิเคราะห์และประเมินผลของการเปลี่ยนแปลง พารามิเตอร์ดังกล่าว เพื่อให้มั่นใจว่าแนวทางการออกแบบที่เลือกสามารถตอบสนองต่อข้อกาหนด ด้านอัตราเร่งได้อย่างเหมาะสมก่อนนาไปใช้งานจริง จากรูปที่ 3.17-3.19 แสดงผลการวิเคราะห์พื้นที่หน้าสัมผัส (Contact Area) ระหว่างล้อและ ราง โดยเปรียบเทียบลักษณะการกระจายพื้นที่สัมผัสภายใต้เงื่อนไขการออกแบบที่แตกต่างกัน ซึ่ง พบว่าการออกแบบล้อที่มีรัศมี (r) มากขึ้นส่งผลให้พื้นที่หน้าสัมผัสระหว่างล้อและราง (a) เพิ่มขึ้นอย่าง ชัดเจน ดังแสดงบริเวณพื้นที่สัมผัสที่มีการกระจายตัวกว้างขึ้นตามแนวราง เมื่อพิจารณาตามหลักกลศาสตร์การสัมผัส (Contact Mechanics) การเพิ่มขึ้นของรัศมีล้อทา ให้ความดันสัมผัส (Contact Pressure) ลดลง เนื่องจากแรงที่กระทาถูกกระจายออกไปบนพื้นที่ที่ มากขึ้น กล่าวคือ เมื่อ r เพิ่มขึ้น จะส่งผลให้ค่า a เพิ่มขึ้น และความดันเฉลี่ยที่กระทาต่อรางมีแนวโน้ม ลดลง ซึ่งช่วยลดการสึกหรอของผิวสัมผัส และลดความเสี่ยงต่อการเกิดความเสียหายเฉพาะจุด นอกจากนี้ พื้นที่หน้าสัมผัสที่มากขึ้นยังช่วยเพิ่มแรงยึดเกาะระหว่างล้อและราง (Adhesion Force) ทาให้หัวรถจักรมีเสถียรภาพในการวิ่งมากขึ้น โดยเฉพาะในสภาวะที่มีแรงเบรกหรือแรงฉุด กระทา ทั้งนี้แรงยึดเกาะที่เพิ่มขึ้นสามารถอธิบายได้จากความสัมพันธ์ระหว่างแรงเสียดทานและแรง กดปกติบนพื้นที่สัมผัส ซึ่งเป็นไปตามหลักการและมาตรฐานการออกแบบระบบล้อ–รางตามมาตรฐาน ISO 18318 (Wheel-rail contact geometry parameters) 72 จากผลการวิเคราะห์ดังกล่าว สามารถสรุปได้ว่า การออกแบบล้อให้มีรัศมีมากขึ้น ช่วยเพิ่ม ประสิทธิภาพด้านแรงยึดเกาะกับรางได้ประมาณ 28% ซึ่งมีส่วนสนับสนุนให้อัตราเร่งดีขึ้น และ สามารถตอบสนองต่อข้อกาหนดการออกแบบ (Design Requirements) ได้อย่างเหมาะสมและ เป็นไปตามวัตถุประสงค์ในเรื่อ งหัวรถจักรต้องสามารถทาอัตราเร่งจากจุดหยุดนิ่งได้ไม่เกิน 5 วินาที ภายในระยะทาง 10 เมตร รูปที่ 3.17 แสดงผลการจาลองล้อ รูปที่ 3.18 แสดงผลการจาลองล้อ รูปที่ 3.19 แสดงผลการจาลองล้อ 73 3.7.3 ผลการจาลองชิ้นส่วนที่ยึดมอเตอร์ จากข้อกาหนดในการออกแบบ (Design Requirements) ข้อที่ 9 ซึ่งกาหนดให้ชุดจั บ ยึ ด มอเตอร์ต้องสามารถรองรับน้าหนักได้ไม่น้อยกว่า 10 kg โดยไม่เกิดความเสียหาย จึงได้มีการพัฒนา แนวคิดในการออกแบบโครงสร้างรองรับมอเตอร์ให้มีความแข็งแรงและมีความปลอดภัยในการใช้งาน การออกแบบมุ่งเน้นให้โครงสร้างสามารถกระจายแรงได้อย่างเหมาะสม ลดความเค้นสะสมในบริเวณ จุดยึด และป้องกันการเสียรูปเมื่อรับน้าหนักของมอเตอร์ใ นขณะทางานจริง รวมถึงแรงสั่นสะเทือนที่ อาจเกิดขึ้นระหว่างการใช้งาน จากการจาลองการวิเคราะห์การเสียรูปของชิ้นส่วนที่ยึดมอเตอร์ด้วยวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ (Finite Element Analysis: FEA) พบว่า ชิ้ น ส่ ว นดั ง กล่า วสามารถรองรั บ น้า หนั ก ของมอเตอร์ ไ ด้ อ ย่า ง เหมาะสม โดยชิ้นส่วนที่ยึดมอเตอร์นี้ทาหน้าที่รองรับมอเตอร์จานวน 1 ตัว ซึ่งมีน้าหนักประมาณ 10 กิโลกรัม และในระบบการออกแบบได้มีการใช้ชิ้นส่วนยึดลักษณะเดียวกันจานวน 3 ชิ้น เพื่อกระจาย น้าหนักและแรงที่เกิดขึ้นจากมอเตอร์ขณะใช้งาน ผลการจาลองแสดงค่าการกระจัดรวม (Resultant Displacement, URES) ดังแสดงรูปที่ 3.20 ซึ่ ง พบว่า ค่า การกระจั ดสูง สุ ดเกิ ดขึ้น บริเ วณปลายชิ้น ส่ ว นที่ อ ยู่ห่า งจากจุ ด ยึ ดมากที่ สุ ด โดยมี ค่าประมาณ 3.42 × 10-5 มิลลิเมตร ขณะที่บริเวณรูยึดและพื้นที่ที่ถูกกาหนดเป็นจุดยึด (Boundary Condition) มีค่าการกระจัดต่ามาก แสดงให้เห็นว่าการยึดจับมีความมั่นคงและสามารถถ่ายแรงได้ อย่างมีประสิทธิภาพ รูปที่ 3.20 แสดงภาพการจาลองที่ยึดมอเตอร์ เมื่อพิจารณาค่าการกระจัดที่เกิดขึ้น พบว่ามีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับขนาดของชิ้นส่วนและ สภาพการใช้งานจริง ซึ่งบ่งชี้ว่าชิ้นส่วนที่ยึดมอเตอร์มีความแข็งแรงและมีความแข็งแกร่งเพียงพอ สาหรับการรองรับน้าหนักมอเตอร์ รวมถึงช่วยลดความเสี่ยงต่อการสั่นสะเทือนหรือการเสียรู ปที่อาจ ส่งผลกระทบต่อการทางานของระบบขับเคลื่อนของรถไฟต้นแบบ 74 โดยสรุป ผลการจาลองยืนยันว่าการออกแบบชิ้นส่วนที่ยึดมอเตอร์ดังกล่าวมีความเหมาะสม สามารถรองรับน้าหนักของมอเตอร์ได้อย่างปลอดภัย และมีค่าการเสียรูปอยู่ในระดับต่ามาก ซึ่ง สอดคล้องกับข้อกาหนดด้านความแข็งแรงและความปลอดภัยของโครงสร้างในการใช้งานจริง 3.7.4 ผลการจาลองการสั่นสะเทือนของโครงสร้าง จากข้อกาหนดในการออกแบบ (Design Requirements) ข้อที่ 6 ซึ่งกาหนดให้ระดับเสียงของ ระบบต้องไม่เกินค่าที่กาหนด จึงได้มีการพัฒนาแนวคิดในการออกแบบเพื่อลดเสียงรบกวนที่เกิดขึ้น ระหว่างการทางานของหัวรถจักร แนวทางที่นามาใช้มุ่งเน้นการลดการกาเนิดเสียงจากแหล่งต้นกาเนิด รวมถึงการออกแบบโครงสร้างให้สามารถดูดซับเสียง (Noise Absorption) ได้อย่างเหมาะสม โดยไม่ ก่อให้เกิดปรากฏการณ์เรโซแนนซ์ (Resonance) ในช่วงการทางาน จากการจาลองการสั่น สะเทื อนของโครงสร้างแผ่ นกันเสียงด้ว ยการวิเ คราะห์เชิง ความถี่ (Frequency Analysis) ได้ทาการพิจารณาโครงสร้างในสองกรณี ได้แก่ กรณีที่ไม่มีแผ่นกันเสียง และ กรณี ที่ ติ ด ตั้ ง แผ่ น กั น เสี ย งในตาแหน่ ง ใช้ งานจริ ง โดยกาหนดเงื่ อ นไขการยึ ด จั บ (Boundary Condition) ให้สอดคล้องกับการติดตั้งบนโครงสร้างรถไฟต้นแบบ ผลการจาลองแสดงการกระจาย ของแอมพลิจูดการสั่นในรูปแบบต่าง ๆ ของโหมดการสั่น (Mode Shape) ดังแสดงรูปที่ 3.21 ผลการจาลองพบว่าในกรณีที่ไม่มีแผ่นกันเสียง ค่าความถี่ธรรมชาติของโครงสร้างในโหมดลาดับ ต้น มีค่าค่อนข้างสูง เนื่องจากโครงสร้างมีมวลรวมต่าและมีความแข็งเชิงโครงสร้างสูงกว่า เมื่อ เปรียบเทียบกับกรณีที่มีการติดตั้งแผ่นกันเสียง อย่างไรก็ตาม เมื่อมีการเพิ่มแผ่นกันเสีย งเข้าไปใน ระบบ พบว่าค่าความถี่ธรรมชาติในโหมดลาดับต้นมีแนวโน้มลดลง โดยการสั่นสะเทือนจะกระจุกตัว บริเวณส่วนยื่นและบริเวณจุดเชื่อมต่อของแผ่นกันเสียง ซึ่งเป็นตาแหน่งที่มีความแข็งเชิงโครงสร้างต่า กว่าเมื่อเทียบกับส่วนอื่นของโครงสร้าง (ก) (ข) 75 (ค) (ง) รูปที่ 3.21 แสดงภาพการจาลองโครงสร้างแชสซีและที่กันเสียง จากผลการจาลองสามารถอธิบายพฤติกรรมดังกล่าวได้จากหลักการของการสั่นสะเทือนของ โครงสร้าง ซึ่งค่าความถี่ธรรมชาติของระบบขึ้นอยู่กับอัตราส่วนระหว่างความแข็งของโครงสร้างและ มวลของระบบ โดยการติดตั้งแผ่นกันเสียงทาให้มวลรวมของโครงสร้างเพิ่มขึ้นในขณะที่ความแข็งของ โครงสร้างเพิ่มขึ้นไม่มาก ส่งผลให้ค่าความถี่ธรรมชาติของระบบลดลง ซึ่งเป็นพฤติกรรมที่สอดคล้องกับ ทฤษฎีทางพลศาสตร์โครงสร้าง แม้ว่าค่าความถี่ธรรมชาติจะลดลงเมื่อมีการติดตั้งแผ่นกันเสียง แต่จากการพิจารณาช่วงความถี่ ที่ได้พบว่ายังคงไม่อยู่ในช่วงเดียวกับความถี่การทางานหลักของมอเตอร์และระบบขับเคลื่อนของรถไฟ ต้นแบบ จึงไม่ก่อให้เกิดปรากฏการณ์เรโซแนนซ์ระหว่างการใช้งานจริง นอกจากนี้ โครงสร้างยังได้มี การติดตั้งยางกันสั่น (Noise bush หรือ Dampener) เพื่อช่วยลดการถ่ายเทแรงสั่นสะเทือนจาก แหล่งกาเนิดเข้าสู่โครงสร้างหลัก ซึ่งช่วยเพิ่มเสถียรภาพของระบบโดยรวม จากการจาลองและวิเคราะห์การสั่นสะเทือนของโครงสร้างแผ่นกันเสียง สามารถสรุปได้ว่า การ ติดตั้งแผ่นกันเสียงส่งผลให้ค่าความถี่ธรรมชาติของโครงสร้างในโหมดลาดับต้นลดลง อันเนื่องมาจาก การเพิ่มมวลของระบบ อย่างไรก็ตาม ค่าความถี่ที่ได้ยังไม่อยู่ในช่วงที่ก่อให้เกิดเรโซแนนซ์กับความถี่ การทางานของมอเตอร์และระบบขับเคลื่อน จึงไม่ส่งผลกระทบต่อความปลอดภัยและการทางานของ ระบบ ดังนั้น แม้ไม่สามารถปรับเปลี่ยนขนาดหรือรูปทรงของแผ่นกันเสียงได้ แต่การออกแบบโดยรวม ร่วมกับการใช้ยางกันสั่นยังคงทาให้โครงสร้างมีความเหมาะสมสาหรับการใช้งานจริง และสามารถทา หน้าที่ลดการส่งผ่านแรงสั่นสะเทือนได้ตามวัตถุประสงค์ของการออกแบบ 3.7.5 ผลการจาลองจานเบรก จากข้อกาหนดในการออกแบบ (Design Requirements) ข้อที่ 11 ซึ่งกาหนดให้ระบบเบรก ต้องสามารถชะลอและหยุดรถได้อย่างปลอดภัยภายใต้สภาวะการทางานสูงสุด จึงได้มีการพัฒ นา 76 แนวคิดในการออกแบบระบบเบรกให้มีประสิทธิภาพและความเสถียรในการควบคุม การออกแบบ มุ่งเน้นให้ระบบสามารถสร้างแรงเบรกได้เพียงพอและสม่าเสมอ รวมถึงสามารถควบคุมการชะลอ ความเร็วได้อย่างต่อเนื่อง เพื่อให้การหยุดรถเป็นไปอย่างแม่นยาตามข้อกาหนด โดยคานึงถึงการ ทางานร่วมกับระบบควบคุมและระบบขับเคลื่อน จากการจาลองพฤติ ก รรมของ จานเบรก ( Brake Disc) ภายใต้ ส ภาวะการเบรก ได้ ทาการ วิเคราะห์ทั้งด้านความร้อนและโครงสร้าง โดยผลการจาลองแสดงดังรูปที่ 3.22 ภาพการจาลองด้านความร้อนแสดงให้เห็นการกระจายของพลังงานความร้อนบนผิวจานเบรก โดยความร้อนมีค่าสูงสุดบริเวณผิวสัมผัสระหว่างจานเบรกและผ้าเบรก และค่อย ๆ กระจายออกไปยัง บริเวณด้านในของจาน ซึ่งสะท้อนถึงลักษณะการเกิดความร้อนจากแรงเสียดทานในกระบวนการเบรก ผลการจาลองความเค้นสมมูลแบบวอนมิเซส (Von Mises Stress) พบว่าค่าความเค้นกระจายตัว ทั่วทั้งจานเบรก โดยมีค่ามากบริเวณขอบรัศมีด้านนอกและบริเวณก้านเชื่อม ( web) ระหว่างดุมกลาง กับผิวจาน ซึ่งเป็นตาแหน่งที่รับทั้งแรงบิดจากการเบรกและแรงจากการยึดกับเพลา ในด้านการเสียรูป ภาพการจาลองการกระจัดรวม ( URES) แสดงให้เห็นว่าการกระจัดสูงสุด เกิดขึ้นบริเวณขอบนอกของจานเบรก ขณะที่บริเวณดุมกลางซึ่งเป็นตาแหน่งยึดกับเพลามีค่าการ กระจัดต่ามาก (ก) (ข) รูปที่ 3.22 แสดงภาพการจาลองจานเบรก (ค) จากผลการจาลองด้านความร้อน สามารถวิเคราะห์ได้ว่าจานเบรกมีการรับและกระจายความ ร้อนในลักษณะที่สอดคล้องกับ การใช้งานจริง โดยความร้อนที่เกิดจากแรงเสียดทานจะสะสมที่ ผิวสัมผัสเป็นหลัก และถูกถ่ายเทผ่านโครงสร้างของจานเบรกเข้าสู่ส่วนอื่น ๆ อย่างต่อเนื่อง การ ออกแบบที่มีช่องว่างและก้านเชื่อมช่วยเพิ่มพื้นที่ระบายความร้อนและลดการสะสมอุณหภูมิในจุด เดียว 77 การกระจายของ Von Mises Stress แสดงให้เห็นว่าไม่มีการกระจุกตัวของความเค้นเฉียบพลัน เฉพาะจุด ซึ่งบ่งชี้ว่ารูป ทรงของจานเบรกช่ว ยกระจายแรงบิ ดจากการเบรกได้ อย่า งเหมาะสม โดยเฉพาะบริเวณก้านเชื่อมที่ทาหน้าที่ถ่ายแรงจากผิวจานเข้าสู่ดุมกลาง สาหรับการกระจัดรวม ค่าการเสียรูปที่เกิดขึ้นมีลักษณะค่อยเป็นค่อยไปจากศูนย์กลางสู่ขอบ นอกของจานเบรก ซึ่งเป็นพฤติกรรมปกติของชิ้นส่วนรูปทรงจานที่ถูกยึดแน่นตรงกลางและรับโหลด บริเวณรอบนอก การเสียรูปในลักษณะนี้ไม่ส่งผลต่อการทางานของระบบเบรกโดยตรง จากการจาลองและวิเคราะห์จานเบรกภายใต้สภาวะการเบรก สามารถสรุปได้ว่า จานเบรกมี พฤติกรรมด้านความร้อนและโครงสร้างที่เหมาะสมกับการใช้งาน โดยความร้อนจากแรงเสียดทาน สามารถกระจายออกจากบริเวณผิวสัมผัสได้อย่างต่อเนื่อง ความเค้นวอนมิเซสกระจายตัวสม่าเสมอ และไม่มีการกระจุกตัวที่อาจก่อให้เกิดความเสียหายเฉพาะจุด นอกจากนี้ การเสียรูปที่เกิดขึ้นอยู่ในระดับที่ยอมรับได้ และไม่ส่งผลกระทบต่อความเสถียรหรือ ประสิทธิภาพของระบบเบรกโดยรวม ดังนั้น การออกแบบจานเบรกนี้จึงมีความเหมาะสมสาหรับ นาไปใช้งานในรถไฟต้นแบบ และสามารถใช้ผลการจาลองดังกล่าวเป็นข้อมูลสนับสนุนความถูกต้อง ของการออกแบบในรายงานทางวิศวกรรมได้อย่างชัดเจน 3.8 การคานึงถึงความปลอดภัยในการออกแบบ จากข้อกาหนดในการออกแบบ (Design Requirements) ข้อที่ 8 ซึ่งกาหนดให้ชิ้นส่วนหลัก เช่น เพลา ต้องมีค่า Safety Factor (SF) ไม่น้อยกว่า 2 เพื่อให้สามารถรองรับแรงที่เกิดขึ้นระหว่าง การใช้งานได้อย่างปลอดภัย จึงได้มีการพัฒนาแนวคิดในการออกแบบโดยมุ่งเน้นความแข็งแรงและ ความน่าเชื่อถือของโครงสร้าง การออกแบบหัวรถจักรไฟฟ้าจาเป็นต้องคานึงถึงความปลอดภัยในทุก ขั้นตอนของการออกแบบ ทั้งในเชิงโครงสร้างกลไก การรับแรง และระบบควบคุม เพื่อให้สามารถ ทางานได้ อ ย่า งเสถี ย ร ปลอดภั ย และป้ อ งกั น ความเสี ย หายที่ อาจเกิ ด ขึ้ น จากแรงกระแทก แรงสั่นสะเทือน หรือแรงเฉือนในระหว่างการใช้งาน ในส่วนของโครงสร้าง ได้พิจารณาตามหลักการของการออกแบบเพื่อความปลอดภัย (Design for safety) โดยใช้ค่าความเค้นสูงสุด (Max Stress) ไม่เกินค่าค่าความเค้นครากของวัส ดุ (Yield Stress) เพื่อให้มี Safety Factor (SF) ประมาณ 2.0 – 2.5 สาหรับวัสดุ S45C (σ ≈ 570 MPa) และ SS400 (σ ≈ 245 MPa) เพื่อให้แน่ใจว่าโครงสร้างสามารถรองรับแรงที่เกิดขึ้นจริงระหว่างการแข่งขัน 78 ได้อย่างมั่น คง โดยเฉพาะแรงในแนวราง (Longitudinal Load) แรงดัดในช่ว งเข้าโค้ง (Lateral Bending) และแรงจากการสั่นสะเทือนของมอเตอร์ขับเคลื่อน 3.9 การคานึงถึงสิ่งแวดล้อม การออกแบบหัวรถจักรไฟฟ้าจาลองนอกจากต้องมีสมรรถนะสูงแล้ว ยังต้องคานึงถึงผลกระทบ ต่อสิ่งแวดล้อมตลอดวงจรชีวิตของผลิตภัณฑ์ (Life Cycle) ตั้งแต่การเลือกใช้วัสดุ การผลิต การใช้งาน ไปจนถึงการนากลับมาใช้ใหม่ 3.9.1 ชิ้นส่วนและวัสดุ ในส่วนของวัสดุ ได้เลือกใช้เหล็กกล้าคาร์บอน S45C และเหล็กโครงสร้าง SS400 ซึ่งเป็นวัสดุที่ สามารถรีไซเคิลได้ง่ายและมีอัตราการนากลับมาใช้ใหม่สูงกว่าวัสดุประเภทคอมโพสิต อีกทั้งยังมีความ ทนทานและอายุการใช้งานยาวนาน ช่วยลดการเปลี่ยนอะไหล่และของเสียจากกระบวนการผลิต นอกจากนี้ การเลือกใช้ระบบขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้ายังช่วยลดจานวนชิ้นส่วนทางกลที่ ซับซ้อน รวมถึงส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องกับเครื่องยนต์สันดาปภายใน เช่น ระบบเชื้อเพลิงและระบบ ระบายไอเสีย ส่งผลให้โครงสร้างโดยรวมมีความเรียบง่ายมากขึ้น และลดโอกาสการสึกหรอของ ชิ้นส่วน อีกทั้งยังช่วยลดการใช้สารหล่อลื่นบางประเภทที่อาจก่อให้เกิดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม เช่น น้ามันเครื่องและสารหล่อลื่นในระบบเครื่องยนต์ ซึ่งมีส่วนช่วยลดมลพิษและสนับสนุนแนวทางการ พัฒนาระบบขนส่งที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากยิ่งขึ้น 3.9.2 พลังงาน ด้านพลังงาน หัว รถจักรใช้ระบบขับเคลื่อนไฟฟ้า (Electric Propulsion System) ซึ่งเป็น พลังงานสะอาด ปราศจากการปล่อยมลพิษจากการเผาไหม้ (Zero Emission) และสามารถชาร์จซ้า ได้หลายรอบ โดยระบบขับเคลื่อนดังกล่าวทางานร่วมกับ ระบบเบรกแบบ Regenerative Braking ซึง่ สามารถเปลี่ยนพลังงานจลน์ขณะเบรกให้กลับมาเป็นพลังงานไฟฟ้า ส่งกลับเข้าสู่แบตเตอรี่หรือตัวเก็บ ประจุ (Capacitor) เพื่อใช้ซ้าในรอบการทางานถัดไป ช่วยลดการสูญเสียพลังงานโดยรวม ยืดอายุการ ใช้งานของระบบเบรก และเพิ่มประสิทธิภาพทางพลังงานให้กับหัวรถจักรโดยตรง นอกจากนี้ การ เดินทางโดยรถไฟโดยสารปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เทียบเท่า ( CO2e ) ประมาณ 40 กรัมต่อ กิโลเมตรต่อผู้โดยสาร [40] 79 3.10 แบบสาหรับการผลิตจริง (Final Design for Fabrication) จากการออกแบบหัวรถจักรไฟฟ้าด้วยโปรแกรม SOLIDWORKS ได้มีการพัฒนาแบบจาลอง ของหัวรถจักร พร้อมทั้งจัดทารายละเอียดแบบสั่งงาน (Engineering Drawing) สาหรับใช้ในการผลิต และประกอบจริงอย่างครบถ้วน โดยครอบคลุมทั้งในส่วนของโครงสร้าง ระบบขับเคลื่อน และระบบ ควบคุม หัวข้อนี้นาเสนอแบบการออกแบบขั้นสุดท้ายที่พร้อมสาหรับการผลิตจริง (Final Design for Fabrication) ซึ่งได้ผ่านกระบวนการวิเคราะห์ ปรับปรุง และตรวจสอบในทุกด้านแล้ว เพื่อให้มั่นใจว่า แบบมีความถูกต้องตามข้อกาหนดทางวิศวกรรม สามารถผลิตได้จริง และลดความคลาดเคลื่อนที่อาจ เกิดขึ้นในกระบวนการผลิตและการประกอบ นอกจากนี้ แบบดังกล่า วยังถูกออกแบบโดยคานึงถึง ความสอดคล้องระหว่างชิ้นส่วนต่าง ๆ (Compatibility) ความแข็งแรงของโครงสร้าง (Structural Integrity) และความสะดวกในการประกอบและบารุงรักษา (Maintainability) เพื่อให้ระบบทั้งหมด สามารถทางานร่วมกันได้อย่างมีประสิทธิภาพและมีความน่าเชื่อถือในการใช้งานจริง ในกระบวนการผลิตและประกอบจริง ได้มีการดาเนินงานในส่วนของการขึ้นรูปชิ้นส่วน การ ประกอบโครงสร้าง และการติดตั้งระบบต่าง ๆ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงขั้นตอนการทางานในสภาพแวดล้อม การผลิตจริง (Shop Floor) อย่างไรก็ตาม เพื่อความกระชับของเนื้อหาในบทนี้ รูปภาพที่เกี่ยวข้องกับ กระบวนการผลิตและการทางานใน Shop Floor ได้ถูกนาไปจัดแสดงไว้ในภาคผนวก (Appendix) โดยผู้อ่านสามารถศึกษาเพิ่มเติมได้ในส่วนดังกล่าว รูปที่ 3.23 แสดงภาพประกอบหัวรถจักร 80 รูปที่ 3.24 แสดงภาพประกอบโบกี้ รูปที่ 3.25 แสดงภาพประกอบโครงสร้างแชสซี รูปที่ 3.26 แสดงภาพประกอบระบบรองรับการสั่นสะเทือน 81 รูปที่ 3.27 แสดงภาพประกอบระบบส่งกาลัง รูปที่ 3.28 แสดงภาพประกอบระบบต้นกาลัง รูปที่ 3.29 แสดงภาพประกอบ Pivot Connecting 82 รูปที่ 3.30 แสดงภาพประกอบล้อเอ็นโคดเดอร์ 83 บทที่ 4 ผลการทดสอบ/ผลการทดลอง/ผลลัพธ์การวิเคราะห์โดยระเบียบวิธีเชิงตัวเลข บทนี้นาเสนอผลการดาเนินงานหลังจากการออกแบบหัวรถจักรไฟฟ้า ซึ่งครอบคลุมตั้งแต่ กระบวนการสร้างและประกอบจริง การตรวจสอบขนาดและความถูกต้องของชิ้นส่วนให้เป็นไปตาม แบบที่ออกแบบไว้ รวมถึงการทดสอบคุณสมบัติของวัสดุและการทดสอบย่อยของระบบก่อนนาไปใช้ งานจริง นอกจากนี้ยังรวมถึงการปรับปรุงแก้ไขข้อบกพร่องที่พบจากการทดสอบในแต่ละขั้นตอน เพื่อ เพิ่มประสิทธิภาพและความพร้อมของระบบก่อนเข้าสู่การแข่งขันจริง ตลอดจนการนาเสนอผลการ แข่งขันในรายการต่าง ๆ เพื่อประเมินสมรรถนะของหัวรถจักรที่พัฒนาขึ้นภายใต้เงื่อนไขการใช้งาน จริง 4.1 รายละเอียดผลการสร้างจริงและการปรับปรุงแก้ไขทางวิศวกรรม ในขั้นตอนเริ่มต้น ได้มีการสร้างหัวรถจักรต้นแบบรุ่นแรก (Version 1) ตามแบบที่ออกแบบไว้ เพื่อใช้ในการทดสอบการทางานของระบบโดยรวม โดยรูปที่ 4.1 แสดงลักษณะของต้นแบบดังกล่าว รูปที่ 4.1 แสดงหัวรถจักรไฟฟ้าต้นแบบรุ่นแรก ในขั้นตอนการเปลี่ยนผ่านจากการออกแบบเชิงทฤษฎีในบทที่ 3 สู่การลงมือปฏิบัติในการสร้าง หัวรถจักรไฟฟ้าต้นแบบ (Version 1) คณะผู้จัดทาได้ดาเนินการตรวจสอบและทดสอบการทางานของ ระบบอย่างละเอียดภายใต้สภาวะการใช้งานจริง จากการทดสอบดังกล่าว พบข้อจากัดและปัญหาทาง เทคนิคในหลายด้าน ซึ่งส่งผลต่อสมรรถนะและความเสถียรของระบบ จาเป็นต้องมีการปรับปรุงแก้ไข เพื่อให้สามารถตอบสนองต่อวัตถุประสงค์ของการแข่งขันและมีความปลอดภัยในการใช้งาน โดย ประเด็นปัญหาที่สาคัญสามารถสรุปได้ 6 ประการ ซึ่งมีรายละเอียดแสดงไว้ในหัวข้อ 4.1.1 – 4.1.6 84 4.1.1 การปรับปรุงโครงสร้างหลักเพื่อประสิทธิภาพการซ่อมบารุงและความปลอดภัย ปั ญ หาและสาเหตุ : ในการออกแบบเบื้ อ งต้ น (Initial Design) โครงสร้า งเฟรมถู ก ออกแบบให้ ครอบคลุมลงไปจนถึงส่วนล่างของตัวรถเพื่อเน้นความแข็งแรงและภาพลักษณ์ที่ปิดมิดชิด (Full-Body Frame) แต่เมื่อเข้าสู่ขั้นตอนการประกอบจริงและจาลองสถานการณ์ซ่อมบารุง พบว่าเฟรมที่คลุมปิด ชุดเพลาล้อทั้งหมดทาให้การเข้าถึงอุปกรณ์ส่งกาลังทาได้ลาบาก ผลกระทบ: หากใช้รูปแบบเฟรมเดิม เมื่อต้องการตรวจสอบหรือซ่อมบารุงชุดเพลาล้อเพียงชุดเดียว ผู้ปฏิบัติงานจาเป็นต้อง "ยกรถขึ้นสู่ระดับสูง" เพื่อให้พ้นระยะเฟรมที่คลุมอยู่ หรืออาจต้องรื้อถอน โครงสร้างหลักออกทั้งหมด ซึ่งมีความเสี่ยงสูงต่อการเกิดอุบัติเหตุในขณะยกรถ และสร้างภาระงานที่ เกินความจาเป็นในรายการ Maintenance Challenge การแก้ไข: คณะผู้จัดทาจึงดาเนินการปรับปรุงการออกแบบ โดยปรับแก้ให้เฟรมหลักทาหน้าที่รองรับ อุปกรณ์อยู่เฉพาะ ด้านบน และทาการเปิดส่วนล่างบริเวณชุดเพลาล้อให้โล่ง ผลลัพธ์: การปรับเปลี่ยนนี้ส่งผลดีใน 3 มิติหลัก คือ 1. ด้านความปลอดภัย: ผู้ปฏิบัติงานสามารถถอดชุดเพลาล้อออกมาซ่อมบารุงข้างนอกได้โดยการยก ตัวรถเพียงเล็กน้อยหรือไม่ต้องยกสูงจนเกิดอันตราย 2. ด้านเวลา: ลดขั้นตอนการรื้อถอนโครงสร้างที่ไม่จาเป็น ทาให้การถอดเพลาล้อ 1 ชุด ทาได้อย่าง รวดเร็วและเป็นอิสระ 3. ด้านการระบายความร้อน: การเปิดช่วงล่างให้โล่งยังช่วยให้อากาศไหลเวียนระบายความร้อนออก จากชุดมอเตอร์และเฟืองทดได้ดียิ่งขึ้นขณะใช้งานจริง การลดขั้นตอนการทางานสามารถตัดขั้นตอนการรื้อถอนเฟรมหลักออกไปได้อย่างสมบูรณ์ ทา ให้ทีมงานสามารถเข้าถึงและถอดแยกชุดเพลาล้อ (Wheelset) ออกมาได้โดยตรง ระยะเวลาที่ใช้ใน การเข้าถึงอุปกรณ์ส่งกาลังลดลงอย่างเห็นได้ชัดเมื่อเทียบกับการใช้แบบร่างเดิม เนื่องจากไม่ต้อง เสียเวลาไปกับการถอดประกอบโครงสร้างที่ไม่เกี่ยวข้อง และผู้ปฏิบัติงานสามารถทาการซ่อมบารุงได้ ในระดับความสูงที่ปลอดภัย ลดความเสี่ยงในการยกรถจักรขึ้นสูงเกินความจาเป็น ซึ่งสอดคล้องกับ มาตรฐานความปลอดภัยในการทางาน 85 4.1.2 การปรับปรุงแผงกั้นเสียงเพื่อความเหมาะสมทางการผลิต ปั ญ หาและสาเหตุ : ดี ไ ซน์ เ ดิ ม ของแผงกั้ น เสี ย งมี ค วามซั บ ซ้ อ นในเชิ ง เรขาคณิ ต (Geometric Complexity) ซึ่งต้องใช้เครื่องมือพิเศษและการขึ้นรูปเฉพาะทางที่มีต้นทุนสูงและกระบวนการผลิตที่ ยาวนาน ผลกระทบ: ความยากในการผลิตส่งผลโดยตรงต่อการบริหารจัดการงบประมาณและกรอบเวลา (Timeline) ของโครงการ หากฝืนดาเนินการตามแบบเดิมอาจทาให้งานไม่แล้วเสร็จตามกาหนดการ และมีการใช้งบเกินความจาเป็น การแก้ไข: ได้มีการออกแบบแผงกั้นเสียงใหม่ (Redesign) โดยลดทอนความซับซ้อนให้สามารถผลิต ได้จริงด้วยวัสดุและเครื่องมือที่มีอยู่ แต่ยังคงรักษาประสิทธิภาพในการควบคุมทิศทางของเสียงและลด มลภาวะทางเสียงตามเกณฑ์มาตรฐานวิศวกรรม ผลลัพธ์: การปรับเปลี่ยนนี้ส่งผลดีใน 3 มิติหลัก คือ 1. ความคุ้มค่าเชิงเศรษฐศาสตร์: สามารถควบคุมต้นทุนการผลิตให้อยู่ภายใต้งบประมาณที่จากัดได้ เป็นอย่างดี โดยการลดการใช้วัสดุและเครื่องจักรราคาแพง 2. ความรวดเร็วในการผลิต: กระบวนการสร้างและติดตั้งเสร็จสิ้นได้ทันตามกาหนดการแข่ง ขัน เนื่องจากใช้รูปแบบที่ผลิตได้ง่ายและไม่ซับซ้อน 3. ประสิทธิภาพการใช้งาน: แม้จะมีการลดทอนความซับซ้อนของดีไซน์ลง แต่คณะผู้จัดทายังคง สามารถลดระดับเสียงรบกวนได้มากที่สุดเท่าที่โครงสร้างใหม่จะอานวย เพื่อรักษามาตรฐานการ ทางานของรถจักรให้ดีที่สุด 4.1.3 การพัฒนาและปรับปรุงชุดล้อวัดระยะทางด้วยกลไกควบคุมแรงกดสปริง ปัญหาและสาเหตุ: ในขั้นตอนการเตรียมความพร้อมก่อนการทดสอบระบบควบคุมอัตโนมัติ คณะ ผู้ จั ด ทาได้ ทาการ ทดสอบด้ ว ยการเข็ น รถจั ก รจริ ง (Physical Push Test) บนรางทดสอบ เพื่ อ ตรวจสอบความพร้อมของเซนเซอร์ทุกระบบ ในระหว่างการทดสอบนั้นได้สังเกตพบความผิดปกติที่ สาคัญ คือ ล้อที่ 5 (Fifth Wheel) ซึ่งเป็นล้ออิสระสาหรับขับเคลื่อนชุด Encoder มีอาการหยุดนิ่ง (Stall) ไม่หมุนไปตามการเคลื่อนที่ของรถจักร แม้รถจะถูกเข็นไปข้างหน้าเป็นระยะทางหลายเมตร แล้วก็ตาม ผลกระทบ: การที่ล้อไม่หมุนส่งผลให้ไม่มีการส่งสัญญาณ Pulse เข้าสู่ระบบ Data Logger ทาให้ไม่ สามารถคานวณระยะทางที่รถเคลื่อนที่ออกไปได้จริง (Zero Position Update) หากไม่ได้รับการ 86 แก้ ไ ข จะทาให้ ระบบวั ด ประสิ ท ธิ ภาพในรายการ Traction และ Brake Test ล้ ม เหลวทั้ ง หมด เนื่องจากข้อมูลความเร็วและระยะทางจะผิดเพี้ยนไปจากความเป็นจริงอย่างรุนแรง การแก้ ไ ข:ปรั บ เพิ่ ม ค่า K สปริ ง (Resolution & Design Implementation): คณะผู้ จั ด ทาจึ ง ดาเนินการแก้ไขโดยการติดตั้งกลไก ระบบสปริงโหลด (Spring-Loaded Mechanism) เสริมเข้าไปที่ ชุดยึดล้อที่ 5 โดยมีการคานวณและคัดเลือก สปริงที่มีค่าความแข็ง (Spring Rate: K) สูงขึ้น เพื่อเพิ่ม แรงกดแนวตั้ง บังคับให้หน้าสัมผัสล้อกดแนบสนิทกับรางอย่างรุนแรงพอที่จะสร้างแรงเสียดทานใน การขับเคลื่อนล้อให้หมุนตามการเคลื่อนที่ของรถได้ 100% ผลลัพธ์: เมื่อทาการทดสอบเข็นรถซ้าอีกครั้ง (Re-testing) พบว่าล้อที่ 5 สามารถหมุนตามการ เคลื่อนที่ของรถได้อย่างราบรื่นและต่อเนื่องตั้งแต่วินาทีแรกที่รถเริ่มขยับ ส่งผลให้ Encoder สามารถ วัดระยะทางได้อย่างแม่นยาและเสถียรในทุกช่วงความเร็ว ช่วยให้การเก็บข้อมูลการทดสอบสมรรถนะ ของรถจักรมีความถูกต้องตามมาตรฐานวิศวกรรม 4.1.4 การปรับแก้องศาจุดยึดโช้คอัพ ปัญหาและสาเหตุ: ตรวจพบว่าจุดยึด Damper ในตาแหน่งระบบกันสะเทือนขั้นที่สอง (Secondary Suspension) มีแนวแกนการวาง (Axis Alignment) ที่ผิดพลาดไปจากตาแหน่งที่คานวณไว้ในตอน แรก ซึ่งเกิดจากความคลาดเคลื่อนในขั้นตอนการเชื่อมพอกประกอบโครงสร้าง ผลกระทบ: การวางผิดแกนจะทาให้ตัว Damper ไม่สามารถทางานได้ตามแนวกระทาของแรง และ จะเกิดการขืนตัว (Mechanical Binding) ซึ่งจะส่งผลให้อุปกรณ์เสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วและอาจหัก เสียหายได้ขณะวิ่งด้วยความเร็ว การแก้ไข: ดาเนินการตัดแก้จุดยึดเดิมและติดตั้งหูยึดใหม่ให้ตรงตามแกนการเคลื่อนที่ที่ถูกต้อง เพื่อให้ ระบบกันสะเทือนสามารถซับแรงสั่นสะเทือนได้อย่างสมบูรณ์และป้องกันความเสียหายต่ออุปกรณ์ใน ระยะยาว ผลลัพธ์: หลังจากติดตั้งหูยึดใหม่ในแกนที่ถูกต้อง ระบบกันสะเทือนขั้นที่สองสามารถยุบตัวและคืนตัว ได้อย่างเป็นอิสระโดยไม่เกิดการขืนตัว (Mechanical Binding) ช่วยลดความเค้นสะสมในโครงสร้าง และจุดยึด ส่งผลให้ระบบสามารถดูดซับแรงกระแทกจากรางได้อย่างมีประสิทธิภาพและลดโอกาสการ ชารุดของ Damper ในระหว่างการวิ่งทดสอบระยะยาว 87 4.1.5 การติดตั้งอุปกรณ์ตั้งความตึงโซ่และล็อคตาแหน่งเพลา ปัญหาและสาเหตุ: ระบบส่งกาลังด้วยโซ่มีการหย่อนตัวเกินเกณฑ์หลังจากผ่านการใช้งาน ซึ่งส่งผลต่อ ความแม่นยาในการส่งกาลังและระดับเสียงขณะทางาน ผลกระทบ: หากไม่มีอุปกรณ์ปรับความตึงที่เหมาะสม โซ่ที่หย่อนจะทาให้เกิดแรงกระชากในระบบส่ง กาลัง (Backlash) และมีความเสี่ยงสูงที่โซ่จะหลุดออก ซึ่งเป็นอันตรายต่อตัวรถและผู้ปฏิบัติงาน การแก้ไข: เพิ่มอุปกรณ์ "หางปลาตั้งโซ่" เสริมเข้าไป เพื่อให้สามารถปรับตั้งความตึงที่เหมาะสม (Optimal Tension) ได้อย่างละเอียด และอุปกรณ์นี้ยังทาหน้าที่ช่วยล็อคตาแหน่งของชุดเพลาล้อ ไม่ให้ขยับเลื่อนตาแหน่งขณะรับแรงบิดสูง ช่วยเพิ่มความเที่ยงตรงให้กับระบบขับเคลื่อนอย่างมี นัยสาคัญ ผลลัพธ์: อุปกรณ์หางปลาช่วยให้คณะผู้จัดทาสามารถปรับตั้งความตึงโซ่ให้อยู่ในระยะที่เหมาะสมที่สุด (Optimal Tension) ได้อย่างรวดเร็ว ผลการทดสอบวิ่งพบว่าเสียงรบกวนจากระบบส่งกาลังลดลง อย่างเห็นได้ชัด และเพลาล้อไม่มีการเคลื่อนตาแหน่งแม้จะมีการจ่ายแรงบิดสูงสุดในขณะออกตัว ทา ให้ระบบขับเคลื่อนมีความเที่ยงตรงและปลอดภัยสูง 4.1.6 การเพิ่มชุดเหล็กกันโคลงเพื่อสมรรถนะและความนุ่มนวล ปัญหาและสาเหตุ: พบว่าระบบช่วงล่างมีการเคลื่อนที่ที่เป็นอิสระต่อกันเกินไปในบางจังหวะ ส่งผลให้ เกิดความไม่สมดุลของ Pivot Connecting Plate ระหว่างฝั่งซ้ายและขวา ผลกระทบ: ส่งผลเสียต่อความนุ่มนวลในการขับขี่ (Ride Comfort) เนื่องจากเกิดการสั่นสะเทือนใน ทิศทางที่ไม่พึงประสงค์ และยังเพิ่มแรงฉุด (Drag) ในขณะเริ่มออกตัว ทาให้ค่าประสิทธิภาพใน รายการ Traction ไม่เป็นไปตามเป้าหมาย การแก้ไข: คณะผู้จัดทาได้ติดตั้งชุด Anti-Roll Bar เพื่อเชื่อมโยงการทางานของ Pivot Connecting Plate ทั้งสองฝั่งให้มีการยุบและยืดตัวสอดคล้องกันในแกน Z (Vertical Synchronization) ผลลัพธ์: การเพิ่มอุป กรณ์นี้ช่วยลดค่าความสั่นสะเทือน (Vibration) ได้อย่างดีเยี่ยม ส่งผลดีต่อ คะแนนในรายการ Ride Comfort และยังช่ว ยลดแรงฉุดในขณะเริ่ม ออกตัว (Starting Tractive Effort) ทาให้การส่งกาลังมีความราบรื่นและเพิ่มสมรรถนะในรายการ Traction ได้อย่างชัดเจน *หมายเหตุ: จากการปรับปรุงและแก้ปัญหาทางวิศวกรรมทั้ง 6 หัวข้อข้างต้น คณะผู้จัดทามุ่งเน้น ความสาคัญไปที่ประสิทธิภาพการใช้งานจริง ความปลอดภัย และการตอบโจทย์เกณฑ์การแข่งขันเป็น 88 หลัก ส่งผลให้ชิ้นงานสาเร็จที่ถูกสร้างขึ้นจริงในขั้นตอนสุดท้าย มีรายละเอียดและตาแหน่งอุปกรณ์บาง ประการไม่ตรงตามแบบทางวิศวกรรม (As-built vs As-designed) ที่ได้นาเสนอไว้ในบทที่ 3 ทั้งนี้ เพื่อให้ตัวรถจักรไฟฟ้ามีสมรรถนะที่สมบูรณ์ที่สุดตามหลักการวิศวกรรมเชิงปฏิบัติ 4.2 การตรวจสอบขนาด (Dimensional Verification) ได้ทาการตรวจสอบขนาดของชิ้นส่วนและชุดประกอบทั้งหมด โดยเปรียบเทียบกับแบบจาลอง CAD เพื่อให้มั่นใจว่าทุกส่วนมีความถูกต้องตามแบบที่ออกแบบไว้ ลดความคลาดเคลื่อน และป้องกัน การเกิดการชนกันของชิ้นส่วน (Interference) รวมถึงช่วยให้การประกอบเป็นไปอย่างราบรื่น 4.2.1 ชิ้นงาน Motor Mount (A), (B), (C) ปัญหาที่พบ: ไม่สามารถติดตั้งมอเตอร์ (Motor) ลงใน Motor Mount ได้ เนื่องจาก Motor Mount ถูกออกแบบให้มีลักษณะโค้งเพื่อสวมเข้ากับส่วนโค้ง (Curve) ของตัวมอเตอร์ ซึ่งต้องการความพอดี และความแม่นยาสูง แต่ขนาดและรูปทรงของชิ้นงานไม่สอดคล้องกัน ทาให้ไม่สามารถประกอบได้ ผลกระทบ: ส่งผลให้ไม่สามารถติดตั้งมอเตอร์เข้ากับ Motor Mount ได้ ซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักของ ระบบขับเคลื่อน ทาให้ระบบไม่สามารถทางานได้ตามปกติ แนวทางการแก้ไข: ดาเนินการเจียรหลบมุม (Grinding Clearance) บริเวณจุดสัมผัส เพื่อให้สามารถ ติดตั้งมอเตอร์เข้ากับ Motor Mount ได้ 4.2.2 ชิ้นงาน Caliper Hub ปัญหาที่พบ: Caliper Hub ถูกสั่งผลิตโดยวิธีการตัดเลเซอร์แยกชิ้น และออกแบบมาให้ติดตั้งโดยการ สวมเข้ากับเพลา (Roll Bar Shaft) ซึ่งอยู่ในตาแหน่งโครงสร้างโบกี้ และทาการเชื่อมยึดภายหลัง อย่างไรก็ตาม โครงสร้างโบกี้ถูกสั่งผลิตและประกอบพร้อมกัน ทาให้เพลา Roll Bar ถูกเชื่อมติดถาวร ส่งผลให้ไม่สามารถสวม Caliper Hub เข้ากับเพลาได้ตามการออกแบบ ผลกระทบ: การติดตั้ง Caliper Hub มีผลกระทบโดยตรงต่อระบบเบรก เนื่องจากเป็นชิ้นส่วนสาคัญที่ ใช้เชื่อมต่อระหว่างโครงสร้างโบกี้กับแม่ปั๊มเบรก และทาหน้าที่รับแรงบิด (Torque) จากการทางาน ของระบบเบรก ซึ่งมีความสาคัญอย่างยิ่งต่อการหยุดการเคลื่อนที่ของหัวรถจักร แนวทางการแก้ไข: ดาเนินการเจียระไนตัด (Grinding/Cutting) บริเวณปลอกสวมของชิ้นงาน เพื่อ เปลี่ยนรูปแบบการติดตั้งจากการสวมเข้ากับเพลา (Slip Fit) เป็นการยึดติดด้วยการเชื่อม (Welding) 89 นอกจากนี้ ได้มีการปรับเปลี่ยนทิศทางการติดตั้ง เพื่อให้สะดวกต่อการบารุงรักษา (Maintenance) และการถอดประกอบเพลาล้อในอนาคต 4.3 ผลการทดสอบคุณสมบัติวัสดุ ในการศึกษานี้ได้ทาการทดสอบสมบัติเชิงกลของชิ้นทดสอบเหล็กจานวน 5 ชิ้น ดังแสดงรูปที่ 4.1(ก) ภายใต้เงื่อนไขการทดสอบเดียวกัน โดยใช้เครื่องทดสอบแรงดึง (Tensile Testing Machine) ดังแสดงรูปที่ 4.1(ข) เพื่อประเมินพฤติกรรมของวัสดุที่นามาใช้งานจริงในโครงสร้างของระบบต้นแบบ โดยเหล็กที่นามาทดสอบเป็นวัสดุชนิดเดียวกับที่ใช้ในการผลิตชิ้นส่วนต่าง ๆ ด้วยกระบวนการเลเซอร์ ตัด (Laser Cutting) เช่น ชิ้นส่วนยึดเบรก ชิ้นส่วนยึดมอเตอร์ และชิ้นส่วนโครงสร้างรองรับอื่น ๆ ซึ่ง ต้องรับแรงระหว่างการใช้งาน (ก) (ข) (ค) รูปที่ 4.2 แสดงภาพการทดลองวัสดุ SS400 ผลการทดสอบแต่ละครั้งถูกนามาวิเคราะห์และสรุปค่าเชิงกลที่สาคัญ ได้แก่ มอดูลัสยืดหยุ่น (Young’s Modulus), ความเค้น คราก (Yield Strength), ความเค้นดึงสูงสุด (Ultimate Tensile Strength) และค่าการยืดตัว (Elongation) โดยรายละเอียดของผลการทดลองแสดงไว้ใน ตารางที่ 4.1 เพื่อนาไปใช้ในการประเมินความเหมาะสมของวัสดุสาหรับการออกแบบและการคานวณด้าน ความปลอดภัยของชิ้นส่วนดังกล่าว ตารางที่ 4.1 แสดงผลการทดลองวัสดุ SS400 ชิ้นที่ Young’s Modulus (E) Yield Strength (Sy) Ultimate Tensile Strength (Su) Elongation 1 206.5 GPa 306.7 MPa 398.25 MPa 0.51 mm/mm 2 200.56 GPa 312.43 MPa 400.31 MPa 0.53 mm/mm 3 202.37 GPa 311.2 MPa 405.38 MPa 0.53 mm/mm 90 4 204.7 GPa 315.79 MPa 411.71 MPa 0.53 mm/mm 5 204.14 GPa 309.63 MPa 405.49 MPa 0.53 mm/mm AVG 203.66 GPa 311.15 MPa 404.23 MPa 0.53 mm/mm จากการทดสอบสมบัติเชิงกลของวัสดุ พบว่าวัสดุที่นามาทดสอบมีพฤติกรรมสอดคล้องกับเหล็ก โครงสร้างทั่วไป เช่น SS400 โดยค่ามอดูลัสยืดหยุ่น (E) ที่ได้เท่ากับ 203.66 GPa ซึ่งอยู่ในช่ว งค่า มาตรฐานของเหล็กกล้าคาร์บอนต่า แสดงให้เห็นว่าวัสดุมีความแข็งแกร่งต่อการเสียรูปแบบยืดหยุ่นได้ ดี และมีความสามารถในการรับแรงก่อนเข้าสู่ช่วงพลาสติกได้ตามลักษณะของเหล็กโครงสร้าง ค่าความเค้นคราก (Sy) ที่วัดได้เท่ากับ 311.15 MPa ซึ่งสูงกว่าค่าขั้นต่าที่กาหนดไว้สาหรับ เหล็ก SS400 ตามมาตรฐานอุตสาหกรรม แสดงให้เห็นว่าวัสดุสามารถรับแรงได้ค่อนข้างสูงก่อนเกิด การเสียรูปถาวร ขณะที่ค่าความเค้นดึงสูงสุด (Su) เท่ากับ 404.23 MPa สะท้อนถึงความสามารถใน การรับแรงดึงสูงสุดก่อนการแตกหัก โดยค่าทั้งสองมีอัตราส่วนที่เหมาะสมและเป็นไปตามพฤติกรรม ของเหล็กโครงสร้างทั่วไป ในส่วนของค่าการยืดตัว (Elongation) ซึ่งมีค่าเท่ากับ 0.53 mm/mm หรือประมาณ 53% แสดงให้เห็นว่าวัสดุมีความเหนียวสูง สามารถเกิดการเสียรูปแบบพลาสติกได้มากก่อนการแตกหัก ซึ่ง เป็นคุณสมบัติที่สาคัญสาหรับการใช้งานโครงสร้าง เนื่องจากช่วยลดความเสี่ยงของการแตกหักแบบ ฉับพลัน และเพิ่มความปลอดภัยในการใช้งาน โดยสรุป ผลการทดสอบสมบัติเชิงกลทั้งหมด ได้แก่ ค่า E, Sy, Su และ Elongation มีค่าอยู่ ในช่วงที่เหมาะสมและสอดคล้องกับคุณสมบัติของเหล็ก SS400 จึงสามารถสรุปได้ว่าวัสดุที่นามา ทดสอบมีความแข็งแรง เหนียว และเหมาะสมสาหรับการใช้งานด้านโครงสร้างและงานวิศวกรรม ทั่วไป การทดสอบสปริ ง ในงานนี้ มี วั ตถุ ป ระสงค์ เพื่ อ ประเมิน ค่าความแข็ ง ของสปริ ง (Spring stiffness) และพฤติกรรมการรับแรงภายใต้แรงกดในแนวแกน โดยสปริงที่นามาทดสอบมีขนาดเส้น ผ่านศูนย์กลางภายนอก (Outer Diameter: OD) เท่ากับ 42.2 มิลลิเมตร เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน (Inner Diameter: ID) เท่ากับ 30.1 มิลลิเมตร ความหนาของลวดสปริง 6 มิลลิเมตร ความสูงอิสระ ของสปริง 65 มิลลิเมตร และจานวนรอบของสปริง 5.5 รอบ 91 การทดสอบดาเนินการโดยใช้เครื่องทดสอบแรงกด (Compression Test) ดังแสดงในรูปที่ 4.2 วัดความสัมพันธ์ระหว่างแรงที่กระทาต่อสปริงและระยะยุบตัวที่เกิดขึ้น จากผลการทดสอบพบว่า กราฟความสัมพันธ์ระหว่างแรง (Load) และระยะยุบตัว (Extension) มีลักษณะเป็นเส้นตรงดังแสดง รูปที่ 4.3 แสดงให้เห็นว่าสปริงมีพฤติกรรมเชิงเส้นตามกฎของฮุก (Hooke’s law) ภายในช่วงการ ทดสอบ รูปที่ 4.3 แสดงการทดลองสปริง Stiffness Spring 1400 y = 64.454x - 27.267 Load (N) 1200 1000 800 600 400 200 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Expension (mm) รูปที่ 4.4 แสดงกราฟความสัมพันธ์ระหว่างแรงและระยะยุบตัวของสปริง จากการวิเคราะห์ส มการเส้นตรงที่ ได้จากกราฟ พบว่าค่าความแข็ ง ของสปริง (Spring constant, k) เท่ากับ 64.454 N/mm ซึ่งสะท้อนถึงความสามารถของสปริงในการรองรับแรงและ ควบคุมการยุบตัวได้อย่างสม่าเสมอ ค่าความแข็งที่ได้อยู่ในช่วงที่เหมาะสมสาหรับการนาไปใช้งานใน ระบบกันสะเทือนและการลดแรงสั่นสะเทือนของโครงสร้างหัวรถจักร โดยสามารถช่วยดูดซับแรง กระแทกและลดการถ่ายเทแรงสั่นสะเทือนไปยังโครงสร้างหลักได้อย่างมีประสิทธิภาพ 92 4.4 การทดสอบย่อยก่อนการแข่งขัน ในขั้นตอนนี้ได้มีการทดสอบระบบย่อยของหัวรถจักรไฟฟ้าก่อนนาไปใช้งานจริง เพื่อประเมิน ความพร้อมและตรวจสอบการทางานของแต่ละระบบ เช่น ระบบขับเคลื่อน ระบบควบคุมความเร็ว และระบบ ATP โดยทาการทดสอบภายใต้เงื่อนไขที่ใกล้เคียงกับการแข่งขันจริง จากการทดสอบ ดังกล่าวทาให้สามารถตรวจพบข้อบกพร่องและข้อจากัดของระบบในเบื้องต้น ซึ่งได้นาไปสู่การ ปรับปรุงแก้ไขในขั้นตอนถัดไป เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ ความเสถียร และความน่าเชื่อถือของหัวรถจักร ก่อนเข้าสู่การแข่งขันจริง 4.4.1 ผลการทดสอบแรงเสียดทานของล้อ เพื่อให้การประเมินสมรรถนะของระบบเบรกมีความสอดคล้องกับสภาพการใช้งานจริง ผู้จัดทา ได้ทาการทดลองหาแรงเสียดทานระหว่างล้อและรางดังแสดงรูปที่ 4.4 โดยใช้วิธีรางเอียง (Inclined plane method) โดยปรับมุมเอียงของรางจนเริ่มเกิดการไถลของล้อ พบว่าที่มุมเอียงประมาณ 7.15° ล้อเริ่มเกิดการเคลื่อนที่ ซึ่งสามารถคานวณค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานได้จากความสัมพันธ์ (4.1) ทาให้ได้ค่าค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานประมาณ μ = 0.145 ค่าที่ได้จากการทดลองนี้ถูก นาไปใช้ในการประเมินความเสี่ยงต่อการลื่นไถลของล้อและการกาหนดเกณฑ์ความปลอดภัยของ ระบบเบรก เพื่อให้การออกแบบสะท้อนพฤติกรรมของล้อและรางภายใต้สภาพการใช้งานจริงมาก ยิ่งขึ้น μ=tanθ รูปที่ 4.5 แสดงการทดลองแรงเสียดทานของล้อ 4.4.2 ผลการทดสอบแผ่นดูดซับเสียง จากรูปที่ 4.5-4.6 แสดงตัวอย่างผลการวัดระดับเสียงเฉลี่ย จากการทดสอบแบบ pass-by โดย เปรีย บเทีย บระหว่างสภาวะก่ อนติด ตั้ง ระบบลดเสียง (Baseline) และหลังติดตั้งแนวคิด Mass 93 Acoustics (Treatment) ภายใต้เงื่อนไขการทดสอบเดียวกัน ได้แก่ ตาแหน่งไมโครโฟนที่ระยะ ด้านข้าง 1.5 m ความสูง 0.5 m และความเร็วรถ 10 km/h ค่าที่นาเสนอเป็นค่าเฉลี่ยจากการทดสอบ ซ้าหลายรอบทาการทดสอบซ้าจานวน 5 รอบต่อหนึ่งสภาวะ และรายงานผลในรูปของค่าเฉลี่ย จากผลการทดสอบพบว่า สภาวะ Baseline ให้ค่า LAeq เฉลี่ยเท่ากับประมาณ 91.5 dB(A) ขณะที่สภาวะหลังติดตั้ง Mass Acoustics (Treatment) ให้ค่า LAeq เฉลี่ยลดลงเหลือประมาณ 81.1 dB(A) ส่งผลให้ค่าการลดเสียงเฉลี่ย Δ𝐿𝐴𝑒𝑞 = 𝐿𝐴𝑒𝑞,𝑏𝑎𝑠𝑒𝑙𝑖𝑛𝑒 − 𝐿𝐴𝑒𝑞,𝑡𝑟𝑒𝑎𝑡𝑚𝑒𝑛𝑡 = 10.4 𝑑𝐵(𝐴) ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการเพิ่มมวลหรือชั้นหน่วงการสั่นสะเทือนสามารถลดเสียงที่เกิดจากการแผ่ รังสีของโครงสร้างได้อย่างมีนัยสาคัญภายใต้เงื่อนไขการทดสอบเดียวกัน รูปที่ 4.6 แสดงกราฟค่า LAeq สภาวะ Baseline รูปที่ 4.7 แสดงกราฟค่า LAeq สภาวะ Treatment นอกจากค่า LAeq แล้ว ยังได้พิจารณาค่าระดับเสียงสูงสุด LAFmax ซึ่งสะท้อนถึงเหตุการณ์เสียง พุ่งสูงในช่วงเวลาสั้น ๆ ขณะรถวิ่งผ่านหน้าไมโครโฟน ผลการทดสอบตัวอย่างแสดงให้เห็นว่าค่า LAFmax หลังติดตั้ง Mass Acoustics มีแนวโน้มลดลงจากสภาวะ Baseline ซึ่งบ่งชี้ว่าการลดการ 94 สั่นสะเทือนของโครงสร้างช่วยลดทั้งระดับเสียงเฉลี่ยและระดับเสียงสูงสุดที่อาจรบกวนผู้โดยสารหรือ สิ่งแวดล้อม เมื่อนาผลการทดลองมาเปรียบเทียบกับค่าที่ได้จากการคานวณเชิงทฤษฎี พบว่าค่าการลดเสียง จริงมีค่าต่ากว่าค่าที่ทฤษฎีคาดการณ์ไว้ โดยสามารถคานวณค่าความคลาดเคลื่อน (Percentage Error) ได้ดังนี้ 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 (%) = 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 (%) = ∣ 𝛥𝐿𝑡ℎ𝑒𝑜𝑟𝑦 − 𝛥𝐿𝑒𝑥𝑝 ∣ × 100 𝛥𝐿𝑡ℎ𝑒𝑜𝑟𝑦 ∣ 14.44 − 10.4 ∣ × 100 ≈ 28% 14.44 จากผลการทดสอบตัวอย่างสามารถสรุปได้ว่า แนวคิด Mass Acoustics ที่ออกแบบและติดตั้ง อย่างเหมาะสมสามารถลดระดับเสียงรบกวนของโบกี้รถไฟต้นแบบได้อย่างชัดเจน ทั้งในแง่ค่า LAeq และ LAFmax ขณะเดียวกัน การใช้ทฤษฎี Mass Law (Transmission Loss) ช่วยให้การประเมินผล งานมีความเป็นธรรมและสอดคล้องกับหลักวิศวกรรมระบบราง ซึ่งต้องคานึงถึงทั้งการลดเสียงและ ข้อจากัดด้านมวลและสมรรถนะของยานพาหนะ เมื่อพิจารณาค่าการลดเสียงที่ได้จากการทดลอง Δ𝐿𝐴𝑒𝑞 ≈ 10.4 𝑑𝐵(𝐴) และเปรียบเทียบกับค่า ดัชนี Sound Transmission Class (STC) ของวัสดุประเภทแผ่นผนังและวัสดุซับเสียง พบว่าค่าการ ลดเสียงดังกล่าวอยู่ในช่วงที่สอดคล้องกับระบบผนังบางแบบชั้นเดียวหรือระบบผสมที่มีการเพิ่มมวล และชั้นดูดซับเสียง แม้ว่า STC จะเป็นค่าที่ได้จากการทดสอบในห้องปฏิบัติการและเน้นย่านความถี่กลางเป็นหลัก แต่ผลการทดลองภาคสนามในงานวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่า แนวคิด Mass Acoustics สามารถให้ผลการ ลดเสียงที่สอดคล้องกับค่าทางทฤษฎี และสามารถนาไปประยุกต์ใช้กับระบบรถไฟขนาดเล็กได้อย่าง เหมาะสม จากผลการทดสอบการวัดเสียงรบกวนของโบกี้รถไฟต้นแบบด้วยวิธีการวัดเสียงขณะรถวิ่งผ่าน จุ ด วั ด (pass-by noise) และการวั ด เสี ย งขณะจอดนิ่ ง (stationary noise) พบว่า แนวคิ ด Mass Acoustics ที่นามาประยุกต์ใช้สามารถลดระดับเสียงรบกวนได้อย่างชัดเจนภายใต้เงื่อนไขการทดสอบ เดียวกัน ทั้งในรูปของระดับเสียงเฉลี่ยเชิงพลังงาน (LAeq) และระดับเสียงสูงสุด (LAFmax) ผลดังกล่าว สะท้อนให้เห็นว่าการเพิ่มมวลและการจัดการการสั่นสะเทือนของโครงสร้างมีบทบาทสาคัญในการลด การแผ่กระจายของคลื่นเสียงจากโบกี้รถไฟสู่สิ่งแวดล้อม 95 การลดลงของค่า LAeq แสดงถึ ง การลดพลั ง งานเสีย งโดยรวมในช่ว งเวลาการวิ่ง ผ่า น ซึ่ ง สอดคล้องกับหลักการ Mass law ที่ระบุว่าการเพิ่มมวลต่อหน่วยพื้นที่ของโครงสร้างจะช่วยลดการ ส่งผ่านของเสียง โดยเฉพาะในย่านความถี่ที่เกี่ยวข้องกับการสั่นสะเทือนของโครงสร้างโลหะ ใน ขณะเดียวกัน การลดลงของค่า LAFmax ยังบ่งชี้ว่าแนวคิด Mass Acoustics มีประสิทธิภาพในการลด เหตุการณ์เสียงพุ่งสูงในช่วงเวลาสั้น ๆ ซึ่งเป็นปัจจัยสาคัญต่อความรู้สึกด้านความรบกวนของผู้โดยสาร และชุมชนโดยรอบแนวเส้นทาง 4.4.3 ผลการทดสอบอัตราเร่ง ได้มีการทดสอบอัตราเร่งของหัวรถจักรไฟฟ้า ดังรูปที่ 4.7 เพื่อประเมินสมรรถนะในการออกตัว สาหรับรายการ Traction โดยทาการทดสอบภายใต้เงื่อนไขที่ใกล้เคียงกับการแข่งขันจริง ซึ่งใช้ มอเตอร์เพียง 1 ตัวในการทดสอบเบื้องต้น ผลการทดสอบพบว่าสามารถเคลื่อนที่ในระยะทางที่ กาหนดได้ภายในเวลา 6 วินาที ซึ่งสะท้อนถึงสมรรถนะของระบบขับเคลื่อนในระดับที่น่าพอใจ แม้จะ ใช้กาลังจากมอเตอร์เพียงตัวเดียว จากผลการทดสอบดังกล่าว สามารถคาดการณ์ได้ว่าเมื่อใช้งาน มอเตอร์จานวน 2 ตัวตามรูปแบบที่ใช้ในการแข่งขันจริง จะส่งผลให้อัตราเร่งดีขึ้นและใช้เวลาในการ เคลื่อนที่ลดลง ซึ่งมีแนวโน้มที่จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในรายการ Traction ได้อย่างมีนัยสาคัญ รูปที่ 4.8 แสดงภาพการทดสอบอัตราเร่ง 96 4.5 รายละเอียดการปรับปรุงแก้ไขเพิ่มเติมก่อนการแข่งขัน เพื่อให้ตัวรถจักรไฟฟ้ามีความพร้อมสูงสุดสาหรับการแข่งขัน คณะผู้จัดทาได้ดาเนินการ ปรั บ ปรุ ง ส่ว นประกอบทางเทคนิ ค เพิ่ม เติม อี ก 2 ประการ เพื่ อ แก้ ปั ญ หาที่ พ บจากการทดสอบ ภาคสนาม ดังนี้ 4.5.1 การปรับรูปทรงก้อนยางรองรับแรงสั่นสะเทือน ปัญหาและสาเหตุ: ในการทดสอบเบื้องต้นพบว่าก้อนยางรองรับแรงกระแทกแบบสี่เหลี่ยมชุดเดิม มี หน้าสัมผัสที่กว้างเกินไป ทาให้การรับแรงและการยืดหยุ่นไม่สัมพันธ์กับการเคลื่อนที่ของ Plate รองรับโครงสร้าง ผลกระทบ: รถเกิดอาการ "โยนตัว" หรือมีการสั่นสะเทือนในแนวราบและแนวดิ่งมากเกินไปขณะทา ความเร็ว ซึ่งส่งผลเสียต่อความนุ่มนวลในการขับขี่ (Ride Comfort) และความเสถียรของตัวรถ การแก้ไข: เปลี่ยนรูปทรงก้อนยางจาก "ทรงสี่เหลี่ยม" เป็น "ทรงสามเหลี่ยม" โดยติดตั้งให้ส่วนปลาย ยอดของสามเหลี่ยมสัมผัสกับตัว Plate พอดี ผลลัพธ์: การปรับลดพื้นที่สัมผัสให้เป็นจุดยอดสามเหลี่ยมช่วยให้ก้อนยางสามารถซับแรงสั่นสะเทือน ได้ละเอียดขึ้น ลดการโยนตัวของตัวรถได้อย่างมีนัยสาคัญ ทาให้ระบบช่วงล่างมีความเสถียรมากขึ้น ตามเป้าหมายด้านความปลอดภัย 4.5.2 การปรับปรุงระบบเบรกเพื่อรองรับรายการ Maintenance Challenge ปัญหาและสาเหตุ: ในการออกแบบเดิมมีการติดตั้งขาจับเบรกใน "แนวตั้ง" ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการ ปฏิบัติงานในรายการ Maintenance Challenge ที่กาหนดให้ต้องมีการถอดชุดเพลาล้อ (Wheelset) ออกมาอย่างรวดเร็ว การแก้ไขด้านโครงสร้าง: ดาเนินการเปลี่ยนแนวแกนการติดตั้งขาจับเบรกจากแนวตั้งเป็น "แนวนอน" เพื่อให้สอดคล้องกับทิศทางการถอดประกอบเพลาล้อ ช่วยให้การซ่อมบารุงทาได้ง่ายและรวดเร็ว ยิ่งขึ้น การแก้ไขด้านจานวนอุปกรณ์: ปรับลดการติดตั้งชุดเบรกจากเดิม 2 ชุดต่อหนึ่งโบกี้ ลดลงเหลือเพียง 1 ชุดต่อหนึ่งโบกี้ ผลลัพธ์: จากการทดสอบประสิทธิภาพการหยุดรถ พบว่าการใช้ชุดเบรกเพียงตัวเดียวสามารถสร้าง แรงเบรกได้เพียงพอในการหยุดรถจักรได้อย่างมั่นใจ (Sufficient Braking Force) อีกทั้งยังช่วยลด น้าหนักรวมของตัวรถและลดภาระงานในขั้นตอนการซ่อมบารุง 97 4.6 ผลจากการแข่งขัน ในการแข่งขัน TRRN Railway Challenge 2026 ทีมสามารถเข้าร่ว มการแข่ งขั นในหลาย รายการย่อย ซึ่งครอบคลุมทั้งด้านสมรรถนะเชิงวิศวกรรม การควบคุม ระบบพลังงาน และการ ออกแบบ โดยการประเมินผลแต่ละรายการจะใช้การจัดอันดับเป็นเกณฑ์การให้คะแนน การให้คะแนนเป็นไปตามเกณฑ์ดังนี้ อันดับที่ 1 ได้รับ 100 คะแนน อันดับที่ 2 ได้รับ 90 คะแนน อันดับที่ 3 ได้รับ 80 คะแนน อันดับที่ 4 ได้รับ 70 คะแนน อันดับที่ 5 ได้รับ 60 คะแนน อันดับที่ 6 ได้รับ 50 คะแนน อันดับที่ 7 ได้รับ 40 คะแนน อันดับที่ 8 ได้รับ 30 คะแนน อันดับที่ 9 ได้รับ 20 คะแนน อันดับที่ 10 ได้รับ 10 คะแนน อันดับที่ 11 ได้รับ 10 คะแนน อันดับที่ 12 ได้รับ 10 คะแนน 4.6.1 ผลการทดสอบสมรรถนะ (Performance Results) - Automatic Train Protection (ATP): ค่าความคลาดเคลื่อนในการหยุดรถเท่ากับ 3.2 cm ซึ่งอยู่ในเกณฑ์ความแม่นยาสูง ได้รับอันดับที่ 1 การแข่งขันนี้เป็นการทดสอบระบบป้องกันรถไฟอัตโนมัติ (ATP) โดยรถต้องเร่งจากจุดหยุดนิ่ง ให้มีความเร็วไม่น้อยกว่า 5 km/h เมื่อถึงจุด A ภายในเวลา 7.2 วินาที จากนั้นเมื่อถึงจุด B ระบบจะ อ่านสัญญาณจาก QR Code เพื่อรับค่าระยะเบรกและสั่งหยุดอัตโนมัติที่จุด C ตามค่าที่กาหนด คะแนนพิจารณาจากความแม่นยาของตาแหน่ง การหยุดและต้องมีการแสดงผลข้อมูลเป็นเลขระยะ เบรกบนอุปกรณ์ของทีม ทั้งนี้เมื่อถึงจุด B ผู้ควบคุมต้องยกมือเพื่อยืนยันว่าไม่มีการควบคุมรถระหว่าง การทดสอบ 98 รูปที่ 4.9 แสดงเงื่อนไขรายการ ATP - Noise: ระดับเสียงขณะทางานอยู่ที่ 70 dB อยู่ในเกณฑ์มาตรฐานที่กาหนด ได้รับอันดับที่ 3 การแข่งขันนี้จะวัดระดับเสียงของรถรางขณะวิ่งผ่านช่วง A ถึง B โดยติดตั้งไมโครโฟนห่างจาก กึ่งกลางราง 1.5 เมตร และสูง 0.5 เมตร เริ่มบันทึกเสียงเมื่อรถถึงจุด A และหยุดที่จุด B จากนั้นนา ค่าที่วัดได้ไปคานวณเป็นค่า LAeq เทียบกับเสียงรบกวนพื้นหลัง LB รถต้องเร่งจากจุด O ไปถึง A ภายใน 3.6 วินาที (ความเร็ว 10 km/h) หรือไม่เกิน 7.2 วินาที (ความเร็ว 5 km/h) และเมื่อผ่านจุด A ผู้ขับต้องปล่อยมือให้รถเคลื่อนที่ต่อเองจนถึง B โดยทีมที่มีระดับเสียงต่าที่สุดจะได้คะแนนสูงสุด รูปที่ 4.10 แสดงเงื่อนไขรายการ Noise - Traction: ใช้เวลา 5.8 วินาที ในระยะทาง 10 เมตร แสดงถึงสมรรถนะการออกตัวที่ดี ได้รับ อันดับที่ 3 การแข่งขันนี้เป็นการทดสอบอัตราเร่งของรถรางจาลอง โดยเริ่มต้นจากหยุดนิ่ง ณ จุด A และทา การเร่งความเร็วไปยังจุด B โดยทีมที่มีอัตราเร่งสูงสุดจะได้รับคะแนนสูงสุด ทั้งนี้จะใช้ระยะเวลาในการ เคลื่อนที่เป็นเกณฑ์ในการประเมินผล ซึ่งทีมที่ใช้เวลาน้อยที่สุดจะได้รับคะแนนสูงสุดตามลาดับ รูปที่ 4.11 แสดงเงื่อนไขรายการ Traction 99 - Ride Comfort: ไม่ผ่านการทดสอบ (Disqualified) โดยสาเหตุเกิดจากการใช้ความเร็วเกิน กว่าที่กาหนดในช่วงระยะทดสอบ ส่งผลให้ไม่เป็นไปตามเงื่อนไขของการแข่งขัน การแข่งขันนี้เป็นการทดสอบความสบายในการโดยสาร โดยใช้ Accelerometer แบบ 3 แกน ติดตั้งบนตัวรถเพื่อวัดการสั่นสะเทือนในทิศทาง x, y และ z โดยข้อมูลความเร่งจะถูกนาไปคานวณ เป็นดัชนีความสบาย (NMV) ซึ่งใช้เป็นเกณฑ์ในการให้คะแนน ทั้งนี้ต้องติดตั้งอุปกรณ์วัดบนแผ่นโลหะที่ ยึดกับโครงสร้างรถโดยตรง ห้ามใช้วัสดุดูดซับแรงสั่นสะเทือน และตาแหน่งติดตั้งต้องอยู่กึ่งกลางตัวรถ โดยทีมที่มีค่า NMV ต่าที่สุดจะได้คะแนนสูงสุด และนาค่ามาเรียงจากน้อยไปมากเพื่อจัดอันดับคะแนน รูปที่ 4.12 แสดงสเกลสาหรับประเมินดัชนีความสะดวกสบายในการขับขี่ NMV - Maintenance: ใช้เวลาในการถอด–ประกอบชุดล้อ 11.33 นาที แสดงถึงความสามารถในการ บารุงรักษาที่มีประสิทธิภาพ การแข่งขันนี้เป็นการทดสอบความสามารถในการถอดและประกอบชุดล้อขับเคลื่อนของหัวรถ จักร โดยให้ทีม (ไม่เกิน 4 คน) ถอดชุดล้อ 1 ชุดและใส่กลับภายในเวลาที่สั้นที่สุด ภายใต้เงื่อนไขด้าน ความปลอดภัย เช่น ปิดระบบจ่ายพลังงาน ตรวจสอบการยึดแน่น และปฏิบัติตามคาสั่งผู้ตัดสิน เมื่อ ประกอบเสร็จต้องทดสอบการทางานโดยให้รถเคลื่อนที่ได้จริงระยะ 1–5 เมตรทั้งสองทิศทาง ซึ่งทีมที่ ใช้เวลาน้อยที่สุดจะเป็นผู้ชนะเรียงตามลาดับ 4.6.2 ผลการแข่งขันด้านพลังงานและการควบคุม (Energy & Control Performance) - Energy Consumption: แม้ทีมจะมีประสิ ทธิภาพการใช้ พลั งงานในระดับสู ง (ได้รับ การ ประเมินว่าดีที่สุดในกลุ่มผู้เข้าแข่งขัน) แต่เนื่องจากมีการหยุดรถประมาณ 30 วินาที ส่งผลให้ถูกหัก คะแนน และได้คะแนนรวมอยู่ที่อันดับที่ 8 การแข่งขันนี้เป็น การทดสอบอัตราการใช้พลังงานของรถราง โดยผู้ตัดสินจะใช้เครื่องมื อวัด พลังงานที่ต่อผ่านขั้วต่อ (banana socket 4 mm) และบันทึกค่าพลังงานตลอดการวิ่งครบหนึ่งรอบ 100 สนาม จากนั้นนาค่าพลังงานของแต่ละทีมมาเรียงจากน้อยไปมาก โดยทีมที่ใช้พลังงานน้อยที่สุดจะได้ คะแนนสูงสุด - Punctuality: การควบคุมให้รถไฟหยุดตามตาแหน่งและเวลาเป้าหมายได้ในระดับที่ดี ได้รับ อันดับที่ 6 การแข่งขันนี้เป็นการทดสอบความตรงต่อเวลาในการวิ่งครบหนึ่งรอบสนาม โดยต้องปฏิบัติตาม เวลาที่กาหนดและข้อจากัดความเร็วอย่างเคร่งครัด ซึ่งทีมที่ใกล้เคียงเวลาหรือทาเวลาได้เร็วที่สุดจะได้ คะแนนสูงสุด ทั้งนี้หากฝ่าฝืนความเร็วที่กาหนดจะถูกหักคะแนนจุดละ 20 คะแนน และจะเรียงลาดับ คะแนนตามความใกล้เคียงกับเวลาที่กาหนด 4.6.3 ผลการแข่งขันด้านการออกแบบและนวัตกรรม (Design & Innovation) - Design (Technical Document): ได้รับอันดับที่ 5 รายการ Design Challenge มีวัตถุประสงค์เพื่อประเมินความสามารถในการออกแบบหัวรถจักร อย่างครบวงจร ทั้งด้านโครงสร้าง กลไก ไฟฟ้า และความปลอดภัย โดยเน้นการคานวณ วิเคราะห์ และทดสอบจริง การให้คะแนนพิจารณาจากความถูกต้องตามหลักวิศวกรรม ความสอดคล้องของผล วิเคราะห์กับการทดสอบ และความครบถ้วนของเอกสาร - Innovation: ได้รับอันดับที่ 2 จากการพัฒนาแนวคิด Noise Absorption เพื่อลดเสียงรบกวน รายการ Innovation Challenge มีวัตถุประสงค์เพื่อส่งเสริมแนวคิดนวัตกรรมที่สามารถพัฒนา ระบบหัวรถจักรและอุตสาหกรรมระบบราง เช่น การลดคาร์บอนหรือเพิ่มประสิทธิภาพการให้บริการ โดยประเมินจากความเป็นไปได้ของนวัตกรรม แนวคิดเชิงวิชาการ และผลการทดลองเบื้องต้น การให้ คะแนนพิจารณาจากคุณภาพเนื้อหา เช่ นการระบุถึงปัญหา, เหตุผลที่เลือกนวัตกรรม และนวัตกรรม นั้นสามารถต่อยอดได้จริง - CAD Design: ได้รับอันดับที่ 4 รายการ CAD Challenge มีวัตถุประสงค์เพื่อวัดทักษะการใช้โปรแกรม CAD ในการออกแบบหัว รถจักรอย่างเป็นระบบ ตั้งแต่การสร้างแบบ การวิเคราะห์ ไปจนถึงการสรุปผล โดยเน้นความถูกต้อง ชัดเจน และเป็นไปตามมาตรฐานวิศวกรรม การให้คะแนนพิจารณาจากคุณภาพแบบ ความครบถ้วน ของข้อมูล เช่น Technical standard, Bill of Material และ Assembly - Technical Poster: ได้รับอันดับที่ 3 101 รายการ Technical Poster Challenge มีวัตถุประสงค์เพื่อประเมินความสามารถในการสื่อสาร แนวคิดและการออกแบบหัวรถจักรผ่านโปสเตอร์ให้เข้าใจง่าย ครอบคลุมระบบสาคัญ เช่น ระบบ ขั บ เคลื่ อ น เบรก และการควบคุ ม การให้ คะแนนพิ จารณาจากความชั ด เจนของการนาเสนอ ความสามารถในการอธิบายและตอบคาถามภายในเวลาที่กาหนด 102 บทที่ 5 สรุปผลและข้อเสนอแนะ บทนี้นาเสนอการสรุปผลการดาเนินงานของการออกแบบและพัฒนาหัวรถจักรไฟฟ้า โดย อ้างอิงจากข้อกาหนดในการออกแบบ (Design Requirements) และข้อจากัดของโครงการ รวมถึง ผลการทดสอบและผลการแข่งขันจริง เพื่อนามาประเมินว่าสามารถบรรลุวัตถุประสงค์ที่กาหนดไว้ หรือไม่ นอกจากนี้ ยังได้วิเคราะห์ผลการดาเนินงานในภาพรวม พร้อมทั้งนาเสนอข้อเสนอแนะเพื่อเป็น แนวทางในการพัฒนาระบบให้มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้นในอนาคต 5.1 สรุปผลการดาเนินงานตามข้อกาหนด (Design Requirements & Constraints) จากการออกแบบและพั ฒ นาหั ว รถจั ก รไฟฟ้า ตามข้ อ กาหนดในหั ว ข้ อ 3.1 (Design Requirements) และข้ อ จากั ด ในหั ว ข้ อ 3.3 (Constraints) พบว่า ระบบสามารถตอบสนองต่ อ ข้อกาหนดหลักได้ในหลายด้าน โดยเฉพาะในด้านความแม่นยาของระบบควบคุมและระดับเสียงที่อยู่ ในเกณฑ์ที่กาหนด ในด้านข้อจากัดของโครงการ เช่น น้าหนัก งบประมาณ และระยะเวลาในการ พัฒนา ระบบได้รับการออกแบบให้อยู่ภายใต้ข้อจากัดดังกล่าว และสามารถดาเนินการได้สาเร็จใน ระดับที่เหมาะสม อย่างไรก็ตาม ยังมีบางส่วนที่สามารถพัฒนาเพิ่มเติมได้ เช่น สมรรถนะด้านแรงฉุด ซึ่งยังไม่สามารถบรรลุเป้าหมายที่ตั้งไว้ได้อย่างสมบูรณ์ 5.2 การประเมินผลตามวัตถุประสงค์ของโครงการ เมื่อเปรียบเทียบผลการแข่งขันกับวัตถุประสงค์ที่กาหนดไว้ พบว่าระบบสามารถบรรลุเป้าหมาย ในหลายด้าน โดยเฉพาะในด้านการควบคุมความเร็ว ซึ่งสามารถรักษาความเร็วได้ในช่วง 14.5–15 km/h ตามที่กาหนดไว้ รวมถึงระบบ ATP ที่มีความแม่นยาสูง โดยมีค่าความคลาดเคลื่อนไม่เกิน ±5 cm ซึ่งเป็นไปตามเกณฑ์ที่ตั้งไว้ ในส่วนของสมรรถนะด้าน Traction ทีมได้ตั้งเป้าหมายเวลาไว้ที่ 5 วินาที อย่างไรก็ตาม จากผลการแข่งขันจริงสามารถทาเวลาได้ 5.8 วินาที ซึ่งแม้จะยังไม่ถึงเป้าหมายที่ กาหนด แต่ยังคงอยู่ในระดับที่มีประสิทธิภาพและสามารถแข่งขันได้ โดยรวมแล้ว หัว รถจักรที่ พัฒนาขึ้นสามารถตอบสนองต่อวัตถุประสงค์หลักของโครงการได้ในด้านความแม่นยาและเสถียรภาพ ของระบบ ขณะที่ด้านอัตราเร่งยังเป็นประเด็นที่สามารถพัฒนาเพิ่มเติมได้ในอนาคต 103 5.3 สรุปผลการแข่งขัน จากผลการแข่งขันในภาพรวม พบว่าหัวรถจักรที่พัฒนาขึ้นมีจุดเด่นในด้านความแม่นยาของ ระบบควบคุ ม โดยเฉพาะระบบ ATP ซึ่ ง สามารถทางานได้ อ ย่า งมี ป ระสิ ท ธิ ภาพและมี ค วาม คลาดเคลื่อนต่า นอกจากนี้ ระบบยังมีความโดดเด่นด้านแนวคิดนวัตกรรม โดยเฉพาะการออกแบบ เพื่อลดเสียงรบกวน ซึ่งส่งผลให้ได้รับการยอมรับในด้าน Innovation อย่างไรก็ตาม ยังพบว่าด้าน สมรรถนะการออกตัว (Traction) และบางเงื่อนไขของการแข่งขัน เช่น การควบคุมความเร็วในบาง ช่วง ยังมีข้อจากัดที่ส่งผลต่อคะแนนโดยรวม โดยภาพรวม ผลการแข่งขันสะท้อนให้เห็นว่าการ ออกแบบสามารถตอบสนองต่อวัตถุประสงค์หลักของโครงการได้ดี โดยเฉพาะด้านความแม่นยาและ เสถียรภาพของระบบ 5.4 ข้อเสนอแนะสาหรับการพัฒนาในอนาคต จากผลการออกแบบและการแข่งขันใน TRRN Railway Challenge 2026 พบว่ายังมีแนวทาง ที่สามารถพัฒนาระบบหัวรถจักรให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นได้ในหลายด้าน ดังนี้ 5.4.1 การพัฒนาด้านระบบขับเคลื่อน (Traction System) ควรมีการศึกษาและปรับปรุงค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานระหว่างล้อและรางเพิ่มเติม เช่น การ เลือกวัสดุล้อหรือการปรับปรุงพื้นผิวสัมผัส เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการออกตัวและลดการลื่นไถล 5.4.2 การเพิ่มประสิทธิภาพด้านพลังงาน (Energy Efficiency) ควรปรับปรุงระบบควบคุมความเร็วและการจัดการพลังงานให้มีความต่อเนื่องมากขึ้น เพื่อลด การสูญเสียพลังงาน โดยเฉพาะในช่วงการหยุดและออกตัว ซึ่งมีผลต่อคะแนนในรายการ Energy Consumption 5.4.3 การพัฒนาระบบควบคุมและความแม่นยา (Control System) แม้ระบบ ATP จะมีความแม่นยาสูงแล้ว แต่สามารถพัฒนาต่อได้โดยการเพิ่มความเสถียรของ สัญญาณจากเซนเซอร์ และปรับปรุงอัลกอริทึมควบคุมให้ตอบสนองได้รวดเร็วและแม่นยายิ่งขึ้น 5.4.4 การปรับปรุงด้านความสบายในการโดยสาร (Ride Comfort) จากผลการแข่งขันที่ไม่ผ่านในรายการ Ride Comfort เนื่องจากการใช้ความเร็วเกินกว่าที่ กาหนดในช่วงทดสอบ ส่งผลให้ไม่สามารถวัดค่า Nmv ได้ ในการพัฒนาครั้งถัดไปควรมีการปรับปรุง ระบบควบคุมความเร็วให้มีความแม่นยาและสอดคล้องกับข้อกาหนดของการแข่งขันมากยิ่งขึ้น รวมถึง อาจมีการทดสอบล่วงหน้าเพื่อให้มั่นใจว่าสามารถทาได้ตามเป้าหมาย 104 5.4.5 การออกแบบเพื่อการบารุงรักษา (Maintainability) แม้ว่าระบบสามารถถอด–ประกอบได้ในเวลาที่เหมาะสมแล้ว แต่สามารถพัฒนาเพิ่มเติมโดย ออกแบบให้มีความเป็นโมดูลมากขึ้น เพื่อลดระยะเวลาในการบารุงรักษาและเพิ่มความสะดวกในการ ใช้งาน 5.4.6 การพัฒนานวัตกรรมเพิ่มเติม (Innovation Development) ควรต่อยอดแนวคิด ด้านการลดเสี ยง (Noise Absorption) ให้มีประสิทธิภาพสูง ขึ้น และ สามารถประยุกต์ใช้กับระบบจริงในระดับอุตสาหกรรม รวมถึงพัฒนานวัตกรรมใหม่ ๆ เพื่อเพิ่ม ความสามารถในการแข่งขันในอนาคต 105 เอกสารอ้างอิง [1] The CFD Group, Single-axle CFD bogie for the light trains range, Available : https://www.cfd.group/rolling-stock/single-axle-bogie [6 สิงหาคม 2568] [2] BPW Agrar, Tandem axle suspension units - Extremely robust – for every application, Available : https://bpwagrar.com/en/products/suspension-units/tandemaxle-suspension-units/ [6 สิงหาคม 2568] [3] The CFD Group, CFD TRIAX Bogie, Available : https://www.cfd.group/rollingstock/3-axle-bogie [6 สิงหาคม 2568] [4] The Railway Technical Website, Bogies, Available : http://www.railwaytechnical.com/trains/rolling-stock-index-l/bogies.html [6 สิงหาคม 2568] [5] ResearchGate, self-steering bogie, Available : https://www.researchgate.net/figure/Passive-steering-self-steering-a-Direct-connectionbetween-wheels-by-cross-bracing_fig8_307937126 [6 สิงหาคม 2568] [6] Linear Motion Tips, How to size a spline shaft: Shaft strength in bending and torsion, Available : https://www.linearmotiontips.com/how-to-size-a-spline-shaft-shaftstrength-in-bending-and-torsion/ [6 สิงหาคม 2568] [7] Global Railway Review, Shape optimisation of a railway wheel profile, Available : https://www.globalrailwayreview.com/article/2222/shape-optimisation-of-a-railwaywheel-profile/ [6 สิงหาคม 2568] [8] บ ริ ษั ท วิ ภู พา นิ ช จา กั ด , ป ระ เ ภ ท ข อ ง ต ลั บ ลู ก ปื น , Available : https://www.vibhupanich.com/ShowContent.aspx?id=302090 [6 สิงหาคม 2568] [9] ResearchGate, Methodology for the Estimation of Electrical Power Consumed by Locomotives on Undocumented Railroad Tracks, Available : https://www.researchgate.net/figure/Free-body-diagram-of-alocomotive_fig1_361214616 [6 สิงหาคม 2568] 106 [10] Cae Assistant, What is Von Mises Stress? | Mohr’s Circle and Principal Stress and Strain, Available : https://caeassistant.com/blog/von-mises-stress-abaqus-mohrs-circle/ [6 สิงหาคม 2568] [11] บริษัท อัลติเมท คอมเมอร์เชียล จากั ด, ทาความรู้จักกับมอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนา (Induction Motor), Available : https://www.xn--m3cuafl2db7b3hvb5c6a.com/th/articledetail/blog-10 [6 สิงหาคม 2568] [12] นายช่างมาแชร์ , Electric Motor [EP: 3] – มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับแบบซิงโครนัส (AC Motor ,Synchronous Motor), 19 มิ ถุ นา ย น 2 5 6 4 , Available : https://naichangmashare.com/2021/06/19/electric-motor-ep-2/ [6 สิงหาคม 2568] [13] CKK Global Co.,LTD, Service Factor คื อ อะ ไ ร , 2568, Available : https://www.ckkparts.com/article/9/service-factor%E0%B8%84%E0%B8%B7%E0%B8%AD%E0%B8%AD%E0%B8%B0%E0%B9%84%E0% B8%A3 [6 สิงหาคม 2568] [14] นายช่างมาแชร์, อัตราทดเกียร์ (ฉบับสั้นๆเข้าใจง่าย!!!!), 23 กุมภาพันธ์ 2563, Available : https://naichangmashare.com/2020/02/23/gear-ratio-calculation/ [6 สิงหาคม 2568] [15] Bearing BKK Finest Engineering, ระ บ บ โ ซ่ ส่ ง กา ลั ง (Chain Drive), Available : https://www.bearingbkk.com/content/13538/chaindrivesystem [6 สิงหาคม 2568] [16] บริษัท คอนเวเยอร์ไกด์ จากัด, การเลือกโซ่ส่งกาลัง (Roller Chain Selection) , Available : https://www.conveyorclub.com/17738227/introduction-12 [6 สิ ง หา ค ม 2568] [17] Thai-German Institute, Designing of Chain Drive Mechanism 4, Available : https://th.misumi-ec.com/th/pdf/tech/mech/p2821_thai.pdf [6 สิงหาคม 2568] [18] TMS Teo Mong Seng Co.,Ltd, เฟือง เฟืองโซ่ Sprocket คืออะไร? มีกี่ประเภท? , 28 กั น ยายน 2565, Available : เฟื อ ง เฟื อ งโซ่ Sprocket คื อ อะไร? มี กี่ ป ระเภท? - TMS [6 สิงหาคม 2568] 107 [19] Singiresu S. Rao, Mechanical Vibrations, 6th Edition, Pearson Education, Inc., Upper Saddle River, New Jersey, USA, 2017 [20] The Contact Patch, Railway suspension [Online], 2014, Available : https://www.thecontactpatch.com/rail/r1114-railway-suspension [6 สิงหาคม 2568] [21] Dean C. Karnpop, Donald L. Margolis, Ronald C. Rosenberg, System Dynamics: Modeling, Simulation, and Control of Mechatronic Systems, 5th Edition, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, USA, 2012 [22] Thomas D. Gillespie, Fundamentals of Vehicle Dynamics, 1st Edition, SAE International, Warrendale, Pennsylvania, USA, 1992 [23] TAIZHOU SHUANGYI AUTO PARTS CO., LTD., จะทดสอบแหล่ ง สุ ญ ญากาศของระบบ เบรกได้อย่างไร?, 26 ธันวาคม 2567, Available : https://th.clutchcylinder.com/info/how-totest-the-vacuum-source-of-brake-systema-17182489927885824.html [6 สิงหาคม 2568] [24] PST Group, การทางานของระบบเบรก แบบ เบรกลมดั น ช่ ว ย, 27 กุ ม ภาพั น ธ์ 2561, Available : https://pstgroupblog.wordpress.com/2018/02/27/%E0%B8%81%E0%B8%B2%E0%B8 %A3%E0%B8%97%E0%B8%B3%E0%B8%87%E0%B8%B2%E0%B8%99%E0%B8%82%E 0%B8%AD%E0%B8%87%E0%B8%A3%E0%B8%B0%E0%B8%9A%E0%B8%9A%E0%B9 %80%E0%B8%9A%E0%B8%A3%E0%B8%81-%E0%B9%81%E0%B8%9A%E0%B8%9A/ [6 สิงหาคม 2568] [25] ETechnoG, Dynamic Braking Resistor (DBR) Connection Diagram with VFD, 11 ธั น วา ค ม 2 5 6 7 , Available : https://www.etechnog.com/2 0 2 3 / 0 7 / dynamic-brakingresistor-dbr-connection.html [6 สิงหาคม 2568] [26] ResearchGate, Schematic diagram of DC motor working as a motor and a regenerative brake, Available : https://www.researchgate.net/figure/Schematicdiagram-of-DC-motor-working-as-a-motor-and-a-regenerative-brakeSimulation_fig3_323938751 [6 สิงหาคม 2568] 108 [27] Autolexicon.net, Brake disc, Available https://www.autolexicon.net/en/articles/brzdovy-kotouc/ [6 สิงหาคม 2568] : [28] Kawasaki Heavy Industries, Ltd., efWING – New-generation railway bogie, Kawasaki Technical Review, No. 177, 2016, pp. 27-32, Available : https://global.kawasaki.com/en/corp/rd/magazine/177/pdf/n177en06.pdf [15 ตุ ลา ค ม 2568] [29] ResearchGate, Model-of-the-BT10-passenger-bogie [Online], 2020, Available : https://www.researchgate.net/figure/Model-of-the-BT10-passengerbogie_fig4_27398317 [15 ตุลาคม 2568] [30] Global railway review, article FLEXX Eco: The leading lightweight passenger bogie design [Online], Available : https://www.globalrailwayreview.com/article/74693/flexxeco-lightweight-bogie-design/ [15 ตุลาคม 2568] [31] Railway Technology, Y25 Bogie [Online], Available : https://www.railwaytechnology.com/products/y25-bogie/ [15 ตุลาคม 2568] [32] Mohan N., Electric Machines and Drives: A First Course, 1st Edition, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, USA, 2012 [33] Lammotor, Difference Between Synchronous Motor And Induction Motor – A Comprehensive guide [Online], 2025, Available : https://lammotor.com/synchronousmotor-vs-induction-motor/ [15 ตุลาคม 2568] [34] TVS Motor Company, “Chain Vs Belt Vs Shaft Drive” [Online], 2019 Available : https://www.tvsmotor.com/blog/chain-vs-belt-vs-shaft-drive-motorcycle-final- drivesystems-explained-with-their-characteristics/ [15 ตุลาคม 2568] [35] Evans, J. R. และ Berg, M., “Wheel–rail contact and conicity – Impacts on dynamic behavior.” Vehicle System Dynamics, 2009, 47 (Supplement) [15 ตุลาคม 2568] [36] Fonyo Industries, ดุมล้อรถไฟ: การวิเคราะห์ทางเทคนิคและการประยุกต์ใช้กระบวนการตีขึ้น รูปและการหล่อ [Online], 2025, Available : https://www.railwaypart.com/th/blog/railway- 109 wheel-hubs-technical-analysis-and-application-adaptation-of-forging-and-castingprocesses/?utm_source=chatgpt.com [15 ตุลาคม 2568] [37] JW Tech, Encoder (เ อ็ น โ ค้ ด เ ด อ ร์ ) Omron [Online], 2025, Available : https://jwtech.co.th/activity/?p=2797 [15 ตุลาคม 2568] [38] Encoder Products Company, TB-108: Encoders with Measuring Wheels, Revision D, Encoder Products Company, Sagle, Idaho, USA, 2018 [15 ตุลาคม 2568] [39] John D. Anderson Jr., Fundamentals of Aerodynamics, 5th ed. New York: McGrawHill, 2011 [15 ตุลาคม 2568] [40] SolarTech Online, “Train Carbon Emissions: Complete 2025 Guide to Railway Environmental Impact,” Nov. 30, 2025. [Online]. Available : https://solartechonline.com/blog/train-carbon-emissionsguide/?utm_source=chatgpt.com [22 มีนาคม 2569] 110 Appendix รูปที่ ก - 1 แสดงภาพ Roll-bar รูปที่ ก - 2 แสดงภาพ Roll-bar Flange 111 รูปที่ ก - 3 แสดงภาพ Structure Encoder รูปที่ ก - 4 แสดงภาพ Structure Side รูปที่ ก - 5 แสดงภาพ Structure Top 112 รูปที่ ก - 6 แสดงภาพ Structure Bottom รูปที่ ก - 7 แสดงภาพ Clevis รูปที่ ก - 8 แสดงภาพ Clevis Support 113 รูปที่ ก - 9 แสดงภาพ Vertical Damp Mount รูปที่ ก - 10 แสดงภาพ Vertical Damp Mount Clevis รูปที่ ก - 11 แสดงภาพ Blank Base Motor 114 รูปที่ ก - 12 แสดงภาพ PTFE Holder รูปที่ ก - 13 แสดงภาพ PTFE Bushing รูปที่ ก - 14 แสดงภาพ Clevis Shock 115 รูปที่ ก - 15 แสดงภาพ Air Suspension Mount รูปที่ ก - 16 แสดงภาพ Caliper Hub รูปที่ ก - 17 แสดงภาพ Wheel JIS6KG 116 รูปที่ ก - 18 แสดงภาพ Wheel Axial รูปที่ ก - 19 แสดงภาพ Lower Arm Base รูปที่ ก - 20 แสดงภาพ Lower Arm Clevis 117 รูปที่ ก - 21 แสดงภาพ Lower Arm Yoke End รูปที่ ก - 22 แสดงภาพ Middle Shaft รูปที่ ก - 23 แสดงภาพ Plate Base Motor 118 รูปที่ ก - 24 แสดงภาพ Flange Base Motor รูปที่ ก - 25 แสดงภาพ Collar Mount รูปที่ ก - 26 แสดงภาพ Pivot Plate 119 รูปที่ ก - 27 แสดงภาพ Top Plate รูปที่ ก - 28 แสดงภาพ Anti Roll Rod รูปที่ ก - 29 แสดงภาพ Urethane Wheel 120 รูปที่ ก - 30 แสดงภาพ Aluminum Wheel รูปที่ ก - 31 แสดงภาพ Neodymium รูปที่ ก - 32 แสดงภาพ Encoder Wheel Base 121 รูปที่ ก - 33 แสดงภาพ Encoder Wheel Clevis รูปที่ ก - 34 แสดงภาพ Encoder Fork รูปที่ ก - 35 แสดงภาพ Encoder Rod 122 รูปที่ ก - 36 แสดงภาพ Encoder Shaft 123

Abstract

Rail transportation has become increasingly popular due to its high capacity, safety, and cost-effectiveness. This thesis focuses on the design and development of a scaled electric locomotive for the TRRN Railway Challenge, an engineering competition aimed at promoting practical and efficient design solutions. The project emphasizes performance optimization through simulation, precise drafting, manufacturability, and material testing in accordance with competition standards. The proposed locomotive operates on a 30 cm gauge track, with a minimum turning radius of 6.5 meters and a target speed range of 14.5–15 km/h. The design encompasses both mechanical components—such as the bogie structure, container, wheelset, fairing, braking, and power transmission systems—and electrical systems, including the motor and control unit. The work builds upon previous models with systematic engineering improvements to achieve measurable performance outcomes.

อ้างอิงผลงานนี้ / Cite this

รหัสโปรเจค

AM-2568-012

ชื่อเรื่อง

ออกแบบและสร้างต้นแบบหัวรถจักรไฟฟ้าจำลองสำหรับการแข่งขัน TRRN Railway Challenge 2026 / Design and Prototype Development of an Electric Locomotive Model of the TRRN Railway Challenge 2026

ผู้จัดทำ

ฉัตริน แย้มกลีบ, วรัชญ์ ติราวรัมย์, ณพสิทธิ์ กะแตเซ็ง, ปิยธิดา วรวรรณปรีชา, วชิรวิชญ์ เตชะสาย

อาจารย์ที่ปรึกษา

ผศ.ดร.พงษ์ศักดิ์ นิ่มดำ

ปีการศึกษา

2568 (C.E. 2025)

หน่วยงาน

ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลและการบิน-อวกาศ (MAE) มจพ.

URL

https://maeconnect.eng.kmutnb.ac.th/projects/cmoi2qogi005fxtyr1k75aht0