KAJIAN TEORITIS DAN EKSPRIMENTAL GETARAN
PADA MODEL
MATERIAL FLYWHEEL BERBEDA MENGGUNAKAN
METODE ELEMEN HINGGA
THEORETICAL AND EKSPRIMENT VIBRATION IN
CONTRAST
FLYWHEEL MATERIAL MODEL USING THE FINITE
ELEMENT
METHODE
Jamaluddin 1 ,
Hammada Abbas2, Johannes Leonard2
1
Universitas Islam
Makassar
2
Jurusan Mesin Fakultas Teknik Universitas
Hasanuddin
Abstrak
Tingginya
getaran merupakan penyebab kerusakan pada mesin, Tingginya getaran dapat
bersumber dari semua komponen elemen mesin, beban berputar antara lain flywheel
disanyalir menjadi sumber getaran. Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji
pengaruh flywheel material berbeda (kuningan, Besi dan Aluminium) terhadap
getaran yang timbul pada alat peraga, menganalisa frekuensi pribadi (n) sebagai
kajian getaran secara teoritis dan eksprimental getaran pada alat peraga
tersebut dengan bantuan metode elemen hingga. Penelitian ini dilaksanakan di
PT. Semen Bosowa Maros dengan melakukan laser alignment dan pengujian getaran.
Metode yang digunakan adalah metode elemen hingga. Untuk menganalisis modal
digunakan perangkat lunak Autodesk Inventor 2012, laser alignment dilakukan
untuk memperoleh kelurusan kopling dan pengujian Vibrasi dengan vibscanner
sebagai kajian eksprimental getaran pada alat peraga dengan motor 1,1 kW, flens
diameter 100 mm, shaft dengan panjang 500 mm dan diameter 40 mm, bantalan 6208
serta dimensi flywheel berdiameter 300 mm, lebar 30 mm dan tebal 16 mm dengan
model material flywheel kuningan, besi dan aluminium. Hasil penelitian
menunjukkan masih tingginya nilai vibrasi yang diukur secara radial (horisontal
dan vertikal) dan Aksial pada alat peraga dari ketiga flyhweel berbeda. Dengan
metode energi rayleigh diperoleh frekuensi natural () sebesar 1165,47 rad/s (158,58 Hz) untuk kuningan, 1200
rad/s (191,1 Hz) untuk besi dan 2055 rad/s (327,23 Hz) untuk aluminium. Dan
secara eksprimental menunjukkan 577 rad/s (92 Hz) untuk kuningan, 609,5 rad/s
(97 Hz) untuk Besi dan 651 rad/s (103,7 Hz) untuk Aluminium. Dari sepuluh
frekuensi hasil analisa elemen hingga menunjukkan displacement dominan penyebab
getaran terjadi pada flywheel. Berdasarkan pada kajian tersebut menyimpulkan
bahwa displacement pada flywheel menjadi penyebab utama tingginya getaran.
Kata Kunci : getaran, frekuensi,flywheel, elemen hingga.
Abstract
The high vibration is the cause of damage to the
engine, High vibration components can be found at all elements of the machine,
such as a flywheel rotating load is suppose to be a source of vibration. This
study aims to analyze the influence of different flywheel materials (brass,
Iron and Aluminum) to vibrations arising on props, to analyze natural frequency
() as a comparison study of the theoretical vibration and vibration
eksprimental on the props with the help of the finite element method. This
study was conducted at PT. Semen Bosowa Maros to perform laser alignment and
vibration testing, the method used finite element method for modal analysis
using software Autodesk Inventor 2012, perform laser alignment in order to
obtain the coupling flange alignment and vibration testing with vibscanner as
exprimental study on props vibration motor
1.1 kW, flange diameter 100 mm, length 500 mm shafts with a diameter of
40 mm, 6208 bearing and dimensions of the flywheel diameter 300 mm, width 30 mm
and 16 mm thick material model flywheel with brass, iron and aluminum. The
results showed that the high value of the vibration measured radial (horizontal
and vertical) and Axial on props from three different flyhweels. With energy
method rayleigh obtained natural frequencies () of 1165.47 rad/s (158,58 Hz)
for brass, 1200 rad/s (191,1 Hz) for iron and 2055 rad/s (327,23 Hz) for
aluminum. The eksprimental shows 577 rad/s (92 Hz) for brass, 609,5 rad/s (97
Hz) for iron and 651 rad/s (103,7 Hz) for aluminum. Of the ten frequency finite
element analysis results indicate the dominant displacement occurs at the flywheel.
Based on these studies, it can be concluded that the displacement at the
flywheel is the main cause of vibration.
Keywords:
vibration, frequency, flywheel, finite element.
PENDAHULUAN
Perkembangan
industri dan penggunaan mesin-mesin industri yang pesat mendorong terus dilakukannya inovasi
teknologi yang canggih dan modernis, konsekwensinya teknologi tersebut semakin
mahal. Penerapan dan penggunaannya diharapkan dapat meminimalisir kerusakan
mesin akibat getaran. Frekwensi getaran secara fisik apabila tidak terkendali
dapat menimbulkan kondisi bising pada saat pengoperasian mesin dan amplitudo
getaran tak terkendali tampak pada goyangan mesin yang tak beraturan. Model
flywheel dengan material berbeda sebagai beban berputar dapat dijadikan sebagai
bahan kajian getaran, merupakan representasi model mesin-mesin industri yang
seringkali mengalami kerusakan. kerusakan yang terjadi dari mesin-mesin
industri menjadi sebab terhentinya pengoperasian mesin, akibatnya terhentinya
proses produksi “Down Time”, terbuangnya jam kerja karyawan dan
pengeluaran biaya perawatan dan perbaikan
yang mahal pada dunia industry (Tungga, 2011).
Kerusakan
mesin-mesin yang diakibatkan tingginya getaran mesin yang dapat menyebabkan
berbagai keadaan yang abnormal seperti mengendornya baut-baut, bagianbagian
mesin cepat aus, shaft menjadi misaligned, rotor menjadi unbalance, dll.
Kondisi tersebut diatas akan menaikkan energi yang terdissipasi karena getaran,
menyebabkan resonansi dan beban dinamis pada bantalan. Sebab akibat yang
terjadi seterusnya akan menyebabkan mesin segera menuju kepada kerusakan (break down) yang menyebabkan mesin harus
dimatikan atau otomatis dapat mati dengan sendirinya karena adanya proteksi
pada sistem listrik atau instrumentasinya (Fausan, 2007).
Getaran juga
dapat timbul akibat keadaan tak seimbang yang terjadi apabila pusat massa
sistem berputar tidak berimpit dengan titik pusat perputaran, hal ini karena
beberapa sebab misalnya bahan yang tidak homogen dan perubahan posisi
ketidakseimbangan dapat terjadi pada suatu bidang (disebut static unbalance)
atau pada beberapa bidang (couple
unbalance). Gabungan keduanya disebut dinamic
unbalance. Dalam keadaan unbalance sebuah vektor gaya yang berputar dengan
poros menimbulkan getaran dengan frekuensi satu per putaran. Karakteristik ini
sangat penting untuk membedakan unbalance dengan cacat atau kerusakan yang
menghasilkan getaran serupa dengan getaran satu per putaran. Kerusakan akibat
cacat yang sering disangka dari rotor biasanya mempunyai harmonik tingkat
tinggi, tetapi perlu diingat bahwa bila gaya balancenya tak besar, harmonik
tingkat tinggi dapat terjadi. Hal yang sama terjadi pula bila kekakuan bantalan
dalam arah vertikal dan horizontal jauh berbeda, karena gaya unbalance
merupakan vektor berputar maka fasa getarannya relatif terhadap keyphasior
tergantung pada lokasi transducernya. Amplitudo dalam hal ini sedikit berubah
(Tobing, 2009).
Karena getaran
banyak menyebabkan terjadinya kerusakan pada mesin maka Perlu adanya
pengetahuan dan kajian secara teoritis dan eksprimental mengenai getaran hingga
memberi pengetahuan yang dapat meminimalisir getaran agar kerusakan mesin yang
fatal dapat dihindari. Dalam kajian ini dibutuhkan suatu metoda yang efektif
agar kelak dapat dijadikan sebagai referensi tambahan bagi para maintanance
sebagai rujukan yang memadai.
Seiring
perkembangan teknologi dan kompleksitas struktur mesin, metode klasik tidak
lagi mumpuni untuk mendapatkan hasil yang akurat dan dengan semakin
berkembangnya teknologi komputer maka kita memerlukan metode yang kompatibel
dengan teknologi komputer tersebut. Metode yang cukup efektif dalam melakukan
analisa terhadap getaran adalah Metode Elemen Hingga yang membagi suatu
struktur yang kompleks dan besar menjadi ratusan hingga ribuan elemen. Tiap
elemen struktur merupakan bagian yang kontinyu yang dirakit menjadi satu
kesatuan matriks yang sangat besar. Tentu saja hal ini tidak dapat dihitung
secara manual (Yefri, 2013).
Oleh karena itu perlu adanya upaya
penambahan khasanah keilmuan getaran dengan melakukan penelitian berupa
rancangan mesin yang presisi dan beban berputar berupa flywheel dengan material
berbeda dalam hubungannya dengan getaran yang dikaji secara teoritis dan
eksprimental. Agar dapat memperkaya khasanah keilmuan maka dilakukan kajian
teoritis dan eksprimental getaran pada hasil rancang bangun alat peraga
tersebut menggunakan metode elemen hingga karena metode ini dianggap lebih
akurat dalam memberikan hasil analisa terhadap problem fisik termasuk getaran.
Tujuan penelitian ini adalah untuk mengkaji pengaruh flywheel material berbeda
terhadap getaran yang timbul pada hasil rancang bangun atau alat peraga getaran
dan untuk menganalisa penyebab getaran berdasar pada frekuensi pribadi (n) sebagai
perbandingan kajian getaran secara teoritis dan eksprimental getaran pada alat
peraga tersebut dengan bantuan metode elemen hingga.
BAHAN DAN METODE
Lokasi dan Tempat
Penelitian ini
dilakukan dibeberapa tempat. Untuk perancangan dan perakitan alat peraga pada
penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Proses Produksi Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Islam Makassar, UNHAS dan Politeknik Negeri Ujung
pandang.
Pengambilan data getaran dilaksanakan pada
PT. Semen Bosowa Maros.
Desain Penelitian
Bahan
pengujian getaran pada penelitian ini berupa alat peraga berupa sistem
permesinan yang terdiri dari motor elektrik, kopling flens diameter, pillow
block bantalan dan poros dengan flywheel sebagai beban berputar yang terdiri
dari 3 (tiga) material berbeda yaitu kuningan, besi dan aluminium yang merupakan
hasil dari rancangan dengan menyesuaikan standar ASME dan JIS.
Prosedur Penelitian
Melakukan
rancang bangun alat peraga dengan merujuk pada standarisasi dengan kode ASME
dan JIS, diawali dengan penentuan dimensi dari alat peraga tersebut lalu dilanjutkan
dengan penentuan motor elektrik sebagai penggerak dengan menyesuaikan
spesifikasi yang kita butuhkan. Pemilihan motor elektrik sebagai penggerak yang
ideal adalah pada besaran daya minimal 1 kW atau 1,5 Hp (Sofwan dkk., 2004).
Menentukan dimensi flywheel sebagai beban
berputar dengan merujuk pada persamaan
= (0,65 − 2)ℎ dengan lebar flywheel
(b) tidak melebihi 0,65 sampai 2 kali
tebal flywheel
(h)
(McGraw, 2004).
Menentukan diameter poros minimal dengan
berdasar pada tegangan geser
= 0,18 ,
menghitung torsi dan momen gaya lalu
dilanjutkan dengan penentuan diameter minimal poros (Joseph dkk., 1984).
Diameter minimal
poros sesuai dengan standar ASME (Mott, 2009), menggunakan
Penentuan bantalan berdasarkan
pada prosedur pemilihan bantalan dan pemilihan flens dengan berdasar pada poros
rancangan , pemilihan kopling flens sesuai dengan data pemilihan hubungan poros
dan flens penetapan standar JIS (Sularso dkk., 1991).
Sebelum
pengujian getaran dilakukan terlebih dahulu dilakukan pengujian kelurusan sumbu
poros dengan menggunakan laser alignment untuk
memastikan kelayakan alat peraga untuk pengambilan data getaran. Selanjutnya
pengujian getaran yang dilakukan oleh petugas terlatih dengan pengukuran
langsung menggunakan vibscanner untuk
tiap-tiap bantalan dengan pengukuran secara horisontal, vertikal dan aksial
getaran untuk tiap-tiap flywheel dengan material berbeda.
Data getaran dari hasil pengujian secara
eksprimental lalu di komparasikan dengan perhitungan secara teoritis dengan
menggunakan metode energi rayleigh terhadap displacement yang dapat terjadi
pada masing-masing flywheel pada material berbeda dengan persamaan :
1 2 ( ) =
Dengan
adalah energi total (joule), adalah massa flywheel (kg), adalah displacement
(m) dan adalah frekuensi pribadi (Hutahaean, 2012).
Hasil
tersebut lalu diperkuat lagi dengan modal analisis pendekatan metode
elemen hingga dengan bantuan software autodesk inventor 2012.
HASIL
Karakteristik Data
Pada tabel 1
menunjukkan hasil perhitungan frekuensi pribadi dengan menggunakan metode
energi rayleigh dan eksprimental, Pada tabel 2 merupakan hasil pengukuran
getaran pada alat peraga hasil rancangan yang diukur pada bantalan, baik pada
bantalan motor (1/NDE dan 2/DE) dan batalan poros (3/DE dan 4/NDE) dan pada
pengukuran horisontal pengambilan data spektrum getaran untuk mengetahui
pengaruh terbesar atau dominan getaran tinggi.
Pada tabel 3 merupakan rangkuman hasil
frekuensi yang dapat timbul pada alat peraga dengan bantuan elemen hingga.
Frekuensi terkecil 252.82 Hz untuk material kuningan, 282.49 Hz untuk material
besi dan 413.55 Hz untuk material aluminium. Sementara frekuensi terbesar
1926.85 Hz untuk material kuningan, 2540.48 Hz untuk material besi dan 2520.07
Hz untuk material aluminium.
PEMBAHASAN
Penelitian ini
menerangkan bahwa hasil perhitungan frekuensi pribadi secara teoritis untuk
flywheel dengan material berbeda menggunakan metode energi rayleigh
memperlihatkan bahwa flywheel aluminium memiliki
frekuensi pribadi tertinggi sebesar 2055 rad/s, sedangkan flywheel dengan
material besi memiliki frekuensi pribadi sebesar 1200 rad/s dan yang terendah
adalah flywheel dengan material kuningan sebesar 1165,47 rad/s. Sementara hasil
pengukuran alat peraga secara eksprimental menunjukkan perbedaan yang cukup
signifikan dimana pada flywheel material Aluminium memiliki frekuensi sebesar
651 rad/s atau 103,7 Hz sedangkan flywheel dengan material besi memiliki
frekuensi sebesar
609,5 rad/s atau 97 Hz dan
flywheel untuk material kuningan sebesar 577 rad/s atau 92 Hz. Dengan
menggunakan metode energi dan eksprimental, keduanya menunjukkan bahwa semakin
berat material flywheel (kuningan) maka semakin kecil frekunsi pribadinya
begitu pula sebaliknya semakin ringan material flywheel maka semakin besar
frekuensi pribadinya dan displacement yang terjadi semakin kecil.
Pengujian
secara eksprimental menunjukkan getaran terbesar untuk flywheel material
kuningan terjadi pada horisontal bantalan 4/NDE sebesar 22,01 mm/s dan getaran
terkecil pada vertikal bantalan 3/DE sebesar 4,76 mm/s. Pada flywheel material
besi getaran terbesar terjadi pada horisontal bantalan 2/DE sebesar 9,9 mm/s
dan terkecil terjadi pada horisontal bantalan 3/DE sebesar 3,56 mm/s. Pada
flywheel material aluminium getaran terbesar terjadi pada horisontal bantalan
1/NDE sebesar 9,66 mm/s dan getaran terkecil terjadi pada horisontal bantalan
3/DE. Pengukuran spektrum getaran untuk flywheel material kuningan pada
bantalan secara horisontal menunjukkan frekuensi terendah sebesar 155,43 rad/s
hanya pada bantalan 1/NDE dan ketiga horisontal bantalan yaitu 2/DE, 3/NDE dan
4/NDE frekuensinya 157 rad/s. Untuk flywheel material besi pada bantalan
horisontal 1/NDE, 3/DE dan 4/NDE memiliki frekuensi 157 rad/s dan horiontal
bantalan 2/DE memilki frekuensi terbesar yaitu
628 rad/s. Untuk flywheel material aluminium pada bantalan horisontal
4/NDE memilki frekuensi terkecil sebesar 4,57 rad/s sementara bantalan
horisontal 1/NDE, 2/DE dan 3/DE memiliki frekuensi terbesar yaitu 628 rad/s.
Hal ini menunjukkan bahwa semakin berat massa flywheel maka semakin kecil
frekuensinya begitu pula sebaliknya semakin ringan massa flywheel maka semakin
besar frekuensinya.
Penelitian ini menunjukkan hasil
rangkuman frekuensi dengan elemen hingga menggunakan software autodesk inventor
2012 menunjukkan frekuensi akibat displacement yang dapat terjadi pada alat
peraga. Pada frekuensi 1 sampai 10 menunjukkan bahwa frekuensi per-1
masing-masing dimulai dari frekuensi 0,00 Hz. Pada frekuensi ke-2 sampai
frekuensi ke-10 menunjukkan pada masing-masing material bahwa material kuningan
memiliki frekuensi lebih kecil dibanding frekuensi material besi dan frekuensi
material besi masih lebih kecil dari frekuensi material aluminium. Hal ini
berarti semakin berat massa suatu flywheel maka akan semakin kecil frekuensi
yang dapat timbul begitu pula sebaliknya, semakin ringan massa flywheel maka
semakin besar frekuensi yang dihasilkannya.
KESIMPULAN DAN SARAN
Berdasarkan
hasil perhitungan perancangan , pengujian eksprimental getaran dan melakukan
analisa dengan metode elemen hingga pada alat peraga getaran tersebut maka
dapat disimpulkan bahwa rancangan alat peraga getaran telah memenuhi standar
ASME,
Hasil perhitungan frekuensi
natural pada alat peraga tersebut dengan menggunakan persamaan energi
menunjukkan bahwa flywheel dengan material aluminium memiliki frekuensi pribadi
cukup besar yaitu 2055 rad/s dibandingkan dengan flywheel material besi dan
aluminium. Hasil pengujian getaran secara eksprimental menunjukkan tingginya
tingkat vibrasi pada hasil rancangan alat peraga getaran hingga 22,01 mm/s pada
bantalan 4/NDE untuk material kuningan Dan data spektrum getaran menunjukkan
bahwa ketiga flywheel (kuningan, besi dan aluminium) menjadi penyebab dominan
pengaruh getaran yang cukup tinggi. Sedangkan hasil Analisa Elemen Hingga
dengan autodesk Inventor 2012 menunjukkan bahwa dari ke sepuluh frekuensi yang
dianalisa pada umumnya penyebab getaran dominan adalah flywheel. Namun pada
frekuensi ( 10) 2540,48 Hz untuk
material besi dan Frekuensi ( 10)
2520,07 Hz untuk material aluminium penyebab dominan adalah displacement pada
poros, bantalan dan kopling flens. Dengan berdasarkan pada hasil analisa
getaran pada rancangan alat peraga dengan kajian teoritik pendekatan metode
energi rayleigh, pengujian eksprimental dan analisa dengan elemen hingga
diketahui penyebab dominan getaran adalah flywheel maka disarankan pada
penelitian selanjutnya agar kiranya melakukan upaya meminimalisir getaran
akibat flywheel dengan memperbandingan dimensi flywheel dan putaran (rpm)
flywheel.DAFTAR PUSTAKA
Fausan.
(2007). Analisis Getaran Torsional Pada Poros Bulat Dengan Elemen Hingga
Berbasis Matlab. Teknik Mesin Universitas Hasanuddin Makassar. Tesis tidak
dipublikasikan, Makassar.
Hutahaean,
Ramses. (2012). Getaran Mekanika
(dilengkapi pemrograman dengan MATLAB). Jogjakarta: Penerbit Andi.
Joseph Edward
Shigley dan Larry D. Mitchell. (1984). Perencanaan
Teknik Mesin (jilid 2). Jakarta: Erlangga.
McGraw-Hill.
(2004). Machine Design Databook Chapter
15 Flywheel. Download From Digital Engineering Library, McGraw-Hill
Companies.
Mott, P.E.
Robert L. (2009). Elemen-Elemen Mesin
Dalam Perancangan Mekanis (Perancangan Elemen Mesin Terpadu). Yogyakarta:
Penerbit Andi,.
Sofwan A, dkk. (2004). Sistem
Penggendali Kecepatan Putaran Motor Ac Phasa Satu Menggunakan Mikrokontroller
At89s8252. Proceedings, Komputer dan Sistem Intelijen (KOMMIT 2004) Auditorium
Universitas Gunadarma. Jakarta. ISSN : 1411-6286.
Sularso, Ir,
MSME dan Kiyokatsu Suga. (1991). Dasar-Dasar
Perencanaan Dan Pemilihan Elemen Mesin. Jakarta : Pradnya Paramita.
Tobing, DCL.
(2009). Analisa Getaran. Diakses 19
oktober 2013. Available from: http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/17339/4/Chapter%20II.pdf
Tungga, BK. (2011). Dasar-Dasar Getaran
Mekanis. Yogjakarta : penerbit Andi.
Yefri Chan.
(2013). Diktat Getaran Mekanik I. Diakses 5 Oktober 2013. Availalbe from :
http://yefrichan.wordpress.com/category/getaran-mekanik/
Tabel 1. Frekuensi Pribadi Dengan Metode Energi Dan Eksprimental
|
Flywheel
|
Frekuensi Natural
Metode Reyleigh Eksprimental
Rad/s Hz Rad/s Hz
|
|
Kuningan
|
1165,47 158,58 577 92
|
|
Besi
|
1200 191,1 609,5 97
|
|
Aluminium
|
2055 327,23 651 103,7
|
Tabel 2. Hasil Pengukuran Vibrasi
|
No
|
Material Flywheel
|
Jenis
|
Bearing
|
Velocity (mm/s) Horisontal Vertikal Aksial
|
Ket.
|
||
|
1.
|
Kuningan
|
Motor Bearing
|
1 / NDE
2 / DE
3 / DE
4 / NDE
|
7,92
5,74
9,67
22,01
|
5,66
7,34
4,76
7,75
|
11,15
11,14
8,6
7,57
|
|
|
2.
|
Besi
|
Motor Bearing
|
1 / NDE
2 / DE
3 / DE
4 / NDE
|
5,96 9,9
3,56
5,74
|
7,8
5,99
4,71
4,19
|
7,16
9,89
9,26
5,39
|
|
|
3.
|
Aluminium
|
Motor
|
1 / NDE
2 / DE
|
9,66
8,78
|
9,27
7,73
|
4,63
5,15
|
|
|
|
|
Bearing
|
3 / DE
|
1,98
|
2,25
|
4,18
|
|
|
|
|
|
4 / NDE
|
4,57
|
4,11
|
5,9
|
|
Tabel 3. Rangkuman Hasil Frekuensi Dengan Elemen Hingga
Kuningan Besi Aluminium
0.00
Hz 0.00 Hz 0.00 Hz
252.82
Hz 282.49 Hz 413.55 Hz
254.66
Hz 284.59 Hz 416.25 Hz
571.28
Hz 771.97 Hz 852.61 Hz
818.46
Hz 882.59 Hz 873.04 Hz
DAFTAR PUSTAKA
http://pasca.unhas.ac.id/jurnal/files/6e2f0ff1107cde881a121f96a35cbded.pdf