BAB I PENDAHULUAN
I.1 Latar Belakang I.1.1 Engine Sebagai Subyek Penelitian Engine banyak ditemui dalam aktifitas kehidupan manusia, secara kumulatif sebagai penghasil daya yang berguna untuk menggerakan kendaraan, peralatan industri, penggerak generator pembangkit energi listrik, sebagai penggerak propeler kapal dan lain-lain. Berdasarkan penggunaanya maka engine dapat beroperasi secara temporer artinya setelah beberapa jam atau beberapa hari bekerja engine tersebut dimatikan dan pengoperasian secara kontinyu. Sebagai sarana penghasil daya maka engine tersusun dari komponen statis seperti bodi mesin dan komponen dinamis seperti piston, connecting rod, crankshaft dan bearing.
Penggunaan bearing pada komponen dinamis adalah untuk menghubungkan
komponen yang satu dengan lainnya dan memberikan keleluasaan bagi komponen tersebut untuk berolah gerak. Daya dihasilkan dengan terlebih dahulu bahan bakar gosoline dan udara didaur dalam karburator (untuk gasoline engine) kemudian dialirkan ke combustion chamber. Torak bergerak dari titik mati bawah (tmb) ke titik mati atas (tma) combustion chamber mengecil maka terjadi pemadatan campuran sehingga tekanan naik mencapai ± 10 atm. Ketika torak mencapai 80 − 120 sebelun tma busi memberikan percikan api maka terjadilah pembakaran dalam combustion chamber sehingga tekanan membesar dan terjadilah ekspansi, torak ditekan dari tma ke tmb.
Gas pembakaran yang bertekanan kembali
mengecil pada saat torak bergerak dari tma ke tmb dan akan keluar ke atmosfer pada saat torak membuka pintu buang pada posisi 950 engkol. Proses pengeluaran gas bekas ini berakhir pada saat torak menutup pintu buang pada posisi engkol 480 sesudah tmb. Proses pembuangan gas bekas dan pemasukan campuran udara berlangsung bersamaan, dan pada saat torak menutup kedua pintu ini maka mulailah proses kompresi dari campuran untuk siklus berikutnya. Tekanan rata-rata sebagai fungsi dari daya indikator, volume langkah torak, jumlah silinder putaran engine, dan koefisien tak mempunyai peranan yang sangat penting dalam penyedian tekanan awal yang cukup untuk memulainya pembakaran awal. Beban yang berasal dari langkah kompresi adalah fungsi dari tekanan dan luas torak yang merupakan
beban terbesar sedangkan beban akibat ekspansi diabaikan karena engine diputar oleh motor AC. Journal bearing pada gudgeon-pin batang penghubung menerima beban dari torak yaitu beban akibat pembakaran dan beban lainya seperti gaya inersia gaya berat dari komponen engine yang berdinamika. Gaya-gaya ini diteruskan ke poros engkol melalui connecting rod dan melalui main bearing gaya-gaya ini di berikan ke rumah bantalan (engine body). Bearing utama dan journal bearing pada komponen engine bekerja dengan beban yang tinggi seperti terlihat pada contoh Gambar I.1. Beban impulsif akibat kompresi dan pembakaran menyebabkan adanya beban kontak yang akan terjadi ketika engine beroperasi. Hal tersebut mengakibatkan over heating dan keausan pada bantalan. Kondisi pelumasan yang tidak sempurna dan adanya pola gerakan yang siklik dapat pula menyebabkan keausan pada bantalan utama dan bantalan pada gudgeon-pin. Ketika keausan pada seluruh bearing melampaui nilai maksimum yang dapat diterima, maka tindakan khusus perlu diambil, atau kerusakan katastropik dari engine kemungkinan terjadi. Oleh karena itu, perlu dikembangkan teknik diaknosis kerusakan untuk mendeteksi kondisi keausan pada seluruh bearing pada engine sebelum mengalami kerusakan katastropik.
ω
Gambar I. 1 Konstruksi motor torak type Yamaha MT 110 Komponen utama penyusun engine adalah torak, batang penghubung, crankshaft dan silinder block serta engine block. Torak memiliki gerakan translasi, crankshaft melakukan gerakan rotasi dan batang penghubung memiliki gerakan yang lebih kompleks yaitu mengayun. Gerakan mengayun tersebut karena fungsinya sebagai penghubung antara torak
dan crankshaft. Interaksi antara gerakan komponen penyusun engine menghasilkan gaya yang bekerja pada bearing menjadi kompleks, komponen tersebut diperlihatkan dalam Gambar 1 serta skema gerakannya. Pada gambar tersebut diletakan dua buah accelerometer yang bertujuan untuk pengambilan data dalam waveform maupun spektrum frekuensi. Batang penghubung menjadi faktor yang sangat dominan dalam penelitian ini karena berfungsi sebagai alat untuk memindahkan daya indikatur Ni yang dihasilkan dalam cambustion chamber ke poros engkol. Daya ini akan berubah menjadi daya efektif Ne setelah memperhitungkan kerugian mekanis ηm. Pada penelitian ini, proses pengambilan data tidak melibatkan gaya dari pembakaran karena engine diputar oleh motor AC, sehingga yang berfungsi adalah gaya yang berasal dari kompresi. Penggunaan engine type two stroke dalam penelitian ini untuk mencegah sinyal noise yang tercuplik dalam proses pengambilan data oleh accelerometer, yang berasal dari komponen lain seperti sistem katup pada motor 4 langkah. Penggunaan jenis gasoline engine sebagai obyek untuk diteliti karena memiliki konstruksi yang sederhana, tidak menggunakan pompa bahan bakar seperti jenis Diesel engine, Gear pada pompa bahan bakar akan menimbulkan noise pada data yang dicuplik. Engine diputar oleh motor AC untuk mencegah arus pendek yang berasal dari busi (spark) yang mungkin terjadi pada bodi engine. Hal ini dapat membuat alat ukur (accelerometer) yang diletakan pada rumah bantalan (bodi mesin) mengalami kerusakan.
I.1.2 Penelitian Bidang Keausan Bearing Teknik yang digunakan untuk mendeteksi kondisi keausan bantalan adalah pengukuran ketebalan lapisan film, pengukuran kesesumbuan poros, analisis signal getaran, dan lainlain. Irani et. al. (1997) telah mengembangkan sistem untuk memonitor ketebalan lapisan film pelumas. Apabila dibandingkan dengan teknik lainnya, analisis sinyal getaran adalah pengujian tidak merusak (non destructive test) dan lebih nyaman. Berdasarkan pada literatur, banyak prosedur yang telah dikaji untuk mendeteksi bantalan utama (Ireni et. al., 1997, Randall, 2001, Ho dan Randal, 2000, Williams et at., 2001), (Antoniadis dan Glossiotis, 2001, Sun and Tang, 2002, Tomimoto and Makoto, 2003). Disamping itu beberapa penulis telah melakukan analisis secara dinamik pada kinematika joint pada gudgeon-pin batang penghubung.
Joao Paulo Flores Fernandes, 2004, melakukan
pemodelan untuk pergerakan joint dengan clearance pada mekanisme slider- crank. Pravardhan S. Shenoy, 2004, menganalisis beban dinamik pada connecting rod.
Sumber eksitasi getaran pada berbagai kandungan frekuensi dihasilkan oleh bantalan utama, akan menyebabkan getaran pada rumah bantalan dimana sensor getaran (accelerometer) ditempatkan. Dengan demikian respon getaran sangat dipengeruhi oleh bentuk gaya eksitasi dan karakteristik rumah bantalan utama.
I.1.3 Gaya Akibat Kerja Engine Getaran dalam mesin disebabkan oleh gaya yang dihasilkan dari berbagai gaya tidak seimbang yang bekerja dalam mesin. Gaya inersia dari pipi engkol (crank web) yang berbentuk cakram tidak diperhitungkan dengan asumsi bahwa crank web berada dalam posisi seimbang. Kalau seluruh gaya dalam sebuah mesin mempunyai besaran dan arah yang tetap, maka dapat diseimbangkan dengan mudah. Tetapi kenyataannya, gaya di dalam sebuah
mesin
selalu
berubah
besaran
dan
arahnya,
sehingga
sukar
untuk
menyeimbangkannya. Masalah penyeimbangan gaya yang berubah-ubah ini juga dipersulit oleh gerak ulang-alik dari batang penghubung.
Gambar I.2 Arah gerak engine sesuai dengan arah gaya Gambar I.2 menerangkan beberapa arah gerakan dari engine yang diakibatkan oleh beberapa gaya yang terjadi pada saat engine beroperasi. Oleh karenanya, getaran mesin dapat terjadi karena gaya putar yang tidak imbang, gaya ulang-alik yang tidak imbang dan perubahan tekanan campuran udara dan tekanan gas, gaya kelembaman dan momen puntir. Getaran mesin dapat digolongakan dalam jenis gaya yang bekerja pada mesin yaitu, gaya kocokan (shaking), gaya goyangan (rocking), jungkitan (pitching), simpangan (yawing) dan getaran puntiran. Gaya kocokan (shaking) ini disebabkan oleh gaya vertikal atau horizontal yang berayun-ayun yang cendrung untuk menggerakan mesin naik turun (dalam arah vertikal) atau kearah samping (dalam arah horizontal). Gaya goyangan (rocking) ini
disebabkan oleh gaya horizontal yang berayun-ayun yang bekerja di atas titik berat mesin yang cendrung untuk menggoyang mesin disekitar garis melalui titik beratnya. Gaya jungkitan (pitching) ini disebabkan oleh pasangan gaya (kopel) vertikal cenderung untuk menaik turunkan ujung mesin. Gaya simpangan (yawing) ini disebabkan oleh pasangan gaya (kopel) vertikal cendrung untuk menyimpangkan mesin menyilang atau menggerakan mesin ke kiri-kanan. Getaran puntiran yang disebabkan oleh reaksi momen puntir berayunayun yang cendrung untuk memilin poros engkol selama berputar.
I.1.4 Perawatan Engine Oleh karena pentingnya peranan yang dapat diberikan oleh engine maka perawatan untuk menjaga kondisi dan efisiensinya serta performance engine merupakan hal yang penting. Namun demikian kerusakan pada komponen yang bergerak dari mesin seperti keausan pada bearing utama crankshaft maupun journal bearing pada gudgeon-pin sudah dapat dipastikan akan terjadi karena srukturnya yang kompleks dan lingkungan kerja mesin yang eksesif. Poros engkol ditumpu oleh bantalan gelinding yang merupakan salah satu elemen kritis, sehingga cacat pada bantalan berpengaruh terhadap kinerja engine tersebut. Cacat menyeluruh pada inner race dan outer race pada bantalan akan memperbesar diameter clearance pada bantalan, sehingga dapat dikatakan bantalan mengalami keausan. Untuk mencegah terjadinya kerusakan dini, maka perlu diterapkan teknolgi perdictive maitenance (PdM) berbasis pengukuran sinyal getaran pada engine. Keuntungan dari penggunaan teknologi perawatan berbasis pemantauan sinyal getaran diantaranya adalah data getaran yang diperoleh dari engine yang sedang beroperasi. Teknologi PdM masih memerlukan pengembangan pada tahap diagnosis, terutama pada aspek pemahaman terhadap ciri getaran akibat cacat pada elemen bantalan, diantaranya adalah akibat keausan. Permasalahan di atas menjadi dasar pemikiran dan motivasi untuk melakukan penelitian mengenai ciri getaran akibat kelonggaran pada gudgeon-pin, silinder dan bantalan utama motor torak. Pemilihan topik penelitian ini diperkuat dengan referensi teoritik yang tersedia, serta prasarana penelitian yang memadai pada laboratorium dinamika PPAU-IR Institut Teknologi Bandung dan laboratorium getaran ITS.
I.1.5 Roadmap Penelitian I.1.5.1 Indonesia Sebagai Negara Kepulauan Indonesia adalah Negara kepulauan dengan luas laut lebih besar dari pada luas daratan, yang memungkinkan adanya alat transportasi laut yang memadai. Transportasi laut berupa kapal laut dengan berbagai DWT yang dapat membawa muatan berupa barang dan manusia dari suatu pulau ke pulau lainnya secara lokal dan domestik dalam wilayah republik Indonesia maupun Internasional. Kapal-kapal tersebut menggunakan motor bakar torak (type Diesel maupun bensin) dengan prinsip kerja 4-stroke dan 2-stroke sebagai tenaga penggerak. Para pengusaha kapal di Indonesia baik swasta maupun pemerintah pada umumnya tidak memperhatikan perawatan dari kapal tersebut khususnya pada engine sebagai tenaga penggerak kapal. Pada umumnya kapal-kapal tesebut dibiarkan sampai engine mengalami kondisi shutdown (tidak berfungsi lagi) baru diadakan reparasi. Agar supaya kapal dapat beroperasi dalam waktu yang panjang maka permesinan dari kapal tersebut harus dirawat seraca berkala dengan metode yang tepat guna. Metode yang terbaik tetapi perlu dikembangkan adalah metode pemantauan sinyal getaran secara berkala, yang mana metode ini dapat dilakukan setiap saat jika diperlukan, karena pada saat pengambilan data sinyal getaran engine tidak perlu dimatikan. Sinyal getaran ini di analisis dan di diagnosis untuk dapat memprediksi kapan akan terjadi shutdown pada main engine tersebut. Ciri pada pemantauan sinyal getaran adalah peletakan sensor berupa accelerometer dan laser vibrometer pada bantalan utama dan dinding silinder. Dalam banyak kasus respons getaran yang terpantau dipengaruhi oleh karakteristik dinamik bantalan dan silinder termasuk ketidaklinearan kekakuan bantalan dan silinder engine.
I.1.5.2 Perawatan Engine Berbasis Pemantauan Sinyal Getaran Perawatan preditif berbasis pemantauan sinyal getaran secara berkala adalah berupa pengumpulan data sinyal getaran sudah dikenal secara luas oleh masyarakat industri darat tetapi belum diterapkan pada kalangan perkapalan di Indomesia. Perawatan prediktif (PdM) jika dibandingkan dengan dua metode perawatan lainnya yaitu perawatan preventif dan run to break down menjanjikan penghematan biaya perawatan yang besar. Beberapa negara di dunia telah menerapkan PdM pada kalangan industri darat dan hasilnya sangat menguntungkan bagi industri tersebut. Beberapa penelitian di bidang PdM yang dilakukan
oleh perusahaan di Amerika dan membandingkannya dengan dua metode yang lain maka PdM dapat menekan biaya reparasi yang sangat besar seperti yang diperlihatkan pada Gambar I.3 di bawah ini: (1). Data dari Elektric Power Research Institute (EPRI), USA. $/HP
25
Breakdown
20 Preventive
15
Predictive
10 5 0
Tahun
Gambar I.3 Biaya perawatan per satuan daya terpasang per tahun (2). Cevron Oil.Co., USA Tabel 1 Biaya perawatan sebelum dan sesudah PdM Besaran
Mesin Rotasi Sebelum PdM
Biaya perawaratan
US$ 6,60
Sesudah PdM (6 tahun) US$ 4,60
Keterangan
Per HP per tahun
Mesin Torak Biaya Perawatan Lama overhaul
US$ 15,7 5 30
US$ 6,25 7,6
Per HP per Tahun Mandays per silinder per tahun
Mesin besar overhaul lengkap Periode overhaul Shutdown akibat vibrasi
3
7-8
50
18
Tahun untuk setiap overhaul Kegagalan per tahun per plant
(3). Penghematan yang terjadi pada pabrik baja
ARMCO steel (Ohio, USA) adalah
US$ 1.000.000 per bulan. (4). Penghematan yang terjadi pada pabrik kertas GEORGIA-FACIFIC (Atlanta, USA) adalah US$ 72.016 per overhaul satu pompa. Data di atas menunjukan bahwa penerapan PdM di suatu plant menekan biaya perawatan dan meningkatkan ketersediaan unit mesin untuk menunjang proses produksi. Hal ini disebabkan karena penerapan PdM memungkinkan perolehan informasi berikut: (1). Hasil diagnosis dan analisis memberikan informasi tentang sumber kerusakan yang terjadi pada unit mesin. (2). Hasil analisis kecendrungan (trending) membantu meramalkan (prediksi) kapan suatu unit mesin akan mengalami shutdown. (3). Pemantauan kondisi mesin secara periodik dan berkelanjutan membantu mencegah terjadinya shutdown dini serta sebaliknya memperpanjang jam operasi yang tercantum dalam manual bila hasil pemantauan menunjukkan tidak adanya keganjilan pada data ukur. Dengan demikian dalam upaya menekan biaya reparasi dan pengadaan mesin induk pada kapal laut, maka PdM ini dapat diterapkan pada perusahan pelayaran di Indonesia umumnya. Teknologi PdM yang berbasis pada pemantauan sinyal getaran akurat tetapi mempunyai kendala dalam memastikan komponen mana yang mengalami kerusakan yang mengakibatkan amplitudo getaran menjadi besar. Jika PdM diterapkan pada motor bakar torak maka diperlukan keahlian dan keilmuan yang tinggi karena motor torak memiliki komponen yang cukup banyak dan memiliki olah gerak beragam. Banyaknya komponen mengakibatkan banyaknya gaya imbalance yang besar dan akan mengicu terjadinya getaran dengan amplitudo yang besar. Oleh karena itu penelitian ini secara konfrehensif dilakukan dalam kerangka seperti terlihat pada Gambar I.4. Penelitian ini diadakan guna mengalihkan pemikiran para pemilik industri darat maupun pantai dan laut baik swasta maupun pemerintah akan teknologi perawatan yang terbaik untuk memperpanjang umur pakai, dan mencegah shutdown dini.
Mulai
Kekakuan Gaya main bearing Kondisi pengujian Besaran fisik
Gaya pada 1 bantalan Komponen gaya
f = f1 : f12
t = 0 : st : Tf
A
Penentuan matriks kekakuan bantalan
Penentuan matriks kekakuan model dinamik
Penentuan matriks redaman model dinamik
Penentuan matriks massa model dinamik
Penentuan respons simpangan
t = Tf
Superposisi simpangan
Penentuan eigen value dan eigen vektor f = f12
Penentuan natural frekuensi Curvefitting simpangan
Penentuan generlized mass, stiffnes dan damping Tentukan percepatan (turunan 2 kali)
Penentuan receptance Plot (bandingkan dengan kaji eksperimental)
Penyusunan matriks gaya Selesai
A
Gambar I. 4 Roadmap penelitian
Teknologi PdM ini perlu dikembangkan karena Indonesia masih mengimport mesin-mesin ataupun engine dengan berbagai daya atau Indonesia belum dapat memproduksi secara mandiri. Dalam mengembangkan PdM untuk perkapalan di Indonesia diawali dengan meneliti engine dengan type satu silinder. Penelitian difokuskan untuk mencari kerusakan pada bantalan luncur batang penghubung, dengan clearance 20 µm dan 670 µm. Bantalan ini adalah komponen yang berpotensi menimbulkan getaran engine jika clearance telah melebihi standard secara teori yaitu 20 µm. Diadakan penelitian pada engine dimaksud yang mana clearance antara inner bantalan dan outer race dari pena engkol telah mencapai 670 µm telah melebihi clearance standar, dimana clearance diperoleh dari hasil pengukuran. Untuk mengetahui hal-hal penting yang berkaitan dengan judul penelitian di atas, maka proses penelitian ini dapat diuraikan seperti di bawah ini. Untuk melihat keterbaharuan dari pada penelitian ini maka diadakan penelusuran kepustakaan.
I.2 Perumusan Dan Pembatasan Masalah I.2.1 Perumusan Masalah Engine banyak ditemui sebagai alat bantu manusia untuk menggerakan kendaraan, peralatan industri, kapal dan lain-lain. Oleh karena pentingnya peranan yang dapat diberikan maka perawatan untuk menjaga kondisi dan efisiensinya kerja engine merupakan hal yang penting. Namun demikian kerusakan pada komponen yang bergerak dari mesin seperti keausan pada bearing utama sudah dapat dipastikan akan terjadi karena strukturnya yang kompleks dan lingkungan kerja mesin yang eksesif. Bearing utama pada engine bekerja dengan beban yang tinggi dan berfungsi sebagai penyalur daya ke sistem propulsi kapal maka dengan adanya beban impulsif akibat pembakaran yang mana beban kontak akan terjadi ketika engine berfungsi. Hal tersebut mengakibatkan over heating dan keausan pada bantalan utama. Kondisi pelumasan yang tidak sempurna dan adanya pola gerakan yang siklik dapat pula menyebabkan keausan pada bantalan utama. Ketika keausan pada bearing utama melampaui nilai maksimum yang dapat diterima, maka tindakan khusus perlu diambil, atau kerusakan katastropik dari engine kemungkinan terjadi. Oleh karena itu, perlu dikembangkan teknik diaknosis kerusakan untuk mendeteksi kondisi keausan dari bearing utama pada engine sebelum mengalami kerusakan katastropik.
Komponen utama penyusun engine adalah torak, batang penghubung, crankshaft dan silinder block serta engine block. Torak memiliki gerakan translasi, crankshaft melakukan gerakan rotasi dan batang penghubung memiliki gerakan yang lebih kompleks (mengayun). Gerakan mengayun tersebut karena fungsinya sebagai penghubung antara torak dan crankshaft. Interaksi antara gerakan komponen penyusun engine menghasilkan gaya yang bekerja pada bantalan utama menjadi kompleks. Teknik yang digunakan untuk mendeteksi kondisi keausan bantalan, adalah pengukuran ketebalan lapisan film, pengukuran kesesumbuan poros, analisis signal getaran, dan lainlain. Irani et. al. (1997) telah mengembangkan sistem untuk memonitor ketebalan lapisan film pelumas. Apabila dibandingkan dengan teknik lainnya, analisis sinyal getaran adalah pengujian tidak merusak (non destructive test) dan lebih nyaman. Berdasarkan pada literatur, banyak prosedur yang telah dikaji untuk mendeteksi bantalan utama (Ireni et. al., 1997, Randall, 2001, Ho dan Randal, 2000, Williams et at., 2001, Antoniadis dan Glossiotis, 2001, Sun and Tang, 2002, Tomimoto and Makoto, 2003). Analisis dinamik dan diagnosis telah banyak dikaji, dan mensimulasikan kaji eksperimental keausan dari bantalan utama. Kajian tersebut kemudian divalidasi dengan hasil kaji eksperimental pada skala laboratorium. Sumber eksitasi getaran pada berbagai kandungan frekuensi dihasilkan oleh bantalan utama, akan menyebabkan getaran pada rumah bantalan dimana sensor getaran (akselerometer) ditempatkan. Dengan demikian respon getaran sangat dipengeruhi oleh bentuk gaya eksitasi dan karakteristik rumah bantalan utama. Motor bakar torak tersusun dari komponen rotasi (rotary) ataupun komponen yang bergerak translasi. Dalam kefungsiannya, komponen tersebut umumnya ditumpu oleh elemen bantalan (bearing) seperti terlihat pada Gambar I.5. Gambar tersebut memperlihatkan susunan elemen rotasi maupun translasi dari motor bakar torak. Elemen bantalan jurnal (journal bearing) dan bantalan jalan (train-bearing) menjadi titik yang paling kritis dalam struktur motor bakar. Kinerja motor bakar dipengaruhi oleh kinerja bantalannya. Kelonggaran (clearance) antara bantalan jurnal dan pena torak serta bantalan jalan dengan pena engkol berpeluang untuk meyebabkan munculnya gaya impuls sebagai gaya eksitasi getaran. Bearing utama bekerja karena gaya tekan dan gaya inersia piston dan batang penghubung. Dengan meningkatnya keausan pada bearing utama maka ketebalan lapisan film pelumas juga naik. Namun demikian keausan yang menyebabkan kelonggaran tersebut juga akan mengubah vektor gaya yang bekerja pada bantalan utama.
Hal tersebut akan menyebabkan variasi pusat sumbu cankshaft, gaya impact, gaya lapisan film dan pada akhirnya akan mengubah bentuk respon getaran dari bearing utama tersebut.
Gambar I. 5 Komponen rotasi dan translasi pada motor bakar torak Pada motor torak 2-langkah, tekanan gas pembakaran terjadi setiap satu kali putaran engkol yang disebut siklus kerja. Komponen torak bergerak translasi dan komponen engkol (crank) berotasi karena mendapat tekanan dari gas pembakaran pada setiap siklus kerja. Pada kondisi tersebut torak ditekan oleh gas pembakaran, dan diteruskan ke engkol melalui batang penghubung (connecting rod). Gerak bolak balik ( reciprocating) yang terjadi menyebabkan adanya gaya inersia pada batang penghubung dan engkol. Diduga bahwa gaya-gaya tersebut yang mengakibatkan terjadinya getaran pada struktur motor bakar dengan memiliki amplitudo dan ciri tertentu. Sinyal getaran yang memiliki amplitudo yang besar akan memberikan dampak yang kurang baik terhadap umur pakai motor bakar torak. Untuk memperoleh sinyal getaran yang dapat digunakan sebagai data pembanding maka dilakukan proses pengujian/pengukuran getaran pada motor bakar torak. Analisis getaran pada motor bakar torak dilakukan dengan mengelompokkan komponennya menjadi komponen penghasil daya, komponen penunjang dan komponen transmisi daya. Komponen penghasil daya adalah torak dan silinder, komponen penunjang adalah batang penghubung dan komponen transmisi daya adalah engkol (crank). Permasalahan yang sering terjadi adalah membesarnya kelonggaran pada kepala kecil dan kepala besar dari batang penghubung akibat tekanan gas pembakaran dalam silinder yang terjadi pada langkah usaha (ekspansi) mengakibatkan torak bergerak translasi, dan selanjutnya gerak translasi diubah menjadi gerak rotasi oleh engkol yang mengakibatkan adanya gesekan antara bantalan dengan pena torak dan bantalan dengan pena engkol.
Tekanan gas pembakaran dapat diukur dengan sensor tekanan dan disimulasikan dengan metode komputasi sehingga diperoleh diagram indikator (diagram P-V). Dengan menggunakan besaran dari tekanan gas pembakaran yang terukur serta ukuran dari diameter silinder maka dapat dihitung gaya serta daya yang dapat dihasilkan oleh motor bakar torak. Daya tersebut diperlukan untuk menggerakan mekanisme lain dengan pertolongan poros engkol (crank shaft). Komponen motor bakar berdinamika sehingga menghasilkan sinyal getaran dengan ciri tertentu. Penelitian awal yang telah dilakukan oleh peneliti adalah mengukur sinyal getaran pada motor bakar torak tanpa pembakaran (motor bakar torak diputar oleh motor listrik) yang dilaksanakan di laboratorium Dinamika PPAU-IR ITB. Hasil yang diperoleh dari pengukuran adalah sinyal getaran dalam domain waktu yang mempunyai ciri tertentu. Untuk menganalisis sinyal getaran pada komponen dinamika motor bakar torak akan digunakan metode numerik (numerical methods). Peneliti telah melakukan analisis kinematika dan dinamika pada komponen yang diduga menyebabkan motor bakar bergetar dengan amplitudo yang besar. Dengan analisis awal ini diperoleh rumusan-rumusan dari gaya yang diduga sebagai gaya eksitasi getaran. Peneliti juga telah mengadakan kajian eksperimental pada sinyal getaran dalam domain waktu yang diperoleh dari pengujian, dan sinyal ini dikatagorikan sebagai sinyal kompleks. Diduga sebagai sinyal kompleks karena belum dapat dipastikan ciri dari sinyal dimaksud. Kaji eksperimental yang telah dilaksanakan menggunakan metode grafis untuk mengetahui posisi engkol saat terjadinya sinyal getaran. Dengan kaji eksperimental ini dapat ditentukan bahwa terbentuknya ciri getaran ini adalah pada langkah kompresi, dan selanjutnya informasi ini digunakan dalam merumuskan gaya eksitasi getaran Juga terlihat bahwa respon getaran yang diduga merupakan ciri khusus akibat adanya gaya impuls (impulse). Fenomena getaran dengan ciri khusus tersebut diduga akibat adanya kelonggaran (clearance) antara kepala-kecil (gudgeon-pin) dengan pena torak dan kepala-besar dengan pena engkol. Ciri getaran tersebut merupakan permasalahan yang akan dianalisis dalam penelitian ini untuk mendapatkan informasi tentang kondisi fisik batang penghubung motor bakar. Ciri getaran yang diperoleh dalam domain waktu dapat dipakai sebagai data untuk dibandingkan dengan sinyal getaran hasil kajian teoritik. Kajian teoritik dilakukan dengan pemodelan matematik menggunakan parameter seperti massa, koefisien kekakuan, koefisien damping dan tekanan gas. Dengan demikian ciri getaran yang diperoleh dari eksperimental diduga adalah sinyal getaran akibat dari gaya impuls,
yang merupakan permasalah yang perlu dianalisis. Sinyal getaran pada batang penghubung diduga dapat dirumuskan dengan memanfaatkan parameter gaya gas pembakaran dan gaya inersia yang terjadi pada siklus kerja motor bakar torak. Getaran dalam mesin disebabkan oleh gaya yang dihasilkan dari berbagai gaya tidak seimbang yang bekerja dalam mesin. Gaya inersia dari pipi engkol (crank web) yang berbentuk cakram tidak diperhitungkan dengan asumsi bahwa crank web berada dalam posisi seimbang. Kalau seluruh gaya dalam sebuah mesin mempunyai besaran dan arah yang tetap, maka dapat diseimbangkan dengan mudah. Tetapi kenyataannya, gaya di dalam sebuah
mesin
selalu
berubah
besaran
dan
arahnya,
sehingga
sukar
untuk
menyeimbangkannya. Masalah penyeimbangan gaya yang berubah-ubah ini juga dipersulit oleh gerak ulang-alik dari bagian tertentu.
I.2.2 Pembatasan Masalah Penelitian yang dilakukan dengan topik ”PERAWATAN MESIN INDUK PADA KAPAL BERBASIS ANALISIS DINAMIK TEORITIK DAN KAJI EKSPERIMENTAL GETARAN AKIBAT CLEARANCE PADA JOURNAL BEARING MOTOR BAKAR TORAK”, terfokus pada permasalahan getaran yang terjadi pada saat kapal dalam kondisi beroperasional. Penelitian yang telah dilakukan dengan dana ”Hibah Penelitian Tim Pascasarjana (HPTP)” selama 3 tahun dengan permasalahan utama adalah perawatan mesin induk pada kapal. Tujuan utama dari penelitian ini adalah menggantikan perawatan konvensional pada main engine kapal dengan suatu teknologi baru yang akan diciptakan. Teknologi baru yang dimaksudkan adalah teknologi perawatan berbasis analisis sinyal getaran engine secara berkala. Dengan teknologi ini kerusakan engine dapat dipantau dari luar dengan tidak menghentikan proses eksploitasi suatu pelayaran dari sebuah kapal. Teknologi perawatan prediktif (PdM) pada engine kapal diciptakan dengan memanfaatkan rekayasa dari ilmu-ilmu dasar seperti Statika dan Dinamika Mesin, Internal Combustion Engine dan lain-lain. Penelitian ini dilakukan secara berkala dalam kurun waktu 3 tahun dengan agenda tahun I, melakukan validasi sinyal getaran hasil eksperimen dengan pemodelan matematika dan simulasi komputasional menggunakan software Matlab. Validasi sinyal getaran melibatkan banyak disiplin ilmu dasar, ilmu rekayasa teknik mesin, ilmu getaran struktur mesin dan lain-lain. Analisis sinyal getaran teoritik dan eksperimental dilakukan secara terpisah kemudian hasilnya divalidasikan. Untuk memperoleh sinyal getaran eksperimental diadakan pengujian getaran pada engine kapal nelayan penangkap
ikan tradisioanal dengan skala kecil di Laboratorium Dinamika PPAU-IR Institut Teknologi Bandung. Dengan demikian penelitian pada tahun I dibatasi pada subyek sebagai berikut: 1. Type engine yang digunakan dalam eksperimen adalah YAMAHA 110 MT, Two Stroke, 5HP dan 5000RPM 2. Analisis amplitudo sinyal getaran hasil eksperimen 3. Membuat pemodelan matematika diadakan pada ball bearing untuk main bearing dan needle bearing pada piston-pin dan crank-pin 4. Diadakan validasi sinyal getaran teoritik dan eksperimental untuk menentukan tingkat kerusakan dan besarnya clearance pada komponen bearing.
I.3 Tujuan dan Kegunaan Penelitian Tujuan utama dari penelitian ini adalah menciptakan suatu teknologi perawatan engine pada kapal untuk menggantikan perawatan konvensional yang sampai dengan saat ini masih diterapkan pada main engine kapal. Teknologi predictive maitenance (PdM) dimaksud sebagai tujuan utama dalam penelitian ini akan diselesaikan dalam 3 tahun, tujuan utama dalam penelitian tahun I diuraikan sebagai berikut:
I.3.1 Tujuan Penelitian. 8. Menentukan formula gaya-gaya impuls pada komponen dinamik dari motor bakar torak yang meyebabkan terjadinya sinyal getaran pada engine. 9. Membuktikan adanya ciri getaran akibat kelonggaran pada gudgeon-pin kecil dan gudgeon-pin besar batang-penghubung serta main bearing. 10. Membuktikan bahwa ada korelasi antara amplitudo getaran dengan besar kelonggaran serta gaya impuls. 11. Mengsimulasikan besarnya gaya eksitasi inersia dan gaya combustion engine. 12. Memvalidasikan sinyal getaran yang diperoleh dari kaji teoritik dengan sinyal getaran hasil eksperimen. 13. Mengsimulasikan ciri getaran pada berbagai kondisi kelonggaran komponen bearing. 14. Dapat mengungkapkan berbagai frekuensi dari komponen bantalan yang statik dan dinamik, serta kerusakan lain pada badan engine.
I.3.2 Kegunaan Penelitian 1. Kegunaan Penelitian Dalam Kontribusi Ilmiah Penelitian tentang ciri getaran akibat kelonggaran dengan menggunakan metode analisis dan kaji eksperimental diharapkan dapat memberikan informasi secara ilmiah tentang kemungkinan terjadinya keausan pada bantalan. Hasil penelitian ini bermanfaat untuk pengembangan ilmu teknologi perawatan prediktif berbasis pemantauan sinyal getaran secara berkala.
2. Kegunaan Penelitian Dalam Kontribusi Terapan Penelitian yang dilakukan adalah analisis dan kaji eksperimental ciri getaran yang berbasis pada pemantauan sinyal getaran dapat menunjang perawatan prediktif (PdM). Perawatan prediktif (PdM) ini dapat dengan mudah dilaksanakan karena pengambilan data sinyal getaran dapat dilaksanakan pada saat engine sedang beroperasi. Langkah selajutnya ciri getaran yang diperoleh dianalisis dengan menggunakan metode numerik (numerical methods), untuk mengetahui level getaran motor bakar torak. Dengan demikian penelitian ini bermanfaat bagi industri perkapalan yang menggunakan motor bakar sebagai tenaga penggerak, untuk dijadikan sebagai acuan pembanding, untuk pengambilan keputusan dalam menggunakan metode perawatan engine yang efektif dalam upaya memperpanjang umur pakai engine.
I.4 Relevansi Seperti yang telah disampaikan di atas, penelitian ini diadakan untuk mengembangkan PdM berbasis pemantauan sinyal getaran untuk motor torak maka diperlukan pengujian getaran yang dilakukan pada laboratorium dinamika PPAU-IR ITB Bandung dan perangkat simulasi dengan menggunakan softwere untuk merekonstruksi hasil eksperimental untuk memprediksi umur pakai dari engine. Penelitian ini mempunyai relevansi yang dapat dijelaskan sebagai berikut:
I.4.1 Relevansi Dengan Ilmu-Ilmu Dasar Bidang Permesinan Bidang ilmu yang relevan dengan penelitian yang dilaksanakan adalah kinematika untuk memperoleh simpangan, kecepatan dan percepatan dengan menggunakan persamaan diferensial. Dalam bidang dinamika dapat ditentukan gaya berat dan gaya inersia akibat
pergerakan dari komponen engine yang berdinamika. Dalam bidang getaran penelitian ini sangat memerlukan ilmu getaran dan keahlian bidang matematika untuk melakukan pemodelan getaran sesuai dengan kerja komponen dinamika engine. Dalam bidang permesinan diperlukan perhitungan besarnya daya dalam HP dan ditransfer ke besaran gaya yang mempunyai nilai lebih besar dari gaya inersia total.
I.4.2 Relevansi Dengan Perawatan Engine Pada abat ke 21 saat ini perawatan kapal masih memerlukan cara konvensional yang berbasis pada jam operasional engine dan hearing kemudian mengambil keputusan untuk melakukan reparasi. Cara seperti ini tidak akurat karena komponen yang mengalami kerusakan tidak disentuk, dan komponen yang tidak mengalami kerusakan diganti. Penelitian ini sangat relevan dengan perawatan dan perencanaan reparasi suatu engine kapal.
I.4.3 Relevansi Dengan Prediksi Kerusakan Engine Engine sebagai penghasil daya yang dapat digunakan untuk menggerakan sistem propulsi kapal, menghasikan gaya yang besar yang bekerja pada komponen bearing. Akibat gaya maka komponen bearing berkontak, jika sistem pelumasan tidak berfungsi dengan normal maka akan terjadi gesekan antara komponen dinamika. Gesekan yang berlebihan akan menimbulkan kelonggaran yang melebihi standar, dan selanjutnya berpeluang untuk terjadinya keausan. Jika terjadi keausan maka akan menimbulkan getaran dengan amplitudo tinggi secara kontinyu dan getaran transient, karena terjadi tumbukan antara komponen yang berdinamika. Kedua getaran ini jika dijumlahkan maka amplitudo getaran engine akan membesar. Penelitian ini sangat relevan dengan upaya memprediksi kerusakan akibat kontak elemen joint pada engine.
4.4 Relevansi Dengan Data Base Dan Program Komputasional Sebelum diadakan pengujian/eksperimental diperlukan data base dari engine yang digunakan. Data-data base hasil pengukuran komponen engine berupa clearance pada gudgeon pin kecil dan besar pada batang penghubung motor torak dan titik berat dari batang penghubung dengan menggunakan perangkat softwere CATIA. Diadakan juga penimbangan engine untuk mengetahui massa engine yang sangat membantu dalam menentukan gaya-gaya dinamik dari engine.
Data base ini akan sangat membantu
mahasiswa S3 dan S2 yang terlibat di dalamnya dalam menyelesaikan disertasi maupun tesis berupa ”Analisis Dinamik dan Kaji Eksperimental Ciri Getaran Akibat Kelonggaran Pada Batang Penghubung Motor Bakar Torak”. Kemudian, ”Penentuan Jadwal Perawatan Sistem Permesinan di Kapal dengan PdM ”dan ”Mengembangkan Sistem Manajemen Perawatan Permesinan dengan Pendekatan ASG (analisis sinyal getaran) pada Perusahaan Pelayaran”. Sama halnya dengan konsep ”Reliability Centered Maintenance” yang sepenuhnya tergantung dengan data kegagalan sistem permesinan dan komponen yang ada di kapal. Pengembangan data base ini akan sepenuhnya dibantu oleh mahasiswa S2 yang terlibat dan data yang terkumpul didalam data base tersebut akan dipergunakan sebagai bahan dalam penyususnan disertasi dan tesis. Untuk bisa mengembangkan simulasi rekonstruksi sinyal getaran, maka mahasiswa S2 dan S3 yang terlibat akan mengembangkan 2 hal pokok yakni ”Pengembangan Paket Program Simulasi Getaran Teoritik dan Eksperimental” dengan menggunakan fasiltas softwere data dan Internet untuk melihat keterbaharuan penelitian kompilasi paten dari judul penelitian. Kemudian menggunakan softwere Matlab dalam upaya memvalidasi sinyal getaran teoritik dan eksperimental untuk menentukan dimana letak gejala kerusakan pada komponen engine.
I.5 Target Luaran Luaran yang ditargetkan dalam penelitian tahun I yang telah disesuaikan dengan tujuan dan analisis adalah sebagai berikut:
1. Tesis Penelitian ini melibatkan mahasiswa S2 sebagai anggota tim peneliti yang telah melakukan penelitian bersama di PPAU-IR ITB-Bandung, mengambil tesis dengan Topik: ”Mengembangkan Sistem Manajemen Perawatan Permesinan dengan Pendekatan ASG (analisis sinyal getaran) pada Perusahaan Pelayaran”. Topik ini adalah bagian dari topik penelitian ini.
2. Disertasi Kegiatan penelitian yang dilakukan oleh mahasiswa S2 dikoordinir mahasiswa S3 dimana topik penelitian yang diambil berkisar pada penggunaan PdM. Topik Disertasi yang sementara dikerjakan olen mahasiswa S3 adalah ” Analisis dan kaji Eksperimental
Getaran Akibat keausan bantalan penghubung komponen dinamik pada Motor Bakar Torak”, merupakan bagian dari topik penelitian ini.
3. Jurnal Penelitian ini sedang dipublikasikan pada jurnal teknik mesin (JTM) pada Fakultas Teknik
Mesin
Institut
Teknologi
Sepuluh
Nopember
–
Surabaya
dengan
judul: ”Teknologi Predictive Maintenance (PdM) Berbasis Pemantauan Sinyal Getaran Marine Engine Akibat Clearance Pada Journal Bearing. Jurnal dimaksud akan dipublikasikan pada Januari 2010.
4. Artikel Konferensi -
The 11th International Comference on Quality in Research 2009 in Universitas of Indonesia dengan judul : Dynamic Analysis and investigation of Vibration Characteritic Generated By Looseness on Connecting Rod of The internal Combustion Engine. Tulisan ini telah dipublikasikan dalam International Comference pada tanggal 6 Agustus 2009.
- Seminar Nasional Teori dan Aplikasi (SENTA) 2008 dengan judul : “Analisis ciri Getaran Eksperimental Akibat Clearance Pada Journal Bearing Motor Bakar Torak” . Tulisan ini telah dipublikasikan pada Desember 2008. - Seminar Nasional Pasca Sarjana 2009 dengan tema Peningkatan Kualitas Dan Pendidikan Pascasarjana judul: ”Perawatan Mesin Induk Pada Kapal Berbasis Analisis Dinamik Dan Kaji Eksperimental Getaran Akibat Clearance Pada Journal Bearing Motor Bakar Torak”. Tulisan ini telah dipublikasikan pada tanggal 12 Agustus 2009.
