IDENTIFIKASI RETAK PADA POROS FLEXIBLE MELALUI PENGUKURAN SINYAL GETARAN Didik Djoko Susilo1 Purwadi joko Widodo1 Abstract : The aim of this research was to identify crack on the rotating shaft trough vibration signal measurement. The patern of the signal in the time domain and the signal spectrum were observed to identify the crack. It was given in the midle of the shaft by sawing in the lateral direction. Several crack depth were considered in the experiment, ie: 0.125 D, 0.25 D, 0.375 D, and 0.5 D. The vibration signal was measured on the shaft speed 1414 rpm and 2160 rpm. The signal that obtained from the cracked shaft was compared to the signal from the haft with no crack. The result showed that in the cracked shafts, there were amplitut modulation in the time domain signal patern. This phenomena indicated that there was nonlinearity in signal that caused by crack. Meanwhile, spectrum analysis showed f equency coupling as the effect of the crack on the shafts. The coupling occurred at the frequency 29 Hz, 78 Hz, and 97 Hz for the shaft speed 1414 rpm, and at frequen Hz, 92 Hz, and 107 Hz for the shaft speed 2160 rpm. Keywords : cracked shaft, vibration signal, time domain, signal spectrum . PENDAHULUAN. Perawatan merupakan kata kunci pada produktivitas sebuah industri. Jika mesinmesin yang ada pada sebuah industri terawat dengan baik maka tingkat produktivitas industri tersebut akan tinggi. Sehingga kebijakan perawatan mesin menjadi sangat penting. Saat ini kebijakan perawatan prediktif lebih disukai daripada perawatan reaktif karena sangat efektif dalam mengurangi biaya yang harus dikeluarkan untuk kerusakan yang tiba-tiba dan macetnya sebuah mesin atau peralatan saat produksi sedang berjalan. Di dalam industri banyak dijumpai mesinmesin dengan gerakan berputar (rotating machinery ) seperti motor listrik, pompa, conveyor, pencampur, pengayak dan lain-lain. Kegagalan mesin-mesin tersebut terjadi karena kerusakan komponennya, antar lain : poros, bantalan gelinding, dan roda gigi. Kerusakan poros meliputi misalignment dan retak, sedangkan untuk bantalan gelinding kerusakan yang dapat terjadi misalkan : komponen gelindingnya, lintasan cincin dalam dan lintasan cincin luar. Untuk roda gigi kerusakan yang banyak dijumpai adalah keausan dan 1
patah giginya. Setiap terjadi kerusakan pada komponennya maka mesin akan memberikan sinyal yang berbeda dari sinyal yang diberikan pada saat mesin berjalan normal. Sehingga dengan memantau sinyal yang dikeluarkan oleh sebuah mesin dapat diketahui kondisi mesin yang bersangkutan. Retak pada poros merupakan salah satu cacat yang dapat mengakibatkan kegagalan poros seperti lendutan yang besar atau patah saat poros beroperasi. Retak ini dapat terjadi saat proses pembuatan poros, yakni adanya cacat dalam pengecoran dan proses permesinan maupun saat poros beroperasi akibat adanya pembebanan yang berlebih. Terutama untuk poros flexible atau poros dengan perbandingan panjang ( L ) dan diameter (D) tinggi, retak yang terjadi tentunya lebih berbahaya bila dibandingkan dengan poros kaku, atau poros pendek. Oleh karena itu identifikasi adanya retak pada poros sangat penting untuk mencegah kerusakan yang lebih besar pada mesin secara keseluruhan. Dengan demikian perlu dilakukan penelitian untuk mengidentifikasi adanya retak pada sebuah poros flexible.
Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin – FT Universitas Sebelas Maret Surakarta
Didik Djoko Susilo, dkk., Identifikasi Retak Pada Poros Flexible elalui Pengukuran Sinyal ...
TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN Penelitian yang akan dilakukan ini bertujuan untuk memperoleh sebuah metode yang dapat digunakan untuk mengidentifikasi adanya retak pada sebuah poros yang berputar melalui pengukuran sinyal getaran. Akan dianalisis juga respon getaran poros yang memiliki retak dengan variasi kedalaman retak yang berbeda.
Penelitian ini diharapkan menghasilkan sebuah metode yang dapat digunakan untuk mendeteksi secara dini adanya kerusakan mesin, yang dalam hal ini berupa retak poros. Dengan mengetahui secara dini kerusakan poros sebuah mesin maka kerusakan yang lebih besar tentunya dapat dicegah, karena biasanya kerusakan sebuah poros akan mengakibatkan kerugian yang lain misalkan kerusakan bantalan, dan gangguan proses produksi yang pada gilirannya memerlukan biaya perawatan yang mahal. Selain itu hasil penelitian ini dapat dimanfaatkan untuk mengembangkan sistem perawatan prediktif. Dengan metode ini dapat dipantau kondisi operasi sebuah mesin khususnya poros mesin tanpa menggangu kerja mesin.
statistik untuk memantau kesehatan struktur (Structural Health Monitoring). Gounaris et. al. (1996) melakukan diagnosis retak pada balok didasarkan pada perhitungan koefisien modal damping struktur. Dengan metode ini dapat ditentukan lokasi dan kedalaman retakan. Metode ini didasarkan pada analisis struktur balok Timoshenko menggunakan metode Elemen Hingga dan Kondisi Batas. Dalam analisis ini tegangan lentur balok dihitung kemudian koefisien modal damping ditentukan melalui teknik iterasi. Koefisien modal damping merupakan fungsi dari lokasi dan kedalaman retakan. Penerapan metode ini dilakukan dengan cara mengukur tegangan (modal damping ) pada sebuah titik secara eksperimental balok yang bergetar pada tiga frekuensi eigen yang pertama menggunakan sebuah strain gage . Poros dengan retak arah melintang akan memiliki respon getaran untuk berbagai mode getaran, yakni: • getaran longitudinal, • torsional • lentur vertikal • lentur horisontal. ( Papadopaulos et. al., 1992).
TINJAUAN PUSTAKA Sinyal getaran yang memiliki informasi Sistem koordinat dan gambar model sebuah perilaku dinamik sering dipakai untuk mendeteksi kerusakan komponen mesin. Sinyal ini biasanya tercampur dengan sinyal getaran akibat komponenkompenen lain sehingga diperlukan metode yang tepat untuk memisahkan sinyal komponen yang diamati dengan sinyal yang lain. Lin et. al (2000) mengembangkan teknik denoising didasarkan pada Morlet wavelet untuk diagnosis kerusakan mesin. Gambar 1. Model poros dengan retak melintang. Penerapannya dilakukan untuk mendiagnosis kerusakan bantalan poros dengan retakan melintang yang dapat gelinding yang meliputi kerusakan lintasan digunakan untuk analisis retakan poros cincin dalam dan cincin luar. disajikan pada gambar 1. Sohn et. al (2001) menggunakan analisis sinyal Pada model tersebut diasumsikan poros getaran pada domain waktu untuk sebagai balok Timoshenko dengan salah satu mendiagnosis kerusakan pada struktur melalui ujung jepit dan ujung yang lain bebas. model sistem massa pegas 8 derajat kebebasan. Diameter poros dinotasikan dengan D, Dalam penelitiannya Sohn menerapkan pola
29
GEMA TEKNIK - NOMOR 1/TAHUN X JANUARI 2007
sedangkan panjang poros L, mode getaran umum : longitudinal U, torsional θ, dan bending arah Y serta Z. Kedalaman retak dinotasikan dengan α, sedangkan lokasinya dinyatakan dengan L1. Persamaan getaran untuk keempat mode getar di atas diberikan sebagai berikut: (Papadopoulos et. al., 1992)
eigen sistem atau mode getaran sistem yakni lo ngitudinal, puntir, dan lentur. Getaran dapat terjadi jika salah satu derajat kebebasan batas sistem bergerak secara harmonik. Jika tidak ada retakan maka diperlukan eksitasi untuk menghasilkan respon getaran, namun jika terdapat retakan, eksitasi pada salah satu derajat kebebasan sistem akan memberikan respon pada semua derajat kebebasan sistem (Papadopoulos,, 1992).
∂ 2U i 1 ∂ 2U i = ∂x 2 cu2 ∂t 2
(1)
∂ Θi 1 ∂ Θi = 2 ∂x 2 cq ∂t 2
(2)
2
2
EI
∂ 4Yi ∂ 2Y E ∂ 4Yi r 2I ∂ 4Yi + Ar 2i − r I 1 + =0 2 2+ 4 ∂x ∂t kG ∂t 4 kG ∂x ∂t
(3)
EI
∂ 4Z i ∂2 Z i E ∂4 Z i r 2I ∂4Z i + Ar − r I 1 + =0 2 2+ 4 2 ∂x ∂t kG ∂t 4 kG ∂x ∂t
( 4)
dengan
:
i = 1 , untuk i = 2,
dan c u2 =
E
r
0 ≤ x ≤ L1 , untuk
L1 ≤ x ≤ L ,
,
G , r 6(1 + n ) k= . (7 + 6n )
cq2 =
E = modulus elastisitas Young G = Modulus Geser ? = Berat jenis material ? = Perbandingan Poisson Solusi dari persamaan (1) sampai (4) dilakukan melalui metode pemisahan dan menerapkan kondisi awal model poros pada ujung poros yang difepit, ujung bebas dan pada lokasi retakan, sehingga dapat diperoleh persamaan karakteristik poros dengan retakan. sebagai berikut: det [Φ] = 0
(5 )
Determinan ini merupakan fungsi kecepatan sudut (ω), dan matrik kekakuan lokal yang tergantung pada kedalaman retak dan lokasi retakan. Akar dari persamaan (5) dan kecepatan sudut (ω) akan menghasilkan nilai
30
Pada penelitian ini akan diuji respon getaran poros tanpa retakan dan poros dengan retakan. Pengukuran getaran yang dilakukan adalah pada mode getaran bending. Data yang diperoleh merupakan respon getaran pada domain waktu, yang biasanya berupa fungsi sinus dan cosinus. Dari data seperti ini
dapat dilakukan analisis spectrum dengan cara transformasi Fourier (Kreyszig, 1999). Melalui transformasi ini dapat dilihat respon getaran pada domain frekuensi. METODOLOGI Alat yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari: 1. Alat uji poros bantalan yang digerakkan oleh sebuah motor listrik melalui mekanisme sabuk. 2. Dua buah akselerometer untuk mengukur re spon getaran arah vertikal dan horisontal. 3. Osiloskop digital untuk merekam data respon getaran. 4. Stroboskop untuk mengukur putaran poros. 5. Komputer PC untuk mengolah data. Pengukuran sinyal getaran dilakukan terhadap poros yang tidak memiliki retakan dan poros dengan retakan melintang. Respon getaran poros tanpa retakan nantinya akan digunakan sebagai pembanding terhadap respon getaran poros dengan retakan. Retakan poros diberikan pada arah melintang dengan cara digergaji dengan beberapa variasi kedalaman retak dalam prosentase diameter poros, yakni : 0,125D, 0,25D, 0,375D, dan 0,5D. Selanjutnya masing-masing poros diputar pada dua kecepatan putar dibawah frekuensi kritisnya .
Didik Djoko Susilo, dkk., Identifikasi Retak Pada Poros Flexible elalui Pengukuran Sinyal ...
Respon getaran arah transversal dan lateral yang direkam oleh osiloskop yang berada pada domain waktu selanjutnya dilakukan analisis spektrum melalui transformasi Fourier (Fast Fourier Transform / FFT) menggunakan perangkat lunak MATLAB. FFT dilakukan untuk N = 10100, dan K = 512. Dari hasil analisis ini dapat dilakukan identifikasi untuk menentukan ada tidaknya retak pada sebuah poros. HASIL DAN PEMBAHASAN Sinyal getaran poros dengan berbagai variasi kedalaman retak diukur menggunakan dua buah akselerometr, selanjutnya sinyal difilter untuk mengurangi noise dan ditampilkan 1000 point untuk melihat pola sinyal getaran. Analisis spektrum dilakukan melalui transformasi Fourier untuk N = 10100 dan K = 512.
Gambar 4. Sinyal Getaran Poros dengan kedalaman retak 0,375 D pada 1414 rpm
Gambar 5 Spektrum sinyal getaran poros dengan kedalaman retak 0,375 D pada 1414 rpm. Gambar 2. Sinyal getaran poros tampa retakan pada 1414 rpm
Gambar 6. Sinyal getaran poros tanpa retakan pada n = 2160 rpm Gambar 3. Spektrum sinyal poros tanpa retakan pada 1414 rpm.
Hasilnya ditampilkan pada grafik berikut untuk poros tanpa retakan dan retakan 0,375
31
GEMA TEKNIK - NOMOR 1/TAHUN X JANUARI 2007
dapat dianalisis sebagai berikut:
Gambar 7. Spektrum sinyal getaran poros tanpa retakan pada n = 2160 rpm
Gambar 8. Sinyal getaran poros dengan kedalaman retak 0,375 D pada n = 2160 rpm
a. Sinyal getaran poros tanpa retakan ditampilkan pada gambar 2. Pola sinyal getaran pada domain waktu diperoleh dengan menampilkan 1000 titik sinyal yang sudah difilter, hasilnya disajikan pada gambar 2 dan gambar 6. Berdasarkan spektrum sinyal yang maka dapat dilihat bahwa puncak sinyal getaran untuk poros tanpa retakan terjadi pada dua frekuensi yakni 29 Hz dan 78 Hz.untuk putaran poros 1414 rpm. Frekuensi pertama merupakan frekuensi fundamental poros (orde pertama / 1x harmonik), sedangkan frekuensi yang kedua merupakan orde ke 3 (3x harmonik). Sedangkan untuk putaran poros 2160 terjadi pada frekuensi 43 Hz dan 92,7 Hz yang merupakan frefuensi fundamental poros dan 2 x harmonik. b. Pola sinyal getaran poros dengan kedalaman retak 0,375 D menunjukkan adanya modulasi amplitudo (gambar 4 dan gambar 8). Modulasi amplitudo yang merupakan hasil multiplikasi sinyal pada domain waktu ini mengindikasikan adanya ketidaklinearan proses sebagai akibat adanya retak pada poros, yang pada saat poros berputar maka celah akibat retakan ini akan membuka dan menutup sehingga berpengaruh terhadap sinyal getaran yang dihasilkan.
c. Spektrum sinyal untuk poros dengan retakan menunjukkan adanya tambahan puncak sinyal disekitar frekuensi 3 x harmonik (gambar 3) untuk putaran poros 1414 rpm dan , dan frekuensi 2 x harmonik (gambar 9) untuk putaran poros 2160. Hal ini yang memperlihatkan adanya ketidaklinear sinyal sebagai akibat adanya retak.
Gambar 9. Spektrum sinyal getaran poros dengan kedalaman retak0,375 D pada n = 2160 rpm. pada putaran 1414 rpm dan 2160 rpm. Berdasarkan sinyal getaran yang diperoleh
32
KESIMPULAN 1. Pengamatan pola sinyal getaran pada domain waktu dapat digunakan untuk mengidentifikasi adanya retak pada poros dengan adanya modulasi amplitudo yang menunjukkan ketidaklinearan sinyal sebagai akibat adanya retak. 2. Analisis spektrum sinyal getaran mampu menunjukkan terjadinya kopling frekuensi sebagai akibat adanya retak pada poros.
Didik Djoko Susilo, dkk., Identifikasi Retak Pada Poros Flexible elalui Pengukuran Sinyal ...
DAFTAR PUSTAKA Contreras L., R., Modi, C., Pennathur, A.,2002, “Integrating Simulation modeling and Equipment Condition Diagnostig for Preidctive Maintenance ”, Proceedings of The 2002 Winter Simulation Conference, hal. 1289 – 1296. Gounaris, G. D., Papadopoulos C. A., 1996, “Crack Diagnosis in Beams By Modal Damping Measurements” , 3rd Biennial Joint Conference on Engineering System, Design, and Analysis (ESDA’96), July 1-4, Monpellier. Kreyszig, E., 1999, Advanced Engineering Mathematics, John Wiley and Sons Inc. New York. Lin J., Qu, L., 2000, “Future Extraction based on Morlet Wavelet and Its Application for Mechanical Fault Diagnosis”, Journal of Sound and Vibration, Vol 234 (1), hal. 135-148. Murty, A.S.R., Naikan , V.N.A., 1996, “Condition Monitoring Strategy- a Risk Based Interval Selection”, International Journal of Production Research, Vol. 34 (1), hal. 285-296. Papadopoulos C. A., Dimarogonas, A. D., 1992, “Coupled Vibration of Cracked Shafts”, Journal of Vibration and Acoustics , Vol. 114, Oktober 1992, hal. 461-467. Smith, S., W., 1999, “ Digital Signal Processing”, Calofornia Technical Publishing, San Diego.
33
