KAJIAN TEORITIS DAN EKSPRIMENTAL GETARAN PADA MODEL MATERIAL FLYWHEEL BERBEDA MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA

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 Abbas 2, Johannes Leonard2 1 Universitas Islam Makassar 2 Jurusan Mesin Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin

Alamat Korespondensi : Jamaluddin Universitas Islam Makassar HP. 081354693369 Email : [email protected]

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

= 0,3 dan

= 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 persamaan: =

5,1

[(

.

) +( . ) ]

(

)

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),

(m) dan

adalah frekuensi pribadi (Hutahaean, 2012).

adalah displacement

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 Kuningan Besi Aluminium

Frekuensi Natural Metode Reyleigh Eksprimental Rad/s Hz Rad/s Hz 1165,47 158,58 577 92 1200 191,1 609,5 97 2055 327,23 651 103,7

Tabel 2. Hasil Pengukuran Vibrasi No

1.

Material Flywheel

Kuningan

Velocity (mm/s) Ket. Horisontal Vertikal Aksial 1 / NDE 7,92 5,66 11,15 Motor 2 / DE 5,74 7,34 11,14 3 / DE 9,67 4,76 8,6 Bearing 4 / NDE 22,01 7,75 7,57 Jenis

Bearing

1 / NDE 2 / DE 3 / DE Bearing 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

1 / NDE 2 / DE 3 / DE Bearing 4 / NDE

9,66 8,78 1,98 4,57

9,27 7,73 2,25 4,11

4,63 5,15 4,18 5,9

Motor

2.

Besi

Motor

3.

Aluminium

Tabel 3. Rangkuman Hasil Frekuensi Dengan Elemen Hingga Kuningan 0.00 Hz 252.82 Hz 254.66 Hz 571.28 Hz 818.46 Hz

Besi 0.00 Hz 282.49 Hz 284.59 Hz 771.97 Hz 882.59 Hz

Aluminium 0.00 Hz 413.55 Hz 416.25 Hz 852.61 Hz 873.04 Hz