Studi Getaran Eksperimental Akibat Misalignment Puli-Sabuk pada Mesin Rotari

(1)

INSTITUT TEKNOLOGI PADANG

https://e-journal.itp.ac.id/index.php/jtm e-ISSN: 2598-8263

Vol. 10, No. 2, October 2020 p-ISSN: 2089-4880

Published by Lembaga Penelitian dan Pengabdian Masyarakat (LP2M) - ITP

Studi Getaran Eksperimental Akibat Misalignment Puli-Sabuk pada Mesin Rotari

Study of Experimental Vibration Due to Misalignment of Pulley-Belt in Rotary Machine

Asmara Yanto¹*, Anrinal¹, Rozi Saferi¹, Zultri Memori²

1 Department of Mechanical Engineering, Institut Teknologi Padang

2 Undergraduated Program of Mechanical Engineering, Institut Teknologi Padang Jl. Gajah Mada Kandis Nanggalo, Padang, Indonesia

doi.10.21063/jtm.2020.v10.i2.118-122

Correspondence should be addressed to [email protected]

Article Information Abstract

Received:

September 30, 2020 Revised:

October 16, 2020 Accepted:

October 23, 2020 Published:

October 31, 2020

This study aims to investigate the vibration of rotary machine due to misalignment of its pulley-belt, experimentally. Here, the rotary machine is driven by an AC motor with pulley-belt transmission that positioned on the outer portion of shaft-rotor. To generate vibration of rotary machine, pulley- belt is conditioned to have a combination of offset and angular misalignments.

Offset misalignment variations are 0, 2, 4, and 6 mm and angular misalignment variations are 0ᵒ, 2ᵒ, 4ᵒ, and 6ᵒ. Vibration of rotary machine is measured on the bearing housing by use MEMS-based accelerometers. The measured signal of vibration acceleration is acquired with a data acquisition device to obtain vibration spectrum. From the investigation to vibration spectrum has been done, it can be concluded that vibration of rotary machine has characteristic with dominant frequencies at 1xRPM of shaft and at 1xRPM of motor. The vibration amplitude at 1xRPM of shaft is higher than the vibration amplitude at 1xRPM of motor. From this investigation, it is not possible to find differences in the characteristics of vibrations significantly that occur between vibrations due to offset misalignment, angular misalignment or their combination.

Keywords: vibration, misalignment, pulley-belt, rotary machine, frequency,amplitude, shaft, motor.

1. Pendahuluan

Di dunia industri, terutama pada mesin-mesin rotari, sering ditemui penggunaan transmisi daya berupa sistem puli-sabuk, seperti di berbagai industri manufaktur, industri kertas, industri otomotif, dan industri pembangkit daya.

Seringnya digunakan transmisi puli-sabuk ini karena cara penanganannya relatif mudah, biaya perawatannya minimum, harganya murah dan rentang daya dan kecepatan operasional- nya lebar [1-3].

Secara operasional kinerja sistem transmisi puli-sabuk sering mengalami fluktuasi apabila dibandingkan dengan sistem transmisi daya lainnya. Penyebab fluktuasi ini adalah karena sering terjadi kondisi tak-normal pada sistem puli- sabuk. Kondisi tak-normal ini berupa misalignment antar puli (parallel, angular, dan twisted). Misalignment sering terjadi karena proses pemasangan yang kurang tepat atau kurang teliti. Jika kondisi tak-normal ini dibiarkan, maka akan dapat menyebabkan kerusakan mesin yang lebih parah [4-5]. Oleh karena itu, sistem puli-sabuk memerlukan

(2)

metode perawatan yang sesuai/memadai. Salah satu bentuk perawatan yang dapat dikembangkan adalah predictive maintenance (PdM) yang merupakan bagian dari condition based maintenance (CBM) pada peralatan. PdM merupakan sebuah metode perawatan yang dilaksanakan dengan melakukan analisis terhadap indikator kondisi peralatan, seperti:

getaran, temperatur, pelumasan dan lain sebagainya [6]. Jika PdM yang dilakukan dengan memonitor getaran mesin (mengukur dan menganalisis getaran mesin) disebut dengan pemantauan kondisi berbasis getaran (vibration-based condition monitoring atau VCM). Dengan VCM, getaran terukur dianalisis untuk memperoleh informasi tentang karakter getaran tersebut yang lebih spesifik, yang biasa disebut sebagai vibration signature. Vibration signature ini menjadi acuan untuk memprediksi kondisi mesin [7-9].

Misalignment pada transmisi puli-sabuk terjadi pada puli. Adanya misalignment puli ini akan menimbulkan getaran yang berlebihan sehingga dapat menyebabkan kerusakan pada komponen-komponen mesin dan selanjutnya memperpendek umur mesin tersebut. Sinyal getaran yang ditimbulkan oleh misalignment memiliki karakteristik sendiri yang bisa dilihat pada spektrum getaran yang dihasilkan.

Spektrum getaran dapat menunjukkan jenis misalignment yang terjadi yaitu offset misalignment atau angular misalignment dengan karaksteristiknya sendiri. Kharakteristik getaran yang disebabkan oleh kondisi puli-sabuk, baik secara numerik maupun eksperimental telah dilakukan oleh peneliti di berbagai tempat seperti Ding [10], Bulushi dkk [11], Ding dkk [12] dan Dakel dkk [13] serta Hasan dan Ali [14]. Namun dari penelitian-penelitian ini belum terlihat secara signifikan perbedaan karakteristik sinyal getaran berdasarkan jenis misalignment pada puli-sabuk. Oleh karena itu, pada penelitian ini dicoba untuk menginvestigasi perbedaan getaran oleh adanya kombinasi offset misalignment dan angular misalignment pada sistem puli-sabuk. Jadi, pada penelitian ini dipaparkan bagaimana ciri getaran mesin rotari akibat adanya kombinasi offset misalignment dengan angular misalignment pada puli-sabuk.

Di sini, offset misalignment dan angular misalignment divariasikan dengan mengatur offset dan angular antar puli pada sebuah prototipe mesin rotari. Di mana prototipe mesin rotari terdiri dari sebuah motor induksi AC, sistem transmisi puli-sabuk dan sistem poros-rotor yang ditumpu dengan dua buah bantalan dan dua buah piringan ditempatkan

pada posisi di antara dua tumpuan poros dengan jarak yang sama. Di sini, analisis dilakukan dengan berbantuan VCM.

2. Metode

Setup pengujian pada penelitian ini dapat dilihat seperti pada Gambar 1. Daya dari motor ditransmisikan oleh sistem puli-sabuk ke sistem poros-rotor. Pada rumah bantalan ditempatkan akselerometer berbasis micro-electro- mechanical-system (MEMS) jenis ADXL335.

Akselerometer ini berfungsi untuk mengubah besaran mekanis berupa percepatan getaran yang terukur kedalam besaran elektris dalam mV. Sinyal getaran dalam mV ini diakuisisi oleh perangkat pengakuisisi data. Laju pengambilan data (sampling rate) diatur pada panel kontrol yang bergabung dengan perangkat penganalisis data. Kombinasi offset misalignment dengan angular misalignment pada sistem puli-sabuk dapat dimodelkan seperti pada Gambar 2.

Gambar 1. Setup pengujian getaran eksperimental akibat kombinasi offset misalignment dan angular misalignment pada sistem puli- sabuk.

d : offset misalignment (0, 2, 4, and 6 mm)

 : angular misalignment (0ᵒ, 2ᵒ, 4ᵒ, and 6ᵒ)

Gambar 2. Model kombinasi offset misalignment dan angular misalignment pada sistem puli- sabuk.

Untuk membangkitkan getaran mesin rotari, puli-sabuk dikondisikan memiliki kombinasi offset dan angular misalignment. Variasi offset misalignment adalah 0, 2, 4, dan 6 mm dan

(3)

variasi angular misalignment adalah 0ᵒ, 2ᵒ, 4ᵒ, dan 6ᵒ. Sensor getaran yang digunakan selama penelitian ini mempunyai sensitivitas 300 mV/g yang dapat membaca rentang frekuensi dari 0.5 Hz hingga 1600 Hz untuk keluaran X dan Y, dan rentang frekuensi dari 0.5 Hz hingga 550 Hz untuk keluaran Z [14]. Sensor dipasang secara geometris pada rumah bantalan sistem poros-rotor (sensor L dan sensor R). Keluaran Y sensor diposisikan searah dengan sumbu poros, sedangkan keluaran X dan Z sensor menjadi arah radial poros (horizontal dan vertikal). Sensor terhubung ke Arduino tipe ATMega yang memiliki CPU 16 MHz yang akan mengirimkan data getaran setelah proses kalibrasi ke laptop untuk ditampilkan dalam perangkat lunak di laptop.

Sinyal getaran yang terukur adalah dalam satuan mV. Sinyal ini dikonversi ke dalam satuan percepatan (g). Kemudian data yang diperoleh dalam satuan g ini, dengan teknik integrasi numerik menjadi dalam satuan kecepatan (mm/s) agar sesuai dengan satuan yang ada pada standar getaran menurut ISO

10816-3 [15]. Pada teknik akuisisi data, sinyal getaran dalam domain waktu yang telah dalam satuan mm/s ditransformasi ke dalam domain frekuensi menjadi spektrum getaran dengan menggunakan metode fast Fourier transform (FFT) [16].

3. Hasil dan Pembahasan

Spektrum getaran mesin rotari dengan transmisi puli-sabuk yang mengalami offset misalignment diperlihatkan berturut-turut pada Gambar 3 untuk offset sebesar 2 mm (a), 4 mm (b) dan 6 mm (c). Pada Gambar dapat dilihat bahwa getaran akibat adanya offset misalignment mengandung dua buah frekuensi dominan yaitu sebesar satu kali frekuensi putaran poros (1X S) dan satu kali frekuensi putaran motor (1X M).

Pola amplitudo getaran pada kedua frekuensi ini adalah amplitudo di frekuensi 1X S lebih tinggi dari pada amplitudo di frekuensi 1X M. Harga amplitudo pada frekuensi 1X S dan 1X M untuk setiap offet diperlihatkan pada Tabel 1.

Gambar 3. Pola amplitudo getaran akibat offset misalignment pada puli-sabuk

Tabel 1.. Harga amplitudo pada frekuensi 1X S dan 1X M untuk offset misalignment pada puli-sabuk

Pada Gambar 4, spektrum getaran mesin rotari akibat adanya angular misalignment puli- sabuk diperlihatkan berturut-turut untuk angular sebesar 2° (a), 4° (b), dan 6° (c). Pada Gambar 2 ini dapat dilihat bahwa getaran akibat adanya angular misalignment pada puli-sabuk juga mengandung getaran dengan dua buah frekuensi dominan yaitu di frekuensi 1X S dan

di frekuensi 1X M. Jika diperhatikan, pola amplitudo getarannya terlihat bahwa amplitudo di frekuensi 1X S juga lebih tinggi dari pada amplitudo di frekuensi 1X M. Harga amplitudo di frekuensi 1X S dan di frekuensi 1X M untuk setiap angular misalignment diperlihatkan pada Tabel 2.

2 mm offset 0° angular sensor L

2 mm offset 0° angular

sensor R

6 mm offset 0° angular sensor R

(a) (b) (c)

Amplitudo getaran (mm/s) sensor L Amplitudo getaran (mm/s) sensor R

Offset Frekuensi

1X S 1X M 1X S 1X M

2 mm 2.800 1.120 2 mm 2.645 0.954

4 mm 2.536 1.274 4 mm 2.627 1.248

6 mm 2.802 1.312 6 mm 2.627 1.125

(4)

Spektrum getaran mesin rotari dengan transmisi puli-sabuk akibat adanya kombinasi offset misalignment dengan angular misalignment diperlihatkan pada Gambar 5.

Kombinasi misalignment ini dibagi menjadi tiga kelompok yaitu kombinasi misalignment 2 mm dengan 2ô (a), 4 mm dengan 4ô (b), dan 6 mm dengan 6ô (c). Pada Gambar 3 juga terlihat bahwa getaran akibat adanya kombinasi offset

misalignment dengan angular misalignment juga mengandung dua buah frekuensi dominan yaitu di frekuensi 1X S dan di frekuensi 1X M.

Pola amplitudo getaran pada kedua frekuensi ini juga memperlihatkan amplitudo di frekuensi 1X S lebih tinggi dari pada amplitudo di frekuensi 1X M. Harga amplitudo pada frekuensi 1X S dan 1X M untuk setiap kombinasi misalignment diperlihatkan pada Tabel 3.

Gambar 4. Pola amplitudo getaran akibat angular misalignment pada puli-sabuk

Tabel 2. Harga amplitudo pada frekuensi 1X S dan 1X M untuk angular misalignment pada puli-sabuk

Gambar 5. Pola amplitudo getaran akibat kombinasi offset dan angular misalignment pada puli-sabuk

Tabel 3. Harga amplitudo pada frekuensi 1X S dan 1X M untuk kombinasi offset dan angular misalignment pada puli-sabuk 0 mm offset

2° angular sensor L

sensor L

sensor R

(a) (b) (c)

Amplitudo getaran (mm/s) sensor L Amplitudo getaran (mm/s) sensor R Angular Frekuensi

Angular Frekuensi

1X S 1X M 1X S 1X M

2° 2.570 1.062 2° 3.266 0.995

4° 2.265 1.179 4° 3.149 1.075

6° 2.655 1.373 6° 2.590 1.229

sensor R

sensor L

(a) (b) (c)

Amplitudo getaran (mm/s) sensor L Amplitudo getaran (mm/s) sensor R Kombinasi Frekuensi

Kombinasi Frekuensi

1X S 1X M 1X S 1X M

2 mm; 2^o 3.877 1.241 2 mm; 2^o 2.978 1.039

4 mm; 4^o 3.021 1.500 4 mm; 4^o 3.138 1.407

6 mm; 6^o 4.317 1.637 6 mm; 6^o 4.810 1.796

(5)

4. Simpulan

Dari investigasi yang dilakukan terhadap spektrum getaran, baik spektrum getaran akibat angular misalignment, offset misalignment maupun kombinasinya, dapat disimpulkan bahwa ciri getaran yang dihasilkan adalah mempunyai frekuensi yang dominan di satu kali frekuensi putaran poros dan di satu kali frekuensi putaran motor.

Amplitudo getaran di satu kali frekuensi putaran poros lebih tinggi dari pada amplitudo getaran di satu kali frekuensi putaran motor.

Selain itu, dari investigasi yang telah dilakukan belum bisa ditemukan perbedaan ciri getaran yang signifikan terjadi antara getaran akibat offset misalignment, angular misalignment maupun akibat kombinasi kedua jenis misalignment karena pola amplitudo yang diperoleh mempunyai kharakteristik yang hampir sama.

Referensi

[1] H. Artady, “Study Eksperimental Pengaruh Cacat Belt dan Pulley Terhadap Profil Sinyal Getaran dan Distribusi Temperature dari System V-belt,” Thesis in Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, 2009.

[2] A.H. Saputra dan B.D. Wonoyudo, “Pola Vibrasi dari Transmisi V-Belt di bawah Pengaruh Parallel Misalignment,”

JURNAL TEKNIK POMITS, vol. 2, No.

2, pp. 239-242, 2012.

[3] A. Yanto dan A. Anrinal, “Studi Getaran Eksperimental Akibat Kelonggaran Sistem Transmisi Sabuk Pada Mesin Rotari,” Prosiding Seminar Nasional:

Peranan Ipteks Menuju Industri Masa Depan (PIMIMD), 2017, pp. 40-46.

[4] L. Kong and R.G. Parker, “Steady mechanics of belt-pulley systems,” J.

Appl. Mech. vol. 72, no.1, 25-34. 2005.

[5] L. Kong and R.G. Parker, “Microslip friction in flat belt drives,” Proc. Inst.

Mech. Eng. Part C, vol. 219, no. 10, 2005, pp. 1097-1106.

[6] A. Gillespie, “Condition Based Maintenance: Theory, Methodology, &

Application,” Conference: Reliability and Maintainability SymposiumAt: Tarpon Springs, FL, January 2015.

[7] A. Yanto, Z. Abidin, A. Anrinal and R.

Saferi, “An Approach for The Condition Monitoring of Rotating Machinery,” in Proc. The First International Conference on Technology, Innovation, and Society (ICTIS), 2016, pp. 219-224.

[8] A.A. Jaber and K.M. Ali,” Artificial Neural Network Based Fault Diagnosis of a Pulley-Belt Rotating System,” Int.

Journal of Advanced Science Engineering Information Technology, vol.

9, no. 2, pp.11-20, 2019.

[9] A. González-Muñiz, I. Díaz and A.A.

Cuadrado, “DCNN for condition monitoring and fault detection in rotating machines and its contribution to the understanding of machine nature,”

Heliyon 6, e03395, 2020.

[10] H. Ding, “Periodic responses of a pulley- belt system with one-way clutch under inertia excitation,” Journal of Sound and Vibration, vol. 353, pp. 308-326, 2015.

[11] A. A. A. Bulushi, G. R. Rameshkumar, and M. Lokesha, "Fault Diagnosis in Belts using Time and Frequency based Signal Processing Techniques,” Int.

Journal of Multidisciplinary Sciences and Engineering, vol. 6, 2015.

[12] H. Ding, Z. Zhang, and L.-Q Chen,

“Vibration reduction effect of one-way clutch on belt-drive systems,” European Journal of Mechanics-A/Solids, vol. 71, pp. 378–385, 2018.

[13] M. Dakel, L. Jézéquel, and J.-L. Sortais,

“Stationary and transient analyses of a pulley-belt system based on an Eulerian approach,” Mechanism and Machine Theory,” vol. 128, pp. 682-707, 2018.

[14] A.R. Hassan and K.M Ali, “Diagnosis of Pulley-Belt System Faults Using Vibration Analysis Technique,” Journal of University of Babylon, Engineering Sciences, vol. 26, no. 2, pp. 167-180, 2018.

[15] C.M. Harris and A.G. Piersol, " Harris’s shock Vibration Handbook, 6^thedition, McGraw-Hill, New York, 2002.

[16] L.R. Higgins, K.R. Mobley and R. Smith, Maintenance Engineering Handbook, McGraw-Hill, New York, 1999.