INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

(1)

ANALISIS KECEPATAN KRITIS ROTOR DINAMIK

DENGAN STUDI KASUS EXTERNALLY PRESSURIZED BEARINGS

TESIS MAGISTER

Karya ilmiah sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Teknik

Oleh

FEBLIL HUDA 23105016

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

2008

(2)

Dan tidak ada sesuatupun melainkan dari sisi Kami-lah khazanahnya, dan Kami tidak menurunkan melainkan dengan ukuran tertentu (QS. Al-Hijr 21)

(3)

BIDANG KHUSUS PERAWATAN PREDIKTIF BERBASIS SINYAL GETARAN

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG TESIS MAGISTER

Diberikan kepada : Feblil Huda

Dosen Pembimbing : Dr. Ir. Zainal Abidin Jangka Waktu Penyelesaian : 12 (dua belas) bulan

Judul : Analisis Kecepatan Kritis Rotor Dinamik Dengan Studi Kasus Externally Pressurized Bearings

Isi tugas:

1. Studi literatur dinamika pada sistem poros-rotor .

2. Pengembangan pemodelan sistem poros-rotor menggunakan Matlab 7.0.

3. Pengembangan pemodelan sistem poros-rotor menggunakan Nastran 2005.

4. Pemodelan alat uji rotor dinamik yang ditumpu externally pressurized bearings dengan menggunakan program aplikasi Matlab dan Nastran 2005.

5. Pembuatan impulse hammer sederhana untuk pengujian dalam kondisi berputar.

6. Pengujian untuk mengetahui frekuensi pribadi dan kecepatan kritis dalam kondisi berputar.

Bandung, Januari 2008 Dosen Pembimbing

Dr. Ir. Zainal Abidin NIP.: 131 473 960

Catatan:

1. Pembimbing tesis 2. Mahasiswa ybs 3. File departemen (2x)

(4)

LEMBAR PENGESAHAN

ANALISIS KECEPATAN KRITIS ROTOR DINAMIK

DENGAN STUDI KASUS EXTERNALLY PRESSURIZED BEARINGS

Tesis Magister ini telah diperiksa, dan dinyatakan sah sebagai salah satu syarat kelulusan program magister di Program Studi Teknik Mesin

Bidang Khusus Perawatan Predikitif Berbasis Sinyal Getaran Institut Teknologi Bandung

Pembimbing

Dr. Ir. Zainal Abidin NIP.: 131 473 960

(5)

Abstrak

Pada sistem poros-rotor yang berputar, seringkali terjadi masalah getaran. Oleh karena itu, agar analisis spektrum getaran dapat dilakukan dengan baik dan batas kecepatan operasi yang aman dapat ditentukan dengan baik, maka informasi tentang frekuensi pribadi dan kecepatan kritis sistem poros-rotor harus dapat diketahui dengan baik pula.

Frekuensi pribadi sistem poros-rotor tergantung pada kecepatan putarnya.

Pada penelitian ini disusun program dinamika sistem poros-rotor dengan menggunakan Matlab 7.0, dan pemodelan sistem poros-rotor dilakukan dengan menggunakan Nastran 2005 fitur rotordinamik untuk menentukan frekuensi pribadi dan kecepatan kritis, sehingga nilai beberapa frekuensi pribadi dan kecepatan putar kritis terendah dapat diprediksi. Program dinamika sistem poros-rotor yang disusun dan pemodelan divalidasi dengan menggunakan model yang ada di literatur. Hasil validasi menunjukkan bahwa program yang dibuat dan pemodelan yang dilakukan cukup valid.

Pada penelitian ini dikembangkan jenis pengujian baru yang dilakukan dalam kondisi sistem poros-rotor berputar untuk mengetahui frekuensi pribadi sistem poros-rotor dalam kondisi berputar. Selain itu, pengujian FRF dilakukan untuk menentukan frekuensi pribadi sistem poros-rotor pada kondisi diam. Data frekuensi pribadi dari hasil pengujian dalam kondisi berputar dan FRF disajikan dalam bentuk diagram Campbell, dan nilai beberapa kecepatan putar kritis terendah dapat ditentukan. Hasil pengujian menunjukkan bahwa nilai kecepatan putar kritis mendekati nilai kecepatan putar kritis hasil pemodelan dengan Matlab 7.0 dan Nastran 2005.

iii

(6)

Abstract

On rotating rotordynamics system, vibration problem often occurred. Therefore, in order that vibration spectrum analysis can be carried out well and safe operational speed can be determined, the information about natural frequency and critical speed of the shaft rotor system should be known well too. The values of natural frequencies of rotordynamics are depending on its rotational speed.

In this research, rotordynamics numerical programming and modeling have been constructed by using Matlab 7.0 and Nastran 2005 to predict natural frequencies and critical speeds. The rotordynamics numerical programming and modeling are then validated using model in the literature. The results show that the validity of modeling is very good.

A new experiment method on rotordynamics is developed to investigate the natural frequencies on rotating condition. FRF test is also conducted to investigate the natural frequencies on static condition. Data from both experiments are then plot in Campbell diagram, and several values of the lowest critical speed can be determined. Experiments show that the value of critical speeds have good similarity with the value obtained by modeling the rotordynamics system in Matlab 7.0 and Nastran 2005.

iv

(7)

KATA PENGANTAR

Alhamdulillahirabbil’aalamiin, hanya kata inilah yang pantas untuk mengungkapkan rasa syukur dan kegembiraan penulis pada saat selesainya penulisan tesis magister ini. Setelah melewati perjuangan yang cukup panjang akhirnya penulis dapat menyelesaikan tesis ini sebagai syarat utama untuk menyelesaikan pendidikan magister di program studi Teknik Mesin Program Pasca Sarjana ITB.

Pada tesis ini penulis melakukan analisis kecepatan kritis rotor dinamik dengan studi kasus externally pressurized bearings. Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Dinamika PPAU-IR ITB, sebagai lanjutan dari beberapa penelitian yang telah dilakukan sebelumnya.

Pada kesempatan ini, penulis menyampaikan ungkapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:

1. Bapak Dr. Ir. Zainal Abidin, sebagai pembimbing yang telah memberikan bimbingan dan arahan serta bantuan moril dan materil selama penelitian ini.

2. Bapak Prof. Dr. Komang Bagiasna selaku dosen ketua sidang magister sekaligus penguji dan dosen bidang keahlian perawatan prediktif berbasis sinyal getaran atas semua diskusi dan arahan yang juga diberikan beliau kepada penulis.

3. Bapak Dr. Ir. Andi Isra Mahyudin selaku dosen penguji dalam sidang magister atas segala arahan yang telah beliau berikan setelah sidang magister berlangsung.

4. Bapak staff pengajar di bidang keahlian perawatan prediktif berbasis sinyal getaran program studi Teknik Mesin ITB, atas berbagai materi perkuliahan dan diskusi yang sangat membantu penulis dalam pelaksanaan penelitian dan kegiatan penulis selanjutnya.

5. Rekan-rekan asisten Laboratorium Dinamika PPAU-IR ITB.

6. Segenap karyawan Laboratorium Dinamika PPAU-IR ITB atas segala bantuannya selama penulis berada di laboratorium ini.

v

(8)

Semua yang telah penulis lakukan ini tidak akan ada artinya tanpa adanya dukungan baik moril maupun materil dari kedua orang tua, saudara-saudara dan sahabat-sahabat dekat penulis. Semoga segala kebaikan mereka semua menjadi amal shaleh di sisi Allah Subhanahu wata’ala.

Terakhir, penulis menyadari semua yang telah penulis lakukan ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu saran dan kritik yang membangun merupakan hal yang sangat berharga bagi penulis. Semoga tesis ini bermanfaat bagi kita semua.

Bandung, Januari 2008

Penulis

vi

(9)

DAFTAR ISI

ABSTRAK... iii

KATA PENGANTAR ... v

DAFTAR ISI ... vii

DAFTAR GAMBAR ... x

DAFTAR TABEL... xiii

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan Penelitian ... 2

1.3 Batasan Masalah... 2

1.4 Metode Penelitian... 3

1.5 Sistematika Pembahasan ... 4

BAB II DASAR TEORI... 5

2.1 Metode Elemen Hingga Sistem Rotor Dinamik [7]... 5

2.1.1 Rotor ... 5

2.1.2 Poros ... 6

2.1.3 Bantalan... 7

2.1.4 Massa Tak Seimbang... 8

2.2 Metoda Pseudomodal... 9

2.2.1 Frekuensi Pribadi... 10

2.2.2 Respon Akibat Massa Tak Seimbang... 10 vii

(10)

2.3 Metoda Direct... 11

2.4 Diagram Campbell ... 13

BAB III PEMODELAN SISTEM POTOR-ROTOR... 15

3.1 Pendahuluan ... 15

3.2 Pemodelan Sistem Poros-rotor dengan Matlab 7.0 ... 15

3.3 Pemodelan Sistem Poros-rotor dengan Nastran 2005... 19

3.4 Validasi Program Analisis Dinamik Sistem Poros-rotor ... 21

3.5 Studi Kasus... 27

BAB IV PERANGKAT PENGUJIAN GETARAN POTOR-ROTOR ... 33

4.1 Perangkat Uji Sistem Poros-rotor... 33

4.2 Sensor... 35

4.3 Instrumentasi Akusisi dan Pengolah Data... 36

4.4 Prosedur Pengujian... 37

4.4.1 Pengujian FRF ... 37

4.4.2 Pengujian Untuk Mengetahui Kecepatan Kritis Pada Kondisi Berputar ... 39

BAB V DATA DAN ANALISIS HASIL PENGUJIAN... 43

5.1 Pengujian Fungsi Respon Frekuensi ... 43

5.2 Pengujian Kondisi Berputar ... 45

BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN... 61

6.1 Kesimpulan ... 61

6.2 Saran... 62 viii

(11)

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN A PERHITUNGAN PARAMETER BANTALAN LUNCUR LAMPIRAN B SINYAL GETARAN PENGUJIAN KONDISI BERPUTAR

ix

(12)

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 1.1 Diagram alir penelitian ... 3

Gambar 2.1 Sistem koordinat poros-rotor [7] ... 6

Gambar 2.2 Diagram Campbell [7] ... 14

Gambar 3.1 Diagram alir program analisis dinamik sistem poros-rotor ... 17

Gambar 3.2 Diagram alir penghitungan frekuensi pribadi dengan metode pseudomodal... 19

Gambar 3.3 Skema sistem MSC/Nastran... 21

Gambar 3.4 Model sistem poros-rotor pada literatur... 22

Gambar 3.5 Diagram Campbell dari literatur ... 24

Gambar 3.6 Diagram Campbell model sistem poros-rotor dari literatur dengan menggunakan Matlab 7.0 ... 25

Gambar 3.7 Diagram Campbell model sistem poros-rotor dari literatur dengan menggunakan Nastran ... 25

Gambar 3.8 Sketsa model sistem poros-rotor studi kasus ... 27

Gambar 3.9 Diagram Campbell sistem poros-rotor studi kasus hasil pemodelan Matlab... 29

Gambar 3.10 Diagram Campbell sistem poros-rotor studi kasus hasil pemodelan Nastran... 30

Gambar 4.1 Susunan perangkat uji sistem poros-rotor... 34

Gambar 4.2 Susunan perangkat pengujian FRF ... 37

Gambar 4.3 Posisi titik ukur dan eksitasi pada pengujian FRF ... 38

Gambar 4.4 Susunan perangkat pengujian untuk mengetahui kecepatan putar kritis pada kondisi berputar... 39

Gambar 4.5 Palu khusus pengujian berputar ... 40

Gambar 5.1 Hasil pengujian FRF perangkat uji pada arah vertikal... 44

Gambar 5.2 Hasil pengujian FRF perangkat uji pada arah horizontal... 44

Gambar 5.3 Proses pengolahan sinyal getaran pengujian kondisi berputar... 46

x

(13)

Gambar 5.4 Posisi gaya eksitasi dan sensor dalam pengujian kondisi

berputar ... 47 Gambar 5.5 Sinyal pengujian berputar pada kecepatan putar 300 rpm arah vertikal

(a) Proses pengurangan (b) Hasil akhir: eksitasi-respon... 48 Gambar 5.6 Sinyal pengujian berputar pada kecepatan putar 300 rpm arah horizontal

(a) Proses pengurangan (b) Hasil akhir: eksitasi-respon... 49 Gambar 5.7 Sinyal pengujian berputar pada kecepatan putar 900 rpm arah vertikal

(a) Proses pengurangan (b) Hasil akhir: eksitasi-respon... 56 Gambar 5.12 Diagram Campbell hasil pengujian kondisi berputar... 58 Gambar A.1 Kurva hubungan antara konstanta Sommerfeld dengan rasio

eksentrisitas dan posisi sudut... A-2 Gambar A.2 Konfigurasi saluran fluida pelumas ... A-3 Gambar A.3 Konfigurasi rancangan bantalan luncur ... A-4 Gambar A.4 Kurva nilai konstanta kekakuan dan redaman jurnal bearing ... A-7 Gambar B.1 Sinyal pengujian berputar pada kecepatan putar 300 rpm arah vertikal

(a) Proses pengurangan (b) Hasil akhir: eksitasi-respon... B-1 Gambar B.2 Sinyal pengujian berputar pada kecepatan putar 300 rpm arah horizontal

(a) Proses pengurangan (b) Hasil akhir: eksitasi-respon... B-2 Gambar B.3 Sinyal pengujian berputar pada kecepatan putar 600 rpm arah vertikal

(a) Proses pengurangan (b) Hasil akhir: eksitasi-respon... B-5

xi

(14)

Gambar B.6 Sinyal pengujian berputar pada kecepatan putar 1200 rpm arah vertikal (a) Proses pengurangan (b) Hasil akhir: eksitasi-respon... B-6 Gambar B.7 Sinyal pengujian berputar pada kecepatan putar 1800 rpm arah vertikal

(a) Proses pengurangan (b) Hasil akhir: eksitasi-respon... B-10

xii

(15)

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 3.1 Perbedaan antara program dinamika rotor Hartanto [10]

dan penelitian ini... 18 Tabel 3.2 Data geometri rotor literatur... 22 Tabel 3.3 Data material dan konstanta sistem poros-rotor literatur ... 22 Tabel 3.4 Frekuensi pribadi model sistem poros-rotor di literatur pada

kecepatan putar 25000 rpm ... 24 Tabel 3.5 Perbandingan kecepatan putar kritis sistem poros-rotor model

literatur ... 26 Tabel 3.6 Data inersia rotor studi kasus ... 27 Tabel 3.7 Data material dan konstanta sistem poros-rotor studi kasus ... 28 Tabel 3.8 Frekuensi pribadi sistem pada putaran 1000 rpm dan 2000 rpm .. 28 Tabel 3.9 Perbandingan kecepatan kritis sistem poros-rotor model

studi kasus ... 30 Tabel 4.1 Data spesifikasi bantalan luncur... 35

Tabel 5.1 Hasil pengujian FRF ... 45 Tabel 5.2 Data frekuensi pribadi hasil pengujian pada beberapa

kecepatan putar... 57 Tabel 5.3 Perbandingan kecepatan putar kritis hasil pemodelan dan

Eksperimen... 59

xiii