TUGAS MESIN FLUIDA B
Disusun oleh:
Moh. Khairil Azlan D021 22 1066
No. Absen 10
PROGRAM STUDI SARJANA TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS HASANUDDIN GOWA
2024
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Struktur mesin berputar seperti turbin, motor listrik, dan kompresor merupakan komponen vital dalam berbagai aplikasi industri, mulai dari pembangkit listrik hingga manufaktur. Getaran yang terjadi pada mesin-mesin ini, terutama pada kondisi operasi berkecepatan tinggi, menjadi salah satu masalah teknis yang sangat signifikan. Getaran yang tidak terkendali dapat menyebabkan kelelahan material, keausan komponen, penurunan efisiensi operasional, serta peningkatan biaya perawatan. Oleh karena itu, sistem kendali getaran menjadi penting untuk menjaga keandalan dan durabilitas mesin berputar.
Pendekatan tradisional untuk mengendalikan getaran pada mesin berputar biasanya melibatkan sistem pasif, seperti penggunaan peredam atau isolator.
Namun, metode ini sering kali tidak cukup efektif, terutama pada aplikasi yang memerlukan respons cepat dan penyesuaian dinamis terhadap berbagai kondisi operasi. Di sinilah sistem kendali aktif berperan penting. Kendali aktif menggunakan sensor dan aktuator yang bekerja secara real-time untuk mendeteksi dan merespons getaran, sehingga memungkinkan sistem untuk mengurangi getaran secara lebih efektif.
Material piezoelektrik telah mendapatkan perhatian sebagai solusi yang menjanjikan dalam sistem kendali aktif getaran. Material ini mampu mengubah energi mekanik menjadi listrik dan sebaliknya, yang memungkinkannya berfungsi sebagai sensor dan aktuator dalam satu perangkat. Dengan sifat piezoelektrik, sistem kendali aktif dapat merespons getaran dengan lebih cepat dan efisien dibandingkan dengan sistem kendali konvensional.
Pemodelan dinamik sangat penting dalam merancang sistem kendali aktif.
Pemodelan ini memberikan pemahaman mendalam mengenai respons dinamis dari struktur berputar terhadap getaran, serta bagaimana aktuator piezoelektrik dapat dioptimalkan untuk mengurangi getaran secara efektif. Dengan pemodelan yang akurat, sistem dapat dirancang untuk meminimalkan getaran pada berbagai frekuensi dan kondisi operasi.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang di atas, dapat kita rumuskan masalah sebagai berikut : 1. Bagaimana efektivitas material piezoelektrik dalam mengurangi getaran
pada mesin berputar dibandingkan dengan metode kendali getaran konvensional
2. Bagaimana pemodelan dinamik dapat diintegrasikan dengan penggunaan material piezoelektrik untuk menciptakan sistem kendali aktif yang optimal pada mesin berputar
3. Apa saja faktor yang mempengaruhi kinerja sistem kendali aktif menggunakan material piezoelektrik pada berbagai frekuensi getaran dan kondisi operasi mesin
1.3 Tujuan Penelitian
Adapun tujuan penelitian ini yaitu :
1. Mengembangkan sistem kendali aktif yang efektif dalam mengurangi getaran pada struktur mesin berputar dengan memanfaatkan material piezoelektrik sebagai aktuator.
2. Menganalisis dan memvalidasi pemodelan dinamik untuk mengoptimalkan integrasi material piezoelektrik dalam sistem kendali aktif pada mesin berputar.
3. Mengidentifikasi faktor-faktor kritis yang mempengaruhi performa sistem kendali aktif berbasis piezoelektrik pada berbagai frekuensi getaran dan kondisi operasi mesin.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Sistem Getaran pada Mesin Berputar
Mesin berputar seperti turbin, motor, dan kompresor sering mengalami getaran yang disebabkan oleh ketidakseimbangan massa, gesekan, resonansi, atau ketidakstabilan aerodinamis. Getaran pada mesin berputar dapat mengakibatkan kerusakan pada komponen-komponen mesin seperti bantalan, poros, dan peralatan pendukung lainnya.
Pengendalian getaran pada mesin ini sangat penting untuk menjaga stabilitas operasi, meningkatkan umur pakai, dan mengurangi biaya perawatan. Getaran pada Mesin Berputar: Getaran ini dapat terjadi karena ketidakseimbangan mekanis, resonansi struktural, atau gaya dinamis dari rotasi (Newland, 2005). menunjukkan bahwa getaran dapat menimbulkan kelelahan material pada mesin yang beroperasi dalam jangka panjang.
2.2 Kendali Getaran: Pendekatan Pasif dan Aktif
Pengendalian getaran dapat dilakukan melalui dua pendekatan, yaitu pasif dan aktif.
Sistem kendali pasif menggunakan perangkat seperti peredam atau isolator yang berfungsi untuk menyerap energi getaran. Namun, sistem pasif seringkali tidak efektif dalam menghadapi getaran dengan frekuensi variabel. Oleh karena itu, sistem kendali aktif menjadi lebih relevan karena mampu beradaptasi dengan perubahan dinamis.
Sistem Kendali Pasif: Peredam getaran pasif menggunakan material atau struktur yang menyerap energi getaran tanpa menyesuaikan secara real-time.
Sistem Kendali Aktif: Sistem ini melibatkan penggunaan sensor, aktuator, dan pengontrol untuk memantau dan merespons getaran secara real-time (Preumont, 2011). menjelaskan bahwa sistem kendali aktif memberikan respons yang lebih cepat dan dapat dioptimalkan untuk frekuensi getaran yang berbeda.
2.3 Material Piezoelektrik
Material piezoelektrik memiliki sifat unik yang memungkinkan konversi energi mekanik menjadi listrik dan sebaliknya. Pada aplikasi kendali aktif, material ini dapat digunakan sebagai sensor maupun aktuator. Penggunaan material piezoelektrik dalam sistem kendali aktif sangat efektif karena kemampuannya untuk merespons getaran secara cepat dan presisi.
Prinsip Kerja Material Piezoelektrik: Material piezoelektrik seperti PZT (Lead Zirconate Titanate) menghasilkan muatan listrik saat mengalami tekanan mekanik.
Sebaliknya, jika diberi tegangan listrik, material ini dapat menghasilkan deformasi mekanik (Bhalla dan Soh, 2004). menunjukkan bahwa material piezoelektrik dapat digunakan sebagai aktuator dalam sistem kendali getaran dengan efisiensi tinggi.
Aplikasi Piezoelektrik dalam Mesin Berputar: Pada sistem kendali getaran, material piezoelektrik dapat dipasang di berbagai titik kritis pada struktur mesin berputar untuk mendeteksi dan menanggulangi getaran yang muncul.
2.4 Pemodelan Dinamik
Pemodelan dinamik adalah pendekatan penting dalam memahami dan merancang sistem kendali getaran, terutama untuk mesin berputar. Pemodelan ini membantu memprediksi perilaku dinamis sistem yang melibatkan interaksi antara berbagai komponen mesin dengan faktor-faktor seperti gaya rotasi, frekuensi alami, dan gaya luar.
Tujuan utama pemodelan dinamik adalah untuk memahami bagaimana sistem berputar bereaksi terhadap getaran pada berbagai frekuensi dan amplitudo, sehingga langkah- langkah kendali yang tepat dapat diambil. Pada konteks mesin berputar, pemodelan dinamik membantu dalam mengidentifikasi mode getaran kritis yang dapat menyebabkan resonansi. Resonansi ini dapat memperbesar getaran hingga ke tingkat yang membahayakan. Dengan memahami pola getaran yang muncul melalui pemodelan, para insinyur dapat merancang solusi kendali aktif yang lebih efisien dan tepat sasaran.
Metode Pemodelan: Salah satu metode yang umum digunakan dalam pemodelan dinamik adalah Finite Element Method (FEM). FEM memungkinkan simulasi perilaku dinamis dari sistem berputar dengan membagi struktur kompleks menjadi elemen-elemen yang lebih kecil, sehingga mempermudah analisis dan identifikasi respons getaran terhadap berbagai kondisi. Selain itu, pendekatan analitik dan numerik lainnya juga sering digunakan, termasuk pemodelan berdasarkan prinsip-prinsip mekanika dan sistem kontrol. Pemodelan dinamik juga memungkinkan integrasi dengan sistem kendali aktif. Dengan data yang dihasilkan dari pemodelan, sistem kontrol dapat dioptimalkan untuk merespon getaran dalam waktu nyata. Ini memungkinkan sistem kendali aktif, seperti yang menggunakan material piezoelektrik, untuk meredam getaran secara cepat dan efisien.
2.5 Pengembangan Sistem Kendali Aktif Berbasis Piezoelektrik
Sistem kendali aktif menggunakan material piezoelektrik telah menjadi topik penting dalam bidang kendali getaran, terutama karena kemampuannya untuk merespons getaran secara cepat dan efisien. Pengembangan sistem kendali aktif berbasis piezoelektrik mencakup desain perangkat keras dan perangkat lunak yang terintegrasi. Pada sistem ini,
sensor piezoelektrik digunakan untuk mendeteksi getaran, sedangkan aktuator piezoelektrik digunakan untuk menghasilkan gaya penyeimbang yang dapat mengurangi getaran.
Pengembangan sistem ini melibatkan beberapa tahapan penting, yaitu:
Desain Sistem Sensor dan Aktuator: Pada tahap ini, posisi optimal dari sensor dan aktuator piezoelektrik harus ditentukan. Sensor piezoelektrik ditempatkan pada titik- titik kritis di mana getaran paling sering terjadi, sehingga mampu mendeteksi getaran dengan presisi tinggi. Sementara itu, aktuator piezoelektrik digunakan untuk mengeluarkan gaya penyeimbang yang bertujuan meredam getaran.
Integrasi dengan Pengendalian Real-time: Sistem kendali aktif memerlukan pengontrol yang dapat memproses data dari sensor secara cepat dan memberikan respons yang tepat ke aktuator. Dalam sistem berbasis piezoelektrik, pengontrol ini memanfaatkan sinyal dari sensor piezoelektrik untuk menyesuaikan gaya yang dihasilkan oleh aktuator, sehingga getaran dapat diminimalkan dengan cepat. Sistem kontrol ini bisa menggunakan algoritma kendali seperti PID (Proportional-Integral-Derivative) atau algoritma lebih canggih seperti kontrol berbasis model prediktif.
Optimasi Sistem: Untuk memastikan bahwa sistem kendali aktif bekerja secara optimal di berbagai kondisi operasi, proses optimasi diperlukan. Ini mencakup pengaturan parameter kontrol, penyesuaian posisi sensor dan aktuator, serta analisis terhadap respon sistem pada berbagai frekuensi getaran. Optimasi juga melibatkan simulasi dan pengujian eksperimental untuk memastikan bahwa sistem dapat beradaptasi dengan kondisi getaran yang berubah-ubah.
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Desain Penelitian
Penelitian ini dirancang menggunakan “Randomized Block Design” (RBD) untuk mengevaluasi efektivitas aktuator piezoelektrik dalam meredam getaran mesin pada tiga tingkatan frekuensi getaran:
Frekuensi rendah (0 - 500 Hz)
Frekuensi sedang (500 - 1500 Hz)
Frekuensi tinggi (1500 - 3000 Hz)
Setiap tingkatan frekuensi diuji dengan dua konfigurasi aktuator:
1. Aktuator piezoelektrik tunggal 2. Aktuator piezoelektrik ganda
Setiap blok diuji untuk mengukur perubahan amplitudo getaran sebelum dan setelah penerapan sistem kendali aktif.
3.2 Variabel Penelitian 3.2.1 Variabel Bebas
1. Frekuensi getaran: rendah, sedang, dan tinggi.
2. Konfigurasi aktuator piezoelektrik: tunggal dan ganda.
3.2.2 Variabel Terkendali
1. Material aktuator piezoelektrik.
2. Lokasi pemasangan aktuator pada struktur mesin.
3. Suhu dan tekanan lingkungan saat pengujian.
3.2.3 Variabel Terikat
1. Amplitudo getaran sebelum dan sesudah penerapan sistem kendali aktif.
2. Stabilitas sistem dalam meredam getaran.
3.3 Alat dan Bahan Alat:
Mesin Berputar (Motor Listrik)
Fungsi: Mesin berputar digunakan untuk menghasilkan getaran pada struktur yang diuji. Mesin ini berperan sebagai sumber getaran yang akan dikendalikan oleh sistem kendali aktif menggunakan piezoelektrik. Variasi kecepatan putaran motor memberikan variasi dalam frekuensi dan amplitudo getaran yang dihasilkan.
Gambar 3.1 Mesin Berputar
Piezoelektrik sebagai Aktuator
Fungsi: Piezoelektrik berfungsi sebagai aktuator yang mengubah energi listrik menjadi gerakan mekanik (deformasi) untuk menghasilkan gaya yang melawan getaran pada struktur mesin. Ketika diberi sinyal listrik, piezoelektrik akan berkontraksi atau mengembang, sehingga dapat menghasilkan gaya reaktif yang digunakan untuk mengendalikan getaran.
Gambar 3.2 Piezoelektrik
Akselerometer untuk Pengukuran Getaran
Fungsi: Akselerometer digunakan untuk mengukur percepatan atau amplitudo getaran pada struktur mesin berputar. Alat ini mendeteksi perubahan posisi dan kecepatan struktur akibat getaran, yang kemudian digunakan untuk memantau efektivitas sistem kendali aktif piezoelektrik.
Gambar 3.3 Akselerometer
Data Acquisition System (DAQ) untuk Perekaman Data
Fungsi: Sistem DAQ digunakan untuk mengumpulkan dan merekam data dari akselerometer, piezoelektrik, dan sensor lainnya. Data yang dikumpulkan meliputi sinyal getaran, tegangan, arus, dan informasi lainnya yang diperlukan untuk analisis kinerja sistem kendali aktif getaran. DAQ memfasilitasi pengolahan data secara real- time.
Gambar 3.4 Data Acquisition System (DAQ)
Komputer dengan Perangkat Lunak Simulasi (MATLAB/Simulink, ANSYS)
Fungsi: Komputer dengan perangkat lunak simulasi seperti MATLAB/Simulink atau ANSYS digunakan untuk memodelkan, menganalisis, dan memprediksi perilaku dinamis sistem. Simulasi ini penting untuk memahami respons sistem terhadap perubahan parameter dan untuk mengembangkan algoritma kontrol yang tepat
sebelum implementasi fisik.
Gambar 3.5 Komputer Bahan:
Struktur Model Mesin Berbahan Aluminium
Fungsi: Struktur mesin yang terbuat dari aluminium digunakan untuk memberikan model fisik yang cukup ringan namun tetap kuat, yang dapat berfungsi sebagai media untuk menguji kendali getaran. Aluminium dipilih karena memiliki konduktivitas termal yang baik dan sifat mekanik yang stabil untuk eksperimen getaran.
Kabel Koneksi dan Modul Driver untuk Piezoelektrik
Fungsi: Kabel koneksi digunakan untuk menghubungkan piezoelektrik dengan sistem kontrol dan DAQ, memungkinkan transmisi sinyal listrik yang mengatur piezoelektrik. Modul driver berfungsi untuk mengatur dan mengirimkan sinyal listrik yang sesuai untuk mengontrol piezoelektrik, mengubah sinyal listrik menjadi gerakan mekanik (deformasi) pada piezoelektrik.
3.4 Prosedur Penelitian
1. Identifikasi Masalah dan Kajian Literatur
Studi awal dilakukan untuk mengidentifikasi kebutuhan sistem kendali aktif getaran dan menentukan parameter-parameter penting yang memengaruhi performa piezoelektrik.
2. Pemodelan Dinamik Sistem
Pemodelan matematis sistem struktur mesin berputar dilakukan menggunakan metode elemen hingga (FEM).
Simulasi numerik dilakukan untuk menentukan respons getaran struktur dengan dan tanpa kendali aktif.
3. Desain Sistem Kendali Aktif Berbasis Piezoelektrik
Piezoelektrik dipilih sebagai aktuator untuk menghasilkan gaya kendali yang berlawanan dengan getaran.
Pengaturan parameter pengontrol (misalnya PID atau metode lainnya) dilakukan untuk mengoptimalkan respons sistem.
4. Pengembangan Prototipe Eksperimental
Prototipe sistem mesin berputar yang dilengkapi dengan aktuator piezoelektrik disiapkan.
Sensor akselerometer digunakan untuk mengukur getaran.
5. Uji Eksperimen dan Pengumpulan Data
Eksperimen dilakukan dengan memvariasikan kecepatan putaran mesin dan pembebanan untuk mengamati pengaruhnya terhadap kinerja sistem kendali aktif.
Data berupa amplitudo getaran, respon frekuensi, dan daya yang dikonsumsi oleh sistem kendali dikumpulkan.
6. Analisis Data dan Validasi Hasil
Analisis dilakukan untuk membandingkan hasil simulasi numerik dengan hasil eksperimen.
Validasi dilakukan dengan mengevaluasi kesesuaian antara model teoritis dan performa aktual sistem.
DAFTAR PUSTAKA
Bhalla, S., & Soh, C. K. (2004). Structural health monitoring by piezo-impedance transducers:
Applications and advances. Engineering Structures, 26(11), 1627-1639. doi:10.
1016/j.engstruct.2004.06.008.
Caughey, T. K., & O'Kelly, M. E. (1965). Classical normal modes in damped linear systems. J ournal of Applied Mechanics, 32, 583-588.
Chatelet, E., D'Ambrosio, F., & Jacquet-Richardet, G. (2005). Toward global modeling approaches for dynamic analyses of rotating assemblies of turbo-machines. Journal of Sound and Vibration, 282(1-2), 163–178. doi:10.1016/j.jsv.2004.02.046.
Childs, D. W. (1993). Turbomachinery Rotordynamics: Phenomena, Modeling, and Analysis.
Wiley.
Cook, R. D., Malkus, D. S., Plesha, M. E., & Witt, R. J. (2001). Concepts and Applications of Finite Element Analysis (4th ed.). Wiley.
Craig, R. R., & Kurdila, A. J. (2006). Fundamentals of Structural Dynamics (2nd ed.). Wiley.
Friswell, M. I., Penny, J. E. T., Garvey, S. D., & Lees, A. W. (2010). Dynamics of Rotating Machines. Cambridge University Press. doi:10.1017/CBO9780511780509.
Inman, D. J. (2008). Engineering Vibration (3rd ed.). Prentice Hall.
Meirovitch, L. (1986). Elements of Vibration Analysis (2nd ed.). McGraw-Hill.
Newland, D. E. (2005). An Introduction to Random Vibrations, Spectral and Wavelet Analysis (3rd ed.). Dover Publications.
Preumont, A. (2011). Vibration Control of Active Structures: An Introduction (3rd ed.).
Springer. doi:10.1007/978-94-007-2033-6.
Rao, S. S. (2007). Vibration of Continuous Systems. Wiley.
Thompson, W. T. (1993). Theory of Vibration with Applications (4th ed.). Prentice Hall.