PENGARUH TONJOLAN TERHADAP PROFIL GETARAN DAN DISTRIBUSI TEMPERATUR DARI SISTEM TRANSMISI V- BELT DALAM KAITANNYA TEKNOLOGI PREDICTIVE MAINTENANCE

Transkripsi

1 PENGARUH TONJOLAN TERHADAP PROFIL GETARAN DAN DISTRIBUSI TEMPERATUR DARI SISTEM TRANSMISI V- BELT DALAM KAITANNYA TEKNOLOGI PREDICTIVE MAINTENANCE Hery Artady dan Bambang Daryanto W. PT. Pembangkitan Jawa Bali, Jl. Ketintang Baru No. 11, Surabaya, Indonesia Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, Kampus ITS Sukolilo, Surabaya, 6111, Indonesia hartady@ptpjb.com, bambang@me.its.ac.id ABSTRAK Paper ini memaparkan sebuah studi eksperimental untuk mengetahui pengaruh tonjolan pada belt dan pulley terhadap profil getaran dan distribusi temperatur dari sistem transmisi v-belt dengan kecepatan belt yang bervariasi. Tonjolan pada belt menyebabkan munculnya banyak frekuensi getaran, yang didominir oleh BPF (belt pass frequency) dan harmoniknya. Sedangkan tonjolan pada pulley menyebabkan tereksitasinya frekuensi yang berkenaan dengan putaran poros pulley beserta harmoniknya. Adanya tonjolan pada belt dan pulley juga menyebabkan terjadinya kenaikan temperatur, baik temperatur pada belt maupun pulley. Kenaikan intensitas getaran dan temperatur tersebut tercatat untuk setiap putaran poros pulley, dimana penambahan putaran umumnya akan menyebabkan level amplitudo getaran dan temperatur yang semakin tinggi pula. Dapat dikatakan bahwa tonjolan pada belt memberikan pengaruh yang lebih signifikan daripada tonjolan pada pulley. Kata Kunci : v-belt, profil getaran, distribusi temperatur, tonjolan, variasi kecepatan PENDAHULUAN Sistem transmisi belt banyak digunakan di industri karena mudah penanganannya dengan perawatan yang minimum, murah harganya, serta memiliki rentang daya dan kecepatan yang luas. Selain itu, belt memiliki karakteristik bahan yang fleksibel, yang membuatnya mampu meredam beban kejut. Walau demikian karakteristik tersebut membuat transmisi belt rentan terhadap terjadinya getaran dengan amplitudo yang besar. Dengan aplikasi yang demikian luas, sistem transmisi belt menjadi subyek dari banyak penelitian dengan fokus yang beragam. Antara lain, Moon dan Wickert serta Sheng, et al. yang melakukan studi tentang pengaruh misalignment terhadap getaran pada v-belt drive. Pellicano, Catellani dan Fregolent serta Moon dan Wickert menyelidiki pengaruh eksentrisitas pulley terhadap getaran yang terjadi. Model matematis dikembangkan oleh Abrate untuk menganalisa getaran belt akibat pengaruh tegangan mula, kecepatan, kekakuan, dan fleksibilitas tumpuan terhadap getaran belt. Sedangkan simulasi komputer untuk analisa getaran pada lengan pulley dilakukan oleh Singru dan Modak. Penerapan metoda elemen hingga untuk analisa dinamis sistem transmisi belt dilakukan oleh Kim serta Shieh dan Chen. Sementara itu, imej IR thermography sebagai komplemen dari pengukuran getaran ditampilkan dalam artikel yang ditulis oleh Wurzbach.

2 Dengan melakukan pengukuran dan analisis getaran akan dapat diketahui kondisi kerja peralatan, dimana hasilnya dapat digunakan untuk deteksi dini adanya ketaknormalan kerja suatu peralatan, sehingga potensi kerugian yang lebih besar dapat diminimalkan. Diketahui pula bahwa suatu bentuk kerusakan tertentu akan memberikan profil atau respon getaran yang spesifik, yang disebut sebagai vibration signature. Disamping itu, operasi sistem transmisi belt menyebabkan temperatur yang berbeda pada daerah yang berbeda, sehingga terjadilah distribusi temperatur pada peralatan (berupa kontur). Eksperimen yang menjadi dasar penulisan ini merupakan studi tentang pengaruh tonjolan terhadap profil sinyal getaran dan pola distribusi temperatur yang terjadi pada sistem transmisi v-belt, dengan kecepatan belt yang bervariasi. METODE EKSPERIMEN Tonjolan pada belt dimaksudkan untuk mensimulasi adanya bad seam, dan dilaksanakan dengan melilitkan seal tape berukuran lebar 35 mm sebanyak dua kali lilitan. Sedangkan tonjolan pada pulley dimaksudkan sebagai simulasi terjadinya kesalahan produksi atau menumpuknya kotoran, dan dilaksanakan dengan memberikan lasan pada bagian dalam pulley dengan volume sebesar kira-kira.125 cm 3. Model dari sistem transmisi v-belt (selanjutnya disebut sebagai test bed) adalah sebagaimana ditunjukkan oleh Gambar 1. Gambar 1. Test bed sebagai model sistem transmisi v-belt 1. motor listrik 6. landasan pengarah 2. pulley penggerak 7. bantalan karet 3. v-belt 8. landasan utama 4. pulley yang digerakkan 9. tiang silinder 5. dudukan pulley 1. landasan motor Belt yang digunakan terbuat dari karet dengan penampang trapesoidal (Bando, tipe A). Pulley penggerak overhung, sedangkan pulley yang digerakkan dipasang diantara dua bearing. Pulley terbuat dari besi tuang (NBK, tipe A -1) berdiameter 6 inches, dengan jarak antar poros pulley sebesar 44 cm (17.23 inches). Pulley penggerak dikopel langsung dengan sebuah motor listrik (1 phasa, 1 HP, 145 rpm). Dalam pelaksanaan eksperimen digunakan sebuah alat tambahan yang berfungsi sebagai pengatur variasi kecepatan putaran motor penggerak (inverter), yaitu Yasakawa VARIISPEED 6165G. Pengukuran getaran menggunakan CSi 212A Data Logger yang dilengkapi dengan dua buah accelerometer (2 channels), dimana pengolahan data getaran dilakukan dengan bantuan perangkat lunak CSi MTWin. Pengukuran getaran dilakukan pada A-27-2

3 rumah bantalan pulley yang digerakkan dalam arah vertikal, horisontal, dan aksial. Pengukuran temperatur (secara thermografis) dilakukan dengan FLUKE Ti-3, dengan pengolahan data yang memanfaatkan perangkat lunak FLUKE InsideIR. Test bed setting dilakukan sebelum pengambilan data eksperimen, meliputi alignment dan belt tensioning. Alignment pada pulley penggerak yang dikopel langsung dengan motor dilakukan dengan menggunakan dial indicator, sedangkan kelurusan antara pulley penggerak dengan pulley yang digerakkan menggunakan metode straightedge. Penentuan tegangan belt mengikuti deflection method yang formula perhitungannya dikembangkan oleh Tom Lovin (Maintenance Engineering Handbook, 6th edition) [1]. Berikut ini ditunjukkan gambar test bed dikopel dengan inverter dan titik pengukuran getaran (penempatan sensor pada rumah bantalan pulley yang digerakkan) : a. b. HASIL DAN PEMBAHASAN Data Getaran dan Analisa Gambar 2. a. Test bed dikopel dengan inverter b. Lumped belt dan titik pengukuran getaran Data getaran dapat dinyatakan dalam dua tampilan : wave form (time domain) atau spectrum (frequency domain). Hal tersebut bisa dilakukan, karena CSi Vibration Analyzer yang digunakan dilengkapi dengan FFT yang bekerja berdasar pada prinsip deret Fourier. Menurut ekspansi Fourier, setiap fungsi (waktu) dapat dikonversikan menjadi ekspresi harmonik sebagai berikut : f(x) = ao + (an cos nx + bn sin nx) (1) n 1 dimana ao, an, dan bn adalah koefisien. Salah satu contoh tampilan dari time dan frequency domain adalah seperti ditunjukkan oleh gambar berikut : Acceleration in G-s VB2 - Normal, 6", 14 rpm P6N14 -PH Pulley horizontal 2.7 Route Waveform 13-DEC-8 12:1: PK =.384 LOAD = RPM = RPS = PK(+) =.753 PK(-) =.854 CRESTF= PK Velocity in mm/sec 1.2 VB2 - Normal, 6", 14 rpm P6N14 -PH Pulley horizontal Route Spectrum 13-DEC-8 12:1:11 OVRALL= 1.39 V-DG PK = 1.33 LOAD = 1. RPM = RPS = Time in Seconds Frequency in Hz Freq: Ordr: Spec: Gambar 3. Grafik time- dan frequency- domain A-27-3

4 Dalam analisa terhadap signature getaran dari sistem transmisi belt perlu diidentifikasi suatu frekuensi spesifik yang disebut sebagai Belt Pass Frequency (BPF), yang ditentukan menurut [11] : BPF = ( π x PD x rpm ) / BL (2) dimanapd : diameter pulley rpm : kecepatan putar pulley BL : panjang belt Dari setiap setting eksperimen (kondisi tanpa dan dengan tonjola n) pada berbagai variasi kecepatan belt mulai dari 12, 13, 14, 15 dan 16 rpm didapatkan data pengukuran amplitudo overall kecepatan, sebagaimana dicatat dalam tabel 1. Tabel 1. Kecepatan overall (rms) Kecepatan (in/sec) Putaran Normal Belt Dengan Tonjolan Pulley Dengan Tonjolan (rpm) V H A V H A V H A V = Vertikal ; H = Horisontal ; A = Aksial Menurut standar ISO-2372, sinyal getaran untuk status normal (tanpa tonjolan) menunjukkan bahwa test bed masuk daerah kondisi peralatan good ; yang mengindikasikan bahwa setting telah dilakukan dengan baik. Dari Tabel 1 dapat dilihat bahwa level getaran arah horisontal adalah yang paling tinggi, baik untuk kondisi tanpa maupun dengan tonjolan. Pengaruh tonjolan termanifestasi dengan naiknya level getaran pada semua arah pengukuran (vertikal, horisontal, aksial). Tonjolan pada belt menghasilkan kenaikan level getaran arah horisontal yang lebih tinggi daripada tonjolan pada puley. Untuk tonjolan pada belt, kenaikan putaran poros pulley pada umumnya memberikan kenaikan intensitas getaran. Sedangkan untuk tonjolan pada pulley, kenaikan intensitas getaran tercatat dengan naiknya putaran dari 12 rpm ke 14 rpm. Profil frequency domain dari getaran sistem transmisi dengan adanya tonjolan pada belt menunjukkan munculnya banyak frekuensi, baik untuk arah radial (horisontal dan vertikal) maupun arah aksial. Frekuensi-frekuensi tersebut umumnya berkenaan dengan BPF dan harmoniknya. Kontribusi sinyal getaran dari banyak frekuensi utamanya bisa dilihat pada getaran radial (horisontal), dimana peak tinggi terjadi berkenaan dengan harmonik dari BPF. Untuk melihat karakter getaran tersebut, berikut disajikan gambar spektrum getaran arah vertikal (grafik atas), horisontal (grafik tengah), dan aksial (grafik bawah) sistem transmisi v-belt dengan tonjolan pada belt untuk putaran 13 rpm (sebagai salah satu contoh tipikal). Tanda kotak menunjukkan harmonik dari BPF, sedangkan garis vertikal merujuk pada putaran poros pulley. A-27-4

5 VB2 - Humped belt, 6", 13 rpm P6HB13 - PTS=PA PH PV (13-DEC-8) PK Velocity in mm/sec Max Amp 6.14 Plot Scale 7 P6HB13 P6HB13 -PV -PH P6HB13 -PA Freq: Ordr: Frequency in Hz Sp 2: Dfrq: Gambar 4. Grafik frekuensi domain untuk tonjolan pada belt Profil frequency domain dari getaran sistem transmisi dengan adanya tonjolan pada pulley menunjukkan kontribusi frekuensi yang berkenaan dengan putaran poros pulley beserta harmoniknya (t anda kotak). Peak tinggi tercatat berkenaan dengan putaran pulley beserta harmoniknya. Untuk melihat karakter getaran tersebut, berikut disajikan gambar spektrum getaran arah vertikal, horisontal, dan aksial sistem transmisi v-belt dengan tonjolan pada pulley untuk putaran 13 rpm (sebagai salah satu contoh tipikal) VB2 - Humped pulley, 6", 13 rpm P6HP13 - PTS=PA PH PV (4-JAN-9) PK Velocity in mm/sec Max Amp 4.17 Plot Scale 9 P6HP13 P6HP13 -PV -PH P6HP13 -PA Freq: Ordr: Frequency in Hz Sp 2: Gambar 5. Grafik frekuensi domain untuk tonjolan pada pulley Data Temperatur dan Analisa Gambar berikut menampilkan distribusi temperatur (ditunjukkan oleh perbedaan warna), untuk kondisi normal (tanpa tonjolan), belt dengan tonjolan dan pulley dengan tonjolan. A-27-5

6 Lokasi 1 Lokasi 4 Lokasi 2 Lokasi 3 NORMAL LUMPED BELT LUMPED BELT LUMPED PULLEY Gambar 6. Thermal imaging dan lokasi pencatatan temperatur Untuk mengetahui nilai nominal temperatur, dicatat temperatur di empat lokasi sebagai berikut : 1. pulley yang digerakkan bagian atas 2. belt keluar dari pulley yang digerakkan 3. pulley yang digerakkan bagian tengah-dalam 4. pulley yang digerakkan bagian tengah-luar Sebagaimana diindikasikan oleh temperatur yang terjadi, adanya tonjolan pada belt menyebabkan kenaikan temperatur, baik pada belt maupun pada pulley. Kenaikan temperatur tersebut tercatat untuk setiap putaran pulley yang diuji. Sedangkan kenaikan temperatur akibat adanya tonjolan pada pulley umumnya tidak begitu signifikan. Nilai temperatur yang dimaksud bisa dilihat pada gambar berikut, dimana sebagai contoh ditampilkan temperatur di lokasi 1 dan 2, untuk setiap putaran poros yang diuji. Grafik Temperatur Lokasi 1 Grafik Temperatur Lokasi Temp Temp Putaran (RPM) Putaran (RPM) Normal Lumped Belt Lumped Pulley Normal Lumped Belt Lumped Pulley Gambar 7. Perubahan temperatur A-27-6

7 KESIMPULAN Dari eksperimen yang telah dilakukan dapat disimpulkan sejumlah temuan sebagai berikut : Tonjolan pada belt menyebabkan terjadinya getaran dengan karakter khusus, yaitu munculnya amplitudo dengan banyak frekuensi yang didominir oleh BPF dan harmoniknya. Tonjolan pada pulley menyebabkan terjadinya getaran dengan kontribusi frekuensi yang berkenaan dengan putaran poros pulley dan harmoniknya. Adanya tonjolan menyebabkan peningkatan temperatur (pada belt maupun pada pulley), dimana tonjolan pada belt menyebabkan kenaikan yang lebih signifikan daripada tonjolan pada pulley. Kenaikan putaran poros pulley umumnya menyebabkan naiknya level getaran maupun nilai temperatur. DAFTAR PUSTAKA Moon, J., and J.A. Wickert (1999), Radial Boundary Vibration of Misaligned V -belt Drives, J. Sound and Vibration, vol. 225, pp Sheng, G., K.M. Liu, J. Otremba, J. Pang, M. Qatu, and R. Dukkipati (24), A Model and Experimental Investigation of Belt Noise in Automotive Accessory Belt Drive System, Intl. J. Vehicle Noise and Vibration, vol.1, pp Pellicano, Francesco, G. Catellani, and A. Fregolent (24), Parametric Instability of Belts: Theory and Experiments, Computers and Structures, vol. 82, pp Moon, J., and J.A. Wickert (1997), Non -Linear Vibration of Power Transmission Belts, J. Sound and Vibration, vol. 2, pp Abrate, S. (1992), Vibrations of Belts and Belt Drives, Mechanism and Machine Theory, vol. 27, pp Singru, P.M., and J.P. Modak (21), Computer Simulation of the Dynamic and Vibration Response of a Belt Drive Pulley, J. Sound and Vibration, vol. 242, pp Kim, S.K. (22), Dynamic Analysis on Belt -Driven Spindle System of Machine Tools, Intl. J. Korean Society of Precision Engineering., vol. 3, pp Shieh, C.J., and W.H. Chen (22), Effect of Angular Speed on Behavior of a V-belt Drive System, Intl. J. Mechanical Sciences, vol. 44, pp Wurzbach, Richard N. (23), Optimizing the Performance of Belt -driven Equipment, Technical Paper, Maintenance Reliability Group, Brogue, Pennsylvania. Lovin, Tom (22), Belt Drives, in Maintenance Engineering Handbook, R. Lindley, P.E. Higgins, R.K. Mobley, and R.C. Smith, eds., 6 th edition, pp , McGraw-Hill, New York. Mitchell, John S. (1993), Introduction to Machinery Analysis and Monitoring, 2 nd ed., PennWell, Tulsa, Oklahoma. A-27-7