33 4 RANCANGAN SIMULATOR GETARAN DENGAN OUTPUT ARAH GETARAN DOMINAN VERTIKAL DAN HORIZONTAL Perancangan simulator getaran ini dilakukan dalam beberapa tahap yaitu : pengumpulan konsep rancangan dan pembuatan sketsa rancangan, perancangan mesin, dan pengujian mesin. Pengumpulan konsep rancangan meliputi merancang mekanisme gerak linier, menentukan kebutuhan daya motor, mekanisme perubahan akslarasi, dan merancang gerakan meja getar. Pada dasarnya bentuk getaran mekanik ada dua yaitu rotasional dan translational. Getaran rotasional biasanya dihasilkan oleh gerakan mesin yang berputar, sedangkan getaran translational timbul karena adanya mekanisme yang menghasilkan gerak linier. Tahap awal dari rancangan simulator ini adalah mencari berbagai mekanisme yang menghasilkan gerakan linier. Simulator ini digerakkan oleh motor listrik yang gerakannya adalah rotasional. Konsep akselarasi getaran pada simulator Getaran merupakan gerakan yang teratur dari benda dengan arah bolak balik dari kedudukan keseimbangan. Getaran dalam simulator ini merupakan gerakan bolak balik dari bagian meja getar akibat dorongan dan tarikan dari tuas. Akselarasi getaran merupakan turunan kedua dari jarak terhadap waktu, berbeda dengan frekuensi getaran yang merupakan jumlah gelombang yang terbentuk per-detik. Namun nilai akselarasi selain dipengaruhi oleh amplitudo juga dipengaruhi oleh frekuensi. Akselarasi getaran berbanding lurus terhadap amplitudo dan frekuensi getaran. Dengan jumlah getaran yang sama per-detik, tetapi amplitudo getaran bertambah besar akan berakibat akselarasi getaran juga menjadi lebih besar dan sebaliknya jika amplitudo mengecil maka akselarasi juga akan mengecil. Jika amplitudo tetap tetapi frekuensi bertambah besar maka akselarasi juga akan membesar. Begitu juga sebaliknya jika frekuensi getaran mengecil maka akselarasi juga akan mengecil. Mekanisme gerakan linier Simulator dirancang menghasilkan gerak translational dengan menimalisasi gerak rotasional. Untuk menghasilkan ini maka simulator terdiri atas dua bagian yang terpisah yaitu bagian mesin penggerak dan bagian meja getar. Mesin penggerak digerakkan oleh motor listrik dengan gerakan rotasi. Kemudian gerakan rotasi motor listrik diubah menjadi gerakan linier. Bagian meja getar digerakkan dalam bentuk gerakan linier yang dihasilkan oleh mesin penggerak. Tenaga penggerak yang digunakan adalah motor listrik. Tenaga putar dari motor dengan menggunakan transmisi puli dan sabuk dipindahkan ke poros eksentris. Poros eksentris dibuat dengan menggeser titik pusat poros sejauh 5 mm
34 dari titik pusat awal dan pengecilan diameter poros dari 25.4 mm menjadi 15.4 mm seperti terlihat pada Gambar 11, sehingga saat berputar akan menghasilkan gerakan siklik. Gerakan siklik poros dihubungkan dengan tuas, untuk menghasilkan gerakan linier dalam bentuk gerak maju mundur. Gerakan linier dari tuas akan menarik dan mendorong meja getar. Akibatnya meja getar akan bergetar dalam bentuk getaran translational. Posisi pemasangan tuas pada poros eksentris bisa diubah pada dua posisi yaitu pemasangan secara horizontal untuk menghasilkan getaran arah lateral dan fore-aft dan pemasangan vertikal untuk menghasilkan getaran vertikal. Gambar 11 Mekanisme perubahan gerak rotasi motor listrik menjadi gerak linier. (a) Ukuran komponen (b) Komponen mesin Dalam rancangan simulator ini amplitudo getaran ditentukan oleh jauhnya tuas mendorong meja getar. Jarak dorong ditentukan oleh pergeseran titik tengah pada sumbu eksentris. Sumbu eksentris dibuat dengan menggeser titik tengah sumbu sejauh 5 mm dari titik tengah awal. Sehingga perputaran sumbu akan mengakibatkan ampliutudo getaran sebesar 10 mm sebelum tuas diberi pegas. Untuk memperhalus benturan antara tuas dengan meja getar di ujung tuas diberi pegas. Pegas akan mengurangi jarak dorongan atau tarikan meja getar.
35 Mekanisme perubahan akselarasi Simulator dirancang dapat menghasilkan akselarasi getaran dalam tiga level yaitu level rendah, sedang, dan tinggi. Untuk mendapatkan tiga tingkatan akselarasi ini maka digunakan tiga ukuran puli besar yang terhubung dengan puli kecil pada motor listrik. Motor listrik memiliki puli dengan diameter 76 mm. Digunakan tiga ukuran puli besar untuk mendapatkan tiga tingkat akselarasi simulator yaitu 152, 203, dan 305 mm. Penentuan kecepatan gerak linier berdasarkan diameter puli besar, menggunakan persamaan sebagai berikut : d 1 = D 2 Dimana : d 1 D 2 = diameter puli kecil = kecepatan putar poros puli kecil = diameter puli besar = kecepatan putar puli besar Kecepatan putaran puli besar sama dengan kecepatan gerakan tuas membuat getaran pada bagian meja getar. Sehingga frekuensi getaran meja getar bisa dihitung berdasarkan kecepatan putar puli besar. Namun dalam penentuan frekuensi terdapat pengaruh pegas yang digunakan untuk menghaluskan tumbukan yang mengakibatkan frekuensi aktual meja getar lebih besar dari frekuensi hasil perhitungan. Frekuensi hasil pengukuran bervariasi antara 9 sampai 50 Hz. Panjang sabuk yang dibutuhkan untuk masing-masing puli dihitung berdasarkan skema pada Gambar 12. Perhitungan panjang sabuk menggunakan persamaan berikut. Gambar 12 Perhitungan panjang keliling sabuk V Sumber : Shigley (2004)
36 dimana : L = panjang keliling sabuk C = Jarak sumbu poros D = diameter puli besar d = diameter puli kecil Kecepatan putar poros simulator dan frekuensi getaran tanpa pengaruh pegas yang dihasilkan dari tiga ukuran puli besar dapat dilihat pada Tabel 4. Dalam rancangan simulator ini jarak sumbu poros antara puli besar dan puli kecil adalah 350 mm. Nilai akselarasi getaran merupakan kecepatan perubahan posisi gelombang per-detik, nilai ini dipengaruhi oleh amplitudo dan frekuensi getaran. Tabel 4 Kecepatan getaran simulator tanpa pemberian pegas dan ukuran sabuk yang digunakan Diameter puli, besar, D (mm) Kecepatan poros, 2 (rpm) Frekuensi meja getar (Hz) Amplitudo (mm) Panjang sabuk (mm) 152 700 12 10 1063 203 525 9 10 1150 305 350 6 10 1336 Meja getar Meja ditempatkan di bagian atas mesin penggerak dengan keempat kaki terhubung dengan mekanisme gerakan poros eksentris. Ukuran meja disesuaikan dengan peralatan yang akan ditempatkan diatas meja untuk simulasi. Simulasi untuk orang yang melakukan monitoring mesin di pabrik membutuhkan kursi kerja dan meja kontrol panel atau meja komputer. Gerakan siklik poros membuat tuas bergerak maju mundur secara horizontal dengan amplitudo sesuai pergeseran titik pusat sumbu eksentris yaitu 10 mm. Pada saat tuas akan mendorong rangka meja secara horizontal, gerakan meja akan dibantu oleh roda pada keempat kaki meja getar, sehingga meja leluasa bergerak dalam satu sumbu axis bolak balik. Pada saat tuas dalam posisi vertikal getaran naik turun meja dibantu oleh pemasangan pegas pada keempat kaki meja. Gerakan pegas dijaga lurus naik turun dengan memberikan sumbu ditengah pegas. Pemilihan pegas ditentukan berdasarkan berat beban yang disangga oleh meja berdasarkan rumus sebagai berikut : Dimana : F = Gaya tekan pada pegas = tegangan geser yang diizinkan
37 d k = diameter kawat D p = diameter pegas k = konstanta, berdasarkan perbandingan diameter pegas dan kawat Berat maksimal yang disangga kaki meja adalah berat kerangka meja + berat plat + berat kursi dan orang, yaitu 5 kg + 10 kg + 85 kg = 100 kg = 980 N. Dengan beban masing-masing kaki meja menjadi 245 N. Dari desain diameter dalam pegas yang dibutuhkan adalah 18 mm. Dengan menggunakan kawat diameter 4 mm maka diperoleh nilai tegangan geser sebesar 235 N/mm 2. Tegangan geser yang diizinkan, diizinkan untuk kawat baja pegas tidak berkarat maksimal 780 N/mm 2, berarti pemilihan diameter kawat 4 mm masih dalam daerah pemegasan yang diijinkan. Skema simulator getaran hasil rancangan ada pada Gambar 13. Sedangkan dimensi setiap komponen simulator terdapat dalam gambar isometri simulator getaran pada Lampiran 3. Pengkondisian getaran Getaran pada mesin bisa terjadi pada segala arah. Bagian rumit dalam perancangan simulator ini adalah memfokuskan getaran pada arah yang diinginkan, dengan meminimalisasi getaran arah lain. Mekanisme gerakan horizontal dengan bantuan roda dan gerakan vertikal dengan bantuan pegas belum cukup optimal mengkonsentrasikan akselarasi sesuai arah yang diinginkan. Untuk meredam akselarasi pada arah yang tidak diinginkan maka digunakan empat roda karet yang ditempatkan pada sisi meja. Roda akan ikut bergerak vertikal jika diinginkan getaran vertikal dan sebaliknya ikut bergerak horizontal jika diinginkan getaran horizontal. Gambar diatas merupakam simulator getaran hasil rancangan dalam penelitian ini Pemakaian roda peredam bermanfaat dalam meredam getaran arah yang tidak diinginkan. Pada awal rancangan tanpa menggunakan peredam, getaran yang tidak diinginkan masih mencapai nilai sama dari getaran yang diinginkan. Setelah penggunaan peredam khusus untuk arah getar vertikal, getaran yang tidak diinginkan menjadi lebih kecil. Perbandingan relatif arah getaran terhadap arah dominan dapat dilihat dalam Lampiran 4 dan 5. Penggunaan roda atau pegas pada kaki meja getar bertujuan membantu memfokuskan arah getaran. Selain digunakan untuk membantu gerakan meja getar secara horizontal, penggunaan roda bertujuan untuk memperkecil gesekan yang timbul dibandingkan menggunakan slider. Pegas digunakan untuk membantu gerakan meja getar secara vertikal. Pegas dari bahan baja agar mempunyai nilai kekakuan cukup tinggi sehingga dihasilkan getaran meja dengan frekuensi rendah. Di dalam pegas ditempatkan poros dengan ukuran sama dengan diameter dalam pegas, agar pegas tidak miring saat meja digetarkan.
38 a b Keterangan : 1. Meja getar 5. Poros eksentris 2. Pegas penyeimbang 6. Motor 3. Rangka meja getar 7. Roda peredam 4. Puli besar Gambar 13 Skema simulator getaran pada (a) posisi tuas vertikal (b) posisi tuas horizontal.
39 Pengumpulan data getaran Data getaran diukur menggunakan accelerator jenis dua channel data collector dengan magnetic mounting base. Getaran diukur di atas kursi operator saat simulasi. Karena accelerator hanya memiliki dua channel maka pengukuran dilakukan dua kali agar didapatkan tiga arah getaran, dengan dua arah secara bersamaan setiap kali pengukuran. Hasil pengujian simulator Getaran simulator diharapkan mendekati kondisi getaran yang terjadi pada saat pengolahan tebu menjadi gula di dalam pabrik gula. Data getaran di dekat posisi operator di dalam dua pabrik gula mempunyai nilai akselarasi antara 1 13 m/s 2 dan frekuensi getaran dibawah 50 Hz. Arah getar vertikal cukup dominan pada beberapa posisi. Dan pada kondisi lain getaran cukup seimbang pada ketiga arah getar. Tidak terjadi getaran dominan pada arah horizontal (Cahyono 2008 dan Mukti 2008). Amplitudo getaran meja yang terukur bervariasi antara 0.3 sampai 0.7 mm. Setelah simulator selesai dibuat dilakukan pengukuran getaran yang dihasilkan agar sesuai dengan kriteria yang diinginkan. Syarat yang diinginkan dilihat dari nilai frekuensi, akselarasi, dan perbandingan akselarasi pada ketiga arah getar. Frekuensi getaran yang dihasilkan harus di bawah 50 Hz, karena getaran akan berpengaruh kepada manusia jika mempunyai frekuensi di bawah 50 Hz. Akselarasi yang diinginkan maksimal 10 m/s 2 agar dapat melihat pola efek getaran terhadap manusia akibat pengaruh kenaikan akselarasi getaran sampai 1g (9.8 m/s 2 ), serta mewakili semua kondisi getaran dalam pabrik gula. Sedangkan pada perbandingan arah getaran diinginkan akselarasi pada arah vertikal cukup dominan yaitu mencapai 1.5 kali lebih besar dari arah lateral maupun fore-aft. Sedangkan akselarasi pada arah horizontal (fore-aft dan vertikal) diinginkan minimal bernilai sama atau lebih besar dari arah vertikal, karena kodisi pabrik gula yang dijadikan acuan tidak mempunyai dominansi dalam arah horizontal. Dari 11 data yang diamati dengan masing-masing 6 kondisi getaran sehingga total data menjadi 66 diperoleh nilai rms akselarasi dominan di bawah 10 m/s 2, hanya dua kali diperoleh nilai rms akselarasi diatas 10 m/s 2 atau sebesar 3 %. Dalam pengolahan data kondisi getaran di luar kriteria ini akan dibuang. Perbandingan akselarasi pada ketiga arah getar sudah memenuhi kriteria. Nilai rata-rata perbandingan relatif akselarasi untuk getaran dominan vertikal, akselarasi arah x : y : z adalah 58 : 48 : 100 artinya rata-rata nilai akselarasi arah vertikal sudah melebihi 1.5 kali arah horizontal. Sedangkan nilai rata-rata perbandingan relatif akselarasi untuk getaran dominan horizontal, akselarasi arah x : y : z adalah 100 : 50 : 75 artinya nilai akselarasi arah horizontal sudah lebih besar dari arah vertikal. Kondisi dominan vertikal dicapai saat tuas simulator dalam posisi vertikal. Kondisi dominan horizontal diperoleh saat posisi tuas simulator horizontal, Target perbandingan arah getar baik pada saat arah getar dominan vertikal maupun pada saat arah getar dominan horizontal telah dapat dicapai dari simulasi yang dilakukan. Data perbandingan arah getaran relatif terhadap arah dominan yang diamati dan nilai rata-rata akselarasi dalam bentuk
40 nilai root mean square (rms) dari nilai akselarasi pada ketiga arah getaran dapat dilihat pada Lampiran 4 dan Lampiran 5. Frekuensi getaran dominan sudah berada di bawah 50 Hz. Pengukuran getaran menggunakan accelerator menghasilkan data analisa getaran per-arah getaran. Pada setiap arah getar akan dihasilkan analisa akselarasi getaran dalam domain frekuensi dan nilai rms acceleration. Data analisa getaran per-arah getar dapat dilihat dalam Lampiran 6 : Hasil analisa Fast Fourier Transform (FFT) data getaran.