KARAKTERISTIK VIBRASI PADA GEAR PUTARAN RENDAH

KARAKTERISTIK VIBRASI PADA GEAR PUTARAN RENDAH (Studi Kasus Gearbox Main Drive Kiln Pabrik Indarung V PT Semen Padang) Suherdian Septa Sarianja Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri Universitas Bung Hatta E-mail : suherdian.ss@gmail.com ABSTRAK Kiln digerakkan oleh sebuah gearbox yang berfungsi mengubah torsi dan kecepatan yang dihasilkan motor penggerak. Hasil pengecekan secara visual gearbox tersebut menunjukkan adanya cacat pada permukaan Intermediate II gear (pinion dari helical gear poros output). Cacat yang terlihat adalah berupa sompel pada beberapa posisi gear pinion III. Pendeteksian gearbox dengan metoda pengukuran vibrasi telah dilakukan tetapi belum memberikan informasi yang konfrehensif terhadap kondisi gearbox itu sendiri. Untuk memprediksi adanya cacat yang mungkin terjadi pada gear putaran rendah maka dicoba menganalisa sinyal getaran dari gear pinion III. I. Pendahuluan A. Latar Belakang Kiln merupakan salah satu bagian terpenting bagi pabrik semen. Apabila perawatan kiln kurang diperhatikan maka akan mengakibatkan kerusakan dan mrngakibatkan unit operasi yang lain seperti raw mill dan cement mill tidak dapat beroperasi, karena unit raw mill memerlukan gas kiln untuk pengeringan sedangkan unit cement mill memerlukan klinker untuk diproses lebih lanjut menjadi semen. Gearbox merupakan bagian dari penggerak kiln yang diputar langsung dari motor penggerak. Gearbox ini berfungsi untuk mengubah torsi dan kecepatan yang dihasilkan oleh motor penggerak. Gearbox ini memiliki empat roda gigi penghubung yakni: - High speed gear - Intermediate I gear - Intermediate II gear - Low speed gear Hasil pengecekan secara visual gearbox tersebut menunjukkan adanya cacat pada permukaan Intermediate II gear (pinion dari helical gear poros output). Cacat yang terlihat adalah berupa sompel pada beberapa posisi gear pinion III, Pendeteksian gearbox dengan metoda pengukuran vibrasi telah dilakukan tetapi belum memberikan informasi yang konfrehensif terhadap kondisi gearbox itu sendiri. Dengan tidak terdeteksinya cacat tersebut maka dilakukan penelitian mengenai karakteristik vibrasi pada gear putaran rendah. B. Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk mendeteksi getaran gearbox pada putaran rendah sehingga dengan analisa sinyal getaran dapat diprediksi adanya cacat yang mungkin terjadi pada gearbox seperti : 1

kerusakan kontak antar gigi, kerusakan pada bantalan, ketidak sesumbuan poros, ketidak seimbangan poros, dan lain-lain. C. Mamfaat Penelitan Mendapatkan kegiatan perawatan (maintenance task) yang tepat seperti perencanaan overhaul, pengadaan spare part dan evaluasi keandalan peralatan. D. Batasan Masalah Penelitian ini dibatasi hanya pada analisa sinyal getaran pada gear pinion III. II. Teori Dasar A. Karakteristik Getaran Dengan mengacu pada gerakan pegas, kita dapat mempelajari karakteristik suatu getaran dengan memetakan gerakan dari pegas tersebut terhadap fungsi waktu. Gambar 1. Gerakan bandul pegas Sumber : Girdhar Paresh, Scheffer Cornelius. 2004 Gerakan bandul pegas dari posisi netral ke batas atas dan kembali lagi ke posisi netral dan dilanjutkan ke batas bawah, dan kembali lagi ke posisi netral, disebut satu siklus getaran (satu periode). Kondisi suatu mesin dan masalahmasalah mekanik yang terjadi dapat diketahui dengan mengukur karakteristik getaran pada mesin tersebut. Karakteristikkarakteristik getaran yang penting antara lain adalah : 1. Frekuensi Getaran Gerakan periodik atau getaran selalu berhubungan dengan frekuensi yang menyatakan banyaknya gerakan bolakbalik (satu siklus penuh) tiap satuan waktu. Hubungan antara frekuensi dan periode suatu getaran dapat dinyatakan dengan rumus sederhana: frekuensi = 1/periode Frekuensi dari getaran tersebut biasanya dinyatakan sebagai jumlah siklus getaran yang terjadi tiap menit (CPM = Cycles per minute). Sebagai contoh sebuah mesin bergetar 60 kali (siklus; dalam 1 menit maka frekwensi getaran mesin tersebut adalah 60 CPM. Frekuensi bisa juga dinyatakan dalam CPS (cycles per second) atau Hertz dan putaran dinyatakandalam revolution per minute (RPM). 2. Perpindahan Getaran Jarak yang ditempuh dari suatu puncak (A) ke puncak yang lain (C) disebut perpindahan dari puncak ke puncak (peak to peak displacement). Perpindahan tersebut pada umumnya dinyatakan dalam satuan mikron (μm) atau mils. 1 μm 0.001 mm 1 mils 0.001 inch 2

3. Kecepatan Getaran Karena getaran merupakan suatu gerakan, maka getaran tersebut pasti mempunyai kecepatan. Pada gerak periodik (getaran) seperti pada gambar 2.2; kecepatan maksimum terjadi pada titik B (posisi netral) sedangkan kecepatan minimum (=O) terjadi pada titik A dan titik C. Kecepatan getaran ini biasanya dalam satuan mm/det (peak). Karena kecepatan ini selalu berubah secara sinusoida, maka seringkali digunakan pula satuan mm/sec (rms). nilai peak = 1,4144 x nilai rms. Kadang-kadang digunakann juga satuan inch/sec (peak) atau inch/sec (rms) 1 inch = 25,4 mm. 4. Percepatan Getaran Karakteristik getaran lain dan juga penting adalah percepatan. Pada gambar 1.2, dititik A atau C kecepatan getaran adalah nol tetapi pada bagian-bagian tersebut akan mengalami percepatan yang maksimum. Sedang pada titik B (netral) percepatan getaran adalah nol. Secara teknis percepatan adalah laju perubahan dari kecepatan. Percepatan getaran pada umumnya dinyatakan dalam, satuan "g's' peak, dimana satu "g" adalah percepatan yang disebabkan oleh gayaa gravitasi pada permukaan bumi. Sesuai dengan perjanjian intemasional satuan gravitasi pada permukaan bumi adalah 980,665 cm/s 2 (386,087inc/ s 2 atau 32,1739 feet/40). 5. Phase Getaran Pengukuran phase getaran memberikan informasi untuk menentukan bagaimana suatu bagian bergetarr relatif terhadap bagian yang lain, atau untuk menentukan posisi suatu bagian yang bergetar pada suatu saat, terhadap suatu referensi atau terhadap bagian lain yang bergetar dengan frekuensi yang sama. pengukuran phase : Gambar 2. Phase getaran 180 0 Sumber : Girdhar Paresh, Scheffer Cornelius. 2004 Dua bandul pada gambar diatas bergetar dengan frekuensi dan Beberapa contoh displacement yang sama, bandul A beradaa pada posisi batas atas dan bandul B padaa waktu yang sama berada pada batas bawah. Kita dapat menggunakan phase untuk menyatakan perbandingan tersebut. Dengan memetakan gerakan kedua bandul tersebut pada satu siklus penuh, kita dapat melihat bahwa titik puncak displacement kedua bandul tersebut terpisah dengan sudut 180 (satu sikluss penuh = 360 ). Oleh karena itu kita dapat mengatakan bahwa kedua bandul tersebut bergetar.dengan beda phase 180. 3

III. Metodologi Penelitian A. Model Kotak Transmisi (Gear Box) Susunan roda gigi pada kotak transmisi (gear box) yang digunakan adalah sebagai berikut : Gambar 3. Phase getaran 90 0 Sumber : Girdhar Paresh, Scheffer Cornelius. 2004 Pada gambar diatas bandul A berada pada posisi batas atas dan bandul B pada waktu yang sama berada padaa posisi netral bergerak menuju ke batas bawah. Sehingga kita dapat mengatakan bahwa kedua bandul tersebut bergetar dengan beda phase 90. Gambar 5. Skema roda gigi (gearbox) dengan motor penggerak dan kiln. B. Spesifikasi Teknis Roda Gigi Gambar 4. Sudut phase 0 atau se-phase Sumber : Girdhar Paresh, Scheffer Cornelius. 2004 Gambar diatas menunjukkann pada waktu yang sama kedua bandul A dan B berada pada batas atas. Oleh karenaa itu kita dapat mengatakan bahwa kedua bandul tersebut bergetar dengan sudut phase 0 atau se-phase. Gambar 6. Spesifikasi gearbox yang digunakan dalam penelitian adalah Gear Box Tipe : SHEISA TRHC019 Jenis roda gigi : Helical gear Ratio : 1 / 33.389 Rpm Output Rpm Intput Power Kapasitas Oli Viscositas 40 0C : 34.4 rpm : 1150 rpm : 1200 KW : 147 US Gal (556.5 liter) : 320 Cst Metode pelumasan: Forced 4

Tekanan pelumasan : 0.1 0.4 Mpa Kuantitas pelumasan : 78 L/min Tingkatan Roda gigi (stage) Jml gigi Rpm Frekuensi gear mesh (CPM) 28 1150 1 60 536.67 19 2 75 135.96 19 3 75 34.44 Tabel 1. Tingkat kecepatan poros C. Bentuk cacat pada roda gigi 32200 10196.67 2583.16 Cacat yang terjadi pada roda gigi adalah berupa sompel (coak) di 4 titik pada gear intermediate dengan ukuran yang berfariasi. D. Parameter Penelitian Pada penelitian ini dilakukan pengambilan data vibrasi pada gear box dengan 3 parameter, diantaranya 1. Machine spectrum, domain amplitudo velocity terhadap frekuensi (600 s/d 24000 CPM) 2. Gear Time, domain amplitudo percepatan terhadap waktu 3. Low Speed Gear, domain amplitudo velocity terhadap frekuensi (0 s/d 220 CPM) E. Skema Perangkat Penelitian Gambar berikut merupakan skema pengujian pada model gear box yang diteliti : PC (software omnitrend) Vibexpert Gambar 7. Cacat pada helical pinion 3 (posisi 1) Analysis Gear box Sensor Gambar 9. Sistem pengujian model gearbox Vertikal Axial Gambar 8. Cacat pada helical pinion 3 (posisi 2) Gambar 10. Posisi pengukuran (rumah bantalan poros output) Horizontal 5

IV. Data Hasil Pegujian dan Analisa A. Overall velocity Tahapan awal dari pengukuran vibrasi adalah merekam data amplitudo vibrasi secara umum dengan overall velocity dari 3 posisi pengukuran ; vertical, horizontal, dan axial. Pengukuran dilakukan dengan memposisikan sensor sedekat mungkin dengan sumber getaran yang akan dianalisa, dalam hal ini sensor ditempelkan pada housing bearing poros helical pinion. Setelah mendapatkan data dari ketiga posisi tersebut kita dapat melakukan perekaman spectrum, time waveform, dan data lain yang dibutuhkan untuk analisa pada posisi yang memiliki amplitudo tertinggi. v [mm/ s] 5W1W05\ 5W1W02\ HSV\ 101 Overall velocity >600 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 3/ 27/ 2011 6/ 12/ 2011 8/ 28/ 2011 11/ 13/ 2011 1/ 29/ 2012 4/ 15/ 2012 7/ 1/ 2012 9/ 16/ 2012 12/ 2/ 2012 2/ 17/ 2013 5/ 5/ 2013 7/ 21/ 2013 10/ 6/ 2013 12/ 22/ 2013 date Gambar 11. Data overall velocity pada arah vertical low speed gear v [mm/ s] 5W1W05\ 5W1W02\ HSA\ 101 Overall velocity >600 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 3/ 27/ 2011 6/ 12/ 2011 8/ 28/ 2011 11/ 13/ 2011 1/ 29/ 2012 4/ 15/ 2012 7/ 1/ 2012 9/ 16/ 2012 12/ 2/ 2012 2/ 17/ 2013 5/ 5/ 2013 7/ 21/ 2013 10/ 6/ 2013 12/ 22/ 2013 date Gambar 12. Data overall velocity pada arah horizontal low speed gear v [mm/ s] 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 Gambar 13. Data overall velocity pada arah axial low speed gear Dari data overall velocity yang didapat vibrasi dominan pada arah axial bearing poros low speed gearbox. Hal ini sesuai dengan uraian dari geabox analysis yang di keluarkan oleh mobius institute Frekuensi kerusakan gear akan lebih menonjol pada arah radial untuk spur gear dan arah axial untuk helical gear. Oleh karena itu perekaman data spectrum, gear time signal dan low speed gear dilakukan pada posisi axial. 5W1W05\ 5W1W02\ HSH\ 101 Overall velocity >600 3/ 27/ 2011 6/ 12/ 2011 8/ 28/ 2011 11/ 13/ 2011 1/ 29/ 2012 4/ 15/ 2012 7/ 1/ 2012 9/ 16/ 2012 12/ 2/ 2012 2/ 17/ 2013 5/ 5/ 2013 7/ 21/ 2013 10/ 6/ 2013 12/ 22/ 2013 date B. Machine spectrum v op [mm/ s] 0.54 0.52 0.50 0.48 0.46 0.44 0.42 0.40 0.38 0.36 0.34 0.32 0.30 0.28 0.26 0.24 0.22 0.20 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 5W1W05\ 5W1W02\ LS\ 103 Mach. spectr. >600 6/ 13/ 2014 9:58:05 AM M 1 x Rpm 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 22000 24000 f [cpm] Gambar 14. Spectrum arah axial dari helical pinion Susunan gear sebagai berikut : - Poros high speed RPM : 981 (16.35Hz) M(x) : 2580.00 cpm (2.63 Orders) M(y) : 0.07 mm/s 6

Terdiri dari satu buah helical pinion (helical pinion 1) - Poros intermediate I Terdiri dari satu buah helical gear (helical gear 1) dan satu buah helical pinion (helical pinion 2) - Poros intermediate II Terdiri dari satu buah helical gear (helical gear 2) dan satu buah helical pinion (helical pinion 3) - Poros low speed Terdiri dari satu buah helical gear (helical gear 3) Perhitungan rpm masing-masing poros gear sebagai berikut : - Rpm poros high speed = input rpm motor = 1150 rpm - Rpm poros intermediate I Rpm poros high speed x jml gigi helical pinion 1 : jml gigi helical gear 1 1150 rpm x 28 : 60 = 536.67 rpm - Rpm poros intermediate II Rpm poros intermediate I x jml gigi helical pinion 2 : helical gear 2 536.67 rpm x 19 : 75 = 135.96 rpm - Rpm poros low speed Rpm poros intermediate II x jml gigi helical pinion 3: jml gigi helical gear 3 135.96 rpm x 19 :75 = 34.44 rpm Perhitungan frekuensi gear mesh dari masing-masing gear sebagai berikut : - Frekuensi gear mesh stage I ( pasangan high speed dengan intermediate I) Rpm poros high speed x jml gigi helical pinion 1 1150 rpm x 28 = 32200 - Frekuensi gear mesh stage II ( pasangan intermediate I dengan intermediate II) Rpm intermediate I x jml gigi helical pinion 2 536.67 rpm x 19 = 10196.67 - Frekuensi gear mesh stage III ( pasangan intermediate II dengan low speed) Rpm intermediate II x jml gigi helical pinion 3 135.96 rpm x 19 = 2583.24 Dari gambar diatas terlihat peak (puncak) dari putaran poros input dengan amplitudo 0.32 mm/s dan frekuensi gear mesh stage III dengan amplitudo 0.075 mm/s, hal ini menunjukkan mulai terdeteksinya permasalahan pada helical pinion dan atau helical gear. Hal ini sesuai dengan uraian dari geabox analysis yang di keluarkan oleh mobius institute Secara normal kamu akan menemukan peak dari putaran poros input dan frekuensi gear mesh dengan level yang sangat rendah.. v op [mm/ s] 0.54 0.52 0.50 0.48 0.46 0.44 0.42 0.40 0.38 0.36 0.34 0.32 0.30 0.28 0.26 0.24 0.22 0.20 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 5W1W05\ M 5W1W02\ LS\ 2 103 Mach. spectr. 3 >600 6/ 4 13/ 2014 9:58:05 5 AM 6 7 8 9 D 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 22000 24000 f [cpm] Gambar 15. Harmonik dari spectrum arah axial helical pinion RPM : 981 (16.35Hz) M(x) : 2580.00 cpm (2.63 Orders) M(y) : 0.07 mm/s D(x) : 25800.00 cpm (26.30 Orders) D(y) : 0.06 mm/s 7

Berdasarkan spectrum diatas terlihat adanya harmonik (perulangan) dari frekuensi gear mesh stage III dengan amplitudo maksimal pada 7x frekuensi gear mesh stage III. Data ini menunjukkan adanya looseness (longgar) pada gear yang saling kontak (bersinggungan) karena adanya beberapa gear yang sompel. C. Gear Time Signal a [m/ s²] 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5-4.0-4.5-5.0-5.5-6.0-6.5-7.0 5W1W05\ M 5W1W02\ LS\ 216 VXP Gear time > 600 6/ 13/ 2014 9:58:26 AM 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 t [ms] Gambar 16. Gear Time Signal arah axial dari helical pinion 3 Dari data time signal, telihat interval peak (puncak) amplitudo dari frekuensi yang muncul adalah: t 1 =0.0430detik t 2 = 0.0195detik t= 0.0235detik. F = 1/t, F = 1/0.0235detik F = 42.55 Hz F = 42.55 Hz x 60 F = 2553 Rpm RPM : 981 (16.35Hz) M(x) : 1.95 ms M(y) : 4.839 m/s² Frekuensi 2553 dengan amplitudo 4.84 mm/s 2 ini berdekatan dengan frekuensi gear mesh stage III (2583.16 rpm), sehingga dapat disimpulkan bahwa terdeteksinya keausan pada roda gigi stage III (helical pinion 3 dan atau helical gear 3) karena tingginya frekuensi dari gear mesh. Melihat dari pola signal waveform diatas dapat disimpulkan bahwa sudah mulai terlihatnya pola impak pada gear yang berpotensi meningkatkan keasuan dari gear itu sendiri dan komponen gearbox lainnya. D. Low Speed Gear v op [mm/ s] 5.0 4.8 4.6 4.4 4.2 4.0 3.8 3.6 3.4 3.2 3.0 2.8 5W1W05\ 5W1W02\ HS\ 1004 Low Speed Gearbox 3/ 18/ 2014 10:05:39 AM RPM : 981 (16.35Hz) 1 x Fht stage III 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 f [cpm] Gambar 17. Spectrum low speed gear arah axial dari helical pinion Spectrum low speed gear merekam data dengan domain yang sama dengan spectrum, perbedaannya terletak pada rentang perekaman frekuensi. Low speed gear memiliki rentang 0 s/d 10.000 sehingga dapat melihat frekuensi-frekuiensi rendah salah satunya adalah untuk melihat permasalahan pada pasangan gear (gear hunting tooth problem). Dengan faktor fase perakitan N = 1. Frekuensi dari hunting tooth (FHT) dapat dihitung sebagai berikut: Hunting tooth frequency (stage I) = GMF stage I x N ( jml gigi pinion) x (jml gigi pada gear) Fht = Fht = 19.1 Cpm 8

Hunting tooth frequency (stage II) = GMF stage II x N (jml gigi pinion) x (jml gigi pada gear) Fht =. = Fht = 1.81 Cpm Hunting tooth frequency (stage III) = GMF stage III x N (jml gigi pinion) x (jml gigi pada gear) Fht =. Fht = 7.16 Cpm Dari data diatas terlihat munculnya frekuensi hunting tooth stage III dengan amplitudo 4.54 mm/s yang mengindikasikan adanya permasalahan pada pasangan roda gigi helical pinion III dan helical gear III. Vibrasi berada pada level warning dan berdasarkan standar ISO 10816-3 untuk gearbox 300 KW s/d 50 MW dengan pondasi rigid berada pada Zona C (Restricted Long Term Operation). V. Kesimpulan dan Saran A. Kesimpulan Dari hasil pengujian dan analisa terhadap sinyal getaran roda gigi pada model kotak transmisi (gearbox), maka dapat disimpulkan beberapa karakteristik vibrasi pada gear putaran rendah : 1. Munculnya frekuensi gear mesh dengan sideband nya dan diikuti dengan harmonik dari gear mesh tersebut menunjukkan permasalahan yang harus menjadi perhatian khusus. Metoda ini juga bisa kita jadikan acuan untuk melihat tingkat keparahan dari kondisi gear tersebut, semakin tinggi amplitudo dari gear mesh yang muncul maka tingkat kerusakan dari gear tersebut semakin parah. 2. Munculnya frekuensi gear mesh dan pola impak pada signal waveform menginformasikan tingkat kerusakan dari gear. Semakin tinggi perbedaan amplitudo (impak) maka semakin berpotensi terjadinya patah pada gear. Analisa waveform merupakan acuan yang lebih akurat dibandingkan dengan spectrum karena analisa waveform (gear time signal) menampilkan jumlah data rekaman yang lebih banyak dibanding spectrum. 3. Munculnya 1 x frekuensi pasangan roda gigi (frekuensi dari hunting tooth) menunjukkan keausan (kerusakan) dari pasangan roda gigi (roda gigi bersinggungan dengan tidak rata). Analisa untuk frekuensi dari hunting tooth harus dilakukan dengan pengambilan data low speed gear karena frekuensi ini sangat rendah sehingga tidak muncul pada perekaman data spectrum biasa. B. Saran 1. Untuk mendapatkan frekuensi gear mesh dan side band gear mesh yang baik dari hasil pengujian, maka sebaiknya gearbox dilengkapi dengan penempatan sensor getaran sedekat mungkin dengan bantalan 9

penumpu poros dimana roda gigi tersebut bekerja. 2. Untuk melakukan penelitian lebih mendalam tentang pengaruh keausan roda gigi terhadap peningkatan amplitudo pada frekuensi kerjanya, hal ini berguna untuk melengkapi data data yang diperlukan tentang pengaruh macam-macam kerusakan yang terjadi pada roda gigi lebih lengkap sehingga berguna untuk melakukan predictive maintenance pada gearbox. DAFTAR PUSTAKA 1. Mobius Institute. 2005. Vibration training course book. Penerbit Mobius institute. Jerman 2. Mobius Institute. 2005. Vibration training quick reference. Penerbit Mobius institute. Jerman 3. Mobius Institute. 2005. Vibexpert I manual book. Penerbit Mobius institute. Jerman 4. Seisa gear. 2007. Part book gearbox SHEISA TRHC019. Penerbit Seisa Gear. Osaka 5. Taylor, James l. 2003. The Vibration Analysis Handbook. Penerbit Vibration Consultans. New York 10