kajian perilaku getaran torsional untuk deteksi …

Widya Teknika Vol.23 No.2; Oktober 2015 ISSN 1411 – 0660: 33-40

33

KAJIAN PERILAKU GETARAN TORSIONAL

UNTUK DETEKSI KERUSAKAN RODA GIGI LURUS

Richard M.M.T Siregar1), Ikhwansyah Isranuri2), Suherman3)

ABSTRAK

Roda gigi lurus merupakan salah satu dari elemen mesin yang umum digunakan sebagai

bagian transmisi. Pada prinsipnya sistem transmisi roda gigi yang ideal sempurna tidak menimbulkan getaran sama sekali, karena seluruh energi yang dipindah akan menjadi kerja. Namun fenomena yang terjadi ketika mesin berputar ada sebagian bentuk energi yang terbuang menjadi getaran, didefinisikan sebagai getaran translasi dan getaran torsional. Deformasi akan menyebabkan energi getaran meningkat, Getaran yang tinggi akan menurunkan umur peralatan mesin. Deteksi dini kerusakan transmisi roda gigi sangat diharapkan agar efesiensi mesin dapat dipertahankan.Penelitian ini dilakukan untuk mengkaji perilaku sinyal getaran torsional untuk mendeteksi kerusakan transmisi roda gigi lurus.Dilakukan sebagai kebutuhan perawatan mesin berbasis kondisi dengan memakai peralatan vibration Photo sensor ometron

VQ400AFtransducervelocity dirangkai dengan labjack U3-LV sebagai peranti konversi data analog menjadi data digital. Selanjutnya data tersebut dengan persamaan konversi energi menjadi data getaran Torsional. Hasil plot perilaku simpangan sudut, kecepatan sudut dan percepatan sudut getaran torsional dengan variasi kerusakan roda gigi normal, aus, patah dan pecah menjadi pembanding deformasi yang terjadi untuk mendeteksi dini kerusakan roda gigi.

Kata kunci : Roda gigi lurus, Getaran torsional, Transducer kecepatan, Konversi, Energi.

PENDAHULUAN

Investigasi dan pengukuran terhadap kondisi mesin ataupun peralatan dengan mendeteksi sinyal getaran mesin (vibration monitoring) merupakan kegiatan perawatan mesin dengan berbasis kondisi (ISO-10816-3:1998E). Untuk mengurangi cost dan fasilitas diagnosis kerusakan roda gigi, bahwa analisis getaran lebih baik digunakan dibandingkan dari teknik monitoring lainnya.(G.Diwakar, 2012)

Getaran timbul akibat transfer gaya siklik melalui elemen-elemen mesin yang ada, dimana elemen-elemen tersebut saling beraksi satu sama lain dan energi disipasi melalui struktur dalam bentuk getaran. Rendahnya tingkat kepresisian peralatan yang bersuaian, kerusakan atau keausan akibat umur pemakaian peralatan dan deformasi akan mengubah karakteristik dinamik sistem dan cenderung meningkatkan energi getaran berpengaruh pada efisiensi transmisi roda gigi (T.T.Petry-Johnson, 2007)

Bentuk energi yang terbuang menjadi getaran, didefinisikan sebagai getaran translasi dan getaran torsional.Bahwa eksentrisitas

massa dan sistem porosyang menyebabkanterjadi getaran torsional. Meskipun eksentrisitas sangat kecil akan tetapi pasangan lenturan dan torsi getaran tetap terjadi. Getaran torsional disebabkan oleh fitur lentur getaran translasidari perubahan amplitudo getaran lentur. (Zhang Junhong,2006). Variasi kekakuanbisa membangkitkan getaran.(Robert G. Parker, 2012) Adanya variasi kekakuan gear mesh didalam siklus jumlah pasangan kontak antar gigi pada roda gigi penyebab utama ketidakstabilan getaran (D.K.Kokare, 2014) Kekakuan Cross-couplingmempengaruhi dinamika getaran. Matriks kekakuan sepenuhnya dibutuhkan untuk representasi elemen bantalan yang bergulir. Fluktuasi periodik kekakuan bantalan sebagai elemen yang bergulir pada wilayah pembebanan..Dari karakteristik getaran torsional yang diamati yaitu inertia, kekakuan dan redaman dimana model analitis yang dapat disetel sangat handal untuk menghindari kelelahan stress dinamik.(Won-Hyun Kim, 2007).Kesesuaian dengan teori bahwa kondisi tidak seimbang pada putaran mesin dapat menimbulkan

1) Mahasiswa Magister Teknik Mesin USU ([email protected]) 2) Staf Pengajar Teknik Mesin USU 3) Staf Pengajar Teknik Elektro USU


34

getaran yang lebih besar dibandingkan dengan kondisi seimbang. Penambahan dan pengurangan massa penyeimbang dapat dilakukan untuk mendapatkan kondisi getaran yang lebih rendah(Arko Djajadi, 2011).Pengontrolan nilai perpindahan dan percepatan getaran akan mengurangi besarnya getaran pada rentang frekwensi menengah (Ramesh Babu.S, 2012).

Sebuah analisis respon frekuensi yang telah dilakukan pada roda gigimenggunakan FEA Softwaremenunjukkan bahwa gigi memiliki sudut tekanan 20° lebih efektif dalam mengontrol getaran dari dua sudut tekanan lainnya 25° dan 14,5°,bahwa kesalahan yang mengarah untuk menekan variasi sudut mempengaruhi lebih dalam getaran gigi. (Rameshbabu Subramanian, 2014). Nilai-nilai yang dihasilkan dari model finite

flemenanalysis (FEA) dan persamaan meshstiffnessdapat digunakan dalam simulasi dinamis seperti simulasi gearbox. Manfaat dari persamaan yang dikembangkan bahwa hanya parameter gigi dasar yang diperlukan untuk menurunkan meshstiffness torsional. Untuk menganalisis tekanan di daerah kritis gigi misalnya akar gigi serta tekanan kontak pada permukaan gigi, model FE masihsebagai fitur pilihan (Timo Kiekbusch, 2010)

Kondisiyang paling efektif untuk teknik pemantauan didasarkan padaanalisis data historicalproses(Rocco Langone, 2014).

Tujuan

Tujuan penelitian ini untuk mengkaji perilaku getaran torsional dengan melakukan eksperimentalefek variasi putaran dan variasi kerusakan pada transmisi roda gigi lurus.sehingga metode perawatan berbasis kondisi dapat terlaksana dan hasil kajian prilaku getaran tersebut dapat digunakan sebagai acuan.Permasalahan yang ditinjau pada penelitian ini adalah melakukan kegiatan menganalisa sinyal getaran pada perangkat uji transmisi roda gigi driver dan driven, secara khusus menganalisa sinyal getaran torsional untuk deteksi dini kerusakan transmisi roda gigi dengan menganalisa sinyal variasi kecepatan dan variasi kerusakan gigi hasil dari konversi sinyal translasi dengan meninjau besar energi getaran yang terjadi.

METODOLOGI PENELITIAN

Metode penelitian disusun agar pengguna dapat melaksanakan kegiatan pengukuran dilapangan dengan pemakaian alat ukur getaran vibration Photo sensor ometron

VQ400AFtransducervelocity dirangkai dengan labjack U3-LV sebagai peranti konversi data analog velocity menjadi data digital. Selanjutnya data digital tersebut dikonversi menjadi data getaran Torsional. Hasil plot grafik simpangan sudut, kecepatan sudut dan percepatan sudut getaran torsional dengan variasi kerusakan roda gigi normal, aus, patah dan pecah menjadi pembanding deformasi yang terjadi untuk mendeteksi kerusakan roda gigi.

Setup Perangkat Penelitian

Sebelum dilakukan pengukuran getaran pada roda gigi maka terlebih dahulu dilakukan setup perangkat uji dengan melakukan penyetelan sesuai standar untuk mendapatkan hasil baik, seperti penyesuaian jarak sumbu poros roda gigi driver dan driven, kesejajaran poros, memposisikan jarak letak alat pengukur getaran ke titik pengukuran sesuai standar manual peralatan, memastikan power supplai dan kabel transfer data terhubung dengan baik dan memastikan variasi putaran dengan tachometer.Dilakukan pengujian awalmenggunakan paluuntuk menganalisa respons frekuensi, pelaksanaannya sederhana dan tidak merusak. Tidak membutuhkan metode estimasi parameter yang canggih (Jaidilson Jó da Silva, 2009). Pengamatan penelitian untuk mengukur getaran pada posisi titik pengukuran sumbu-xyz atau sumbu aksial, vertical dan horizontal pada roda gigi driver dan driven. Sinyal getaran translasi maupun rotasi yang terjadi pada rodagigi akan dibaca menggunakan alat vibration photo

sensor transducervelocity dan Labjack digunakan sebagai peranti konversi data analog velocity menjadi data digital ke laptop dengan settingan 1000 data per detik. Selanjutnya data tersebut disimpan sebagai bahan analisa perangkat uji tersebut.


35

Gambar 1.Setup perangkat Penelitian

Nilai amplitudo yang tinggi dari pengukuran sinyal getaran torsional dapat mengaburkan nilai komponen frekwensi.Untuk menangani situasi, masing-masing digunakan.Untuk pendekatan pengukuranresampling efektif yang dilakukan mengunakan FFT.untuk metode demodulasi digital, digunakan karakterisasi encoder, akan memberikan referensi yang lebih akurat untuk menghitung defleksi sudut.(Brian R. Resor, 2012)

Variabel yang diamati.

Variabel yang diamati dalam penelitian ini adalah: 1. Variasi kecepatan putar (400 ÷ 1200 rpm). 2. Variasi kerusakan roda gigi lurus posisi

driven. 3. Pengukuran getaran aksial dan lateral

(sumbu-XYZ). 4. Analisis tiap variasi data (Time domain-

Frekwensi domain). 5. Analisa machine learning (Support vector

machine).

Gambar 2.Variasi kerusakan roda gigi lurus

Diagram alir penelitian

Gambar 3.Diagram alir penelitian

Penelitian ini dimulai dengan studi literature, selanjutnya pembuatan dan setup perangkat penelitian. Melakukan uji coba pengukuran getaran pada titik-titik yang telah ditentukan untuk dibandingkan dengan pedoman kelayakan getaran permesinan ISO-10816-3:1998Esebagai data kelayakan peralatan. Dan untuk selanjutnya dilakukan pengumpulan data getaran dari variable pengamatan untuk diolah dan dianalisa.Pengolahan data getaran dilakukan dalam tiga tahap.Tahap pertama pengukuran oleh alat instrument. Data yang diperoleh berupa sinyal Time domain yang menghasilkan data microsoft excel. Tahap kedua adalah untuk kebutuhan pengambilan data diolah dengan software matlab dan microsoft excel untuk menghasilkan bentuk grafik yang digunakan sebagai bahan analisa terhadap getaran. Tahap ketiga pengolahan data support vector machine analisa machine learning.

Hasil analisa merupakan kesimpulan dari penelitian ini.


36

HASIL DAN PEMBAHASAN

Besaran satuan pada grafik time domain untuk sumbu-XYZ adalah sebagai berikut, Sumbu-X variasi putaran (Rpm), sumbu-Y amplitudo kecepatan (mm/s) dan sumbu-Z banyak data yang diplot persatuan waktu yaitu 1000 data per detik.

Gambar 4.Getaran aksial roda gigi driven normal

Gambar 5. Getaran aksial, roda gigi drivenaus

Gambar 6. Getaran aksial roda gigi driven patah

Gambar 7.Getaran aksial roda gigi driven pecah Data time domain dari hasil pengukuran dikonversi menjadi data time domain getaran torsional.

(S.Graham Kelly. “Fundamentals of

Mechanical Vibrations”, second edition)

Gambar 8. Kecepatan sudut aksial driven normal

Gambar 9. Kecepatan sudut aksial driven aus

Gambar 10. Kecepatan sudut aksial driven patah

Gambar 11. Kecepatan sudut aksial driven pecah


37

Perhitungan torsipada getaran torsional

PerhitunganTorsi pada getaran torsional adalah:

Hasil perhitungan percepatan sudut , kecepatan sudut dan simpangan sudut

digunakan dan mengambil harga rata-rata peak parameter tersebut dengan menggunakan rumus RMS (Root Mean Square)menggunakan sofware excel. Signal dari getaran biasanya periodik dan terdengar ribut. Dengan menggunakan analisa frekwensi domain rata-rata merupakan teknik yang telah sukses untuk menghilangkan noise dari signal dan memunculkan kembali satu periode signal dinamiknya. Teknik time domain pada analisis sinyal bentuk gelombang dinamik mempunyai nilai RMS, nilai Peak Level, and crest factor dimana analisa belum menunjukan kegagalan rodagigi yang efektif. Analisisspektralbergunadalamdeteksi dan diagnosis kesalahan poros(Amit Aherwar, 2012)

Dari hasil perhitungan didapat perbandingan besarnya torsi yang terjadi akibat getaran untuk tiap variasi rodagigi driven normal, aus, patah dan pecah dapat disajikan separti gambar berikut.

Gambar 12. Torsional arah gerakan sb-x aksial

Analisa Frekwensi Domain

Dengan menggunakan transformasi fourier data domain waktu akan dirubah menjadi domain frekwensi. Adapun data-data pendukung adalah:

1. Sampel data 1000 data per-detik 2. Putaran yang dipilih adalah 1200 rpm 3. Menggunakan FFT dan Filter moving

average pada software matlab 4. Tampilan layar minimum 3,25 GMF. Perhitungan gear mesh frequency (GMF)

Lebar sebaran frekwensi (sidebands) dihitung sebagai berikut:

Berdasarkan analisa secara eksperiment Semakin besar gearmesh frekuensi dan amplitudo yang terjadi menandakan semakin besar pula kerusakan yang terjadi pada roda gigi. (Awal Syahrani Sirajuddin 2010) Hasil analisa FFT (fast fourier transform) dengan menggunakan software matlab dapat dilihat pada gambar dibawah ini.

Gambar 13. Frekwensi domain putaran 1200

rpm sb-x aksial driven normal

Gambar 14. Frekwensi domain putaran

1200 rpm sb-x aksial driven aus


38


1200 rpm sb-x aksial driven patah


1200 rpm sb-x aksial driven pecah

Analisadata menggunakan Support Vector

Machine

Saat ini SVM banyak digunakan danmenunjukkan hasil yang menjanjikan di banyak aplikasi(Tarik Rashid 2007).Secara teoritis,support vector machine (SVM) adalah classifier yang baik atau regressor memiliki landasan teoritis yang solid. Praktis, SVM berkinerja baik untuk sebagai diagnosa kegagalan kritis bergantung pada ekstraksi fitur,ekstraksi fitur dari domain waktu.SVM merupakan klasifikasi biner. Model ini dapat ditingkatkan untukmemecahkan masalah klasifikasi multi-kelas. (Yuan Fuqing 2011)

Memprediksi roda gigi sampel yang kondisinya normal dan roda gigi rusak.Hasil prediksi Support Vector Machine.lihat tabel.

Gambar 17. Generate bsvm-predict Result

Tabel 1. Generate bsvm - predict Result

untuk kondisi roda gigi rusak (biner=0) dan kondisi roda gigi normal (biner=1)

Data Training

Data prediksi

Data hasil

akurasi Biner

Training model

Prediksi1 Hasil1 0% 1

Prediksi2 Hasil2 1% 1 Prediksi3 Hasil3 100% 0 Prediksi4 Hasil4 100% 0 Prediksi5 Hasil5 100% 0 Prediksi6 Hasil6 100% 0 Prediksi7 Hasil7 98,6% 0 Prediksi8 Hasil8 96,3% 0

Hasil prediksi dari data tiga jenis roda gigi rusak lebih akurat dibanding satu jenis data roda gigi normal. KESIMPULAN

Dari analisa data dan pembahasan, maka dapat diambil kesimpulan bahwa:

1. Sinyal getaran menunjukkan bahwa roda gigi normalmenghasilkan amplitude gelombang yang lebih halus dibandingkan rodagigi rusak

2. Sidebands gear mesh frekwensi semakin melebar untuk roda gigi yang mengalami kerusakan.

3. Mengkonversi data eksperimental getaran translasi menjadi getaran torsional memperkuat kesimpulan bahwa roda gigi normal dalam eksperimental ini dapat sebagai pola acuan atau pola pembanding.

4. Persentasi SVM keakuratan akan semakin tinggi apabila memiliki data training semakin banyak. Hasil prediksi dari data tiga jenis roda gigi rusak lebih akurat dibanding satu jenis data roda gigi normal.

DAFTAR PUSTAKA

.Amit Aherwar, Md. Saifullah Khalid., 2012 “Vibration Analysis Techniques for

GearBox Diagnoctic: A Review”, International Journal of Advanced Engineering Technology, volume 3, issue 2.

Ahmadi, H. Moosavian, A. dan Khazaee, M. ,2012. “An Appropriate Approach for Misalignment Fault Diagnosis Based on Feature Selection and Least Square


39

Support Vector Machine”. International Journal of Mechanics. Issue 2, Vol 6.

Arko Djajadi, Arsi Azavi, Rusman Rusyadi, Erikson Sinaga.,2011“Monitoring

Vibration of A Model of Rotating

Machine, Journal of Mechatronics, Electrical Power, and Vehicular Technology”, Volume. 02, No 1, pp 51-56,

Ali, M. Kotb.,2009. “A Study on Fault

Diagnosis by Vibration Analysis at

Different Loading and Speed Condition.” Paper: ASAT-13-TE-13.

Adam B. Prochaska,Vincent P. Drnevich. “One-Point Vibrating Hammer

Compaction Test for Granular Soils”,

Asst.Prof. R. Subburaj Ramasamy.,2012. “Calculation of The Combined Torsional Mesh Stiffness of Spur Gears with Two-

and Three-Dimensional Parametrical FE

Models”, International Journal of

Scientific and Engineering Research, Volume 3, Issue 10,

D.K.KokareȦ, S.S.Patil., 2014. “Numerical Analysis of variation in mesh stiffness for

Spur Gear Pair with Method of Phasing”, International Journal of Current Engineering and Technology, Special Issue-3,

Fuqing, Y.,2011 “Failure Diagnostics Using Support Vector Machine”. ISSN: 1402-1544. ISBN 978-91-7439-366-8.

G Diwakar, Dr. M R S Satyanarayana, P. Ravi Kumar.,2012 “Detection of Gear fault using vibration analysis”, International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, Volume 2, Issue 9.

ISO 10816-3:1998E. “Mechanical Vibration Evaluation of Machine Vibration.

Jaidilson Jó da Silva, Antonio Marcus

Nogueira Lima , Franz Helmut Neff and

José Sérgio da Rocha Neto.,2009 “Vibration Analysis Based on Hammer Impact Test for Multi Layer”, Fouling

Detection, Paper, XIX IMEKO World CongressFundamental and Applied Metrology,.

J.C Wachel, Red R. Szenasi. “Analysis of Torsional Vibration Rotating Machinery”,

Milosav Ognjanovic, Fathi Agemi., 2010. “Gear Vibrations in Supercritical Mesh-

Frequency Range Caused by Teeth

Impacts”, Strojniški vestnik-Journal of Mechanical Engineering.

Mcconnel ,Kenneth G.,1995 “Vibration Testing”, JohnWiley and Sons,Inc, New York..

Pandey, S.,2011 “Vibration Monitoring of a Rotor System Using RMS Acceleration (m/s2).”, International Journal of Engineering Science and Technology. Vol. 3 No.4..

Ramesh Babu.S, Srinivasan.K., 2012. “Analysis of Influence of Tooth Depth in Spur Gear Vibration”, International Journal of Scientific and Engineering Research, Volume 3, Issue 3,.

Rameshbabu Subramanian, Srinivasan K.,2014“Influence of Pressure Angle in Spur Gear Vibration”, International Journal of Engineering Sciences And Research Thegnology.

Randall, RB.,1987 “Frequency Analysis, Revision onseptember, Bruel & Kjaer”, Denmark,.

Robert K. Vierck.,1967. “Vibration Analysis, InternationalHarper & Row”, Publisher, New York,

Robert G. Parker, Yi Guo, Tugan Eritenel, and Tristan M. Ericson.,2012.“Vibration Propagation of Gear Dynamics in a Gear-

Bearing-Housing System Using

Mathematical Modeling and Finite

Element Analysis”, NASA/CR-2012-217664.

Santosa, B. “Tutorial Support Vector

Machine”. Teknik Industri – Institut Teknologi Surabaya. Kampus ITS.Sukolilo-Surabaya.

S.Graham Kelly. “Fundamentals of

Mechanical Vibrations”, second edition

T.T.Petry-Johnson, A.Kahraman, D.R. Chase.,2007.“Experimental Investigation

of Spur Gear Efficiency”, Proceedings of the ASME 2007 International Design


40

Engineering Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference.

Troy Fee, Charles Hill., 2009.“Prevention of Torsional Vibration Problem in Reciprocating Machinery”, Proceding of 38Th Turbomachinery aymposium.

Wowk, Victor.,1991 “Machinary Vibration

(Measurement& Analysis), McGraw-Hill, USA.

Won-Hyun Kim and Soo-Mok Lee.,2007 “Investigation of Torsional Vibration

Characteristics of Marine Diesel Engine

Crankshaft System”, 14th International congress on vibration.

kajian perilaku getaran torsional untuk deteksi …

Documents