Kalibrasi Mesin Pompa Sentrifugal Single Stage Terhadap

VISI (2009) 17 (2) 108-131

Kalibrasi Mesin Pompa Sentrifugal Single Stage terhadap

Respon Getaran Untuk Daerah Axial dan Vertikal

Suriady Sihombing

ABSTRACT

This research concerns about the results of experimental of load force to give ofdynamometer toward single stage centrifugal pump.Centrifugal pump is used in this research with maximum head 15 m, maximum capacity5 liter/sec and 1850 watt power. PVC pipes are used at suction pipes and discharge pipesDiameter is 2 inch and 0,86 m long, it is equipped with valve and manometer.Diameter of discharge pipes is 2 inchi with 3,78 m long, it is equipped with valve, manometer, and flowmeter. Static head is 0,77 m and 3,9 m total head of system.Vibration characteristic testing is started from force 2 kg, 2,2 kg, 2,4 kg, 2,6 kg, 2,8 kgand responding of vibration is measured by vibrometer digital Hand Held Vibration meter 908 B . Measured point are eight points : at base plate P-01, P-02, P-03, P-04 , at pump P-05, P-06, at electromotorP-07, P-08, and measured from axial,and vertical direction. The result of the research is found out that increase to give of load and head made increase vibration emerge. The highest displacement occurs in electromotor at P-07 point with displacement value 170 m, and the lower displacement occurs in pump at P-06 point with displacement value 27,5 m .The highest velocity occurs in baseplate at P-04 point with velocity value 4,85 m/sec, The lower velocity occurs in pump at P-06 point with velocity value 0,10 m/sec.The highest acceleration occurs in baseplate at P-04 point with acceleration value 6,85 m/sec2 , the lower acceleration occurs in electromotor at P-08 point with accelerationValue 1,55 m/sec2 .

------

Keys words : Centrifugal pump, Vibration, , Manometer, Tachometer, .

I. PENDAHULUAN

1.1Latar Belakang

Pompa sentrifugal adalah salah satu jenis pompa yang sangat banyak dipakai oleh dunia industri terutama industri pengolahan dan pendistribusian air. Ada beberapa keunggulan pompa sentrifugal yaitu :

1. Konstruksinya sederhana dan mudah pemasangannya.

2. Perawatan, kapasitas dan head yang tinggi.

3. Harga relatif murah, tetapi kehandalannya tinggi.

Walaupun banyak terdapat kelebihan dan kehandalan dari pompa sentrifugal ini tetapi masih sering dijumpai kegagalan pengoperasian yang terjadi dilapangan, hal ini terutama terjadi yang disebabkan oleh kesalahan waktu pemasangan dan pengoperasian,

seperti penyetelan sambungan pada pompa dan motor, pondasi pompa, penggunaan bentuk maupun bahan rangka pompa, getaran pada pipa tekan dan kavitasi.

Kelemahan lainnya adalah kesalahan perencanaan yang mengakibatkan timbulnya getaran yang tinggi pada pengoperasian pompa. Disamping itu, pemberhentian pompa juga memberikan getaran yang besar pada pompa, dimana pompa dioperasikan dalam kondisi katup tertutup. Selain beberapa keunggulan serta kelemahan dalam pengoperasianya, masih diperlukan penelitian yang lebih dalam tentang pengoperasian yang terbaik sehingga pompa dapat beroperasi dalam keadaan getaran yang rendah dan getaran itu dapat menjadi indikator kinerja dari pompa.

Getaran yang terjadi akibat pengoperasian pompa sentrifugal adalah getaran relative antara satu pompa dengan pompa yang lain.

Getaran ini disebabkan :

1. Ketidak homogenan material pompa
2. Ketidak sempurnaan sistem penggerak pompa
3. Fluktuasi gaya
4. Fenomena kavitasi
5. Getaran luar yang ditransmisikan melalui pondasi

Getaran timbul bilamana kapasitas, putaran, kavitasi, ketidak sempurnaan sistem penggerak pompa menimbulkan ketidak stabilan dan amplitude getarannya membesar dimana frekuensi eksitasinya mendekati frekuensi pribadi(William,1995).

Secara garis besar banyak factor yang berpengaruh terhadap getaran pada sistem operasi yaitu :

1. Aspek parameter operasi diantaranya : Kapasitas, Putaran, kecepatan aliran,jenis fluida, bentuk impeller, jumlah sudu, bentuk sudu dan viskositas fluida.
2. Aspek struktur pompa diantaranya kekakuan statik, redaman, frekuensipribadi dan massa getar.

Dengan semakin majunya teknik perawatan peralatan mesin yang ditandai dengan digunakannya teknik predictive maintenance yang berdasarkan kepada perhitungan kondisi mesin ketika beroperasi. Teknik ini bergantung kepada kenyataan bahwa sebahagian besar mesin akan memberikan peringatan sebelum terjadi kerusakan atau kegagalan. Beberapa gejala kegagalan pada mesin tersebut dapat diprediksi dari beberapa analisa seperti analisa vibrasi, analisa temperatur serta analisa keausan peralatan juga usia dari mesin itu sendiri, dimana mesin pompa sentrifugal ini telah berusia ± 25 tahun apakah masih layak dipergunakan sebagai alat percobaan dilaboratorium Prestasi Mesin.

Dari latar belakang keadaan diataslah maka dipandang perlu kiranya dilakukan suatu penelitian eksperimen tentang kolerasi Kalibrasi Mesin Pompa Sentrifugal Single Stage terhadap Respon Getaran Untuk Daerah Axial dan Vertikal.

1.2Perumusan Masalah

Penggunaan respon vibrasi dari aspek mekanis sebagai indikator perawatan memberikan kemudahan pengujian dan titik pengujian tepat pada gaya penggerak , serta informasi maksimum dan pengujian dilakukan tanpa menyambung dan menggangu operasi peralatan mekanik.Dengan kemajuan teknologi perawatan peralatan mekanik sistem predictive maintenance sebagai manajemen perawatan peralatan mekanik, makaPengujian getaran mekanik vibrasi sangat diperlukan sebagai indikator perawatan.[Kelly,2000]

Walaupun pembuatan pompa sentrifugal semakin maju namun sampai saat ini sangat sulit untuk mencari standard vibrasi untuk pompa sentrifugal, bahkan pabrik pembuat pompa tidak memberikan standard vibrasi dari pompa buatannya. Standart ISO 10816-3 untuk standart getaran dapat dilihat pada Gambar 1.2

Gambar 1.2 Standart ISO 10816-3 untuk getaran. [9]

Dari Gambar 1.2 dapat dilihat bahwa sesuai standart ISO 10816-3 untuk getaran dikategorikan kepada 4 zona yaitu :

1. Zona A berwarna hijau, getaran dari mesin sangat baik dan dibawahgetaran yang diijinkan.
2. Zona B berwarna hijau muda, getaran dari mesin baik dan dapat dioperasikan tanpa larangan.
3. Zona C berwarna kuning, getaran dari mesin dalam batas toleransi dan hanya dioperasikandalam waktu terbatas.
4. Zona D berwarna merah, getaran dari mesin dalam batas berbahaya dan dapat terjadi kerusakan sewaktu-waktu.

Batasan masalah yang dilakukan meliputi :

1. Pengukuran vibrasi pada pompa.
2. Pengukuran putaran operasi dengan tachometer.
3. Variasi beban gaya yang diberikan
4. Tujuan Penelitian

1.3.1.Tujuan Umum

Tujuan umum dari penelitian ini adalah untuk mendapatkan kolerasi Kalibrasi Mesin Pompa Sentrifugal Single Stage terhadap Respon Getaran Untuk Daerah Axial dan Vertikal

1.3.2.Tujuan Khusus

1. Mendapatkan besarnya vibrasi pompa sentrifugal satu tingkat berupa data :
2. Simpangan b.Kecepatan c. percepatan
3. Mendapatkan vibrasi masing – masing pompa.
4. Verifikasi hasil eksperiment dan teoritis
5. Mendapatkan frekuensi natural sistem (teoritis).

1.4. Manfaat Penelitian

Penelitian ini merupakan suatu upaya nyata dari pihak perguruan tinggi dalam memberikan informasi kepada dunia industri tentang hubungan pompa sentrifugal.

Adapun manfaat dari penelitian ini adalah :

1. Memberikan informasi tentang pengujian getaran pada pompa sentrifugal sertamemberikan informasi kepada dunia industri yang menggunakan pompa sentrifugal tentang pemanfaatan sinyal vibrasi sebagai indikator perawatan atau maintenance.
2. Memberikan masukan kepada pembuat pompa Sentrifugal untuk memberikan data vibrasi sebagai acuan perawatan pompa
3. Untuk mengetahui apakah alat pompa sentrifugal ini masih layak dipergunakan sebagai alat percobaan dilaboratorium prestasi Mesin.

II.TINJAUAN PUSTAKA

Pompa adalah salah satu dari jenis mesin – mesin fluida yang berguna untuk memindahkan suatu fluida cair dari suatu tempat ketempat lain.Pompa sentrifugal adalah salah satu jenis pompa yang sangat banyak dipergunakan. Dalam dunia industri biasanya pompa sentrifugal dapat beroperasi dengan maksimal dan tahan dioperasikan dalam waktu yangcukup lama, hal ini tidak terlepas dari jenis pompa apa yang kita pergunakan, pemasangan serta pengoperasian yang tepat sehingga akan bekerja sesuai dengan kegunaannya. Untuk menentukan apakah suatu peralatan bekerja sesuai dengan kondisi terbaiknya diperlukan indikator-indikator yang dapat bekerja dengan cepat dan efisien.

Vibrasi adalah salah satu indikator yang baik untuk menentukan apakah suatu peralatan beroperasi dalam keadaan baik. Semakin kecil nilai suatu vibrasi maka akan menjadi semakin baiklah peralatan itu, dan sebaliknya apabila suatu peralatan yang beroperasi mempunyai getaran yang besar atau tinggi, maka kondisi peralatan tersebut perlu diadakan pemeriksaan kembali.Oleh karena itu suatu peralatan yang beroperasi sebaiknya memiliki suatu nilai getaran standart dan batasan getaran yang diperbolehkan sesuai dengan standar dari pabrik pembuatnya, sehingga apabila nilai getaran yang terjadi diluar batasan yang diizinkan maka peralatan tersebut harus menjalani tindakan perawatan(maintenance).

2.1. Vibrasi

2.1.1. Gerak Harmonik

Gerak osilasi dapat berulang secara teratur, jika gerak itu berulang dalam selang waktu yang sama, maka geraknya disebut dengan gerak periodik. Sedangkan waktu pengulangannya disebut dengan periode osilasi dan kebalikannya yaitu f = 1/τ disebut frekwensi. Jika gerak dinyatakan dalam fungsi waktu x(t), maka setiap gerak periodik harus memenuhi hubungan (t) = x (t+ τ). Secara umum gerak harmonic dapat dinyatakan dengan persamaan (William,1995) :

x = A sin 2π t / τ (2.1)

Gerak harmonik sering dinyatakan sebagai proyeksi suatu titik yang bergerak melingkar dengan kecepatan yang tetap pada suatu garis lurus seperti terlihat pada Gambar 2.1 dengan kecepatan sudut garis OP sebesar ω, maka perpindahan simpangan x dapat dituliskan sebagai : x = A sin ωt (2.2)

Besarnya ω biasanya diukur dalam radian perdetik dan disebut frekwensi lingkaran.

Oleh karena itu gerak berulang dalam 2 π radian, maka didapat hubungan :

ω = 2 π / t = 2 π . f (2.3)

Dengan τ dan f adalah periode dan frekwensi gerak harmonik berturut turut dan biasanya diukur dalam detik dan siklus perdetik.

Dengan menggunakan notasi titik untuk turunannya, maka didapat :

= ω A cos ωt = ωA sin (ωt + π/2) (2.4)

= - ω A sin ωt = ω 2 A sin (ω t + π) (2.5)

Gambar.2.1. Gerak harmonik sebagai proyeksi suatu titik yang bergerakpada Lingkaran

2.1.2. Getaran Bebas (Free Vibration)

Getaran bebas terjadi jika sistem berosilasi karena bekerjanya gaya yang ada dalam sistem itu sendiri (inherent) dan apabila tidak ada gaya luar yang bekerja. Sistem yang bergetar bebas akan bergetar pada satu atau lebih frekwensi naturalnya yang merupakan sifat dinamika yang dibentuk oleh distribusi massa dan kekakuannya.

Gambar 2.2. Sistem pegas-massa dari diagram benda bebas

Hukum Newton kedua adalah dasar pertama untuk meneliti gerak sistem, pada Gambar 2.2 terlihat perubahan bentuk pegas pada posisi kesetimbangan adalah Δ dan gaya pegas adalah kΔ yang sama dengan gaya gravitasi yang bekerja pada massa m.

KΔ = w = mg (2.6)

Hukum Newton kedua untuk gerak diterapkan pada massa m :

m = Σ F = w - k (Δ + x) (2.7)

Dan karena kΔ = w, maka diperoleh :

m = - kx (2.8)

2.1.3. Landasan Teori Pengujian Getaran Mesin

Getaran yang timbul pada pompa dikarenakan oleh putaran motor melalui koupling dan impeller sehingga dapat dianalisa sesuai dengan gerak yang timbul.

Dalam kondisi ini dapat diasumsikan bahwa akan terjadi torsi yang dihasilkan motor melalui mekanisme koupling. Untuk memudahkan analisa gerak, maka Gambar 2.3 dapat disederhanakan menjadi:

. model fisis system diidealisasi

Gambar 2.5Model pendekatan getaran

Persamaan pada kondisi normal sesuai dengan hukum Newton yaitu

Σ M = J (2.12)

2.1.4. Pengolahan Data Vibrasi

2.1.4.1. Data Domain Waktu (Time Domain)

Pengolahan data time domain melibatkan data hasil pengukuran objek pemantauan sinyal getaran, tekanan fluida kerja, temperatur fluida kerja maupun aliran fluida kerja.

Hasil pengukuran objek pemantauan dalam domain waktu dapat berupa sinyal :

1. Sinyal statik, yaitu sinyal yang karakteristiknya (misalkan amplitudo, arah kerja) yang tidak berubah terhadap waktu.
2. Sinyal dinamik, yaitu sinyal yang karakteristiknya berubah terhadap waktu sehingga tidak konstan.

Sinyal dinamik yang sering ditemui dalam perakteknya berasal dari sinyal getaran, baik yang diukur menggunakan accelerometer, vibrometer, maupun sensor simpangan getaran .

A A

Statik Dinamik

+ +

0 _ waktu 0 _ waktu

Gambar 2.4 Karakteristik Sinyal Statik dan Dinamik

Untuk keperluan pengolahan sinyal getaran dalamTime Domain , perlu diperhatikan karakteristik sinyal getaran yang dideteksi oleh masing–masing sensorpercepatan, kecepatandan simpangan getaran (Displacement).[William,1995]

2.1.4.2. Data Domain Frekwensi (Frekwensi Domain)

Pengolahan data frekwensi domain umumnya dilakukan dengan tujuan :

1. Untuk memeriksa apakah amplitudo suatu frekwensi domain dalam batas yang diizinkan adalah standard.
2. Untuk memeriksa apakah amplitudo untuk rentang frekwensi tertentu masih berada dalam batas yang diizinkan.
3. Untuk tujuan keperluan diagnosis.

Dalam prakteknya proses konversi ini dilakukan dengan menggunakan proses Transformasi Fourier Cepat ( Fast Fourier Transformation , FFT).

Gambar 2.5 Hubungan Data Time Domain dengan Frequency Domain

Data domain waktu merupakan respon total sinyal getaran, sehingga karakteristik masing-masing sinyal getaran tidak terlihat jelas. Dengan bantuan konsep deret fourier, maka sinyal getaran ini dapat dipilih-pilih menjadi komponen dalam bentuk sinyal sinus yang frekwensinya merupakan frekwensi-frekwensi dasar dan harmonik.

2.2.Pompa

2.2.1.Teori Dan Prinsip Kerja Pompa Sentrifugal

Pompa adalah suatu mesin fluida yang berfungsi untuk mengalirkan fluida dari tempat yang energinya lebih rendah ketempat yang energinya lebih tinggi. Olehkarena itu pompa merupakan suatu mesin kerja, dimana pada saat sekarang ini penggunaannya sangat luas dalam kehidupan untuk mengalirkan fluida cair

Pada umumnya pompa memiliki satu atau lebih impeller dengan sudu-sudu yang dipasang pada impeller tersebut dan diselubungi oleh rumah pompa (casing).

Fluida memasuki impeller secara aksial dengan kecepatan tertentu yang mempunyai energi kinetis dan energi potensial oleh sudu-sudu impeller yang berputar dengan kecepatan tinggi.

2.2.2Pengoperasian Pompa

Dalam pengoperasiaanya pompa harus memenuhi head dan kapasitas yang diinginkan, kemampuan pompa dalam hal ini dapat dilihat pada kurva karakteristik pompa.. Head statis adalah beda ketinggian permukaan dan tekanan pada kedua permukaan. Head sistem pemipaan ini dapat digambarkan sebagai kurva head kapasitas yang merupakan kurva static pemipaan seperti terlihat pada Gambar kurva.2.6 .(Sularso,1991)

Head (H)

Kurva karakteristik pompa

H ap Titik operasi

Kurva Karakteristik pipa

HStatis

Kapasitas (Q)

Gambar 2.6 Kurva Head dan Kapasitas

III.METODE PENELITIAN

3.1. Tempat Dan Waktu

Penelitian ini dilaksanakan di Fakultas Teknik Jurusan Teknik Mesin Universitas HKBP Nommensen Medan.

3.2.Bahan Peralatan Dan Metode

3.2.1. Bahan

Dalam penelitian ini subjek penelitian adalah berupa pompa sentrifugal satu tingkat seperti terlihat pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1 Konstruksi Pompa Sentrifugal

Gambar 3.1 Pompa Sentrifugal satu tingkat

Peralatan Dan Metode

1 Vibrometer

Untuk melakukan pengukuran terhadap tingkat vibrasi yang terjadi pada pompa digunakan instrumen pengukur sinyal vibrasi, yaitu vibrometer digitalHandheld 908B. Setting instrumen pengukur vibrasi ini dilakukan pada saat akan melakukan pengukuran sinyal vibrasi.

Gambar 3.2. vibrometer Handheld 908B

3.3. Variabel Yang Diamati

1. Displacement atau simpangan dari delapan titik dan dua arah pengukuran.
2. Velocity atau kecepatan dari delapan titik dan dua arah pengukuran.
3. Acceleration atau percepatan dari delapan titik dan dua arah pengukuran
4. Frekwensi natural dari sistem pompa sentrifugal.

3.4. Teknik Pengukuran, Pengolahan Dan Analisa Data

3.4.1. Teknik Pengukuran

Penyelidikan sinyal vibrasi yang timbul akibat perubahan pada pompa dengan titik pengukuran searah sumbu vertikal, dan aksial. Pengukuran dilakukan pada titik yang telah ditentukan dengan pengambilan data berdasarkan time domain dan frekwensi domain.

Pengukuran kedua arah tadi dikarenakan sistem pengujian diasumsikan mempunyai 3 derajat kebebasan.

3.4.2. Pengolahan Dan Analisa Data

Vibrasi yang terjadi pada pompa dengan variasi data yang diperoleh akibat perubahan beban gaya dan kapasitas dan dianalisa serta dibahas untuk memperoleh perilaku vibrasinya.

3.5. Kerangka konsep

Secara garis besar kerangka konsep pelaksanaan penelitian ini akan dilaksanakan berurutan dan sistematis, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.4.

Gambar 3.3 Kerangka Konsep Penelitian

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Pengukuran respon getaran pompa pada gaya 2 kg

4.1.1 Pengukuran respon getaran pada landasan di F = 2 kg di titik P-01.

Pengukuran respon getaran dimbil pada gaya 2 kg dititik P-01 dilakukan dengan mengambil displacement (simpangan) , velocity ( kecepatan ), Acceleration (Percepatan) untuk arah aksial, vertikal,data pengukuran dapat dilihat pada Tabel 4.1

Tabel 4.1 Hasil pengukuran respon getaran pada landasan dengan gaya F = 2 kg pada P-01

No / Waktu (detik ) / Aksial / Vertikal
Dis
(um) / Vel
(cm/s) / Acc
(cm/s2) / Dis / Vel / Acc
1 / 12 / 44.5 / 0.936 / 2.10 / 43.0 / 1.250 / 2.15
2 / 16 / 45.1 / 0.920 / 2.15 / 44.0 / 1.100 / 2.18
3 / 20 / 46.5 / 1.015 / 2.20 / 48.0 / 1.150 / 2.25
4 / 24 / 47.3 / 0.990 / 2.20 / 50.5 / 1.035 / 2.30
5 / 28 / 48.0 / 0.925 / 2.30 / 52.5 / 1.050 / 2.35
6 / 32 / 50.0 / 0.925 / 2.43 / 51.0 / 1.050 / 2.45
7 / 36 / 50.5 / 1.005 / 2.57 / 51.0 / 1.400 / 2.40
8 / 40 / 51.5 / 1.005 / 2.67 / 48.0 / 1.400 / 2.54
9 / 44 / 50.5 / 1.035 / 2.71 / 52.0 / 1.350 / 2.60
10 / 48 / 49.0 / 1.155 / 2.90 / 52.0 / 1.350 / 2.75
Rata-rata / 48.25 / 0.991 / 2.41 / 49.2 / 1.21 / 2.49

Harga respon getaran pada Tabel 4.1 adalah penjumlahan harga rata–rata yang didapat dari pengukuran langsung simpangan,kecepatan dan percepatan dibagi jumlah pengujian.

Berdasarkan analisa perhitungan getaran didapat berdasarkan (William,1995):

Simpangan : x = A . Sin A = (4.1)

Kecepatan : A = (4.2)

Percepatan: A = (4.3)

Disubsitusikan persamaan 4.1 ke pers. 4.3 akan didapat :

(4.4)

Adapun tanda negative menyatakan bahwa arah percepatan berlawanan dengan arah simpanganya .

Sehingga didapat frekuensi dalam bentuk kecepatan sudut (Kenneth,1995):

(4.5)