LAPORAN AKHIRPRAKTIKUM FENOMENA DASAR MESIN

PUTARAN KRITIS

Oleh:

Kelompok B7Gusriady Syahputra 1207121244Alvi Syahri 1307123016Indah Permata Sari 1307123119Riedho Tilma Satria 1307122947

LABORATORIUM KONSTRUKSI DAN PERANCANGANJURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS RIAUOKTOBER 2015

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT. yang telah memberi

kesempatan sehingga penulis dapat menyelesaikan Laporan Akhir Praktikum

Fenomena Dasar Mesin Putaran Kritis.

Penulisan laporan ini bertujuan sebagai output bahwa penulis telah

mengikuti proses praktikum di Laboratorium Konstruksi dan Perancangan Teknik

Mesin Universitas Riau. Laporan ini berisi konsep-konsep dasar proses

pengukuran putaran kritis pada poros yang dapat digunakan sebagai rujukan

dalam proses pembelajaran di Jurusan Teknik Mesin Universitas Riau.

Terimakasih penulis ucapkan kepada :

1. Orang tua yang senantiasa memberi segala dukungan kepada penulis.

2. Dosen yang bersedia memberi ilmu pada proses perkuliahan dan menjadi

bekal dalam melaksanakan praktikum.

3. Asisten dosen yang bersedia memberi pengarahan selama proses

praktikum.

4. Teman-teman seperjuangan yang selalu menemani dan menyemangati.

Demi penyempurnaan Laporan Akhir Praktikum Fenomena Dasar Mesin

Putaran Kritis, penulis mengharapkan saran dari segenap pembaca. Akhir kata,

penulis persembahkan Laporan Akhir Praktikum Fenomena Dasar Mesin Putaran

Kritis untuk semua pecinta ilmu pengetahuan dan pejuang inovasi teknologi.

Pekanbaru, Oktober 2015

Penulis

i

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR..............................................................................................i

DAFTAR ISI............................................................................................................ii

DAFTAR GAMBAR..............................................................................................iv

DAFTAR TABEL....................................................................................................v

DAFTAR NOTASI.................................................................................................vi

BAB I PENDAHULUAN........................................................................................1

1.1 Latar Belakang.............................................................................................1

1.2 Tujuan Praktikum.........................................................................................1

1.3 Manfaat........................................................................................................2

BAB II LANDASAN TEORITIS............................................................................3

2.1 Teori Dasar...................................................................................................3

2.1.1 Pengertian Getaran................................................................................3

2.1.2 Ilustrasi Fenomena Getaran...................................................................3

2.1.3 Karakteristik Getaran............................................................................4

2.1.4 Penyebab Getaran Mesin.......................................................................7

2.1.5 Frekuensi Pribadi dan Putaran Kritis Suatu Sistem..............................8

2.2 Teori Alat Uji.............................................................................................15

BAB III METODOLOGI.......................................................................................19

3.1 Peralatan.....................................................................................................19

3.2 Prosedur Praktikum....................................................................................22

3.3 Asumsi-asumsi...........................................................................................23

BAB IV PENGOLAHAN DATA..........................................................................24

4.1 Tabel Data..................................................................................................24

4.2 Contoh Perhitungan....................................................................................24

4.3 Tabel Perhitungan......................................................................................25

4.4 Grafik Perhitungan.....................................................................................26

4.5 Analisis dan Pembahasan...........................................................................27

BAB V DISKUSI DAN KESIMPULAN..............................................................30

ii

5.1 Diskusi........................................................................................................30

5.2 Kesimpulan................................................................................................30

DAFTAR PUSTAKA............................................................................................32

LAMPIRAN...........................................................................................................33

Lampiran 1. Tabel Perhitungan..........................................................................33

Lampiran 2. Pengolahan Data Hasil Pengujian yang Ditandatangani Asisten. .34

Lampiran 3. Lembaran Asistensi Laporan Akhir Praktikum.............................35

Lampiran 4. Tugas Sesudah Praktikum.............................................................36

iii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Getaran pada Sistem Pegas-Massa Sederhana.....................................3

Gambar 2.2 Karakteristik Getaran...........................................................................4

Gambar 2.3 Beda Fasa antara Perpindahan, Kecepatan dan Percepatan.................6

Gambar 2.4 Jenis-Jenis Ketidaklurusan (Misalignment).........................................7

Gambar 2.5 Contoh Kasus Eksentrisitas..................................................................8

Gambar 2.6 Kondisi Putaran Kritis........................................................................11

Gambar 2.7 Diagram Benda Bebas Putaran Kritis................................................12

Gambar 2.8 Struktur yang Dikenai 1 Beban..........................................................12

Gambar 2.9 Struktur yang Dikenai 2 Beban..........................................................12

Gambar 2.10 Struktur yang Dikenai 3 Beban........................................................13

Gambar 2.11 Massa Bergerak di Suatu Bidang Horizontal...................................14

Gambar 2.12 Massa Bergerak di Suatu Bidang Vertikal.......................................14

Gambar 2.13 Grafik Getaran Kritis r/e..................................................................15

Gambar 3.1 Motor Listrik 19Gambar 3.2 Slide Regulator...................................................................................19

Gambar 3.3 Poros...................................................................................................20

Gambar 3.4 Rotor...................................................................................................20

Gambar 3.5 Tumpuan Engsel.................................................................................21

Gambar 3.6 Kunci L 4............................................................................................21

Gambar 3.7 Mistar.................................................................................................22

Gambar 3.8 Tachometer.........................................................................................22

Gambar 4.1 Grafik Hasil Percobaan NcT VS a 26Gambar 4.2 Grafik Hasil Percobaan NcP VS a.....................................................26

Gambar 4.3 Grafik Hasil Percobaan δ VS a..........................................................27

iv

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data Hasil Praktikum.............................................................................24

v

DAFTAR NOTASI

Simbol Keterangan Satuan

NCTPutaran Kritis Teoritis rpm

NCPPutaran Kritis Percobaan (Sebenarnya) rpm

L Panjang Poros m

a Jarak antara Tumpuan Pertama dengan Rotor m

b Jarak antara Rotor dengan Tumpuan Kedua m

d Diameter Poros m

m Massa Benda/Sistem kg

g Percepatan Gravitasi Bumi m/s2

k Kekakuan Benda N/m

δ Defleksi m

P Pembebanan N

E Modulus Elastisitas Benda/Sistem Pa (N/m2)

I Inersia Poros m4

fn Frekuensi Pribadi Sitem Hz

Ymax Defleksi Maksimum pada 2 Pembebanan m

vi

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Mesin-mesin rotasi seperti mesin-mesin perkakas, turbomachinery untuk

industri dan mesin turbin gas pesawat terbang, pada umumnya terdiri dari poros

yang berputar dengan putaran tertentu (Zhou dan Shi dalam Rahmanto, 2007).

Agar dapat bekerja secara optimal maka mesin tersebut perlu dipelihara dan

dirawat (maintenance). Prosedur perawatan dapat dilaksanakan secara terjadwal

atau tidak terjadwal. Prosedur perawatan dapat dilakukan menjaga penggunaan

alat di bawah batas pemakaian. Untuk sebuah poros, batas pemakaian yang

dijadikan acuan adalah putaran kritis.

Putaran kritis adalah batas antara putaran mesin yang mempunyai jumlah

putaran normal dengan putaran mesin yang menimbulkan getaran yang tinggi.

Putaran kritis merupakan aspek yang penting dalam merancang suatu poros.

Karena saat digunakan poros menimbulkan gerakan, maka perlu dilakukan analisa

putaran kritis poros agar tidak melebihi frekuensi pribadi sistem.

Frekuensi pribadi merupakan frekuensi natural yang selalu dimiliki benda

yang memiliki kekakuan. Apabila frekuensi yang ditimbulkan dari putaran kritis

lebih besar daripada frekuensi pribadi sistem, maka akan menyebabkan kegagalan

pada sistem. Dengan mengetahui besar putaran kritis poros, maka poros dapat

digunakan lebih lama tanpa mengalami kegagalan yang dapat mengurangi risiko

kecelakaan kerja.

1.2 Tujuan Praktikum

Adapun tujuan dari Praktikum Fenomena Dasar Mesin Putaran Kritis adalah

sebagai berikut.

1. Mengatahui karakteristik poros dan mengamati hubungan antara defleksi

yang terjadi dengan posisi rotor untuk berbagai tegangan.

1

2. Mengamati fenomena yang terjadi dengan berputarnya poros pada

tegangan yang telah ditentukan.

3. Mencari putaran kritis yang terjadi dengan berputarnya poros pada

variasi tegangan.

1.3 Manfaat

Setelah melaksanakan Praktikum Fenomena Dasar Mesin Putaran Kritis,

diharapkan dapat member manfaat sebagai berikut.

1. Mahasiswa mengetahui cara mengukur putaran kritis pada poros.

2. Mahasiswa mampu mengolah data hasil pengukuran putaran kritis pada

poros.

3. Mahasiswa mampu menganalisa data yang sudah diolah berdasarkan

teori yang sudah ada.

4. Mahasiswa dapat meningkatkan softskill berupa kemampuan untuk

bekerja sama, berkomunikasi, disiplin dan lain-lain yang dibutuhkan

untuk dunia kerja.

2

BAB II

LANDASAN TEORITIS

2.1 Teori Dasar

2.1.1 Pengertian Getaran

Getaran adalah gerakan kontinyu, acak, atau periodik dari suatu objek yang

disebabkan oleh pengeksitasi alami (natural excitation) dari struktur dan

kerusakan mekanis (mechanical faults) (www.migas-indonesia.com, 2005).

Menurut IRD Entek dalam Rahmanto (2007) masalah-masalah yang sering

menyebabkan getaran pada suatu mesin antara lain: ketidakseimbangan

(unbalance) elemen rotasi, ketidaklurusan (misalignment) pada kopling dan

bearing, eksentrisitas (eccentricity), cacat pada bantalan antifriksi (faulty

antifriction bearing), kerusakan pada bantalan sleeve (sleeve bearing),

kelonggaran mekanik (mechanical looseness), buruknya sabuk penggerak (faulty

drive belt), kerusakan roda gigi (gear problem), masalah listrik (electrical

problem), resonansi (resonance), gaya aerodinamika (aerodynamic and hydraulic

forces), gaya reciprocating (reciprocating forces), dan gesekan (rubbing).

2.1.2 Ilustrasi Fenomena Getaran

Contoh sederhana fenomena getaran dapat dilihat pada sebuah pegas yang

salah satu ujungnya dijepit dan ujung lainnya diberi massa M seperti gambar 2.1

berikut.

Gambar 2.1 Getaran pada Sistem Pegas-Massa Sederhana

3

Mula-mula sistem dalam keadaan setimbang (gambar 2.1.a). Jika massa

diberi gaya F maka massa akan turun sampai batas tertentu (gambar 2.1.b).

Perpindahan maksimum posisi massa tergantung besarnya gaya F, massa dan

kekuatan tarik pegas melawan gaya F tersebut. Jika gaya sebesar F tidak

dikenakan lagi pada massa, maka massa akan ditarik ke atas oleh pegas karena

tenaga potensial yang tersimpan dalam pegas (gambar 2.1.c). Massa akan kembali

ke posisi kesetimbangan, selanjutnya bergerak ke atas sampai batas tertentu.

Perpindahan maksimum ke atas dipengaruhi oleh kekuatan tarik pegas dan massa

benda. Proses tersebut akan berulang sampai tidak ada pengaruh gaya luar pada

sistem. Gerakan massa naik turun ini disebut osilasi mekanis. Berkaitan dengan

mesin, getaran (machinery vibration) didefinisikan sebagai gerakan bolak-balik

dari mesin atau elemen mesin dari posisi setimbang (istirahat).

2.1.3 Karakteristik Getaran

Kondisi mesin dan kerusakan mekanis dapat diketahui dengan mempelajari

karakteristik getarannya. Pada suatu sistem pegas-massa, karakteristik getaran

dapat dipelajari dengan membuat grafik pergerakan beban terhadap waktu.

Gambar 2.2 Karakteristik Getaran

Gerak beban dari posisi netralnya ke batas atas kemudian kembali ke posisi

netral (kesetimbangan) dan bergerak lagi ke batas bawah kemudian kembali ke

posisi kesetimbangan, menunjukkan gerakan satu siklus. Waktu untuk melakukan

gerak satu siklus ini disebut periode, sedangkan jumlah siklus yang dihasilkan

dalam satu interval waktu tertentu disebut frekuensi. Dalam analisis getaran

4

mesin, frekuensi lebih bermanfaat karena berhubungan dengan rpm (putaran)

suatu mesin. Karakteristik getaran suatu sistem dapat dilihat pada gambar 2.2.

Frekuensi Getaran (Vibration Frequency)

Frekuensi adalah jumlah siklus pada tiap satuan waktu. Besarnya dapat

dinyatakan dengan siklus per detik (cycles per second/cps) atau siklus per

menit (cycles per minute/cpm). Frekuensi getaran penting diketahui dalam

analisis getaran mesin untuk menunjukkan masalah yang terjadi pada

mesin tersebut. Dengan mengetahui frekuensi getaran, akan

memungkinkan untuk dapat mengidentifikasikan bagian mesin yang salah

(fault) dan masalah yang terjadi.

Gaya yang menyebabkan getaran dihasilkan dari gerak berputar elemen

mesin. Gaya tersebut berubah dalam besar dan arahnya sebagaimana

elemen putar berubah posisinya terhadap titik netral. Akibatnya, getaran

yang dihasilkan akan mempunyai frekuensi yang bergantung pada putaran

elemen yang telah mengalami trouble. Oleh karena itu, dengan mengetahui

frekuensi getaran akan dapat diidentifikasikan bagian dari mesin yang

bermasalah.

Perpindahan, Kecepatan, dan Percepatan

Perpindahan (displacement), kecepatan (velocity), dan percepatan

(acceleration) diukur untuk menentukan besar dan kerasnya suatu getaran.

Biasanya diwakili dengan pengukuran amplitudo getaran.

Perpindahan (displacement) adalah gerakan suatu titik dari suatu tempat ke

tempat lain yang mengacu pada suatu titik tertentu yang tidak bergerak

(tetap). Dalam pengukuran getaran mesin, sebagai standar digunakan jarak

perpindahan puncak ke puncak (peak to peak displacement), seperti

terlihat pada gambar 2.2. Contohnya adalah perpindahan poros karena

gerak putarnya. Jika perpindahan poros terlalu besar sampai melebihi batas

“clearance” bantalan akan mengakibatkan rusaknya bantalan.

Kecepatan (velocity) merupakan perubahan jarak per satuan waktu.

Kecepatan gerak mesin selalu dinyatakan dalam kecepatan puncak (peak

velocity). Kecepatan puncak gerakan terjadi pada simpul gelombang.

5

Dalam getaran, kecepatan merupakan parameter penting dan efektif,

karena dari data kecepatan akan dapat diketahui tingkat getaran yang

terjadi. Sedangkan percepatan (acceleration) adalah perubahan kecepatan

per satuan waktu. Percepatan berhubungan erat dengan gaya. Gaya yang

menyebabkan getaran pada bantalan mesin atau bagian-bagian lain dapat

ditentukan dari besarnya getaran.

Fasa (Phase)

Fasa didefinisikan sebagai posisi elemen getaran terhadap titik tertentu

atau elemen getaran lainnya. Fasa menunjukkan perbedaan awal siklus

terjadi. Hubungan fasa antara perpindahan, kecepatan, dan percepatan

diilustrasikan pada gambar 2.3, kecepatan puncak maju (peak forward

velocity) terjadi pada 90° sebelum puncak perpindahan positif (peak

positive displacement). Dengan kata lain, kecepatan mendahului 90°

terhadap perpindahan, sedangkan percepatan tertinggal 180° terhadap

perpindahan.

Gambar 2.3 Beda Fasa antara Perpindahan, Kecepatan dan Percepatan

Pengukuran fasa memberikan cara yang tepat untuk membandingkan

gerakan getaran antara satu dengan lainnya atau untuk menentukan

bagaimana suatu elemen bergetar relatif terhadap elemen lain.

Pembandingan gerak relatif dari dua atau lebih elemen mesin atau struktur

sering diperlukan dalam diagnosis kerusakan spesifik suatu mesin. Sebagai

contoh, bila analisis menyatakan bahwa getaran suatu mesin tidak sefasa

6

dengan getaran base-nya, maka mungkin terjadi kelonggaran baut atau

mesin dari base-nya.

2.1.4 Penyebab Getaran Mesin

Penyebab utama getaran adalah gaya yang berubah-ubah dalam arah dan

besarnya. Karakteristik getaran yang dihasilkan bergantung pada cara bagaimana

gaya penyebab getaran tersebut ditimbulkan (generated). Hal tersebut yang

menjadi alasan mengapa setiap penyebab getaran mempunyai karakteristik

tertentu.

Getaran Karena Ketidakseimbangan (Unbalance)

Getaran yang disebabkan oleh ketidakseimbangan (unbalance) terjadi pada

1X rpm elemen yang mengalami unbalance dan amplitudo getaran

sebanding dengan besarnya unbalance yang terjadi. Pada mesin dengan

poros putar, amplitudo terbesar akan terukur pada arah radial.

Unbalance dapat disebabkan oleh cacat coran, eksentrisitas, adanya alur

pasak dan pasak, distorsi, korosi, dan aus. Bagian mesin yang tidak

seimbang akan menghasilkan momen putar yang tidak sama besar selama

benda berputar, sehingga akan menyebabkan getaran.

Getaran Karena Ketidaklurusan (Misalignment)

Sangat sulit meluruskan dua poros dan sambungannya sedemikian hingga

tidak ada gaya yang menyebabkan getaran. Ketidaklurusan ini biasanya

terjadi pada kopling. Tipe ketidaklurusan pada kopling dapat dibedakan

menjadi tiga macam (gambar 2.4), yaitu:

Gambar 2.4 Jenis-Jenis Ketidaklurusan (Misalignment)

7

1 Offset, jika sumbu kedua poros paralel dan tidak berimpit satu sama lain.

2 Angular, jika sumbu kedua poros membentuk sudut dengan besar

tertentu.

3 Kombinasi, jika terjadi ketidaklurusan angular dan offset secara

bersamaan dalam satu sistem.

Getaran Karena Eksentrisitas

Yang dimaksud eksentrisitas dalam kasus getaran adalah bahwa pusat

putaran poros tidak sama dengan pusat putaran rotor. Eksentritas merupakan

sumber dari unbalance dimana pada waktu berputar, berat benda di satu sisi

berbeda dengan di sisi lain terhadap sumbu putar. Kasus eksentrisitas dapat

terjadi pada bearing, gear, puli, dan armature motor (gambar 2.5).

Gambar 2.5 Contoh Kasus Eksentrisitas

Getaran Karena Kelonggaran Mekanik

Kelonggaran mekanik dan resultan aksi ketuk (pounding) menyebabkan

getaran pada frekuensi dua kali putaran (2x rpm). Getaran tersebut bisa

terjadi akibat baut kendor, kelonggaran bearing berlebih, atau retak pada

struktur bearing.

2.1.5 Frekuensi Pribadi dan Putaran Kritis Suatu Sistem

Bila putaran mesin dinaikan maka akan menimbulkan getaran (vibration)

pada mesin tersebut. Batas antara putaran mesin yang mempunyai jumlah putaran

normal dengan putaran mesin yang menimbulkan getaran yang tinggi disebut

8

putaran kritis. Hal ini dapat terjadi pada turbin, motor bakar, motor listrik, dll.

Selain itu, timbulnya getaran yang tinggi dapat mengakibatkan kerusakan pada

poros dan bagian-bagian lainnya. Jadi dalam perancangan poros perlu

mempertimbangkan putaran kerja dari poros tersebut agar lebih rendah dari

putaran kritisnya.

Suatu fenomena yang terjadi dengan berputarnya poros pada kecepatan-

kecepatan tertentu adalah getaran yang sangat besar, meskipun poros dapat

berputar dengan sangat mulus pada kecepatan-kecepatan lainnya. Pada kecepatan-

kecepatan semacam ini dimana getaran menjadi sangat besar, dapat terjadi

kegagalan diporos atau bantalan-bantalan. Atau getaran dapat mengakibatkan

kegagalan karena tidak bekerjanya komponen-komponen sesuai dengan

fungsinya, seperti yang terdapat pada sebuah turbin uap dimana ruang bebas

antara rotor dan rumah sangat kecil. Getaran semacam ini dapat mengakibatkan

apa yang disebut dengan olakan poros atau mungkin mengakibatkan suatu osilasi

puntir pada suatu poros, atau kombinasi keduanya. Mungkin kedua peristiwa

tersebut berbeda, namun akan dapat ditunjukkan bahwa masing-masing dapat

ditangani dengan cara serupa dengan memperhatikan frekuensi-frekuensi pribadi

dari osilasi. Karena poros-poros pada dasarnya elastis, dan menunjukkan

karakteristik-karakteristik pegas, maka untuk mengilustrasikan pendekatan dan

untuk menjelaskan konsep-konsep dari suku-suku dasar yang dipakai dan

digunakan analisa sebuah sistem massa dan pegas yang sederhana.

Respons amplitudo menunjukan besaran tanpa dimensi (dimensionless

ratio) dari perbandingan amplitudo output dan input. Setiap redaman, ditunjukan

dengan perbandingan redaman, akan mengurangi rasio amplitudo resonansi.

Frekuensi pribadi atau frekuensi alami (natural frequency) selalu dimiliki oleh

benda/sistem yang memiliki massa dan kekakuan, apakah benda/sistem tersebut

berputar atau diam (www.migas-indonesia.com, 2005). Secara matematik

dituliskan:

f n=1

2π √ km

............................................. persamaan 2.1

9

dengan nilai k=m× gδ

................................................ persamaan 2.2

dimana :

fn = frekuensi pribadi (Hz)

k = kekakuan benda (N/m)

m = massa benda/sistem (kg)

g = percepatan gravitasi bumi (m/s2)

δ = defleksi (m)

Frekuensi pribadi merupakan ”frekuensi kesukaan benda/sistem untuk

bergetar”. Bila suatu sistem digetarkan dengan gaya pengeksitasi yang memiliki

frekuensi yang sama dengan frekuensi pribadi sistem tersebut, maka amplitude

getaran yang terjadi akan besar. Hal tersebut disebabkan:

1. Mesin yang berputar selalu memiliki ketidakseimbangan (walaupun telah

diseimbangkan).

2. Frekuensi eksitasi yang disebabkan oleh ketidakseimbangan yang

berputar nilainya sama dengan frekuensi putar (frekuensi eksitasi akibat

unbalance yang berputar = putaran / 60).

3. Ketidakseimbangan adalah penyebab utama getaran yang terjadi pada

kebanyakan mesin, maka fenomena resonansi (terjadi amplitudo getaran

yang besar) akan terjadi ketika (frekuensi pribadi = frekuensi eksitasi =

putaran / 60).

4. Semakin dekat putaran mesin terhadap frekuensi pribadi ke-n, maka

semakin besar kemungkinan mendapatkan masalah berupa getaran yang

besar.

Pada mesin-mesin rotasi biasa ditemukan fenomena meningkatnya

amplitude getaran pada putaran tertentu (Dimaragonas dalam Rahmanto, 2007)

yang biasa disebut sebagai putaran kritis (critical speed) dan akan berulang pada

putaran selanjutnya. Putaran kritis (critical speed) (nc) merupakan putaran yang

bersesuaian dengan frekuensi pribadi (fn) sebuah benda/sistem yang bergetar

(www.migas-indonesia.com, 2005). Frekuensi pribadi akan mengakibatkan

amplitudo getaran yang paling besar. Secara matematik dituliskan:

10

nc=60× f n ............................................... persamaan 2.3

nc=602 π

×√ km

........................................... persamaan 2.4

dimana :

nc = putaran kritis (rpm)

fn = frekuensi pribadi (Hz)

k = kekakuan benda (N/m)

m = massa benda/sistem (kg)

Gambar 2.6 Kondisi Putaran Kritis

Bila terdapat beberapa benda berputar pada satu poros, maka dihitung lebih

dahulu putaran-putaran kritis Nc1, Nc2, Nc3,...., dari masing-masing benda tersebut

yang seolah-olah berada sendiri pada poros, maka putaran kritis keselurugan dari

sistem Nc0 dapat ditentukan oleh :

12

Nco

= 12

Nc 1

+ 12

Nc 2

+ 12

Nc 3

… .................... persamaan 2.5

Sumbu suatu poros akan terdefleksi (melentur) dari kedudukannya semula

bila dikenai beban. Poros harus kuat untuk menahan defleksi yang berlebihan,

sehingga mencegah ketidak-sebarisan dan mempertahankan ketelitian dimensional

terhadap pengaruh beban. Persamaan-persamaan diferensial untuk menentukan

defleksi poros dicari dengan asumsi defleksi kecil dibandingkan dengan

panjangnya poros.

11

Gambar 2.7 Diagram Benda Bebas Putaran Kritis

Diagram benda bebas struktur/poros yang dikenai beban, F dapat dilihat

pada gambar berikut :

Gambar 2.8 Struktur yang Dikenai 1 Beban

Gambar 2.9 Struktur yang Dikenai 2 Beban

12

Gambar 2.10 Struktur yang Dikenai 3 Beban

Defleksi maksimum pada poros yang dikenai 1 beban dapat dihitung

menggunakan persamaan berikut :

δ= P .a . b6 . E . I . L

( L2−a2−b2 )......................... persamaan 2.6

Defleksi maksimum pada poros yang dikenai 2 beban dan 3 beban

ditentukan dengan metode superposisi.

Ymax= Pa24 EI

(3 L2−4 a2)......................... persamaan 2.7

I=πd4

64...................................................... persamaan 2.8

dimana :

E = Modulus elastisitas poros (mm4)

I = Momen inersia poros (N/mm2)

a. Massa Bergerak di Suatu Bidang Horizontal

Gambar dibawah memperlihatkan suatu massa dengan berat W

pound yang diam atas suatu permukaan licin tanpa gesekan dan

diikatkan ke rangka stationer melalui sebuah pegas. Dalam analisa,

massa pegas akan diabaikan. Massa dipindahkan sejauh x dari posisi

keseimangannya, dan kemudian dilepaskan. Ingin ditentukan tipe dari

gerakan maa dapat menggunkan persamaan-persamaan Newton dengan

persamaan energi.

13

Gambar 2.11 Massa Bergerak di Suatu Bidang Horizontal

b. Massa Bergerak di Suatu Bidang Vertikal

Gambar dibawah memperlihatkan massa yang digantung dengan

sebuah pegas vertikal. Bobot menyebabkan pegas melendut sejauh xo.

Bayangkan massa ditarik kebawah pada suatu jarak xo dari posisi

keseimbangannya dan kemudian dilepaskan dan ingin diketahui

garaknya sebagai efek gravitasi.

Gambar 2.12 Massa Bergerak di Suatu Bidang Vertikal

Meskipun persamaan teoritik yang diturunkan sebelumnya menunjukkan

suatu putaran dengan jari-jari yang besarnya tak hingga pada kecepatan kritis,

namun kondisi semacam ini secara praktek tidak mungkin. Menurut hasil-hasil

14

yang diperoleh dari persamaan teoritik, poros yang berputar pada putaran kritis

tentu saja akan patah atau terdistorsi. Tetapi, kita tahu bahwa poros-poros yang

berjalan pada kecepatan kritis tidak perlu patah, dan mungkin berjalan dengan

sangat kasar tetapi tanpa distorsi permanen.

Gambar 2.13 Grafik Getaran Kritis r/e

Dari analisa didapatkan hubungan perbandingan maksimum dari r/e tidak

tak hingga apabila gesekan diperhitungkan. Tetapi terdapat satu daerah pada suatu

kecepatan yang tidak jauhdari kecepatan yang dihitung dengan tanpa gesekan.

Juga, harga r/e pada kecepatan-kecepatan yang agak jauh dari kecepatan olakan

tidak terlalu banyak berbeda dengan atau tanpa gesekan. Dalam praktek, biasanya

gesekan diabaikan dan kecepatan olakan dihitung dengan tanpa gesekan, dengan

kesalahan yang sangat kecil.

2.2 Teori Alat Uji

2.2.1 Poros

Poros merupakan salah satu bagian yang terpenting dari setiap mesin.

Hampir semua mesin meneruskan tenaga bersama-sama dengan putaran. Peranan

utama dalam dalam transmisi itu dipegang oleh poros. Poros digunakan untuk

meneruskan daya. Dalam perencanaan alat pembersih sungai poros yang akan

digunakan adalah jenis spindle. Poros transmisi yang relatif pendek, seperti poros

15

utama mesin perkakas, di mana beben utamanya adalah puntiran, di sebut spindle.

Syarat yang harus dipenuhi poros ini adalah deformasinya harus kecil dan bentuk

serta ukurannya harus teliti (Sularso dalam Aminy, 2012).

Menurut Aminy A.Y. (2012) dalam penggunaannya, poros terbagi dalam

beberapa jenis, yaitu sebagai berikut.

1. Poros dengan Beban Puntir

Jika poros yang akan direncanakan tidak mendapat beban lain kecuali

torsi, maka diameter poros tersebut dapat lebih kecil dari pada yang

dibayangkan. Meskipun demikian, jika diperkirakan akan terjadi beban

berupa lenturan, takikan atau tekanan, maka dengan adanya pembebanan

tersebut perlu diperhitungkan dalam faktor keamanan yang diambil.

2. Poros dengan Beban Lentur Murni

Sebagai contoh gandar dari kereta tambang dan kereta rel tidak dibebani

dengan puntiran melainkan mendapat pembebanan lentur saja. Jika beban

pada satu gandar didapatkan sebagai ½ dari berat kendaraan dengan

muatan maksimum dikurangi berat gandar dan roda.

3. Poros dengan Beban Lentur dan Puntir

Poros pada umumnya meneruskan daya melalui sabuk, roda gigi dan

rantai. Dengan demikian poros tersebut mendapat beban puntir dan lentur

sehingga pada permukaan poros akan terjadi tegangan geser τ = (T/Zp)

karena momen puntir T dan tegangan σ = (M/Z) karena momen lentur.

Ada beberapa hal yang dapat menjadi penyebab kegagalan poros (Sunardi et

al. 2013), antara lain:

1. Terjadinya beban berlebih yang bekerja pada poros.

2. Terbentuknya konsentrasi tegangan pada permukaan poros karena tidak

sempurnanya proses manufaktur.

3. Kesalahan asssembling, terutama pada saat pemasangan bantalan.

4. Scoring atau melting pada permukaan poros sebagai akibat buruknya

pelumasan.

5. Jika poros tidak memiliki kelenturan yang cukup dalam menerima beban

pada saat beroperasi.

16

Kelima faktor tersebut merupakan faktor dominan yang menyebabkan

kegagalan material poros. Dalam merencanakan sebuah poros diperlukan

pertimbangan-pertimbangan tertentu. Berikut ini adalah hal-hal yang harus

diperhatikan dalam merancang poros mesin (Sunardi et al. 2013) :

1. Pemilihan material poros.

Poros yang bekerja pada putaran tinggi dan beban berat biasanya dibuat

dari baja paduan dengan perlakuan tertentu pada permukaannya.

Kekerasan permukaan ini dimaksudkan untuk mencegah terjadinya

keausan pada poros.

2. Kekuatan

Sebuah poros harus memiliki kemampuan untuk menerima beban lentur,

puntir atau kombinasi dari kedua beban tersebut.

3. Kekakuan poros

Poros tidak hanya perlu kuat saja, tetapi juga harus mampu menerima

adanya deformasi. Kekakuan poros dapat diperoleh dengan merekayasa

konstruksi poros, seperti poros dibuat sependek mungkin.

4. Putaran kritis

Putaran kritis dapat dirasakan pada putaran tertentu. Ketika sebuah poros

mengalami getaran yang sangat besar pada putaran tertentu, maka nilai

tersebut sebagai putaran kritis. Putaran kritis dapat memicu terjadinya

kegagalan poros atau mengganggu kinerja konstruksi mesin secara

keseluruhan.

5. Faktor lingkungan

Jika sebuah poros bekerja dalam lingkungan korosif, maka ketahanan

terhadap korosi menjadi sangat penting. Korosi merupakan salah satu

persoalan yang harus diperhatikan mengingat serangan korosi ini dapat

menurunkan kualitas bahan.

2.2.2 Bantalan

Bantalan adalah elemen mesin yang mampu menumpu poros dengan

pembebanan, sehingga putaran atau gerakan bolak-baliknya dapat berlangsung

17

secara halus, aman dan tahan lama. Bantalan harus cukup kokoh untuk

memungkinkan poros serta elemen mesin lainnya bekerja dengan baik. Jika

bantalan tidak berfungsi dengan baik maka prestasi seluruh sistem akan menurun

atau tak dapat bekerja secara semestinya.

18

BAB III

METODOLOGI

3.1 Peralatan

Adapun peralatan yang digunakan selama Praktikum Fenomena Dasar Mesin

Putaran Kritis adalah sebagai berikut.

1. Seperangkat Alat Percobaan

Alat percobaan yan digunakan untuk menghitung putaran kritis pada poros

adalah sebagai berikut.

Motor Listrik

Motor listrik digunakan sebagai sumber penggerak alat percobaan.

Gambar 3.1 Motor Listrik

Slide Regulator

Slide Regulator digunakan sebagai pengatur tegangan putar pada poros.

Gambar 3.2 Slide Regulator

19

Poros

Poros digunakan sebagai benda uji yang diamati putarannya.

Gambar 3.3 Poros

Rotor

Rotor digunakan sebagai benda yang mempengaruhi putaran poros

karena memiliki massa yang diletakkan pada poros.

Gambar 3.4 Rotor

Tumpuan Engsel

Tumpuan engsel digunaka sebagai penopang kedudukan poros agar saat

berputar tidak terjadi pergerakan yang sangat besar.

20

Gambar 3.5 Tumpuan Engsel

2. Alat Pendukung

Alat pendukung merupakan seluruh alat yang membantu selama proses

praktikum walaupun tidak serangkai dengan alat percobaan. Adapun alat

pendukung dalam Praktikum Fenomena Dasar Mesin Putaran Kritis adalah

sebagai berikut.

Kunci L 4

Kunci L 4 digunakan untuk melonggarkan dan menguatkan rotor yang

dibebankan pada poros.

Gambar 3.6 Kunci L 4

Mistar

Mistar digunakan sebagai alat ukur dimensi yang dibutuhkan untuk

pengolahan data yaitu panjang poros, jarak antara tumpuan pertama

dengan rotor dan jarak antara rotor dengan tumpuan kedua.

21

Gambar 3.7 Mistar

Tachometer

Tachometer berfungsi sebagai alat penunjuk putaran poros

Gambar 3.8 Tachometer

3.2 Prosedur Praktikum

Prosedur yang dilakukan selama proses Praktikum Fenomena Dasar Mesin

Putaran Kritis adalah sebagai berikut.

1. Komponen-komponen alat percobaan dirangkai sehingga menjadi satu

kesatuan yang utuh.

2. Dimensi poros yaitu panjang poros diukur menggunakan mistar,

sedangkan diameter poros tidak diukur karena sudah diberitahukan oleh

asisten yang mengawasi.

3. Rotor dilonggarkan dari poros menggunakan kunci L agar posisi rotor bisa

dipindahkan sesuai dengan jarak yang diinginkan. Kemudian rotor kembali

dikencangkan dengan kunci L.

4. Kabel lisrik pada slide regulator disambungkan dengan aliran listrik.

22

5. Bagian pemutar slide regulator diputar pada tegangan 100 Volt sehingga

poros yang diikuti rotor mulai berputar.

6. Tachometer diletakkan sejajar dengan poros sehingga penunjuk pada

tachometer akan menunjukkan jumlah putaran secara berulang yang

menandakan besar putaran poros.

7. Langkah 3 hingga 6 diulangi dengan variasi tegangan yaitu 125 Volt dan

150 Volt.

8. Data hasil percobaan yang diperlihatkan tachometer dicatat pada table

yang telah disediakan.

9. Proses pengolahan data dilakukan dengan rumus teoritis dan dibandingkan

dengan nilai yang diperoleh pada pengukuran sebenarnya.

3.3 Asumsi-asumsi

Asumsi-asumsi yang dapat digunakan selama proses Praktikum Fenomena

Dasar Mesin Putaran Kritis adalah sebagai berikut.

1. Percepatan gravitasi bumi adalah 9,81 m/s2

2. Putaran kritis akan berbanding lurus dengan besar tegangan yang

diberikan.

3. Putaran kritis teoritis dan putaran kritis praktikum akan menunjukkan hasil

yang tidak jauh berbeda.

23

BAB IV

PENGOLAHAN DATA

4.1 Tabel Data

Tabel 4.1 Data Hasil Praktikum

Percobaan

Tegangan (Volt)

1 Beban

E (Gpa)

d (mm)

L (mm)

m (kg)

a (mm)

Nc Percobaan

(rpm)

1100

190 20 675 1,625 4751042

125 1433150 1452

2100

190 20 675 1,625 3751121

125 1436150 1462

3100

190 20 675 1,625 3001039

125 1452150 1476

4.2 Contoh Perhitungan

Diketahui : E = 1,9x1011 Pa

G = 9,81 m/s2

m = 1,625 kg

d = 0,02 m

l = 0,675m

Ditanya : NcT

Penyelesaian :

Misal b=0,2 m, maka

a=L−b

a=0,675 m−0,2 m

a=0,475 mf

P=m× g

24

P=1,625 kg×9,81m

s2

P=15,94125 N

I=π d 4

64

I=π (0,02 m)4

64

I=8×10−9 m4

δ= P . a .b6.E . I . L

(L2−a2−b2)

δ= 15,94125 N .0,475 m .0,2 m

6.190 ×109 N /m2 .8 ×10−9 m4.0,675 m¿

δ=4,6741× 10−5 m

k=Pδ

k= 15,94125 N

4,6741 ×10−5 m

k=341049,6138 N /m

NCT= 60

2π×√ k

m

NCT= 60

2π×√ 341049,6138 m4

1,625 kg

NCT=4374,752 rpm

4.3 Tabel Perhitungan

Terlampir

25

4.4 Grafik Perhitungan

0.3 0.32 0.34 0.36 0.38 0.4 0.42 0.44 0.46 0.48 0.53250

3500

3750

4000

4250

4500NcT VS a

NcT VS a

a (m)

NcT

(rp

m)

Gambar 4.1 Grafik Hasil Percobaan NcT VS a

0.3 0.32 0.34 0.36 0.38 0.4 0.42 0.44 0.46 0.48 0.50

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600NcP VS a

NcP VS a

a (m)

NcP

(rp

m)

Gambar 4.2 Grafik Hasil Percobaan NcP VS a

26

0.3 0.32 0.34 0.36 0.38 0.4 0.42 0.44 0.46 0.48 0.50

5.00000000000004E-061.00000000000001E-051.50000000000001E-052.00000000000002E-052.50000000000002E-053.00000000000002E-053.50000000000003E-054.00000000000003E-054.50000000000004E-055.00000000000004E-055.50000000000004E-056.00000000000005E-056.50000000000005E-057.00000000000006E-057.50000000000006E-05 δ VS a

δ VS a

a (m)

δ (m

)

Gambar 4.3 Grafik Hasil Percobaan δ VS a

4.5 Analisis dan Pembahasan

Dari proses praktikum yang telah dilakukan, dapat diketahui bahwa besarnya

nilai putaran kritis teoritis sebanding dengan jarak antara rotor dengan tumpuan

pertama. Dari grafik NCTVS a di atas, dapat dilihat bahwa semakin besar nilai a

maka NCTyang diperoleh juga semakin besar. Walaupun dalam praktikum

sebenarnya terdapat 9 data hasil percobaan, data yang tercantum di grafik hanya

berjumlah 3 data. Hal ini disebabkan oleh perhitungan putaran kritis teoritis

menggunakan dimensi yang sama pada percobaan 1 untuk tegangan 100 V, 125 V

dan 150 V. Perubahan dimensi hanya dilakukan saat percobaan selanjutnya, tanpa

mengikuti perubahan tegangan. Kesamaan data putaran kritis ini berlaku dalam

percobaan yang sama walaupun berbeda tegangan sebanyak 3 kali percobaan.

Berbeda dari grafik NCTVS a, grafik NCP

VS a menunjukkan hasil putaran

kritis yang sebenarnya terjadi saat praktikum dilakukan. Nilai putaran kritis

percobaan (sebenarnya) selalu berubah-ubah mengikuti nilai tegangan yang

27

diberikan untuk memutar poros. Pada percobaan 1, 2 dan 3 besar putaran kritis

yang muncul di tachometer berbanding lurus dengan tegangan, yaitu semakin

besar tegangan maka semakin besar putaran kritis percobaan (sebenarnya). Selain

tegangan, nilai a yang diberikan juga ikut memengaruhi besarnya putaran kritis

percobaan. Data percobaan 1 dengan a sebesar 475 mm memberikan putaran kritis

1042 rpm (100V), 1433 rpm (125V) dan 1452 rpm (150V). Percobaan 2 dengan a

sebesar 375 mm menunjukkan putaran kritis sebesar 1121 rpm (100V), 1436 rpm

(125V) dan 1462 rpm (150V). Putaran kritis percobaan semakin kecil jika nilai a

semakin besar. Bentuk grafik yang dihasilkan yaitu zig-zag dengan kemiringan

yang berbeda antara percobaan 1 ke percobaan 2 dan percobaan 2 ke percobaan 3.

Jika melihat grafik δ VS a, maka yang dilihatkan adalah perbandingan

terbalik antara defleksi dan jarak tumpuan pertama dengan rotor. Saat jarak antara

tumpuan dengan rotor semakin besar, maka defleksi yang timbul akan semakin

kecil. Hal ini karena semakin panjang nilai a yang diamati, maka poros semakin

mampu menahan pembebanan (massa) dari rotor dan distribusi pembebanan

tentunya akan semakin kecil.

Namun, terdapat perbedaan yang sangat jauh antara putaran kritis teoritis dan

putaran kritis percobaan. Perbedaan yang sangat jauh ini disebabkan oleh

beberapa faktor dari luar seperti kesalahan manusia (human error) dan kesalahan

dari alat pengujian. Kesalahan yang berasal dari manusia yaitu saat memegang

tachometer tidak dalam kondisi diam dan terjadi pergerakan pada tangan sehingga

tachometer membaca getaran tangan sebagai getaran yang ditimbulkan oleh poros

sehingga hasil yang ditunjukkan pada layar tachometer juga berbeda. Selain itu,

saat meletakkan sinar tachometer tidak sejajar dengan letak poros dan tachometer

kesulitan untuk menunjukkan jumlah putaran dengan cepat. Proses pengukuran

dimensi poros juga harus dilakukan dengan cermat agar pengolahan data putaran

kritis teoritis mendekati nilai putaran kritis percobaan. Saat praktikum, alat ukur

yang dilakukan adalah mistar plastik yang tidak bisa mengikuti bentuk poros.

Kesalahan yang terjadi pada alat pengujian yaitu karena alat pengujian yang

terus digunakan untuk proses praktikum, maka kemampuan alat semakin lama

juga akan semakin menurun seperti terjadi hambatan saat rotor berputar walaupun

28

hambatan tersebut tidak terlalu terlihat. Saat hambatan terjadi, maka putaran akan

mengalami perlambatan dan sangat sulit untuk mendapatkan putaran kritis yang

konstan.

29

BAB V

DISKUSI DAN KESIMPULAN

5.1 Diskusi

Dalam melaksanakan praktikum, sebaiknya mengikuti proses sesuai dengan

prosedur praktikum. Hal-hal yang dapat dilakukan agar pengambilan data

praktikum mendekati perhitungan teoritis seperti sebagai berikut.

Menggunakan tachometer dengan baik dan benar, yaitu kondisi tangan yang

diam dan arah senar laser tachometer sejajar dengan letak poros. Jika tidak

memungkinkan untuk mengikuti kondisi di atas, sebaiknya praktikan atau pihak

laboratorium menyediakan tripod atau standar yang dapat digunakan sebagai

tempat meletakkan tachometer sehingga hasil pengukuran yang ditunjukkan

tachometer semakin mendekati keakuratan data.

Saat mengukur dimensi poros, terjadi kesulitan jika menggunakan mistar

plastik. Sebaiknya praktikan atau pihak laboratorium menyediakan pita meteran

agar pengukuran lebih mudah dan mendekati data yang sebenarnya karena sifat

pita yang mengikuti benda ukur.

Dalam mengolah data hasil praktikum dibutuhkan kemampuan praktikan

dalam mengaplikasikan rumus matematika. Terdapat beberapa data dengan satuan

yang belum sesuai sistem SI, sehingga harus dilakukan konversi satuan. Adanya

beberapa data yang harus diolah, membutuhkan kerjasama dan ketelitian yang

baik antar-praktikan.

5.2 Kesimpulan

Adapun kesimpulan yang dapat diambil dari Praktikum Fenomena Dasar

Mesin Putaran Kritis adalah sebagai berikut.

1. NCTVS a menunjukkan nilai putaran kritis teoritis sebanding dengan jarak

antara rotor dengan tumpuan pertama. Semakin besar nilai a, maka NCT

yang diperoleh juga semakin besar.

30

2. Grafik NCPVS a menunjukkan nilai putaran kritis percobaan (sebenarnya)

selalu berubah-ubah mengikuti nilai tegangan yang diberikan untuk

memutar poros. Semakin besar tegangan maka semakin besar putaran

kritis percobaan (sebenarnya). Putaran kritis percobaan semakin kecil jika

nilai a semakin besar.

3. Grafik δ VS a menunjukkan perbandingan terbalik antara defleksi dan

jarak tumpuan pertama dengan rotor. Saat jarak antara tumpuan dengan

rotor semakin besar, maka defleksi yang timbul akan semakin kecil.

4.

31

DAFTAR PUSTAKA

Aminy, A.Y. 2013. Disain Mesin Pengangkut Sampah pada Sungai. Prosiding.

Vol. 6

Rahmanto, Dwi. 2007. Pengaruh Variasi Putaran Terhadap Efektifitas Balancing

Poros Fleksibel Pada Proses Two-Plane Balancing. Surakarta: Universitas

Sebelas Maret

Sunardi, Lusiani R. dan Fitra A. O. 2013. Pengaruh Pack Carburizing dan

Kekasaran Permukaan Terhadap Umur Fatik Material Poros Baja S45C.

Jurnal Foundry. Vol. 3

Tim Asisten LKM. Panduan Praktikum Fenomena Dasar Mesin Bidang

Konstruksi dan Perancangan. Pekanbaru: Universitas Riau

32

LAMPIRAN

Lampiran 1. Tabel Perhitungan

33

Lampiran 2. Pengolahan Data Hasil Pengujian yang Ditandatangani Asisten

34

Lampiran 3. Lembaran Asistensi Laporan Akhir Praktikum

35

Lampiran 4. Tugas Sesudah Praktikum

1. Dimana saja aplikasi putaran kritis terjadi? Jelaskan mengapa dapat terjadi

putaran kritis.

Putaran kritis dapat terjadi di konstruksi mesin yang menggunakan poros yang

berputar pada putaran tertentu. Contoh aplikasi putaran kritis adalah

turbomachinery untuk industry, mesin turbin gas pesawat terbang, motor bakar

dan motor listrik.

Putaran kritis terjadi karena adanya getaran yang melebihi frekuensi pribadi

sistem sehingga menimbulkan getaran yang tinggi pada sistem. Apabila

konstruksi mesin dirancang dengan frekuensi pribadi yang kecil, tetapi dalam

pengaplikasiannya sering terjadi getaran yang melebihi kapasitasnya, maka

putaran yang timbul adalah putaran kritis.

2. Jabarkan turunan rumus defleksi pembebanan 1 dan 2.

36

37

38