TINJAUAN PUSTAKA Perawatan, kapasitas dan head yang tinggi.

BAB 2 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 yang cukup 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. Suriady Sihombing: Kajian Eksperimental Susunan Pompa Secara Pararel Terhadap Karakteristik Vibrasi Pompa Sentrifugal Satu Tingkat, 2008. USU e-Repository © 2008 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 k disebut frekwensi. Jika gerak dinyatakan dalam fungsi waktu xt, maka setiap gerak periodik harus memenuhi hubungan t = x t + k. Secara umum gerak harmonik dapat dinyatakan dengan persamaan : [24] x = A sin 2 ヾ t k 2.1 dimana : A adalah amplitudo osilasi yang diukur dari posisi setimbang massa. k adalah priode dimana gerak diulang pada t = k. 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 , maka perpindahan simpangan x dapat dituliskan sebagai : x = A sin t 2.2 Besarnya biasanya diukur dalam radian perdetik dan disebut frekwensi lingkaran. Oleh karena itu gerak berulang dalam 2 ヾ radian, maka didapat hubungan : = 2 ヾ t = 2 ヾ . f 2.3 Dengan k dan f adalah periode dan frekwensi gerak harmonik berturut turut dan biasanya diukur dalam detik dan siklus perdetik. Kecepatan dan percepatan gerak harmonik dapat diperoleh dengan mudah baik secara diferensiasi simpangan gerak harmonik. Suriady Sihombing: Kajian Eksperimental Susunan Pompa Secara Pararel Terhadap Karakteristik Vibrasi Pompa Sentrifugal Satu Tingkat, 2008. USU e-Repository © 2008 Dengan menggunakan notasi titik untuk turunannya, maka didapat : = A cos t = A sin t + ヾ2 2.4 . x = - A sin t = 2 A sin t + ヾ 2.5 .. x xx X Gambar.2.1. Gerak harmonik sebagai proyeksi suatu titik yang bergerak pada Lingkaran 2.1.2. Gerak Periodik Pada getaran biasanya beberapa frekwensi yang berbeda ada secara bersama- sama. Sebagai contoh, getaran dawai biola terdiri dari frekwensi dasar f dan semua harmoniknya 2f, 3f dan seterusnya.. Contoh lain adalah getaran bebas sistem dengan banyak derajat kebebasan, dimana getaran pada tiap frekwensi natural memberi sumbangannya. Getaran semacam ini menghasilkan bentuk gelombang kompleks yang diulang secara periodik seperti gambar berikut: X t t τ Gambar.2.2. gerak periodik dengan periode k. Suriady Sihombing: Kajian Eksperimental Susunan Pompa Secara Pararel Terhadap Karakteristik Vibrasi Pompa Sentrifugal Satu Tingkat, 2008. USU e-Repository © 2008 2.1.3. 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. m Δ peregangan tanpa Posisi gan kesetimban Posisi statik X k + Δ Δ k x w . X .. X Gambar 2.3. Sistem pegas-massa dari diagram benda bebas Hukum Newton kedua adalah dasar pertama untuk meneliti gerak sistem, pada Gambar 2.3 terlihat perubahan bentuk pegas pada posisi kesetimbangan adalah dan gaya pegas adalah k yang sama dengan gaya gravitasi yang bekerja pada massa m. K = w = mg 2.6 Hukum Newton kedua untuk gerak diterapkan pada massa m : m = F = w - k + x 2.7 .. x Dan karena k = w, maka diperoleh : m = - kx 2.8 .. x Frekwensi lingkaran n 2 = k m, sehingga persamaan 2.8 dapat ditulis : Suriady Sihombing: Kajian Eksperimental Susunan Pompa Secara Pararel Terhadap Karakteristik Vibrasi Pompa Sentrifugal Satu Tingkat, 2008. USU e-Repository © 2008 2 .. = + x x n ω 2.9 Sehingga persamaan umum persamaan differensial linier orde kedua yang homogen : x = A sin n t + cos n t 2.10 Periode natural osilasi dibentuk dari n k = 2ヾ atau k = 2ヾ k m 2.11 dan frekwensi natural adalah : fn = 1 k = 12 ヾ m k 2.12 2.1.4 Getaran Paksa Forced Vibration Eksitasi harmonik sering dihadapi dalam sistem rekayasa yang biasanya dihasilkan oleh ketidakseimbangan pada mesin –mesin yang berputar. Eksitasi harmonik dapat berbentuk gaya atau simpangan beberapa titik dalam sistem. Getaran yang terjadi karena rangsangan gaya luar disebut getaran paksa. Gambar 2.4. Sistem yang teredam karena kekentalan dengan eksitasi harmonik Persamaan differensialnya adalah [24] . 2.13 t Sin Fo kx x c x m ω = + + . .. . Suriady Sihombing: Kajian Eksperimental Susunan Pompa Secara Pararel Terhadap Karakteristik Vibrasi Pompa Sentrifugal Satu Tingkat, 2008. USU e-Repository © 2008 Solusi khusus persamaan keadaan tunak steady state dengan frekwensi yang sama dengan frekwensi eksitasi dapat diasumsikan berbentuk : x = X sin t - Φ 2.14 Dengan x adalah amplitude osilasi dan l adalah perbedaan fase simpangan terhadap gaya eksitasi, sehingga diperoleh : x = 2 2 2 ω ω c m k fo + − 2.15 dan l = tan -1 . ω ω 2 m k c − 2.16 Dengan membagi pembilang dan penyebut persamaan 2.15 dan 2.16 dengan k, akan diperoleh : x = 2 2 2 1 k cw k mw k Fo + − 2.17 tan l = k mw k cw 1 − 2.18 Persamaan-persamaan selanjutnya dapat dinyatakan dalam besaran-besaran sebagai berikut : n = m k = frekwensi osilasi tanpa redaman. Cc = 2 m n = redaman kritis. = C C e = factor redaman C k = C C e = C e k = 2 = n ϖ ϖ Jadi persamaan amplitudo dan fasa yang non dimensional akan menjadi : Suriady Sihombing: Kajian Eksperimental Susunan Pompa Secara Pararel Terhadap Karakteristik Vibrasi Pompa Sentrifugal Satu Tingkat, 2008. USU e-Repository © 2008 Fo Xk = 1 1 n ϖ ϖ − 2 2 + 2 n ϖ ϖ 2 2.19 tan l = 1 2 n n ϖ ϖ ϖ ϖ ς − 2 2.1.5. 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 2.5 dapat disederhanakan menjadi: : . model fisis system diidealisasi Gambar 2.5 Model pendekatan getaran Persamaan pada kondisi normal sesuai dengan hukum Newton yaitu M = J 2.20 .. θ Maka didapat : Suriady Sihombing: Kajian Eksperimental Susunan Pompa Secara Pararel Terhadap Karakteristik Vibrasi Pompa Sentrifugal Satu Tingkat, 2008. USU e-Repository © 2008 J 01 + J 02 + k t = T sin t 2.21 .. θ Untuk gerak harmonik maka berlaku : θ = A sin t 2.22 = A cos t 2.23 . θ = - 2 A sin t 2.24 .. θ Sehingga J 01 + J 02 - 2 A sin k + K t Asin k = T Sin k K t - J 01 + J 02 2 A = T amplitudo getarannya adalah : A = 2 02 01 ϖ J J Kt To + − 2.25 Besarnya frekwensi pribadi system adalah n = 02 01 1 J J K + 2.26 Kekakuan yang terjadi pada poros K adalah K = I p L G Nm rad 2.27 Dimana I p adalah momen inersia polar penampang melintang poros m 4 I p = 32 4 d π maka K = L G d 32 4 π Massa momen inersia impeller dan kopling Jo Untuk menghitung momen inersia pada impeller dan kopling dapat dihitung dari persamaan : Vp = d t p 4 2 p Suriady Sihombing: Kajian Eksperimental Susunan Pompa Secara Pararel Terhadap Karakteristik Vibrasi Pompa Sentrifugal Satu Tingkat, 2008. USU e-Repository © 2008 Maka : 8 . . 8 . 2 2 d v j atau g d w j c c ρ = = 2.28 Torsi yang bekerja pada sistem T dianggap mengalami torsi harmonik sehingga Tt = To sin t ini diasumsikan bahwa torsi maksimum bekerja pada keadaan sin t = 1, maka akan berlaku : Tt = To : To = n xP π 2 60 2.29 2.1.6. Pengolahan Data Vibrasi 2.1.6.1. 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. Pada perakteknya pengukuran tekanan dengan menggunakan sensor tekanan tipe piezoelektrik memungkinkan mengukur sifat tekanan yang dinamik, sehingga dapat diamati perubahan tekanan dalam ruang bakar suatu mesin Diesel atau perubahan tekanan fluida kerja yang mengalir dalam pipa. Dalam kasus pengukuran temperatur dengan termometer yang konvensional karena karakteristik alat ukurnya, maka tidak dapat dilakukan pengukuran temperatur secara dinamik. Demikian pula halnya dengan pengukuran aliran fluida kerja, sehingga untuk memungkinkan pengukuran objek pemantauan berupa sinyal dinamik, maka diperlukan sensor yang memiliki karakteristik dinamik tertentu. Hasil pengukuran objek pemantauan dalam domain waktu dapat berupa sinyal : Suriady Sihombing: Kajian Eksperimental Susunan Pompa Secara Pararel Terhadap Karakteristik Vibrasi Pompa Sentrifugal Satu Tingkat, 2008. USU e-Repository © 2008 a. Sinyal statik, yaitu sinyal yang karakteristiknya misalkan amplitudo, arah kerja yang tidak berubah terhadap waktu. b. 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 2.6 Karakteristik Sinyal Statik dan Dinamik Untuk keperluan pengolahan sinyal getaran dalam Time Domain , perlu diperhatikan karakteristik sinyal getaran yang dideteksi oleh masing – masing sensor percepatan, kecepatan dan simpangan getaran Displacement.[24] 2.1.6.2. 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. Suriady Sihombing: Kajian Eksperimental Susunan Pompa Secara Pararel Terhadap Karakteristik Vibrasi Pompa Sentrifugal Satu Tingkat, 2008. USU e-Repository © 2008 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. Time Domain Gambar 2.7 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. Oleh Frequency Domain F F T F F T Suriady Sihombing: Kajian Eksperimental Susunan Pompa Secara Pararel Terhadap Karakteristik Vibrasi Pompa Sentrifugal Satu Tingkat, 2008. USU e-Repository © 2008 karena 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. Fluida dikumpulkan di rumah volute yang merupakan energi kinetis menjadi energi tekanan yang disebabkan karena adanya perubahan momen, maka fluida yang terdapat di antara sudu-sudu menerima gaya sentrifugal sehingga cairan dilemparkan keluar dengan kecepatan tinggi.[5] 2.2.2 Pengoperasian Pompa Dalam pengoperasiaanya pompa harus memenuhi head dan kapasitas yang diinginkan, kemampuan pompa dalam hal ini dapat dilihat pada kurva karakteristik pompa. Besarnya head pompa dalam sistem pemipaan merupakan head yang dibutuhkan untuk mengalirkan fluida melalui instalasi pemipaan, yang terdiri dari head statis. 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.2.8 . Suriady Sihombing: Kajian Eksperimental Susunan Pompa Secara Pararel Terhadap Karakteristik Vibrasi Pompa Sentrifugal Satu Tingkat, 2008. USU e-Repository © 2008 Head H Kurva karakteristik pompa H ap Titik operasi Kurva Karakteristik pipa H Statis Kapasitas Q Gambar 2.8 Kurva Head dan Kapasitas Pada Gambar 2.8 titik operasi pompa pada titik ini head yang diperlukan oleh sistem pemipaan sama dengan head yang diberikan pompa pada kapasitas aliran yang sama Kurva head kapasitas pada sistem pemipaan dapat berubah seperti pada head statis atau tahanan sistem pemipaan berubah. 2.2.3. Hubungan Pompa Paralel Pada hubungan paralel dua buah pompa dihubungkan pada saluran keluar yang sama terlihat pada Gambar 2.9., untuk mencegah jangan sampai sebuah pompa mengalirkan kembali zat cair kedalam saluran isap pompa lain, umpamanya bila pompa yang terakhir ini tidak bekerja, maka perlu memasang sebuah katup dibelakang setiap pompa. Dua buah pompa yang sejenis pada tinggi tekan secara manometer yang sama akan menghasilkan kuantitas zat cair yang sama besar. Jadi aliran volume dari kedua buah pompa ini pada tinggi tekan yang sama besar menjadi dua kali lebih besar dari pada satu pompa.[21] Suriady Sihombing: Kajian Eksperimental Susunan Pompa Secara Pararel Terhadap Karakteristik Vibrasi Pompa Sentrifugal Satu Tingkat, 2008. USU e-Repository © 2008 • Tekan tekan Isap Gambar 2.9. Hubungan pompa parallel 2.2.4. Penyebab Vibrasi dari berbagai aspek Pada Pompa Sentrifugal Setiap benda yang terbuat dari material yang elastic termasuk didalamnya metal umumnya mempunyai periode vibrasi. Hal ini terjadi karena komponen pompa tidaklah mutlak seragam terhadap garis tengah dari poros pompa. Ada beberapa penyebab vibrasi pada pompa :[24] A Vibrasi yang ditinjau dari aspek mekanis pada pompa 1. Tidak balansnya komponen pompa yang berputar impeller atau shaft 2. Bengkoknya shaft 2 Tegangan pada pipa 3 Kerusakan pada bearing 4 Mengendurnya ikatan baut 5 Pondasi kurang lebar Suriady Sihombing: Kajian Eksperimental Susunan Pompa Secara Pararel Terhadap Karakteristik Vibrasi Pompa Sentrifugal Satu Tingkat, 2008. USU e-Repository © 2008 B Vibrasi yang disebabkan aspek hidrolis 1. Pengoperasian dibawah best effisiensi point pompa 2. Kavitasi 3. Vane impeller berputar terlalu dekat dengan pengarah air pompa 4. Masuknya udara pada pompa 5. Terjadinya turbulence 6. Water hammer C Vibrasi yang disebabkan lainnya 1. Terjadinya harmonic akibat vibrasi peralatan didekatnya 2. Pengoperasian pompa pada putaran kritis 3. Kerusakan pada seal 2.2.5 Aspek mekanis pada pompa Tidak balansnya komponen pompa yang berputar dan bengkoknya impeller dapat menyebabkan getaran yang besar . Bantalan yang dipergunakan pada pompa satu tingkat umumnya adalah bantalan luncur dan bantalan peluru ball bearing yang mempunyai beban bantalan yang besar dan kecepatan pergerakan yang besar. Untuk mendapatkan effisiensi yang tinggi pada pompa, permukaan impeller haruslah dibuat sehalus mungkin, baik didalam laluan sudu maupun bagian luar impeller tersebut. Pemipaan untuk pompa dikategorikan atas tiga bagian yaitu jaringan hisap, buang dan bantu. Tinggi tekan yang harus dihasilkan pada prinsipnya merupakan fungsi tahanan Suriady Sihombing: Kajian Eksperimental Susunan Pompa Secara Pararel Terhadap Karakteristik Vibrasi Pompa Sentrifugal Satu Tingkat, 2008. USU e-Repository © 2008 pipa. Pondasi juga memegang peranan penting dalam menimbulkan getaran serta mengendurnya ikatan baut dapat mengakibatkan getaran besar.[26] 2.2.6 Aspek hidrolis pada pompa Dari aspek hidrolis di dapat bahwa NPSH yang tidak cukup, ketidakstabilan hidrolik dengan pembentukan pusaran Vortex yang cenderung untuk menimbulkan getaran, kebisingan, kavitasi dan keausan bantalan yang berlebihan merupakan sebagian dari gangguan - gangguan yang dialami dengan pemipaan sisi hisap yang tidak didesain dengan baik.Yang lainnya antara lain kapasitas yang berkurang, palu air water hammer, pemanasan lebih Overheating pompa dan umur bagian yang beroperasi yang lebih singkat. Untuk mencegah pemindahan getaran kerumah pompa, baik pemipaan hisap maupun buang haruslah ditopang secara sendiri–sendiri. Pada satu tempat yang dekat dengan flens–flens hisap dan buang. Water hammer di dalam sistem pemipaan yang tertutup terjadi sewaktu kecepatan cairan berubah dengan tiba–tiba akibat pengoperasian , penghentian atau perubahan kepesatan pompa yang tiba–tiba. 2.3. Kerangka Konsep Hasil yang diperoleh dalam suatu penelitian dipengaruhi oleh variable- variabel penelitian itu sendiri. Pada dasarnya kerangka konsep dalam penelitian ini dapat dilihat seperti pada Gambar 2.10, dimana dapat dilihat bahwa permasalahannya adalah susunan pompa secara paralel terhadap karakteristik vibrasi pompa sentrifugal Suriady Sihombing: Kajian Eksperimental Susunan Pompa Secara Pararel Terhadap Karakteristik Vibrasi Pompa Sentrifugal Satu Tingkat, 2008. USU e-Repository © 2008 satu tingkat. Variabel bebas yang diatur sebagai input pada pompa sentrifugal yang menjadi subjek penelitian ini adalah variasi beban gaya dan kapasitas. Pengukuran yang dilakukan pada subjek ini meliputi karakteristik getaran yang timbul pada pompa akibat perubahan variasi beban gaya dan kapasitas dengan mempertahankan daya dan putaran pompa. Hasil yang diperoleh meliputi respon vibrasi dari pompa berupa simpangan diplacement, kecepatan velocity, percepatan acceleration. Frekwensi untuk setiap variasi beban gaya serta putaran dan daya pompa dianggap konstan walaupun dalam penelitian ini dilakukan pengukuran sebagai kontrol. Suriady Sihombing: Kajian Eksperimental Susunan Pompa Secara Pararel Terhadap Karakteristik Vibrasi Pompa Sentrifugal Satu Tingkat, 2008. USU e-Repository © 2008 Permasalahan: Perubahan karakteristik vibrasi akibat pengaruh susunan pompa secara paralel. Variabel bebas: • Beban gaya • Kapasitas Pompa sentrifugal: • Titik pengukuran vibrasi • Arah pengukuran vibrasi • Time dan Frequency domain. • Daya dan putaran. Hasil yang diperoleh: • Simpangan,kecepatan, percepatan,frekuensi • Hubungan gaya beban, Kapasitas dan vibrasinya. • Verifikasi pengukuran dan Perhitungan teoritis. Kesimpulan Selesai Gambar.2.10. Kerangka konsep Suriady Sihombing: Kajian Eksperimental Susunan Pompa Secara Pararel Terhadap Karakteristik Vibrasi Pompa Sentrifugal Satu Tingkat, 2008. USU e-Repository © 2008

BAB 3 METODE PENELITIAN