Analisis Kerusakan Pada Mesin
Analisis Spektrum Vibrasi •
Komponen Synchronous
N X RPM
•
Komponen Subsynchronous •
Komponen Nonsynchronous (F > 1.0 non integer)
< 1 X RPM F X RPM
Jenis - Jenis Permasalahan
Jenis - Jenis Permasalahan • • •
Unbalance Misalignment Resonansi
40% 20% 20%
• • • • • •
Rolling Element Bearing Sleeve Bearing Roda Gigi Motor Elektrik Kavitasi Vane pass
20 %
Ralph T Buscarello Update International
Jenis - Jenis Permasalahan Masalah umum yang sering ditemui: 1. Unbalance 2. 3. 4. 5.
Misalignment Looseness Rolling element bearing Resonansi
Unbalance
Unbalance Unbalance (ketidakseimbangan) adalah kondisi dimana pusat masa tidak sesumbu dengan sumbu rotasi.
Unbalance •
Force / Static Unbalance
•
Couple Unbalance F1 = F2
•
•
Dynamic Unbalance F1 F2 Overhung Unbalance
Penyebab Unbalance – – – – –
–
–
Kesalahan saat proses pemesinan dan assembly Eksentrisitas komponen Adanya kotoran saat proses pengecoran Korosi dan keausan Distorsi geometri karena beban termal dan beban mekanik Penumpukan material, misalnya debu pada vane kompresor Komponen yang bengkok atau patah
Karakteristik Unbalance Analisis Spektrum Amplitudo yang tinggi di 1xRPM Rasio amplitudo antara pengukuran arah horisontal dan vertikal kecil (H/V < 3), kecuali pada kasus struktur yang memiliki kekakuan yang tidak simetris. Ampitudo yang rendah di 1xRPM pada arah aksial (kecuali untuk kasus mesin overhung) • •
•
Karakteristik Unbalance Analisis Time Waveform Sangat sinusoidal, bentuk waveform simetrik setiap satu kali putaran poros. •
Analisis Data Fasa Beda fasa antara pembacaan horisontal dan vertikal pada bearing yang sama adalah 90 derajat out of phase (±30°). Fasa antara pembacaan horisontal (atau vertikal) pada kedua bearing adalah sefasa/in phase (±30°). Data fasa relatif stabil, perubahannya antara 15° - 20°. •
•
•
Static Unbalance
• • • •
1XRPM arah radial 1 plane balancing Beda fasa H-H dan V-V pada bearing DE dan NDE 00 Beda fasa antara V-H pada bearing yg sama 900 (±30°). 12
Couple Unbalance
• 1XRPM arah radial dan aksial • Two plane balancing • Beda fasa H-H dan V-V pada bearing DE dan NDE 1800 • Beda fasa antara V-H pada bearing yg sama 900 (±30°). 13
Dynamic Unbalance
• 1XRPM tinggi • Kombinasi antara static dan couple unbalance • Beda fasa radial berkisar antara 00 - 1800 • Two plane balancing • Beda fasa H-H V-V pada bearing DE dan NDE (±30°). • Beda fasa antara V-H pada bearing yg sama 900 (±40°). 14
Overhung Rotor
• 1XRPM arah radial dan aksial • Beda fasa aksial cenderung sefasa, fasa radial tidak steady • Kombinasi force dan couple unbalance • Two plane balancing 15
Unbalance
Unbalance
Misalignment
Misalignment Jenis Jenis Misalignment –
1. Angular Misalignment
2. Parallel Misalignment
Pada Umumnya keduanya muncul bersama-sama
Angular Misalignment
Amplitudo tinggi di 1X rpm (arah aksial) Beda fasanya 180 ° (arah aksial)
• •
Parallel Misalignment
• •
Amplitudo tinggi di 2X rpm (arah radial) Beda fasanya 180° (arah radial)
Misalignment
•
•
Amplitudo yang tinggi di 2xRPM menunjukkan adanya misalignment. Data waveform menunjukkan adanya 2 puncak (peak) untuk setiap putaran poros (garis vertikal pada waveform mewakili satu putaran poros).
Bent Shaft
Masalah bent shaft sering rancu dengan masalah misalignment dan unbalance.
Bent Shaft –
–
Bent Shaft menyebabkan munculnya amplitudo tinggi di 1xRPM pada arah aksial. Frekuensi dominan umumnya ada di 1xRPM (jika posisi bengkoknya dekat dengan posisi tengah poros), tetapidekat akan dengan dominankopling). di 2xRPM (jika posisi bengkoknya
Bent Shaft Pembacaan fasa di ujung-ujung poros pada arah aksial adalah 180 derajat out of phase.
Looseness
Mechanical Looseness •
Non Rotating (Structural) Looseness base mount split casings – – –
bearing caps bearings supports Rotating Looseness Impellers Fans Bearings couplings –
•
– – – –
Karakteristik Looseness •
•
Excessive clearance, misalnya pada bearing, akan menghasilkan harmonik dari 1xRPM bahkan harmonik dari 0,5xRPM (kondisi parah). Perbedaan amplitudo antara pembacaan horisontal dan vertikal sangat besar.
Karakteristik Looseness – –
Looseness mengakibatkan time waveform yang terpotong. Hasil pembacaan fasa tidak stabil dan bervariasi antara satu pengukuran dengan pengukuran yang lainnya.
Karakteristik Looseness Typical spectrum
Disebabkan oleh structural looseness dari tumpuan mesin, pondasi, baut yang kendor, deteriorated grouting, frame distortion.
Karakteristik Looseness Typical spectrum
Caused by loose pillowblock bolts, cracks in the frame structure or bearing pedestal
Rolling Element Bearing
Rolling Element Bearing Tahap kerusakan rolling element bearing : 1. Ultrasonic Frequencies 2. Natural Frequencies 3. Defect Frequencies & Harmonics 4. Random Broadband
Rolling Element Bearing Bearing Defect Frequencies : BPFI = Ball Pass Frequency Inner Race BPFO = Ball Pass Frequency Outer Race BSF = Ball Spin Frequency FTF =
Fundamental Train Frequency
Rolling Element Bearing I nn er r ace r otate and Outer r ace f i xed BPFI
Nb
2
BPFO
BSF
Nb
2
Pd
FTF
2 Bd S
2
x S x (1
Bd Pd
x S x (1
x S x [1 (
x (1
Bd Pd
x cos )
Bd Pd Bd Pd
RPM S FTF BPFI
x cos )
BPFO ) 2 x (cos ) 2 ]
x cos )
BSF Bd Nb Pd
= revolutions per minute = speed, revolutions per second = fundamental train (cage) frequency = ball pass frequency of the inner race = ball pass frequency of the outer race = ball spin frequency = ball or roller diameter = number of balls or rollers = pitch diameter
= contact angle
Rolling Element Bearing I nn er r ace f i xed and Ou ter r ace r otate BPFI
Nb
2
BPFO
Nb
2
x S x (1
Bd Pd
x S x (1
x cos )
Bd Pd
x cos )
RPM S FTF BPFI BPFO
BSF
Pd
FTF
2 Bd S
2
x S x [1
x (1
Bd Pd
(
Bd Pd
x cos )
) 2 x (cos ) 2 ]
BSF Bd Nb Pd
= revolutions per minute = speed, revolutions per second = fundamental train (cage) = frequency ball pass frequency of the inner race = ball pass frequency of the outer race = ball spin frequency = ball or roller diameter = number of balls or rollers = pitch diameter = contact angle
Rolling Element Bearing Tahap 1 - Ultrasonic Frequencies •
•
•
•
•
Level noise normal. Temperatur normal. Pengukuran dengan ultrasonik, spike energi meningkat. Overall vibrasi rendah. 10-20% umur bearing.
Rolling Element Bearing Tahap 2 – Natural Frequencies •
• •
•
•
•
Level noise sedikit meningkat. Temperatur normal. Pengukuran dengan ultrasonik, spike energi meningkat tajam. Overall vibrasi sedikit meningkat. Bearing frequency mulai terlihat dalam skala log. 5-10% umur bearing.
Rolling Element Bearing Tahap 3 Defect Frequencies & Harmonics –
• •
•
•
•
• •
Level noise terdengar. Temperatur sedikit meningkat. Pengukuran dengan ultrasonik, spike energi sangat tinggi. Overall vibrasi meningkat jelas. Bearing frequency dan harmonic diikuti sideband jelas terlihat . Noise floor mulai muncul. 1-5% umur bearing.
Rolling Element Bearing •
Stage 4
–
Random Broadband
•
•
•
•
• •
Level noise sangat jelas dengan irama yg bervariasi. Temperatur meningkat drastis. Pengukuran dengan ultrasonik, spike energi turun dan tiba-tiba meningkat drastis. dapat Overall vibrasi meningkat drastis dalam velocity dan displacement tetapi dalam acceleration menurun. Bearing frequency dan harmonic diikuti sideband jelas terlihat. Noise floor sangat dominan. 0.2% umur bearing.
Resonansi
Natural Frequency –
Natural frequency (frekuensi pribadi) adalah vibrasi bebas dari sistem vibrasi tanpa damping.
–
Setiap benda paling tidak memiliki satu buah frekuensi pribadi, sedangkan mesin yang kompleks memiliki lebih dari satu frekuensi pribadi. –
Frekuensi pribadi tidak akan menjadi masalah selama sistem tersebut tidak dieksitasi oleh vibrasi yang lain yang berfrekuensi sama dengan frekuensi pribadi sistem tersebut.
Natural Frequency Untuk sistem tanpa redaman dengan satu derajat kebebasan, frekuensi pribadinya bisa dicari dengan persamaan:
fn
1
2
k m
Dimana k adalah kekakuan dan m adalah massa.
Natural Frequency Cara sederhana untuk mencari frekuensi pribadi dari mesin/struktur adalah dengan Bump Test .
Peralatan : Transducer Hammer Data logger • • •
Resonansi –
–
Resonansi terjadi jika sistem dieksitasi oleh sumber vibrasi lain yang berfrekuensi sama dengan frekuensi pribadi sistem tersebut. Jika komponen yang bergetar adalah komponen berputar maka frekuensi pribadi sering disebut sebagai critical speed.
Resonansi Resonansi tidak mengakibatkan terjadinya vibrasi HANYA memperkuat amplitudo vibrasinya. –
–
Jadi bisa disimpulkan bahwa resonansi bukanlah suatu cacat pada mesin melainkan sifat dari mesin atau struktur. Oleh karena itu resonasi tidak menjadi masalah selama sistem tersebut tidak dieksitasi oleh sumber vibrasi lain yang berfrekuensi sama dengan frekuensi pribadi sistem tersebut.
Resonansi Aturan umum : Frekuensi pribadi setidaknya 20 % menjauh dari frekuensi eksitasi Jika frekuensi eksitasi mendekati frekuensi pribadi struktur akan mengakibatkan vibrasi dengan amplitudo tinggi
Resonansi Karena perbedaan karakteristik struktur untuk arah vertikal dan horisontal maka frekuensi pribadi akan berbeda untuk tiap-tiap arah tersebut. Oleh karena itu resonansi bersifat directional.
Resonansi Massa, kekakuan dan redaman adalah 3 parameter yang menentukan besarnya frekuensi pribadi dan amplitudo resonansi. 1. Menambah massa akan menurunkan frekuensi pribadi. 2. Menambah kekakuan akan menaikkan frekuensi pribadi. 3. Menambah redaman akan menurunkan amplitudo resonansi.
Resonansi Jika vibrasi mesin sama dengan atau mendekati frekuensi pribadi, maka ada 3 alternatif jalan keluar : 1. Menggeser forcing frequency menjauh dari frekuensi pribadi. 2. Menggeser frekuensi pribadi menjauh dari forcing frequency. 3. Menambah redaman untuk mengurangi amplification factor dari resonansi.
Gear and Gearboxes Vibration Analysis
Copyright of P.T Tiara Vibrasindo Pratama
Gear Analysis • Normal Gear Spectrum • Gear Tooth Wear • Tooth Load • Gear Eccentricity & Backlash • Gear Misalignment • Cracked or Broken Teeth • Assembly Phase Problems • Hunting Tooth • Loose Bearing Fit
Gear Analysis
Spur gears
Helical gears
Gear Analysis
Bevel gear
Worm gear
Prime Number Theory (Teori Bilangan Prima) • Bilangan prima : bilangan yang hanya bisa dibagi oleh 1 (satu) atau angka itu sendiri • Contoh bilangan prima : 1,2,3,5,7,11,13,17 dll • Jumlah pada suatu roda gigi dapat difaktorkan menjadigigi beberapa angka prima • Contoh, jika roda gigi mempunyai 10 gigi mempunyai faktor bilangan prima 1x2x5, sedangkan gear berjumlah 26 dapat difaktorkan menjadi 1x2x13
Prime Number Theory (Teori Bilangan Prima) • Jika pasangan roda gigi mempunyai faktor bilangan prima terbesar (Largest prime factor – LCF) yang sama sebesar 1, artinya satu gigi pada drive gear akan bertemu dengan setiap gigi pada driven gear sebelum gigi tersebut (drive gear) bertemu kembali dengan gigi pertama pada driven gear • Jika LCF lebih dari 1, maka gigi tersebut akan lebih sering bertemu. Akibatnya akan memperpendek umur roda gigi
Gear Mesh Frequency • GMF = (# gigi) X (putaran shaft) • (#T) x (RPM) = (#T) in
in
x (RPM) out
= GMF out
Perhitungan GMF – Single Stage • Sebuah gearbox single stage mempunyai gigi pada input shaft sebanyak 5 buah dan putarannya adalah 1500 RPM. Sedangkan gigi pada output shaft sebanyak 10 buah? • Berapa putaran output shaft? • Hitung GMF-nya? Input shaft Z1
output shaft ? Z2
GEARBOX DATA Z1 = 5 Z2= 10
Perhitungan GMF Zinput X RPMinput = Zoutput X RPMoutput 5 x 1500 = 10 X RPMoutput RPMoutput = (5 x 1500) / 10 = 750 RPM = 750/60 = 12,5 Hz ===== GMF = Zinput X RPMinput = 5 x 1500 = 7500 RPM atau = Zoutput X RPMoutput = 10 x 750 = 7500 RPM = 125 Hz.
Gear Analysis Mengetahui kerusakan gear: •
Gear mesh frequency – Selalu muncul, tidak tergantung kondisi gear – Amplitudonya akan bervariasi tergantung pada beban
•
Sideband – Sideband yang tinggi menandakan adanya masalah (lebih 1/3 dari main peak) – Sideband menunjukkan gear mana yang rusak dengan mengetahui spacing frequency-nya. – Frekuensi pribadi gear – Frekuensi pribadi gear di-eksitasi oleh kerusakan gear – Indikasi adanya masalah
•
Gear Analysis • Normal Gear Spectrum • Gear Tooth Wear • Tooth Load • Gear Eccentricity & Backlash • Gear Misalignment • Cracked or Broken Teeth • Assembly Phase Problems • Hunting Tooth • Loose Bearing Fit
Normal Gear Spectrum • Typical spectrum
• Gear yang normal menunjukkan adanya 1x dan 2x RPM, bersamaan dengan GMF.
Tooth Load •
Typical spectrum
•
GMF sangat sensitif terhadap beban.
•
Tingginya GMF tidak menandakan adanya masalah selama tidak ada sideband dan tidak ada frekuensi pribadi yang tereksitasi
Gear Tooth Wear • Typical spectrum
•
•
Indikasi adanya gear tooth wear adalah munculnya eksitasi dari frekeunsi pribadi gear, bersamaan dengan sideband di sekitarnya dengan jarak frekuensi sebesar putaran shaft dari gear yang rusak. Amplitudo GMF mungkin tidak banyak berubah, namun tingginya amplitudo sideband menandakan gear wear yang cukup parah
Gear Eccentricity, Backlash & non-parallel shaft • Typical spectrum
•
• •
Ditandai adanya amplitudo sideband yang tinggi di sekitar GMF menandakan adanya gear eccentricity, backlash atau non-parallel shafts yang memungkinkan putaran salah satu roda gigi “memodulasi” putaran roga gigi lainnya. Roda gigi yang bermasalah ditunjukkan oleh frekuensi side. Backlash yang tidak tepat biasanya akan mengeksitasi GMF dan frekuensi pribadi roda gigi, dengan ditandai adanya sideband. Amplitudo GMF akan turun atau naik terhadap besarnya beban jika mempunyai masalah backlash.
Gear Misalignment •
Typical spectrum
•
Gear Misalignment selalu menunjukkan harmonik GMF kedua dan seterusnya yang lebih tinggi dari pada 1XGMF dengan sideband apada putaran shaft. Sangat penting untuk men-sentup data logger setidanya 3XGMF.
Cracked or Broken Gear Tooth • Typical spectrum
• • •
Roga gigi yang cracked atau “gumpil” (broken) akan menghasilkan vibrasi yang tinggi di frekuensi 1x RPM, ia akan mengeksitasi frekuensi pribadi dengan sideband putaran shaft. Cara termudah adalah dengan melihat bentuk domain waktunya yang memperlihatkan puncak-puncak yang tajam. Waktu antar impak () berkaitan dengan 1/putaran yang mengalami masalah. Amplitudo dari impak di domain waktu akan jauh lebih besar daripada yang muncul di spektrum.
Fractional Gear Mesh •
Tergantung pda pola keausan yang terjadi dan besarnya LCF
•
Contoh, jika LCF = 1, yang muncul hanya GMF
•
Jika LCF = 2, ½ x GMF akan muncul jika terjadi keausan
•
Jika LCF = 3, 1/3 x GMF akan muncul jika terjadi keausan
Hunting Tooth Frequency (HTF) • Jika pada saat manufacturing tidak sempurna (ada cacat), akan muncul HTF • Muncul di subsyncronous / subharmonik • HTF = (GMF x LCF) / (#T
in
x #T out)
• Jika HTF muncul, biasanya amplitudonya sangat rendah dan mungkin sebagai sideband. PeakVue sangat powerful untuk mendeteksi kasus ini.
