Jenis Getaran Pada Kapal – Getaran Mesin

Machinery Vibrations

Salah satu masalah yang paling umum dan ditakuti di kapal adalah tingkat getaran yang tinggi. Dua efek yang paling umum dalam getaran  di kapal adalah kelelahan struktural dan ketidak nyamanan awak / penumpang.

Di masa lalu, ada kapal-kapal yang telah dibuang selama bertahun-tahun karena tingkat getaran yang tidak dapat diterima, sehingga membuat mereka tidak aman untuk beroperasi. Jadi, selama bertahun-tahun, dengan penelitian oleh classification societies, banyak perbaikan telah dicapai dalam hal getaran laut. Teknik desain telah mengalami perubahan untuk memasukkan faktor-faktor yang terkait dengan pengurangan tingkat getaran selama bertahun-tahun.

Artikel ini bukan tentang dasar-dasar mekanika getaran. Ini adalah tentang kategori getaran di kapal, wawasan tentang asal mula setiap jenis getaran, dan teknik desain yang diadopsi untuk mencegahnya. Jadi, diasumsikan untuk selanjutnya bahwa dasar fundamental getaran harap perlu dibaca.

 getaran pada Kapal dikategorikan menjadi dua jenis :

  • Tipe 1 – Machinery Vibration
  • Tipe 2 – Hull Vibration
  1.  Machinery Vibration

Getaran ini berasal dari  mesin pada saat mesin sedang beroperasi. karena  mesin mempunyai bagian-bagian yang bergerak yang menginduksi frekuensi getaran . contoh bagian-bagian mesin yang bergerak didalam kapal saar beroperasi: mesin utama, poros penggerak, gearbox, baling-baling, pompa, mesin diesel generators,semuanya itu menimbulkan getaran.

oleh karena itu seorang desainer kapal diharuskan untuk  memahami bagaimana masing-masing mesin ini menyebabkan getaran, dan kemudian menciptakan metode/alat untuk menjaga safety level yang diijinkan.  Getaran Mesin dapat lagi dikategorikan menjadi tiga jenis, Tergantung pada sifat dari getaran:

  • Torsional Vibration.
  • Axial or Longitudinal Vibration.
  • Lateral Vibration
  • Torsional Vibration.

Sistem propulsi utama kapal Terdiri dari mesin utama, yang terhubung ke baling – baling yang dihubungkan oleh poros. dan Poros bukan komponen tunggal. Biasanya, poros laut Terdiri dari sebuah intermediate shaft dan propeller shaft yang dihubungkan oleh  coupling flanges. contoh-contoh koneksi disystem ini seperti: coupling flanges, thrust block, engine connection flange,  dan sistem  silinder piston pada main engine yang menciptakan torsi pada saat poros berputar . Dengan kata lain, gerakan berputar dari main engine Menciptakan ‘excitation’.  untuk analisis getaran menjadi sebuah kombinasi serangkaian poros dan baling-baling, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah:

vibration 1

Figure 1:Main Propulsion system as a combination of shafts and discs

Sistem shaft dan propeller disc di atas disimpulkan dari sistem propulsi yang diusulkan pada sebuah kapal yang akan dirancang, dan digunakan untuk menghitung natural torsional frequency dari sistem propulsi. Tugas perancang adalah memilih main engine sehingga natural frequency main engine pada MCR-nya tidak berada dalam 5% dari frekuensi torsi alami dari seluruh sistem propulsi. Atau dengan kata lain, pendekatannya bisa digeneralisasi secara umum, bahwa ‘excitation’ harus diminimalkan agar tidak terjadi resonansi. Menurut speed range di mana resonansi torsi akan terjadi, menetapkan speed range yang dilarang, sehingga speed rangenya  dihindari selama pelayaran. Jika itu tidak ditangani maka akan mengakibatkan kegagalan torsi pada poros.

  • Axial or Longitudinal Vibration:

Salah satu kasus yang paling menarik dalam getaran mesin , dan mungkin yang paling mungkin menyebabkan getaran paksa ( forced vibration ) adalah getaran aksial dari sistem propulsi. Seperti yang kita lihat sebelumnya, untuk menganalisis kasus getaran penting untuk mengidentifikasi eksitasi (excitation) jenis getaran tertentu. Mode aksial getaran adalah membuat sistem propulsi berperilaku seperti tingkat ganda horizontal (horizontal multiple degree) dari freedom spring-mass system. Jadi, sistem propulsi pada gambar satu, dapat direduksi menjadi sistem seperti ditunjukkan di bawah pada Gambar 2.

vibration2

Figure 2: Multiple DOF Vibration System of Propulsion System

Sekarang, untuk sementara, mari kita mengalihkan perhatian dari sistem ini dan fokus pada pengoperasian propeller. gaya Dorong yang dihasilkan oleh propeller tergantung pada kecepatan kejadian air (water incident) pada propeller ( disebut wake). Kini, karena lengkungan lambung di buritan, wake propeller itu tidak seragam dengan air laut. Artinya, wake di bagian atas propeller berbeda dengan wake di bagian bawah propeller. Untuk mendapatkan ide yang lebih baik tentang variasi wake, ikuti Gambar 3. Ini menunjukkan variasi wake pada berbagai sudut di sekitar propeller. Diagram ini hanya untuk jarak tertentu dari pusat propeller (diperlihatkan dengan warna biru). Jadi harus dipahami dengan baik, bahwa wake untuk setiap jarak dari pusat propeller disc akan memiliki grafik yang berbeda.

Figure 3: Variation of wake on a propeller

Figure 3: Variation of wake on a propeller

 yang  maksud dari diagram di atas adalah, bila blade dari propeller berada pada posisi 0 derajat, kecepatan air ke arahnya berbeda dari kecepatan air ke blade yang sama bila diputar hingga posisi 90 derajat. Dan variasi ini terus berlanjut sepanjang satu setengah putaran propeller. Sebagai hasil dari ini, thrust yang dihasilkan oleh blade pada posisi 0 derajat akan berbeda dari thrust yang dihasilkan oleh blade yang sama pada 90 derajat dan 180 derajat. Dan ini diulang dengan setiap revolusi, yang berarti bahwa  thrust yang dihasilkan oleh propeller bersifat periodik, yang biasa disebut sebagai dorongan bolak-balik ( alternating thrust). Dan thrust periodik menjadi gaya (forced) yang menarik untuk getaran aksial dari sistem propulsi.

Frekuensi eksitasi baling-baling adalah (Propeller RPM x Jumlah blade). Untuk menghindari resonansi, perancang harus memastikan yang paling utama adalah nature frequencies pada getaran aksial dari sistem main propulsion (ditunjukkan pada gambar 2) paling sedikit 5%  dari frekuensi eksitasi propeller ( propeller excitation frequency).

  • Lateral or Transverse Vibration:

Mode getaran ini terjadi pada arah tegak lurus terhadap axis rotasi pada shaft. ntermediate dan tail shafts dapat dianggap sebagai balok(beam), dengan bantalan poros sebagai titik pendukungnya.

apabila shaft bengkok maka pusat gravitasi shaft tidak sesuai dengan garis tengah ideal (alligment) dari poros, oleh karena itu ketika poros berputar maka gaya sentrifugal pada pusat gravitasi akan menyebabkannya shaft bergeser lebih jauh dari garis tengah yang ideal. , Menghasilkan gerakan getaran yang disebut whirling of shafts. Jumlah dan jarak antara bantalan dan poros adalah faktor penentu terjadinya getaran mode ini, selama tahap perancangan.

Figure 4: Effect of Bending on motion of a shaft

igure 4: Effect of Bending on motion of a shaft

Perhatian harus diambil oleh perancang bahwa natural frekuensi dari mode lateral  getaran (lateral mode of vibration) pada  shaft  tidak sesuai dengan frekuensi natural mesin. Dalam kasus seperti itu, resonansi akan menghasilkan  putaran yang ekstrem, yang akan menyebabkan porosnya pecah dan menyebabkan kerusakan atau kecelakaan.

Juga, ketika engine sebuah kapal dihidupkan, dan kecepatannya meningkat secara bertahap, tiba saatnya ketika seseorang merasakan getaran maksimum di kapal selama beberapa saat. Itu karena, di sana saat putaran tinggi, tibalah titik di mana RPM mesin bertepatan dengan putaran frekuesi natural pada shaft. Kecepatan / RPM seperti itu harus dihindari dengan hati-hati. Kecepatan ini disebut Critical Speed, atau Barred Speed ​​Range. Sebuah kapal tidak pernah dioperasikan pada kisaran kecepatan ini, dan saat melaju kencang, rentang kecepatan ini harus dilalui secepat mungkin sehingga mencegah getaran poros berkepanjangan.

Sekarang, untuk memvisualisasikan sumber putaran dengan kejernihan tambahan, mari kita hubungkan ke Gambar 4 dan 5. Gambar 5 menunjukkan penampang batang pada pertengahan putaran setelah bending terjadi.

Figure 5: Eccentricity between CG and CL of shaft during whirling.

Figure 5: Eccentricity between CG and CL of shaft during whirling

Sekarang, ketika poros berputar, pusat gravitasi tidak akan bertepatan dengan garis tengah poros, menghasilkan lintasan yang berbeda dari pusat gravitasi poros seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.

Figure 6: Orbits of CG of shaft for different modes of whirling (Source: ShaftDesigner)

Figure 6: Orbits of CG of shaft for different modes of whirling (Source: ShaftDesigner)

Perancang kapal harus mengetahui dengan baik sumber getaran berputar sehingga bisa mengambil tindakan proaktif.  akan membahasnya secara singkat di bawah ini:

Propeller Fluctuating Loads:

Seperti yang telah kita lihat sebelumnya, variasi wake ke propeller, gaya dorong efektif (effective thrust) yang disediakan oleh propeller tidak selalu berada di sepanjang pusat garis poros (shaft centreline), namun dalam beberapa sudut terhadap garis tengah poros(shaft centreline). dapat menimbulkan bending stress pada shaft pada saat berputar. Juga, karena sudut antara thrust  dan centerline propeller berubah secara berkala, variasi dari berbagai mode putaran dapat diamati.

Untuk mengatasi masalah ini, poros sudah pre-aligned sehingga dalam kondisi operasi pada efek ini diminimalkan.

Diesel Engine Excitation:

gerakan dari bagian-bagian mesin sebagai sumber utama eksitasi untuk putaran (whirling). The gas pressures in the engine act as exciting forces. The radial components of the gas pressure are responsible for the whirling vibrations, whereas, the tangential components are responsible for torsional vibration.

The data of gas pressure in engines are provided by engine manufacturers, and the shafting system is designed with the data in consideration.

Shaft Alignment Errors:

jika centrelines pada shaft coupling flanges Tidak secara hati-hati menempatkan saat shaft alignment di galangan kapal, hal itu dapat mengakibatkan hilangnya kontinuitas axis rotasi pada shaft.

cacat  lain pada kopling pada saat berputar adalah ketika semua baut kopling melalui coupling flanges tidak dikencangkan secara ketat pada tingkat yang sama, menyebabkan ketidakseimbangan sudut antaracoupling flanges. Kesalahan semacam itu akan merangsang mode eksitasi putaran yang pertama, dan harus dihindari dengan praktik pembuatan kapal yang tepat.

 

Manufacturing Defects in Gearing System:

perakitan dan pemasangan yang benar diperlukan untuk menghindari putaran yang diinduksi dari gearing yang tidak semestinya. Cacat semacam itu sering menimbulkan mode berputar frekuensi tinggi (high frequency). Tapi ini adalah sesuatu yang perlu diperhatikan dalam tahap konstruksi, dan tidak dapat dipertimbangkan dalam analisis getaran pada saat tahap perancangan.

 

A Quick Question: What steps must a designer take if the propeller excitation frequency lies within the first few natural frequencies of longitudinal vibration of main propulsion system?

 

 

 

Know your Study Program

What Is Marine Engineering?

Marine Engineering atau yang kita kenal disini sebagai Teknik Sistem Perkapalan  adalah bidang ilmu yang mencakup berbagai macam bidang ilmu. kenapa?

1. Mechanical Engineering

biasanya terbagi atas 2 bidang ilmu:

  • Dynamic Force (Gaya Dinamis)
  • Static Force (Gaya Statis)

Mechanical Engineering mencakup desain dan penerapan pada setiap bagian yang bergerak pada motor dan mesin (engine and mechine) antara lain adalah linkage mechanism yang mana juga digunakan pada sistem robotika. Untuk penerapannya dalam Teknik Sistem Perkapalan, Mechanical Engineering diterapkan pada beberapa bagian pada yang bergerak dalam engine (Main Engine dan Aux. Engine), Propulsion System, Steering System dan beberapa alat yang digunakan dalam pengoperasian diatas kapal (crane, ancor wiring, safety boat launch system, etc). bahkan dasar dan pengembangan Mechanical Engineering pun digunakan pada sebuah galangan perkapalan (docking shipyard).

 

2. Material Science

Material Science merupakan bidang ilmu yang mempelajari tentang material termasuk mendesain, menemukan dan menerapkan material baru atau yang sudah ada dengan penekanan pada zat padat (logam, plastik, kayu, dan lain-lain). Untuk penerapannya dalam Teknik Sistem Perkapalan Material Sciene merupakan dasar untuk mengetahui sifat dan penyusunan struktur atom pada material yang akan digunakan atau sudah digunakan pada kapal maupun komponen penunjang pada kapal tersebut. Disini juga akan diarahkan bagaimana kita mencegah atau menanggulangi kegagalan pada material termasuk tingkat korositas (corrosion rate).

 

3. Welding Engineering

Welding Engineering mempelajari tentang teknik penyambungan material, dalam hal ini cara pengelasan, persiapan pada saat pengelasan, pengenalan tipe dan penggunaan alat las, tipe material dan electroda yand digunakan pada saat pengelasan bahkan diarahkan bagaimana nanti menjadi seorang welder maupun welding surveyor namun hal tersebut belum cukup bila tidak adanya penguasaan praktek dan pengalaman langsung di lapangan pekerjaan.

 

4. Power Plant Engineering

Power Plant Engineering mencakup desain dan penerapan bahkan menemukan sistem pembangkit yang belum ada. Untuk spesifik mengarah pada sistem pembangkit dalam hal ini sistem pembangkit tenaga awal maupun listrik pada kapal maupun galangan kapal (Main Engine, Generator power plant dan Electrical power source).

 

5. Electrical Engineering

Electrical Engineering mencakup tentang desain, penerapan dan pengembangan sistem instalasi kelistikan pada kapal maupun galangan kapal, dalam bidang ilmu ini kita diarahkan tidak hanya desain dan penerapannya. Seorang Electrical engineering dituntut mampu memecahkan masalah dalam keterbatasan sebuah sistem kelistrikan karena kenyataan yang terjadi di lapangan pekerjaan tidak hanya sebatas yang seperti kita ketahui dalam hal ini arus searah, bolak balik, rangkaian paralel, seri, two phase, three phase dan perhitungan rumus. maka dari itu perlu adanya self learning dalam hal ini penambahan pengetahuan pada electrical control system.

 

6. Chemical Engineering

Chemical Engineering melingkupi kesetimbangan energi, struktur penyusun atom dalam hal ini komposisi bahan bakar, hasil dari gas buang bahan bakar, pengukuran densitas fluida, reaksi kimia bahan bakar juga reaksi eksotermis dan endotermis.

 

7. Enviromental Engineering

Enviromental Engineering mempelajari tentang pengendalian lingkungan juga cara mengatasi dan mengolah sewage yang dihasilkan oleh kapal dan beberapa hal lainnya yang mencakup dengan alat dan sistem kerja sebuah pengolahan limbah pada sebuah kapal.

 

8. Design

Seorang Marine Engineering dituntut harus mampu menguasai gambar, dalam hal ini gambar manual maupun gambar dengan menggunakan program komputer. Maka dari itu perlu adanya penguasaan spesifik dalam gambar karena gambar merupakan sebuah bahasa dalam dunia engineering. Untuk hal ini ada beberapa program komputer yang digunakan untuk desain dan kita dituntut untuk fasih menggunakannya antara lain:

  • Autodesk Autocad
  • Autodesk Inventor
  • Ansys
  • Maxsurf
  • Solidworks

 

9. Management

Management tidak hanya dipelajari oleh orang ekonomi saja. Dalam Teknik Sistem Perkapalan juga kita belajar bagaimana mengelola dan menghitung biaya keseluruhan, mulai dari penggunaan material dan setiap komponen pendukung pada pembangunan sebuah kapal baru dan juga termasuk biaya yang akan di keluarkan pada saat repair sebuah kapal. Maka dari itu hal tersebut perlu kita pelajari karena setiap hal mulai dari man power, time, dan material pada saat kapal docking merupakan uang.

 

10. Piping Engineering

Piping Engineering melingkup keseluruhan sistem perpipaan yang ada pada sebuah kapal maupun galangan. hal-hal yang dipelajari biasanya mencakup dimana sistem perpipaan itu digunakan, tipe pompa yang digunakan (sistem pipa ballast, sistem pipa bahan bakar, sistem pipa pelumas dan sistem pemadam kebakaran), penggerak mula pompa tersebut(electrical dan mechanical), sambungan pada pipa atau fitting juga perhitungan dan desain dari sistem perpipaan tersebut.

 

11. Statistika

Kita belajar tentang keandalan suatu sistem. Dimana keandalan itu sendiri bisa di analisa melalui distribusi normal, eksponensial, dan lain-lain. kita juga diajari bagaimana memulai risk asestment, metode NUMECA, FMEA, FMECA.

 

12. Rules

Rules merupakan suatu aturan yang menjadi patokan layak tidaknya sebuah desain atau pekerjaan yang telah dilakukan. Rules yang biasanya dalam Teknik Sistem Perkapalan  biasanya berpatokan pada Biro Klasifikasi Indonesia (BKI) dan juga beberapa Biro klasifikasi internasional (Germaniscer Lloyd (GL), Lloyd Register Of Shipping (LR), Burepu Veritas (BV), Det Norske Veritas (DnV), Isthmus Bureau Of Shipping (IBS) dan Nippon Kaiji Kyokai (NK))