Pengertian Amplitudo Getaran: Metode Kuantifikasi Ukuran Getaran Suatu Benda

Seperti yang telah kita singgung sedikit pada artikel sebelumnya, vibrasi pada suatu partikel atau benda lebih banyak yang bersifat merusak. Getaran dapat membuang energi dan menciptakan ketidakseimbangan, gesekan, dan kegagalan dalam perangkat mekanik. Tak ayal getaran menjadi salah satu permasalahan yang sangat dihindari di dunia industri, terutama pada mesin-mesin yang melibatkan proses putaran tinggi seperti pompa, kipas, kompresor, hingga turbin dan generator. Sebagian peralatan tersebut secara rutin dilakukan pengukuran vibrasi menggunakan sensor vibrasi portabel. Namun pada peralatan yang membutuhkan data vibrasi secara langsung (real time), sensor vibrasi dipasangkan secara permanen untuk terus memonitor nilai vibrasi yang terjadi. Tak jarang nilai vibrasi yang direkam secara langsung tersebut berhubungan langsung dengan sistem proteksi alat terkait.

Sebelum kita beranjak lebih lanjut membahas bagaimana sebuah sensor vibrasi bekerja (kita bahas di artikel selanjutnya), kita harus memahami lebih dahulu beberapa karakteristik getaran. Ada tiga parameter yang dijadikan patokan untuk membedakan antara getaran yang satu dengan yang lainnya, mereka adalah amplitudo, frekuensi, dan fase. Frekuensi getaran adalah jumlah getaran ysng terjadi tiap satuan waktu (detik dalam Standard Internasional). Parameter ini ditunjukkan dengan satuan Hertz (Hz). Fase getaran menunjukkan arah gerakan siklus getaran yang terjadi. Parameter ini membantu kita dalam menentukan lokasi relatif komponen yang bergetar terhadap komponen yang lain.

Sedangkan amplitudo adalah jarak antara titik terjauh gelombang getaran dengan posisi setimbangnya. Amplitudo lebih kita kenal sebagai karakteristik yang menunjukkan seberapa kuat getaran terjadi. Semakin tinggi amplitudo, menunjukkan semakin kuat getaran yang terjadi.

Amplitudo menjadi fokus pembahasan kali ini, karena salah satu metode kuantifikasinya sudah mencakup nilai frekuensi getaran. Berikut adalah metode-metode kuantifikasi amplitudo getaran:

  1. Nilai Puncak-ke-Puncak (Peak-to-Peak)
    Nilai amplitudo puncak-ke-puncak penting karena menunjukkan ekskursi maksimum gelombang. Kuantitas ini berguna untuk, misalnya, mengetahui perpindahan bagian mesin akibat getaran yang sangat penting untuk menghitung tegangan maksimum material mesin.
  2. Nilai Puncak (Peak)
    Nilai puncak sangat berguna untuk menunjukkan tingkat guncangan durasi pendek. Namun, seperti dapat dilihat dari gambar, nilai puncak hanya menunjukkan tingkat maksimum getaran yang terjadi di satu titik waktu tertentu.
  3. Nilai Rata-rata (Average)
    Nilai amplitudo rata-rata sudah memperhitungkan durasi waktu getaran yang terjadi. Tetapi dianggap memiliki fungsi yang terbatas karena pada perhitungannya nilai negatif pada gelombang sinusoidal getaran seakan meniadakan yang positif.
  4. Nilai RMS(Root Mean Square)
    Nilai RMS adalah nilai amplitudo yang paling relevan karena selain saja memperhitungkan waktu, metode perhitungan RMS yang mengkuadratkan nilai negatif gelombang sinusoidal getaran, memberikan nilai amplitudo yang lebih aktual. Nilai amplitudo RMS memberikan informasi nilai kandungan energi pada getaran, sebuah parameter yang berkemampuan destruktif bagi komponen mesin.

Credit: Measuring Vibration, Vibration Amplitude Measurement

Pengertian Vibrasi/Getaran

Pengertian Vibrasi - Vibrasi atau getaran adalah gerakan bolak-balik partikel atau benda dari posisi ekuilibriumnya. Gerakan bolak-balik tersebut bisa secara periodik, atau juga acak. Getaran periodik bisa kita temukan pada pendulum menggantung, yang sekalipun menurut Anda itu hanya goyangan perlahan, gerakan bolak-balik pendulum tersebut sudah masuk ke dalam kategori getaran. Sedangkan getaran acak dapat Anda temukan pada roda mobil yang sedang berjalan di jalanan rusak.

Dalam beberapa kasus, getaran dapat bersifat menguntungkan. Seperti dengan buluh dalam alat musik tiup kayu, atau getaran pegas mobil yang memang didesain untuk menyerap ketidakrataan jalanan, sehingga getaran yang diakibatkan tidak merambat ke komponen mobil yang lain. Namun dalam banyak kasus, getaran itu merusak. Getaran dapat membuang energi dan menciptakan ketidakseimbangan, gesekan, dan kegagalan dalam perangkat mekanik.

Studi mengenai getaran dan suara sangat erat kaitannya. Gelombang suara dihasilkan oleh struktur yang bergetar. Gelombang tekanan ini juga menginduksi getaran struktur atau sistem. Upaya untuk mengurangi kebisingan yang tidak diinginkan umumnya terkait dengan masalah getaran.

Getaran dapat diklasifikasikan menjadi tiga, yakni:

  1. Getaran Bebas
    Getaran bebas terjadi ketika sistem mekanis dibuat bergerak (bergetar) dengan hanya dikenai sebuah inputan awal dan dibiarkan bergetar dengan bebas. Contoh dari jenis getaran ini adalah menarik bandul pendulum ke salah satu sisi dan membiarkannya mengayun, atau memukul garpu tala dan membiarkannya berdering. Sistem mekanis bergetar pada satu atau lebih frekuensi alami dan diredam hingga berhenti bergerak.
  2. Getaran Paksa
    Getaran paksa adalah ketika gangguan yang berubah waktu (beban, perpindahan atau kecepatan) diterapkan pada sistem mekanis hingga bergetar. Gangguan dapat berupa input periodik dan steady-state, input transien, atau input acak. Input periodik dapat berupa gangguan harmonik atau non-harmonik. Contoh dari jenis getaran ini adalah mesin cuci yang gemetar karena ketidakseimbangan, getaran transportasi yang disebabkan oleh mesin atau jalan yang tidak rata, atau getaran bangunan selama gempa bumi.
    Untuk sistem linier, frekuensi respon getaran steady-state yang dihasilkan dari aplikasi periodik, masukan harmonik sama dengan frekuensi gaya atau gerakan yang diterapkan, dengan besaran respon bergantung pada sistem mekanis yang sebenarnya.
  3. Getaran Teredam
    Getaran teredam terjadi ketika energi sistem getar secara bertahap dihamburkan oleh gesekan atau resistensi lainnya. Getaran secara bertahap dikurangi atau diubah frekuensinya atau intensitasnya, hingga berhenti dan sistem berada pada posisi kesetimbangannya. Contoh dari jenis getaran ini adalah suspensi kendaraan yang dilengkapi dengan shock absorber.

Credit: Wikipedia: Vibration, The Basic of Vibration

Perhitungan Excess Air Proses Pembakaran

Jumlah udara yang dibutuhkan untuk membakar sempurna sejumlah bahan bakar, dapat dihitung secara teoritis menggunakan prinsip-prinsip dasar stoikiometri (simak artikel berikut). Dengan kata lain, jika setiap molekul bahan bakar tepat melakukan kontak reaksi kimia dengan oksigen dalam udara, maka keseluruhan bahan bakar pasti terbakar, dan tidak akan ada sejumlah tertentu udara berlebih (excess) yang terbuang begitu saja. Namun kenyataan yang terjadi tidaklah demikian. Molekul-molekul bahan bakar tidak mampu 100% bertemu langsung dengan oksigen yang ia butuhkan untuk terbakar. Dibutuhkan sejumlah udara berlebih untuk memastikan semua molekul bahan bakar dapat terbakar dengan sempurna. Inilah yang kita kenal dengan istilah excess air (baca artikel berikut).

Berapa jumlah excess air yang tepat bagi sebuah proses pembakaran?

Menentukan jumlah excess air reaksi pembakaran pada boiler tergantung dari beberapa faktor utama seperti jenis bahan bakar, desain boiler, desain burner, dan beban boiler. Umumnya, boiler dengan bahan bakar batubara menggunakan excess air sebanyak 15% hingga 30%. Untuk boiler dengan bahan bakar gas ataupun minyak bumi, membutuhkan jumlah excess air yang lebih sedikit. Boiler berbahan bakar gas membutuhkan excess air sebanyak 5% hingga 10%, sedangkan boiler berbahan bakar minyak bumi membutuhkan excess air sebanyak 3% hingga 15%. Kondisi ini menunjukkan bahwa bahan bakar fasa gas dan cair lebih mudah tercampur dan bereaksi dengan oksigen, dibandingkan dengan bahan bakar fasa padat.

Seberapa besar beban boiler memberikan dampak besar pula bagi kebutuhan excess air. Ukuran desain diagonal ruang bakar boiler harus mampu menanggung debit aliran gas ketika boiler dalam beban penuh. Kondisi berkebalikan terjadi ketika beban boiler lebih rendah, dimana debit aliran gas menurun sehingga pencampuran bahan bakar dengan udara menjadi lebih sulit. Oleh karena itulah ketika beban boiler di bawah beban penuh, jumlah excess air yang dibutuhkan menjadi lebih banyak untuk menjamin terjadi proses pembakaran sempurna. Pada boiler batubara misalnya, pada beban 50% dibutuhkan excess air dua kali lebih banyak daripada ketika beban 100%.

image

Sekalipun excess air penting untuk memastikan terjadinya pembakaran sempurna, sejumlah excess air berdampak buruk bagi efisiensi boiler. Semakin tinggi jumlah excess air akan semakin banyak pula energi panas hasil pembakaran yang terbuang percuma mengikuti gas buang. Oleh karena itulah, dilihat dari sisi efisiensi, jumlah excess air harus dijaga serendah mungkin.

Untuk menjaga excess air tetap dinilai optimumnya, boiler modern sudah dilengkapi sensor jumlah oksigen dan karbon monoksida di sisi gas buang boiler. Kedua parameter ini dapat menjadi dasar untuk menjaga jumlah excess air agar tetap di level optimum sepanjang waktu operasional boiler.

Perhitungan Excess air

Mari kita gunakan contoh data batubara pada artikel sebelumnya sebagai berikut:

Dimana persamaan reaksi pembakaran stoikiometrinya adalah sebagai berikut:

CH0,74O0,061N0,018S0,026 + 1,211(O2 + 3,762N2) → CO2 + 0,37H2O + 0,026SO2 + 4,565N2

Selanjutnya jika ditentukan boiler menggunakan excess air sejumlah 15%, maka reaksi kimia pembakaran menjadi seperti berikut:

CH0,74O0,061N0,018S0,026 + 1,393(O2 + 3,762N2) → CO2 + 0,37H2O + 0,026SO2 + 5,24N2 + 0,212O2

Dari persamaan kimia di atas maka kita dapat hitung berapa persentase excess oksigen di gas buang boiler:

O2 excess = \dfrac {0,212}{1+0,37+0,26+5,24+0,212}\times 100\%

O2 excess = 3,096%

Sedangkan air-fuel ratio terkoreksi menjadi:

AFR = \dfrac {1,393\left( 32+3,762\times 28\right)}{12+1\times 0,74+16\times 0,061+14\times 0,018+32\times 0,026}

AFR = 12,926

Free ebook: Combustion Air Requirements for Power Burner Appliances