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
- 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:
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.
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
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.
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
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)
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?