## Optimasi Desain Struktur Rangka Dudukan Motor Mesin Pendingin Dengan Menggunakan Metode Elemen Hingga
Diana Kamaliyah Ichsan Teknik Metalurgi, Institut Teknologi Sains Bandung e-mail :dianakamaliyah038@gmail.com
Abstrak-Tujuan dari penelitian ini adalah  memberikan rekomendasi desain optimasi dalam hal penurunan nilai kecepatan getaran (vibration), perpindahan (displacement) dan tegangan von misess untuk rangka dudukan motor. Terdapat 2 metode yang dilakukan pada penelititan ini yang pertama adalah pengukuran aktual getaran kemudian dilanjutkan  optimasi desain dengan  menggunakan Metode Elemen Hingga (MEH). Dari hasil analisis diketahui nilai kecepatan getaran arah x sebesar 10.369 mm/detik dan 2.732 mm/s masing-masing untuk desain lama dan desain baru setelah modifikasi. Kemudian 0.143mm dan 0.052mm untuk deformasi sebelum dan sesudah di modifikasi diikuti dengan nilai stress von misses sebesar 21.17MPa dan 7.88MPa untuk desain lama dan desain baru. Dengan merujuk pada ( ISO1- 816-3:2009)  dapat diketahui bahwa mendesain  ulang rangka dudukan motor membuat tingkat getaran  berpindah  dari kategori D ke B yaitu “Tidak terbatas –istilah operasi diizinkan”.  Hal ini telah sesuai dengan standar yang diinginkan oleh perusahaan.
Kata Kunci- Desain optimasi, Metode Elemen Hingga (MEH), Kecepatan getaran ( vibration), Perpindahan (displacement) , Tegangan von misess
I. PENDAHULUAN eberapa  indikasi kerusakan akibat  getaran dan kebisingan pada mesin pendingin produksi telah dilaporkan dan terdeteksi menjadi masalah yang serius untuk keberlanjutan produksi dan keamanan operator. Observasi telah dilakukan untuk menemukan sumber getaran pada seluruh bagian mesin. Keterbatasan alat ukur getaran yang hanya bisa mengukur getaran pada tiap titik menjadikan observasi ini membutuhkan waktu yang lama [1].  Mesin pendingin produksi ini terdiri dari kipas (fan) yang berputar dengan bantuan motor.
Salah satu cara terbaik untuk menemukan masalah mekanis pada peralatan berputar (alat berputar) adalah dengan melakukan analisis getaran [2]. Getaran berlebihan dapat disebabkan oleh variasi beban, clearance, resonansi, masalah roda gigi, masalah kelistrikan, ketidakseimbangan, ketidaksejajaran, kerusakan bantalan, dan kelonggaran mekanis  [3].  Manfaat utama analisis getaran pada mesin adalah kemampuannya mendeteksi kerusakan sejak dini, sebelum kerusakan semakin parah dan memerlukan waktu henti yang tidak terjadwal [4].
Untuk mendapatkan hasil yang presisi, ketepatan pengukuran serta alat yang digunakan harus diperhatikan. Investigasi tentang pengukuran getaran aktual pada kompresor mesin pendingin dengan variasi rpm telah dilakukan dengan menggunakan alat getaran Lutron VB- 8202 dan aplikasi netigen vibrometer plus, nilai getaran
yang berbeda ditemukan [5].  Berbagai metode Numerik telah banyak tersedia, namun Metode Elemen Hingga (MEH) telah terbukti efektif dalam memecahkan masalah di bidang mekanika kontinyu. Metode ini akan melihat harga-harga  yang tidak diketahui secara bertahap. untuk mengetahui jumlah tegangan, regangan, dan defleksi yang terjadi pada struktur frame [6].
Sifat-sifat dinamik struktur yang digunakan oleh analisis numerik dan pengujian lapangan yang sebenarnya harus dibandingkan dan dikaitkan [7]. Terkait dengan penelitian dinamik tersebut maka penggunaan model elemen hingga menjadi sangat penting untuk memprediksi perilaku dinamika struktur dari suatu benda [8]-[12].
Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis dan memberikan  rekomendasi desain  optimasi  dalam hal penurunan nilai kecepatan getaran (vibration), perpindahan (displacement)  dan tegangan von misess.  Terdapat 2 metode yang dilakukan pada penelitian ini yang pertama adalah pengukuran aktual getaran menggunakan vibration meter [13] kemudian  dilanjutkan  optimasi desain dengan menggunakan ANSYS software 18.1. Dengan kedua metode tersebut diharapkan masalah getaran  pada mesin pendingin akan ditemukan solusi yang tepat.

## II.TINJAUAN PUSTAKA

## A. Getaran
Getaran paksa adalah getaran atau vibrasi yang disebabkan oleh gaya luar. Jika frekuensi rangsangan sama dengan salah satu frekuensi natural sistem, maka akan terjadi keadaan resonansi, yang dapat menyebabkan osilasi besar yang berbahaya. Sumber eksitasi harmonik termasuk ketidakseimbangan pada mesin yang berputar, gaya yang dibuat oleh mesin torak, atau gerak mesin itu sendiri. Getaran atau vibrasi yang dihasilkan oleh peralatan berputar, seperti motor, pompa, fan, dan sebagainya, akan menunjukkan apakah peralatan dalam kondisi yang baik atau sebaliknya. Dengan menggunakan peralatan yang dikenal sebagai vibrometer untuk melihat fenomena ini, orang dapat mengetahui lebih lanjut tentang apa yang menyebabkan anomali getaran, tentunya setelah memeriksa data gelombang yang ditangkap oleh vibrometer. Penyebab anomali getaran bisa dijelaskan sebagai berikut [14]:
a) Unbalance atau imbalance yaitu pergeseran titik pusat putarnya.
b)
Ketidaksejajaran yaitu getaran karena penyambungan poros yang tidak sejajar.
c) Variasi beban : pemberian beban yang tinggi pada

## B
mesin memberikan dampak getaran semakin tinggi d) Resonansi berhubungan dengan frekuensi diri (natural frequency) yang mana nilainya tidak boleh sama dengan putaran mesin. e)
Mechanical looseness hal ini bisa terjadi jika terdapat kerenggangan pada suatu mesin karena adanya kerenggangan baut, bantalan, keretakan di pondasi, kerenggangan Antara rotor dan poros dsb. f) Kerusakan pada gigi disebabkan oleh keausan pada roda gigi. g) Kerusakan pada bantalan: bantalan anti slip dan bantalan lengan adalah dua jenis bantalan yang rentan terhadap kerusakan. Antislip bantalan adalah ball dan roll bantalan, dan bantalan lengan adalah journal bantalan.
h)
Masalah pada kelistrikan hal ini biasanya hanya terjadi pada bagian generator dan motor listrik.
i) Gaya aerodinamis dan hidrolik  Gaya hidrolik terjadi pada aliran fluida seperti dalam pipa, katup, dan peralatan pompa, sedangkan gaya aerodinamis terjadi pada mesin rotasi karena pukulan blade dengan fluida.
j) Oil whirl dan oil whip: Vibrasi ini terjadi pada journal bantalan, serta mesin dengan sistem pelumasan minyak bertekanan. Mereka juga terjadi pada mesin putaran tinggi (di atas putaran kritis pertama).
k) Gesekan, juga dikenal sebagai "rubbing", adalah gesekan antara bagian yang berputar dengan bagian yang tetap. Gesekan ini dapat terjadi secara terputus-putus (intermitent) atau secara terus menerus (terus menerus) selama rotasi.
l) Penambahan (beat) hal ini dikarenakan adanya gaya-gaya yang terakumulasi dan saling mengurangi secara berulang.

## B. Perhitungan Gaya
Hukum I Newton : Jika kecepatan benda konstan atau jika jumlah vektor gaya yang bekerja padanya sama dengan nol, atau jika benda itu diam atau tidak ada gaya yang mempengaruhinya, maka resultan gayanya konstan. dihitung matematis dengan rumus sebagai berikut :
ΣF = 0 (1) Hukum II Newton: Percepatan yang dihasilkan oleh gaya yang bekerja pada benda berbanding lurus dengan besar gayanya dan berbanding terbalik dengan massanya. Hukum ini dirumuskan secara matematis sebagai berikut:
F = m.a (2) Dalam aplikasinya  persamaan hukum I dan II Newton dapat ditulis sebagai berikut : Persamaan gaya akibat percepatan gravitasi F = W = N = m.g (3) Dimana F  (gaya)(N)  ,  W  (gaya  berat)(N) , M (massa benda)(kg) , g (gravitasi (9.81 m/s 2 ) Daya momen inersia adalah daya yang dibutuhkan karena adanya momen inersia. Untuk mendapatkan daya ini, kita harus mengetahui besarnya momen inersia, kecepatan sudut, percepatan sudut, dan torsi.

## C. Perhitungan Nilai Getaran
Nilai vibrasi ( displacement ) yang diperoleh dari hasil pengukuran aktual kemudian dihitung dengan persamaan root mean square (rms) berikut :
xrms  = � 𝑋𝑋 1 2 +𝑋𝑋 1 2 +⋯ .. +𝑥𝑥𝑥𝑥 2 𝑥𝑥 (4)
Dimana : xrms : nilai root mean square (µm)
x : data vibrasi displacement motor  (µm) n : jumlah data selanjutnya nilai tersebut akan dibandingn dengan standar ISO 10816-3:2009 [15].

## III. METODE PENELITIAN

## A. Objek Penelitian
Objek penelitian ini adalah Production  Cooler di salah satu peralatan produksi gas alam yang terdapat di JOB Pertamina Medco E&P Tomori Sulawesi. Dengan ruang lingkup  simulasi  difokuskan  pada  analisis motor  mount (rangka dudukan motor) yang ditunjukkan pada Gambar 1
yang mana memiliki  indikasi dampak getaran yang tinggi selama pengukuran getaran aktual.
Gambar 1. Struktur rangka dudukan motor (m otor mount) mesin pendingin

## B. Langkah Pengukuran Aktual Getaran
Pengukuran aktual getaran dilakukan menggunakan alat vibration meter SKF pada 4 bagian yaitu motor frame, motor mount, main support leg dan gearbox housing . Dilakukan 3 kali pengambilan data untuk setiap bagian. Hasil dari  pengukuran adalah nilai velocity (satuan root mean square atau rms) dan displacement peak to peak (mm) dalam arah x,y dan z.  Pengukuran getaran aktual ini dilakukan dengan kondisi operasional pada Tabel 2.
Secara umum, langkah-langkah yang diambil untuk mengukur getaran adalah pertama melakukan konfigurasi peralatan yang akan diukur.  Kedua  mengidentifikasi dan memasukkan variabel awal ke dalam peralatan yang akan diukur. Ketiga melakukan pengukuran vibrasi 3 arah (x,yz).

## C. Langkah analisis Metode Elemen Hingga
Model ini diselesaikan dengan analisis struktural dinamis untuk  menentukan  tegangan Von Distribusi mises, kecepatan arah getaran, dan deformasi motor mount mesin pendingin. Model 3D pada Gambar 2 dibuat melalui ANSYS WORKBENCH 18.1 untuk selanjutnya dilakukan meshing dan simulasi Metode Elemen Hingga (MEH).
Struktur dudukan motor ( Motor Mount ) dengan desain bahan JIS G3101 SS400.  Sifat mekanik material disajikan
pada Tabel 1.
Langkah metode elemen hingga dapat dijelaskan secara singkat sebagai berikut: 1. Pembuatan model 3D 2. Tentukan kerangka simulasi 3. Membangun asumsi
4. Menentukan  beban  dan  penahan  ( boundary condition )
5. Metode meshing dan memperbaiki model 3D
6. Menerapkan  beban  dan  penahan  ( boundary condition ) pada model 3D
7. Menjalankan simulasi
8. Mendapatkan solusi sebagai tegangan, kecepatan dan deformasi arah x,y dan z.
Gambar 2. Model 3D struktur rangka dudukan motor mesin pendingin
Gambar 3. Hasil directional velocty (x axis) pada desain lama
Tabel 1. Sifat mekanik material JIS G3101 SS400 Ketebalan (mm) ≤16 >16≤40 >40≤100 >100 Tegangan luluh (≥MPa) 245 235 215 205 Tegangan Tarik Maksimum (MPa) 400-510 a. Data peralatan Tabel 2. Kondisi operasi pada beban normal Kipas Motor Kecepatan (rpm) 246 Daya (KW) 37 Torsi(N-m) 2895 Kecepatan (rpm) 1480 Thrust Load (N) 1063 Torsi (N-m) 239 Blade Angle (deg) 13.7 b. Kondisi Batas
Kondisi batas pada model terdiri dari beban dan penahan yang  diterapkan.  Kondisi operasional pada beban normal seperti ditunjukkan pada Tabel 2 yang kemudian dikonversi menjadi  gaya radial, gaya aksial dan  momen. ditunjukkan pada Tabel 3. Sisi bagian atas dari struktur Struktur motor
mount diasumsikan sebagai penyangga tetap ( fix support) dan itu ditampilkan sebagai warna biru. Warna merah menunjukkan  gaya  dan  momen  yang  diterapkan  pada bagian tertentu dari model.  Gambar 2 juga menunjukkan model 3D dari rangka dudukan motor yang telah diberikan kondisi batas.  Data  pada Tabel 3  diperoleh  dengan perhitungan  poros  kipas  untuk  menentukan momen dan gaya reaksi pada bearing sehubungan dengan  data operasional mesin pendingin produksi.

## IV.HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Data hasil pengukuran getaran dengan kecepatan dan unit pemindahan (displacement) di main support leg, motor mount, motor frame dan gearbox housing dapat dilihat pada Tabel 4 yang mana nilai aktual getaran terbesar terjadi pada motor frame  sebesar 13.1 mm/s yang mana jika kita mengacu pada ISO 10816-3: 2009 (Tabel A.2 Kelompok 2 rigid  kelas pendukung) batas zona A/B untuk kategori B Operasi jangka panjang tanpa batas diizinkan di kisaran 0 - 2,8 mm /s. Dan nilai 13.1 mm/s sudah sangat melebihi batas yang di izinkan. Jika kita mengacu pada spesifikasi GM untuk tingkat getaran maksimum yang diijinkan untuk motor listrik adalah 1,35 mm/s. Sedangkan untuk nilai aktual perpindahan (displacement) sebesar 0.26 yang mana nilai ini lebih besar dari nilai yang di izinkan berdasarkan API 661 Standar 2006 edisi 6 TH (Bagian 7.3.2 - Pengujian Getaran) menunjukkan amplitudo maksimum getaran dalam rentang kecepatan kipas           desain harus 0,15 mm (0,006 in) dari puncak ke puncak. Sehingga fokusan pada penelitian ini adalah desain optimasi rangka dudukan motor (Motor Mount) untuk mengurangi getaran yang terjadi yang diakibatkan oleh besarnya nilai getaran yang terjadi pada motor frame /casing motor).
Dari hasil Metode ELemen Hingga (MEH) diperoleh nilai yang disajikan pada Tabel 5. Hasil stress von mises dari Gambar 7 menunjukkan nilai stress yang masih besar dan dominan warna biru muda menunjukkan bahwa desain mengalami tegangan di bagian tesebut. Sedangkan untuk desain baru hasil optimasi (Gambar 8) menunjukkan desain yang sudah kokoh dengan hampir semua bagian rangka ditunjukkan warna biru tua. Untuk mengetahui bahwa peralatan yang diuji dalam kondisi baik, nilai getaran harus dibawah dari batasan yang telah ditetapkan oleh standard pengukuran getaran pada peralatan rotary machine yang umum digunakan pada industri yaitu ISO1-816-3 [16].  Dari hasil yang diperoleh dan dengan merujuk pada (ISO1-816- 3:2009) Gambar 9 dapat diketahui bahwa mendesain  ulang rangka dudukan motor membuat tingkat getaran  pindah dari kategori D ke B yaitu “Tidak terbatas –istilah operasi diizinkan”.  Hal ini telah sesuai dengan standar yang diinginkan oleh perusahaan.   Solusi ini didukung oleh penelitian Busono, Pranto tentang kondisi baseplate / plat dudukan motor dan rangka dudukan pompa memiliki potensi vibrasi terbesar. Hal ini didukung oleh beberapa faktor, salah satunya adalah bahwa pengukuran vibrasi tertinggi terjadi dalam arah tangensial dan bahwa pengukuran vibrasi pada plat dudukan memiliki hasil yang sangat besar  [17].  Sehingga dapat disimpulkan
memodifikasi plat dudukan motor merupakan solusi terbaik untuk mengurangi getaran pada mesin pendingin.
Penguatan rangka dudukan motor, dilakukan dengan cara mengganti ukuran rangka dengan material lebih tebal dan bagian bawah diberkan plat dasar tanpa jarak antara motor dan gearbox sehingga memberikan penguatan maximal pada bagian dasar. Material yang digunakan adalah  tetap menggunakan material sesuai desain lama yaitu  JIS
G3101 SS400. Dudukan motor dibuat menyatu dengan gearbox menggunakan pelat tebal 16mm, dan antara gearbox dan pelat pemasangan dilengkapi dengan pelat shim 22 mm untuk mempertahankan sumbu satu tingkat.
Hasil simulasi Meode Elemen Hngga di validasi dengan nilai displacement xyz pengukuran aktual getaran pada masing-masing bagian pada dudukan motor dengan nilai displacement xyz getaran hasil simulasi.
Tabel  3. Beban yang diterapkan Position Radial Force [N] Axial Force [N] Moment [N-m] Bearing bawah Fx = 370 - - Dudukan Gearbox - Fz = -2850 σm = 2895 Dudukan Motor (Bearing 1) Fz = 450 Fx = 2900 σm = 239 Dudukan Motor (Bearing 2) Fz = -420 Fx = 2900 σm = 239
Tabel 4. Rekaman aktual getaran dari mesin pendingin produksi
Gambar 4. Hasil directional velocty (x axis) pada desain baru hasil optimasi
Gambar 5. Hasil directional deformation (x axis) pada desain lama Gambar 6. Hasil directional deformation (x axis) pada desain baru hasil optimasi
Gambar  7.  Data hasil  tegangan  Von Misses  pada desain lama
Bagian Kecepat an RMS [mm/s] Standar nilai yang diizinkan Perpindahan ( Displacement) [mm] Nilai yang diizinkan ISO1-816-3:2009 (1) GM  Specification  V1.0- 1997 (2) API 661:2006 (3) Motor frame 13.1 Max 2.8 mm/s 1.35 mm/s 0.26 0.15 mm Motor mount 7.4 - 0.12 Main support  leg 1.6 - 0.03 Gearbox housing 5.9 - 0.33
Gambar  8.  Data hasil  tegangan  Von Misses  pada desain baru hasil optimasi V. KESIMPULAN
Dari hasil analisis diketahui nilai kecepatan getaran arah x sebesar 10.369 mm/detik dan 2.732 mm/s masing-masing untuk desain lama dan desain baru setelah modifikasi. Kemudian 0.143mm dan 0.052mm untuk deformasi sebelum dan sesudah di modifikasi diikuti dengan nilai stress von misses sebesar 21.17MPa dan 7.88MPa untuk desain lama dan desain baru. Dengan merujuk pada (ISO1- 816-3:2009)   dapat diketahui bahwa mendesain  ulang rangka dudukan motor dengan mengganti ukuran rangka yang lebih besar membuat tingkat getaran  pindah dari kategori D ke B yaitu “Tidak terbatas –istilah operasi diizinkan”.  Hal ini telah sesuai dengan standar yang diinginkan oleh perusahaan
Tabel  5. Nilai displacement pada pengukuran getaran aktual dan getaran hasil simulasi Bagian Getaran aktual Getaran hasil MEH Displacement (mm) Displacement (mm) x y z x y z Motor Frame 0,116 0,251 0,135 0,18 0,135 0,156 Motor mount 0,055 0,107 0,049 0,08 0,098 0,049 Gearbox 0,18 0,33 0,29 0,19 0,2 0,28 Main column 0,04 0,02 0,009 0,06 0,02 0,008 Tabel 6. Hasil Metode ELemen Hingga (MEH) untuk rangka dudukan motor  desain lama &    desain baru hasil optimasi
Kriteria Nilai yang  diizinkan Desain lama Desain baru (Optimasi) Kecepatan getaran arah sumbu-x Max2.8 mm/s ( ISO1-816-3:2009) 10.369 mm/s 2.732 mm/s Deformasi arah sumbu-x Max 0.15 mm (API 661:2006) 0.143 mm 0.052 mm Tegangan  Von Mises 400-510 MPa 21.17 MPa 7.88 Pa
Gambar 9. Standar ISO 10816-3 “Getaran Mekanis”

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Rayhan, Muhammad Arif, Ojo Kurdi, And Djoeli Satrijo. "Studi uji unjuk kerja alat pengujian vibration training systemtm 150:
Eksperimen bandul dan two mass absorber system." Jurnal Teknik Mesin 11.4 (2023): 201-204.
[2] Kurniawan,  Edi,  Wawan  Gunawan,  and  Achmad  Syarifudin. "Analisa  vibrasi main sea water pump dengan metode overall equipment effectiveness dan failure modes and effect analysis di PT. krakatau daya listrik." Journal of Industrial Engineering & Management Research 1.2 (2020): 238-251.
[3] Busono, Pranto. "Analisa penyebab terjadinya vibrasi pompa sistem pendingin sekunder pa-02 ap001."  Reaktor: Buletin Pengelolaan Reaktor Nuklir 18.1 (2021): 40-50.
[4] Alzaaim, Kallam Diaz. Rancang bangun test bed pengukuran alignment dan getaran studi kasus pergeseran 1 mm ke kanan dengan variabel beban poros 1-10 kg. diss. sekolah vokasi, (2023).
[5] Hidayat, Royan, and Galuh Renggani Wilis. "Analisis Getaran Pada Kompresor Mesin Pendingin dengan Variasi Putaran (RPM)." Engineering: Jurnal Bidang Teknik 8.2 (2017): 65-72.
[6] Abidin, Zainal, and Berthan Ridho Rama. "Analisa distribusi tegangan dan defleksi connecting rod sepeda motor 100 cc menggunakan metode elemen hingga." Jurnal Rekayasa Mesin Universitas Sriwijaya 15.1 (2015): 30-39.
[7] Setareh, Mehdi, and Shiqi Gan. "Vibration testing, analysis, and human-structure interaction studies of a slender footbridge." Journal of Performance of Constructed Facilities 32.5 (2018): 04018068.
[8] Osama, A., Adel, Y., Onur, A., Necati, C., Mustafa, G., Ozan, C., & Haiyang, Z. Dynamic Testing of a Laboratory Stadium Structure. (2016).
[9] Avci, Onur. "Retrofitting steel joist supported footbridges for improved vibration response." Structures Congress (2012).
[10] Avci, Onur. "Modal parameter variations due to joist bottom chord extension installations on laboratory footbridges." Journal of Performance of Constructed Facilities 29.5 (2015): 04014140.
[11] Avci, O., & Davis, B. A study on effective mass of one way joist supported systems. In Structures Congress 2015 . (2015) 852-863.
[12] Davis, Brad, and Onur Avci. "Simplified vibration serviceability evaluation of slender monumental stairs." Journal of Structural Engineering 141.11 (2015): 04015017.
[13] Mustaqim, Mustaqim. Rancangan bangun test bed pengukuran alignment dan getaran (studi kasus pergeseran 2 mm ke kanan dengan variabel beban poros 1-10 kg). Diss. Universitas Diponegoro, 2022.
[14] Berry, James E. "How to implement an effective condition monitoring program using vibration analysis." Technical Associates of Charlotte, PC (2002).
[15] Raintama, Rudolf Riandy, Glanny M. Ch Mangindaan, and Maickel Tuegeh. "Perhitungan Umur Motor 2x250 kW Pada Main Cooling Water Pump Di Unit 2 PT PLN PLTP Lahendong." (2024).
[16] Sianturi, Tambos August, Sindak Hutauruk, and Fiktor Sihombing. "Analisa  Kerusakan  Pompa  OCCWP  Pada  Pembangkit  Listrik Tenaga Uap 2 x 115 MW." (2021).
[17] Busono, Pranto. "ANALISA PENYEBAB TERJADINYA VIBRASI POMPA SISTEM PENDINGIN SEKUNDER PA-02 AP001." Reaktor: Buletin Pengelolaan Reaktor Nuklir 18.1 (2021): 40-50.