PENGEMBANGAN METODE PENSKALAAN UNTUK MEMPREDIKSI RESPON FREKUENSI DARI SISTEM POROS-ROTOR DISERTASI Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor dari Institut Teknologi Bandung Oleh DYAH KUSUMA DEWI NIM: 33116003 (Program Studi Doktor Teknik Mesin) INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG Februari 2023 i ABSTRAK PENGEMBANGAN METODE PENSKALAAN UNTUK MEMPREDIKSI RESPON FREKUENSI DARI SISTEM POROS-ROTOR Oleh DYAH KUSUMA DEWI NIM: 33116003 (Program Studi Doktor Teknik Mesin) Mesin rotasi merupakan mesin utama yang digunakan dalam industri. Mesin jenis ini kehandalannya ditentukan sejak proses desain. Dalam proses desain diperlukan validasi berdasarkan eksperimen untuk memastikan bahwa produk yang akan dibuat memiliki karakteristik dinamik sesuai yang diinginkan. Namun, validasi secara eksperimen pada produk dengan dimensi yang sebenarnya sulit dilakukan karena kendala biaya, keamanan dan kesulitan dalam mengontrol eksperimen. Untuk itu, diperlukan metode penskalaan agar pengujian cukup dilakukan pada model dengan skala yang diperkecil. Oleh karena itu, penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan metode penskalaan yang dapat memprediksi karakteristik dinamik mesin rotasi skala penuh. Selain itu, faktor-faktor yang mempengaruhi karakteristik FRF (Fungsi Respon Frekuensi) diharapkan juga dapat diidentifikasi. Penelitian ini diawali dengan penurunan persamaan faktor penskalaan dari persamaan gerak sistem poros-rotor yang tidak tersambung dengan kopling. Parameter faktor penskalaan yang diamati adalah frekuensi pribadi, tinggi puncak magnitudo FRF, dan kecepatan putar kritis. Persamaan faktor penskalaan ini kemudian divalidasi dengan hasil pemodelan elemen hingga dengan mengambil tiga contoh kasus sistem poros-rotor dengan dimensi yang diskalakan sebesar 1:1, 2:1, dan 3:1. Selanjutnya, untuk mengetahui pengaruh ketidaksempurnaan penskalaan dimensi maka validasi dengan eksperimen dilakukan pada perangkat uji dengan skala model poros-rotor yang sama dengan pemodelan namun tersambung dengan kopling dan diberikan distorsi dimensi ketinggian dudukan rumah bantalan pada model skala 2:1. Berdasarkan proses validasi, terungkap bahwa persamaan faktor penskalaan yang telah diturunkan cocok dengan faktor penskalaan yang diperoleh dari hasil pemodelan elemen hingga. Berdasarkan hasil pengujian juga diketahui bahwa hasil validasi dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu kekakuan kopling, kesalahan geometri, dan ketidaksempurnaan proses pemasangan rotor uji. Dari hasil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa persamaan faktor penskalaan yang diturunkan dapat digunakan pada proses desain mesin rotasi untuk memprediksi FRF mesin rotasi skala penuh dengan memperhatikan faktor-faktor yang berpengaruh tersebut. Kata kunci: metode penskalaan, frekuensi pribadi, kecepatan putar kritis, FRF ii ABSTRACT DEVELOPMENT OF A SCALING METHOD TO PREDICT THE FREQUENCY RESPONSE OF A ROTOR-BEARING SYSTEM By DYAH KUSUMA DEWI NIM: 33116003 (Doctoral Program in Mechanical Engineering) Rotating machineries are widely applied in industry, thus the reliability should be well considered in the design stage. In the design stage, an experimental validation is needed to ensure that the design fulfils the required dynamic characteristics. However, experimental validation on the full-scale machine is costly, high risk and less controllable. For these reasons, a scaling method is proposed in this research so that the experiment can be carried out on a reduced-scale model. Therefore, this research aims to develop a scaling method capable to predict dynamic characteristics of the full-scale machine. In addition, some factors influencing the characteristics of the FRF (Frequency Response Function) are also investigated. This research begins with determining the scaling factor from the equation of motion of the rotor-bearing system that is not connected with a coupling. There are three observed scaling factors, that are natural frequencies, the height of the peak of FRF, and critical speeds. Each of them is validated using finite element models, in which three scales of rotor-bearing systems with the scaled dimension: 1:1, 2:1, and 3:1 are used. Furthermore, to determine the effect of imprecise dimensional scaling, an experimental validation is conducted to all of three models. In this validation, every rotor-bearing system is connected to the motor coupling and a bearing housing height distortion is applied to the model with scale of 2:1. Based on the validation results, it is revealed that the analytical scaling factor matches the numerical scaling factor obtained from the finite element model. Based on the experiment results, it is found that there are several factors affecting the validation results, namely coupling stiffness, geometric errors and imprecision in the rotor installation process. In conclusion, these results study shows that the proposed analytical scaling factor is applicable for predicting the FRF of any full- scale rotating machine by taking into account these influencing factors. Key words: scaling method, natural frequency, critical speed, FRF iii PENGEMBANGAN METODE PENSKALAAN UNTUK MEMPREDIKSI RESPON FREKUENSI DARI SISTEM POROS-ROTOR Oleh Dyah Kusuma Dewi NIM: 33116003 (Program Studi Doktor Teknik Mesin) Institut Teknologi Bandung Menyetujui Tim Pembimbing Tanggal 28 Februari 2023 Ketua ____________________ (Prof. Dr. Zainal Abidin) Anggota Anggota ______________________ (Prof. Dr. Bagus Budiwantoro) ______________ (Dr. Jhon Malta) Anggota _____________________________________________________________________________________ (PfDB Bdit) iv PEDOMAN PENGGUNAAN DISERTASI Disertasi Doktor yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada penulis dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin penulis dan harus disertai dengan kaidah ilmiah untuk menyebutkan sumbernya. Sitasi hasil penelitian Disertasi ini dapat ditulis dalam bahasa Indonesia sebagai berikut: Dewi, D. K. (2023): Pengembangan metode penskalaan untuk memprediksi respon frekuensi dari sistem poros-rotor, Disertasi Program Doktor, Institut Teknologi Bandung. dan dalam bahasa Inggris sebagai berikut: Dewi, D. K. (2023): Development of a scaling method to predict the frequency response of a rotor-bearing system, Doctoral Dissertation, Institut Teknologi Bandung. Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh disertasi haruslah seizin Dekan Sekolah Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung. v HALAMAN PERUNTUKAN Teruntuk para pembaca Semoga bermanfaat .... vi KATA PENGANTAR Dalam penulisan disertasi ini, penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada: 1. Prof. Dr. Zainal Abidin sebagai promotor serta Prof. Dr. Bagus Budiwantoro dan Dr. Jhon Malta sebagai ko-promotor atas bimbingan, arahan dan dukungan yang telah diberikan.