BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 BANTALAN
Bearing (bantalan) adalah elemen mesin yang menumpu poros yang mempunyai beban, sehingga putaran atau gerakan bolak-baliknya dapat berlangsung secara halus, aman, dan mempunyai umur yang panjang. Bearing harus cukup kokoh untuk memungkinkan poros serta elemen mesin lainnya bekerja dengan baik. Jika bearing tidak berfungsi dengan baik maka prestasi seluruh sistem tidak dapat bekerja secara semestinya. Sejarah penggunaan bantalan untuk mengurangi efek gesekan dapat ditelusuri dari hasil penemuan kereta sederhana yang telah berumur 5000 tahun di Euphrates didekat Sungai Tigris. Penggunaan bantalan yang lebih maju terlihat pada kereta Celtic sekitar 2000 tahun yang lalu seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1. Kereta ini menggunakan bantalan kayu dan pelumas dari lemak hewan. (Hermawan S, 2012)
Gambar 2.1 Bearing kayu yang digunakan pada kereta celtic. Sumber: Ismail. R. A, 2015
Dalam sejarah modern, desain dan penggunaan bearing yang terdokumentasi dengan baik dimulai oleh Leonardo Davinci. Dia menggunakan roller bearing untuk kincir angin dan penggilingan gandum. Paten pertama tentang bearing didaftarkan di Perancis 400 tahun kemudian. Selanjutnya katalog bearing pertama di dunia diterbitkan di inggris pada tahun 1900. Saat ini, penggunaan bearing sebagai komponen anti gesek telah digunakan secara luas dengan variasi ukuran, variasibeban, variasi putaran yang sangat lebar. Contoh penggunaan bantalan untuk peralatanberat dipertambangan ditunjukkan pada Gambar 2.2. Bantalan untuk peralatan ini haruslah mampu menahan beban yang sangat besar serta umur teknis yang lama. (Hermawan S, 2012)
Gambar 2.2 Bucket wheel excavator dan jenis bearing yang digunakan pada excavator
Dan di indonesia sendiri perkembangan jenis bantalan lebih signifikan khususnya di sektor industri. Banyak berbagai macam model bantalan diaplikasikan pada mesin mesin industri, dan jenis bantalan yang digunakan adalah model Pillow Block. Dapat dilihat pada gambar 2.3
Gambar 2.3 Pillow Block Mounted Unit Bearing Sumber: NTN Corporation, 2009
Gambar 2.4 Aplikasi Pillow Block pada Mesin Pencetak Briket Sumber: Sonawan, H, 2010
2.2 KLASIFIKASI BANTALAN
Secara umum bearing dapat diklasifikasikan berdasarkan arah beban dan berdasarkan konstruksi atau mekanismenya mengatasi gesekan. Berdasarkan arah beban yang bekerja pada bantalan, bantalan dapat diklasifikasikan menjadi:
1. Bantalan radial/radial bearing: menahan beban dalam arah radial. 2. Bantalan aksial/thrust bearing: menahan beban dalam arah aksial.
3. Bantalan yang mampu menahan kombinasi beban dalam arah radial dan arahaksial.
Gambar 2.5 Arah beban pada bearing Sumber: Hermawan S, 2102
Berdasarkan konstruksi dan mekanisme mengatasi gesekan, bearing dapat diklasifikasikan menjadi dua yaitu:
1. Bantalan Luncur (Sliding Contact Bearing)
Bantalan ini menggunakan mekanisme sliding, dimana terjadinya gesekan luncur antara poros dan bantalan, karena adanya lapisan pelumas antara kedua permukaan.
Gambar 2.6 Bantalan Luncur Sumber: Rumah Belajar, 2012 2. Bantalan Gelinding (Rolling Contact/Anti Friction Bearing)
Bantalan gelinding menggunakan elemen rolling untuk mengatasi gesekan antara dua komponen yang bergerak. Diantara kedua permukaan ditempatkan elemen gelinding seperti misalnya bola, rol, taper dan lain lain. Kontak gelinding terjadi antara elemen ini dengan komponen lain yang berarti pada permukaan kontak tidak ada gerakan relatif.
Gambar 2.7 Bantalan Gelinding. Sumber: IPTEK, 2011
2.3 BANTALAN LUNCUR (Sliding Bearing)
Sliding bearing memerlukan geseran langsung dari elemen yang membawa beban pada tumpuannya. Hal ini berbeda dengan rolling-element bearings dimana bola atau roller dipasang diantara dua permukaan geser. Slider bearing atau sering juga disebut plain bearing terdiri atas dua jenis seperti yaitu:
a. Journal atau sleeve bearing, yang bentuknya silindris dan menahan beban radial (yang tegak lurus terhadap sumbu poros).
b.Thrust bearing, yang bentuknya biasanya datar, dimana pada kasus poros yangberputar, dapat menahan beban yang searah dengan sumbu poros.
Gambar 2.8 Slider bearing, (a) thrust bearing (b) journal bearing Sumber: Hermawan, S, 2102
Pada kasus poros yang berputar, bagian poros yang berkontak dengan bantalan disebut journal. Bagian yang datar pada bantalan yang melawan gaya aksial disebut thrustsufaces. Bearing ini sendiri dapat disatukan dengan rumah atau crankcase. Tetapi biasanya berupa shell tipis yang dapat diganti dengan mudah dan yang menyediakanpermukaan bantalan yang terbuat dari material tertentu seperti babbit atau bronze. Ketika proses bongkar pasang tidak memerlukan pemisahan bantalan, bagian tertentupada bantalan dapat dibuat sebagai sebuah dinding silindris yang ditekan pada lubang dirumah bantalan. Bagian bantalan ini disebut sebagai bushing.
2.4 PERHITUNGAN BEBAN BANTALAN 2.4.1 Distribusi Beban Pada Bantalan
Sistem sumbu diasumsikan sebagai poros statis yang di tumpu oleh bantalan untuk mendistribusikan beban yang bekerja pada sistem sumbu ke bantalan. Gambar 2.2, berikut ini merupakan contoh perhitungan distribusi beban yang terjadi pada bantalan.
Gambar 2.9 Distribusi beban pada bantalan Sumber: NTN Corporation, 2009
(1) Kekuatan bantalan
Suatu beban yang terbagi rata dan bekerja pada bantalan dari sebelah bawah. Panjang bantalan dinyatakan dangan l (mm), beban per satuan panjang dengan w (kg/mm), dan beban bantalan dengan W (kg), serta reaksi pada tumpuan dihitung. Maka,
W = w.l (2.1)
(2) Tekanan Bantalan
Bantalan dapat berbentuk silinder, bola, atau kerucut. Yang paling banyak adalah yang berbentuk silinder. Yang dimaksud dengan tekanan bantalah adalah beban radial dibagi luas proyeksi bantalan, yang besarnya sama dengan beban
rata – rata yang diterima oleh permukaan bantalan. Jika dinyatakan dengan p (kg/mm²), beban rata – rata ini adalah
p =
(2.2)
dimana l (mm) adalah panjang bantalan, d (mm) adalah diamter poros.
2.4.2 Faktor Kelelahan (Fatigue) Pada Bantalan
Kelelahan (fatigue) adalah bentuk dari kegagalan yang terjadi pada struktur yang terjadi karena beban dinamik yang berfluktuasi dibawah yield strength yang terjadi dalam waktu yang lama dan berulang-ulang. Kata kuncinya adalah beban dinamik, berulang, dalam jangka waktu yang lama. Fatigue crack biasanya bermula dari permukaan yang merupakan tempat beban terkonsentrasi. Fatigue menyerupai brittle farcture yaitu ditandai dengan deformasi plastik yang sangat sedikit. Proses terjadinya fatigue ditandai dengan crack awal, crack propagatin dan fracture akhir. Benda yang tidak tahan terhadap fatigue akan mengalami kegagalan pada kondisi pembebanan dinamik (beban berfluktuasi).
Faktor fatigue pada bantalan mungkin tidaklah menjadi satu – satunya standar dalam kasus - kasus tertentu dari segi kekuatan, kekakuan dan dimensi poros. Secara umum, desain umur bantalan diatur sesuai, untuk tiap mesin dan kondisi operasinya untuk memastikan pemilihan bantalan yang sesuai dan ekonomis. Untuk faktor kelelahan umur bantalan dapat dilihat pada tabel 2.1.
Tabel 2.1 Faktor Kelelahan Umur Bantalan (fh)
2.4.3 Beban Dinamis Ekivalen
Suatu beban yang besarnya sedemikian rupa hingga memberikan umur yang sama dengan umur yang diberikan oleh beban dan kondisi putaran sebenarnya disebut beban ekivalen dinamis. Jika suatu deformasi permanen maksimum yang terjadi karena kondisi beban statis yang sebenarnya pada bagian dimana elemen gelinding membuat kontak dengan cincin pada tegangan maksimum, maka beban yang menimbulkan deformasi tersebut dinamakan beban ekivalen statis. Misalkan sebuah bantalan membawa beban radial Fr dan beban aksial Fa maka beban ekivalen dinamis P adalah sebagai berikut :
P = X.Fr + Y.Fa (2.3)
Dimana :
P = beban ekivalen dinamis (N) X = faktor beban radial
Y = faktor beban aksial Fr = beban radial (N) Fa = beban aksial (N)
Untuk pembebanan yang terjadi pada bantalan, dapat ditentukan dahulu faktor X dan Y yang terdapat pada tabel 2.1
Tabel 2.2 Faktor – faktor ,X,Y, dan X0, Y0
2.5 UMUR PAKAI BANTALAN
Umur bantalan adalah dinyatakan melalui banyaknya putaran yang 90% dicapai atau yang dilebihi oleh sejumlah besaran bantalan yang benar-benar serupa. Menentukan umur nominal bantalan, jenis bantalan peluru dengan mempunyai nilai kendala 90% digunakan persamaan berikut ini : (G. Niemann, Elemen Mesin, p. 259)
L10 =
(
)
(2.4)
Dimana :
C = beban dinamis (N)
P = beban ekuivalen dinamis (N)
p
=
konstanta bantalan bola (p = 3) , bantalan Rol2.6 PERHITUNGAN UMUR BANTALAN BERDASARKAN JAM OPERASI Persamaan yang dipakai untuk menhitung umur bandalan berdasarkan jam operasi adalah: (G. Niemann, Elemen Mesin, p. 265)
L10h =
L10 (2.5)
L10h = Umur bantalan berdasarkan waktu operasi (jam) L10 = Umur abntalan dengan kendala 90% (juta putaran)
Tabel. 2.3 Faktor kendalan umur bantalan
Sumber : Kiyokatsu Suga dan Sularso, Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin, p 137
Tabel 2.3 menunjukan tentang factor kendala bantalan, dan nantinya akan dipergunakan pada perhitungan umur pakai bantalan untuk mengetahui factor kendalanya. Faktor Kendala % L10h a1 90 L10 1 95 L5 0.62 96 L4 0.53 97 L3 0.44 98 L2 0.33 99 L1 0.21
Tabel 2.4 Bantalan untuk permesinan serta umurnya Sumber : Suga. K dan Sularso, Dasar Perencanaan dan Pemilihan
Elemen Mesin, p 137 Umur Lh
Faktor beban fw
2000-4000(jam) 15000(jam) 5000- 30000(jam) 20000- 60000(jam) 40000-Pemakaian jarang Pemakaian sebentar-sebentar tidak terus menerus Pemakaian terus menerus Pemakaian terus menerus dengan kendala tinggi 1-1,1 Kerja halus tanpa tumbukan Alat listrik rumah tangga, sepeda Conveyor, mesin pengangkat lift, tangga jalan Pompa, poros transmisi, separator, pengayak, mesin perkakas, rolling press, separator sentrifugal, sentifus pemurni gula, motor listrik Poros transmisi utama yang memegang peran penting, motor-motor listrik yang penting 1,1-1,3 Kerja biasa Mesin pertanian, gerinda tangan Otomobil, mesin jahit Motor kecil, roda meja, pemegang pinion, roda gigi
reduksi, kereta rel Pompa penguras, mesin pabrik kertas, roll kalender, kipas angin, penggiling bola, motor utama kereta listrik 1,2-1,5 Kerja dengan tumbukan atau getaran Alat-alat besar, unit roda gigi dengan getaran besar, rollling mill Penggetar penghancur
Tabel 2.4 menjelas tentang bantalan untuk permesinan serta umurnya. Ketika sudah ditentukan hasil berapa jam bantalan beroperasi pada perhitungan umur bantalan, maka dapat diketahui faktor beban pada pemakaian permesinan tersebut.
4. Lainnya
Pelumasan yang memadai juga membantu untuk mencegah benda asing memasuki bearing dan mencegah korosi.
Berdasarkan derajat pemisahan permukaan oleh pelumas, secara umum modus pelumasan dapat dibedakan menjadi tiga jenis yaitu:
(a) (b) (c)
Gambar 2.12 (a) Hydrodynamic lubrication, (b) Mixed Lubrication, (c) Boundary Lubrication
Sumber: Hermawan S, 2102
1. Pada hydrodynamic lubrication, permukaan sliding sepenuhnya dipisahkan oleh lapisan pelumas (film) sehingga tidak ada kontak sama sekali antara kedua permukaan. Beban yang cenderung membuat permukaan berkontak ditahan oleh pelumas bertekanan di antara kedua permukaan. Jadi secara ideal tidak akan terjadi keausan dan rugi geseka hanya terjadi pada pelumas yang mengalami geseran. Koefisien gesekan pada Hydrodynamic lubrication biasanya antara 0,002 sampai dengan 0,010. Sedangkan tebal film pelumas sekitar 0,008 sampai dengan 0,02 mm.
2. Pada mixed lubrication beberapa puncak permukaan bersentuhan dan pada bagian lain terbentuk lapisan pelumas. Koefisien gesekan pada mode ini berkisar antara 0,004 s/d 0,10.
3. Pada boundary lubrication, terjadi kontak yang terus menerus antara kedua permukaan, tetapi pelumas juga terus menerus melumuri permukaan. Dengan demikian koefisien gesekan menjadi rendah. Koefisien gesekan untuk mode ini biasanya sekitar 0,05 s/d 0,20.
2.9 PENELITIAN TERDAHULU
Tabel 2.5 Penelitian Terdahulu
No. Nama Peneliti Judul Hasil Penelitian
1. Rian Ahmad Ismail, 2015
Analisis Umur Pakai Bantalan Transferring Pada Mesin Tyre Building
Berdasarkan hasil analisa, pada beban tambahan ban rim 16” umur pakai bantalan pillow block FYH P207 adalah 6000 jam, dan pada beban tambahan ban rim 18” umur pakai bantalan pillow block FYH P207 adalah 5996,67 jam
2. Arif Rahma Saleh, 2014
Analisa Kerusakan Bantalan Bola (Ball
Bearing) Jenis Deep
Groove
Perhitungan umur bantalan berdasarkan pembebanan yang terjadi diperoleh umur bantalan adalah 5876 jam (1,6 tahun jam operasi). 3. Anggrit Yunanto, 2015 Perhitungan Umur Pakai
Dan Analisa Kerusakan Bantalan Sisi Luar (Outboard Bearing) Hammer Coal Crusher B Di PLTU Banten 3 Lontar
Diperoleh umur bantalan aktual adalah 3500 jam operasi (7 Bulan), seangkan dari perhitungan didapat umur bantalan berdasarkan jumlah putaran adalah 428,48 juta putaran dan berdasarkan jam operasi adalah 12022,44 jam operasi atau 2,2 tahun.
