ANALISIS TEGANGAN BERVARIASI PERIODIK
PADA STRUKTUR
SHELL ROTARY STEAM DRYER
Rino Sukma
(1), Khairul Amri
(1), Maimuzar
(1), Elfian Hadi
(1) (1)Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Padang,
ABSTRACTThere was a failure in the inner part of a rotary dryer, more exactly around the weld joint between drum and tube supports due to fatigue failure indicated by the existing of cracks. To prevent or avoid this kind of failure in the future, it is important to analyse this phenomenon in order to find out root of the problem. Through this study the phenomenon of cracking in the rotary dryer learnt. The final goal is to find out the alternative way out in a rotary dryer failure caused by fatigue and try to give a recommendation in prevention of the problem.
Steps in this theses including literature study related with the problem, also the analysis using finite element method (FEM). Load and stress analysis using FEA was run in order to know the performance of the rotary dryer in normal circumstance. Maximum load of 20 tons used with each 30o of rotation checking points where a cycle is 360o. Stress and deformation gotten from the same points then scaled and used as history data in software fatigue calculation.
The result of the finite element analysis found that the maximum stress 42,21 MPa was above the fatigue strength of the material, 20 MPa, implied to the life time of the rotary dryer that came shorter (9,3 years of 20 years design). Actually this rotary dryer fail after 8 years. Simulation using 17 tons load gave 15 years of life time.
Keywords: fatigue failure rotary dryer, shell, tube support plates
1. PENDAHULUAN
Rotary dryer digunakan untuk mengeringkan material (berbentuk butiran halus atau kasar) yang lembab atau basah dalam industri pengolahan mineral, bahan bangunan, metalurgi dan kimia. Material yang dikeringkan meliputi limestone slag, coal powder, clay stone, dan lain-lain. Sistem kerja dari rotary dryer yang dibahas dalam penulisan ini adalah dengan memasukan material (wet terephthalic acid crystals) yang akan dikeringkan ke dalam rotary dryer sesuai dengan kapasitas dari alat tersebut, dimana rotary dryer bergerak dengan putaran yang rendah. Pada tube support plates (sekat-sekat) terdapat pipa-pipa kecil (steam tubes) yang dialiri uap panas, yang berfungsi untuk memisahkan air dari material yang akan dikeringkan. Dimana material tersebut langsung berhubungan dengan uap panas yang berada di dalam steam tubes. Air akan dipisahkan dari material oleh aliran uap panas dan berubah menjadi uap untuk dibuang ke atmosfir. Rotary dryer ini sudah beroperasi kurang lebih selama 8 tahun dari umurnya yang direncanakan selama 20 tahun. Walaupun rotary dryer ini masih jauh dari batas umur pakainya, sudah terjadi retakan terutama pada bagian dalam dinding shell. Setelah diamati, diperiksa secara seksama, ditemukan bahwa retakan dimulai disekitar sambungan lasan tube
rotary dryer dioperasikan terus maka dikhawatirkan retakan akan tumbuh semakin panjang dan memicu kegagalan pada struktur rotary dryer. Umur aktual rotary dryer yang sangat rendah dibandingkan umur desainnya akan menghambat proses produksi. Kondisi ini mengakibatkan kerugian bukan hanya dari kerusakan alat tetapi juga terhambatnya proses produksi. Untuk mempertahankan operasi yang aman dari rotary dryer ini, langkah utama perbaikan harus segera dilakukan. Analisis awal terhadap retakan yang terjadi membawa pada kecurigaan bahwa permulaan retakan akibat tingginya fluktuasi tegangan yang melebihi kekuatan lelah material. Untuk itu perlu dilakukan studi mengenai kegagalan tersebut untuk mengetahui akar penyebab kegagalan retak pada rotary dryer.
Teknik konvensional dengan menggunakan rumus-rumus untuk menghitung besarnya tegangan guna mendapatkan tegangan tidak cocok dilakukan, karena rumitnya geometri rotary dryer dan beban yang bekerja. Salah satu metode yang dapat digunakan adalah FEA (finite element analysis) dimana dengan metode ini analisis tegangan pada geometri serta pembebanan yang rumit dapat dilakukan.
Analisis lebih difokuskan pada bagian shell dan tube support plates saja, karena disekitar bagian tersebut yang mengalami kegagalan dalam pengoperasian.
127 dryer yang lain seperti tires, roller dan girth gear,
dan juga tidak memperhitungkan pengaruh dari
temperatur, korosi dan pengaruh lingkungan.
Gambar 1 Rotary Dryer
2. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Kurva Tegangan Regangan
Gambar 2 Diagram hubungan tegangan dan regangan untuk baja
2.2 Metode Elemen Hingga
Metode elemen hingga dikenal untuk menyelesaikan berbagai kasus dalam struktur seperti analisis tegangan, analisis regangan, frekuensi pribadi struktur dan lain-lain. Elemen hingga didasarkan pada pemodelan elemen yang tidak berhingga sehingga elemen atau struktur secara keseluruhan dapat dianalisis. “Gambar (2)” menunjukkan hasil analisis elemen hingga dengan pita warna yang menunjukkan nilai tegangan atau defleksi yang terjadi.
Gambar 2 Hasil Analisis Finite Elemen
Persamaan-persamaan yang menyatakan hubungan antara gaya dan perpindahan dalam metoda ini disusun dalam bentuk matrik, dan langkah penyelesaiannya dilakukan dengan perkalian matrik, eliminasi Gauss dan reduksi matrik. Untuk langkah pertama diturunkan hubungan antara gaya dan perpindahan pada tiap elemen, hingga diperoleh persamaan-persamaan yang dalam bentuk matrik dapat dinyatakan sebagai
… (1) Dimana [Ke] menyatakan matrik kekakuan dari elemen disebut sebagai matrik kekakuan lokal, sedangkan {F} menyatakan vektor beban dalam koordinat lokal dan {δ} menyatakan vektor perpindahan dalam koordinat lokal.
Selanjutnya perlu dilakukan trasformasi terhadap matrik tersebut agar diperoleh hubungan matrik dalam koordinat global. Dengan menurunkan hubungan antara perpindahan lokal dengan perpindahan global ataupun beban lokal dan beban global akan diperoleh suatu hubungan yang dalam bentuk matrik yang disebut matrik transformasi.
… (2) {F*} dan {δ*} dalam koordinat global
Dengan demikian hubungan antara vektor
perpindahan dan vektor gaya dalam sistem koordinat global dapat ditulis sebagai:
… (3a) … (3b) … (3c) … (3d) Dengan mengetahui hubungan matrik secara global maka persamaan tersebut dapat diselesaikan. Persamaan matrik tersebut dapat diselesikan dengan terlebih dahulu menentukan kondisi batasnya. Persamaan tersebut dapat diselesaikan dengan
metode eliminasi gauss maupun dengan cara mereduksi matrik sehingga diperoleh solusi yang diinginkan.
2.2.1 Kegagalan Lelah pada Rotary Dryer
Kegagalan lelah adalah suatu bentuk kegagalan yang terjadi pada struktur yang dikenai tegangan dinamik dan berfluktuasi (contoh: jembatan, pesawat terbang, dan komponen-komponen mesin). Dalam kondisi-kondisi tersebut kegagalan mungkin terjadi bahkan pada tegangan yang lebih rendah dari kekuatan tarik maupun yield strength untuk beban statik. Kata fatigue (lelah) digunakan karena jenis kegagalan ini biasanya terjadi setelah beberapa waktu lamanya tegangan maupun regangan siklik terjadi.
2.2.2 Cyclic Stress
Tegangan yang terjadi pada material di alam dapat bersifat aksial (tarik-tekan), flexural (bending), atau torsional (puntir). Pada umumnya, tiga tegangan fluktuatif yang berbeda bermodus waktu dapat terjadi. Salah satunya ditunjukkan secara skematis pada “Gambar (3a)”, dimana amplitudo grafik sinusoidal simetris terhadap zero stress level. Jenis ini biasanya disebut dengan reversed stress cycle. Tipe lain yang biasa disebut repeated stress cycle, diilustrasikan pada “Gambar (3b)” (nilai maksimum dan minimum tidak simetris terhadap zero stress level). Tipe terakhir adalah tegangan yang amplitudo dan frekuensinya berubah tidak menentu (random), seperti yang ditunjukkan pada “Gambar (3c)”.
Gambar 3 (a) Reversed Stress Cycle, (b) Repeated
Stress Cycle, (c) Random Stress Cycle
Pada “Gambar (3b)” terdapat beberapa parameter yang digunakan untuk mengkarakteristikan siklus tegangan fluktuatif. Amplitudo tegangan memiliki rata-rata sebesar mean stress m, yang dinyatakan
sebagai rata-rata dari nilai maksimum dan minimum tegangan pada siklus tersebut.
… (4) rdinyatakan sebagai selisih (range) antara tegangan
maksimummaxdan tegangan minimummin.
… (5) Dengan demikian, amplitudo teganganaadalah
setengah besar stress ranger.
… (6) Rasio dari amplitudo tegangan minimum dan tegangan maksimum dinyatakan sebagai stress ratio R
… (7)
2.2.3 Kurva S-N
Dua tipe S-N dapat terlihat jelas pada “Gambar (4)” secara skematik. Gambar grafik ini menyatakan bahwa semakin tinggi besar tegangan, semakin sedikit jumlah siklus yang dapat dikenakan pada material hingga material tersebut gagal. Untuk beberapa material berbasis besi dan campuran titanium, kurva S-N (“Gambar (4)” dan “Gambar (5a)”) berbentuk garis horizontal pada nilai N yang tinggi, atau bisa dikatakan, ada besar tegangan batas yang dinamakan fatigue limit (atau sering juga disebut endurance limit), dimana di bawah garis tersebut kegagalan lelah tidak akan terjadi. Nilai fatigue limit ini menyatakan nilai terbesar dari tegangan fluktuatif yang tidak akan mengakibatkan kegagalan hingga jumlah siklus yang tidak terbatas. Untuk banyak jenis baja, fatigue limit bervariasi antara 35% hingga 65% dari kekuatan tarik.
Gambar 4 Kurva S-N
Kebanyakan campuran nonferrous seperti
alumunium, magnesium, dan tembaga tidak memiliki fatigue limit. Hal ini menyatakan bahwa
129 kecenderungan kurva S-N terus turun untuk nilai N
yang semakin besar (“Gambar (5b)”). Dengan demikian, kegagalan lelah dapat dipastikan terjadi berapapun besar tegangan yang terjadi. Untuk material-material ini, besar tegangan dimana terjadi kegagalan lelah pada jumlah siklus tertentu dinamakan kekuatan lelah (fatigue strength). Penentuan nilai kekuatan lelah dapat juga dilihat pada “Gambar (5b)”.
Parameter penting lain yang menggambarkan sifat lelah suatu material adalah fatigue life (umur lelah) Nf. Fatigue life adalah jumlah siklus hingga terjadinya kegagalan pada suatu tingkat tegangan tertentu, seperti terlihat pada plot kurva S-N “Gambar (5b)”.
Gambar 5 Stress Amplitude (S) vs Logaritma dari Number
of Cycles to Fatigue Failure (N) untuk (a) Material Yang
Menunjukkan Fatigue Limit dan (b) Material Yang Tidak Menunjukkan Fatigue Limit
3. GEOMETRI DAN PEMODELAN ELEMEN
HINGGA STRUKTUR ROTARY DRYER 3.1 Geometri Struktur Rotary Dryer
Pemodelan rotary dryer pada penulisan ini dilakukan dengan perangkat lunak. Pemodelan yang dilakukan adalah model penyederhanaan dari objek aslinya. Hal ini dilakukan untuk memudahkan dalam analisis model yang dibuat. Tentunya pembuatan model
dengan penyederhanaan dilakukan tanpa
mempengaruhi keakuratan hasil yang akan didapatkan. Hanya bagian-bagian tertentu dari objek tidak digambarkan pada model dengan asumsi bagian tersebut tidak berpengaruh secara signifikan terhadap analisis model. Hasil dari analisis model yang dibuat akan dibandingkan dengan kasus nyata yang terjadi
pada rotary dryer sehingga pada akhirnya dapat diambil suatu kesimpulan.
Secara garis besar komponen rotary dryer dibagi atas empat bagian besar yaitu struktur shell, tube support plates, tires, girth gear. Keempat komponen utama ini kemudian digabungkan membentuk sebuah struktur rotary dryer.
3.1.1 Assembly Rotary Dryer
Setelah menggabungkan bagian-bagian rotary dryer, kemudian digambarkan pada posisi sebenarnya dengan kemiringan 2% dari panjangnya, sehingga dapat dicari berapa derajat kemiringan alat ini. 2% x 15000 = 300 mm
Tan = 300/15000 = 0,02 = 1,150
Gambar 6 Assembly Rotary Dryer
3.2 Pemodelan Elemen Hingga Struktur Rotary Dryer
Analisis tegangan yang dilakukan adalah analisis statik. Skema dari analisis statik yang dilakukan dapat dilihat pada gambar berikut yang dimodelkan dengan software FEA. Pada “Tabel (1)” di bawah ini dijelaskan spesifikasi beban yang bekerja pada rotary dryer.
Tabel 1 Spesifikasi Beban
Material Berat (Ton) Luas (L) (m2) Massa Jenis () (kg/m3) Sudut () Kemiringan Saat Beroperasi (0) Wet Terephth alic Acid Crystals 20 1,3 1000 118,160 400 dimana: 15000 300
r = 1484 mmm a/2 a/2 Luas Beban (L)
Gambar 7 Posisi Beban pada Rotary Dryer
Dari rumus di atas didapatkan harga = 118,160
2 3 4 5 6 1 7 8 9
Gambar 8 Pembagian Bidang Beban
Berdasarkan “Gambar (8)” di atas, bidang beban dibagi menjadi sembilan, dimana luas dan volumenya dapat dilihat pada “Tabel (2)”.
Setelah pembuatan geometri, dilakukan pengeditan geometri tersebut pada software FEA. Pada langkah ini dibuat posisi beban yang bekerja pada rotary dryer, seperti yang terlihat pada “Gambar (9)”.
Tabel 2 Beban per Bidang
No Luas (mm2) Volume (mm3) Volume Dalam (%) Beban Total (N)
Beban per Bidang (N) 1 49083,478 736252170 3,776 196200 7407,830 2 139337,125 2090056875 10,718 196200 21029,188 3 206200,565 3093008475 15,862 196200 31120,424 4 239082,207 3586233105 18,391 196200 36083,022 5 234678,524 3520177860 18,052 196200 35418,405 6 197434,404 2961516060 15,187 196200 29797,408 7 138640.579 2079608685 10,665 196200 20924,063 8 74326,150 1114892250 5,717 196200 11217,531 9 21216,968 318254520 1,632 196200 3202,130
Gambar 9 Bidang Beban pada Rotary Dryer 3.3 Engineering Data
Setelah dilakukan pengeditan geometri, kemudian dilanjutkan pada langkah engineering data. Material yang digunakan pada rotary dryer ini ada 2 macam, dimana:
131 Tabel 3 Spesifikasi Material
N o Bagian Material Modulus Elastisitas (GPa) Density (kg/m3) Tensile Ultimate Strength (MPa)
1 Shell Welded Stainless Steel 189,6 8080 586
2 Tube Support plates Welded Stainless Steel 189,6 8080 586 3 Tires Struktural Steel AISI 4140 200 7850 1020 4 Girth Gear Struktural Steel AISI 4140 200 7850 1020
a. Meshing
Selanjutnya dilakukan meshing pada struktur rotary dryer. Sebelum menetapkan ukuran mesh yang akurat, maka dilakukan beberapa kali meshing.
Gambar 10 Meshing Secara General
“Gambar (10)” dilakukan meshing secara umum, sehingga didapatkan tegangan maksimum pada lokasi yang diberi lingkaran warna merah. Kemudian setelah didapat lokasi tegangan maksimum, maka dibuatlah suatu area pada posisi tegangan tersebut, dengan tujuan mengoptimasikan ukuran mesh supaya mendapatkan ukuran mesh yang akurat, seperti yang diperlihatkan pada “Gambar (11)”, sedangkan bagian yang lain tidak dilakukan optimasi, yang mana ukuran mesh tetap seperti yang dilakukan pada “Gambar (10)”.
Gambar 11 Optimasi ukuran meshing pada area tertentu
“Gambar (11)” merupakan salah satu mesh yang dilakukan pada area tertentu. Pada penulisan ini dilakukan pemeshingan sebanyak 8 kali pada area tersebut.
Dari data di atas diambil ukuran mesh yang telah dioptimasi, yaitu dengan jumlah nodes 135441 dan jumlah elemen 452770.
b. Statik Struktural
Pada statik struktural ini dilakukan pemberian loads dan supports. Di sini juga dimasukan standard earth gravity atau berat dari rotary dryer itu sendiri, dimana berat yang didapat dari pemodelan dengan suatu software dengan memasukan data density dari kedua material Stainless Steel dan AISI 4140 adalah sebesar 67,6 ton. Sedangkan berat total dari rotary dryer ini adalah sebesar 99,4 ton. Sehingga sisa dari pengurangan berat total dan berat dari pemodelan adalah 31,8 ton. Dimana sisanya ini merupakan berat dari steam tubes, kemudian ditambah dengan berat steam atau uap panas tersebut sebesar 10 ton.
Sedangkan berat beban maksimum pada rotary dryer ini adalah 20 ton. Untuk pemberian beban ini dilakukan sesuai dengan pembagian bidang beban yang telah dijelaskan pada “Tabel (3)”.
Gambar 12 Pemberian beban 20 Ton dan berat sendiri
Untuk berat steam tubes + steam adalah sebesar 41800 kg, kemudian dibagi sebanyak tube support plates (30 buah) yang diasumsikan sebagai berat dari steam tubes yang mana tidak dimodelkan pada gambar rotary dryer ini. Sehingga masing-masing tube support plates (terdapat 6 lubang) tersebut mendapat beban sebesar 13668,6 N.
Gambar 13 Pemberian Beban 41,8 Ton pada c. Tube Support Plates
Pada langkah selanjutnya adalah menentukan supports dari rotary dryer, jenis dari supports ini adalah fixed support.
Gambar 14 Pemberian Supports pada rotary dryer d. Solution
Metoda ini merupakan langkah terakhir dari software FEA, dimana setelah dibuat geometri, meshing dan statik struktural, baru dilakukan solution. Pada solution ini yang akan dianalisis adalah deformation total, dimana hasilnya akan memperlihatkan perubahan bentuk yang dialami oleh rotary dryer setelah mendapatkan beban dalam melakukan operasi, kemudian equivalent stress (von-Mises), selanjutnya maximum principal stress, dan yang terakhir adalah fatigue life.
Setelah dilakukan langkah-langkah analisis pada software FEA ini, berhubungan dengan penjelasan meshing di atas, dimana untuk mencari keakuratan dari meshing dilakukan beberapa kali mesh, untuk itu akan dipaparkan grafik hubungan antara meshing dan tegangan.
Tabel 4 Perbandingan Jumlah Elemen terhadap Deformasi dan Tegangan No Jumlah Elemen dari Meshing Deformation Total (m) Equivalent Stress (von-Mises) (MPa) Maximum Principal Stress (MPa) 1 227219 1,958 x 10-4 17,30 11,62 2 237951 1,961 x 10-4 23,41 13,79 3 244118 1,961 x 10-4 25,86 14,13 4 254494 1,966 x 10-4 27,72 15,78 5 293418 1,979 x 10-4 32,43 18.78 6 358618 1,998 x 10-4 36,24 21,12 7 398345 2,000 x 10-4 39,85 23,15 8 452770 2,002 x 10-4 42,21 26,48
Gambar 15 Grafik Hubungan antara Tegangan vs Jumlah Elemen
Gambar 16 Diagram Alir Analisis dengan Software Pada akhir bab ini dipaparkan berat total dari struktur rotary dryer, dengan memasukan data-data yang ditampilkan sebelumnya:
Tabel 5 Data Berat Rotary Dryer
No Bagian Berat (Ton)
1 Rotary Dryer 99,4
2 Steam 10
3 Wet Terephthalic Acid Crystals 20
133
4. ANALISIS TEGANGAN PADA ROTARY
DRYER
Beban yang bekerja pada struktur rotary dryer ketika dioperasikan mengakibatkan terjadinya tegangan pada struktur rotary dryer. Tegangan yang terjadi hendaknya tidak melebihi kekuatan yield dari material struktur rotary dryer. Analisis tegangan dilakukan untuk mengetahui apakah beban yang bekerja pada elemen struktur melebihi tegangan yield material struktur.
Analisis tegangan ini dilakukan untuk mengevaluasi struktur rotary dryer yang telah mengalami kegagalan. Kriteria kegagalan yang digunakan adalah kriteria von-Mises stress. Kriteria kegagalan ini dipilih karena material penyusun struktur rotary dryer adalah baja yang merupakan material ulet. Hasil analisis tegangan pada struktur rotary dryer yang ada sekarang digunakan sebagai acuan jika dilakukan modifikasi.
4.1 Analisis Tegangan Struktur Rotary Dryer
Struktur rotary dryer dimodelkan sebagai struktur solid dan 3D. Pemodelan dilakukan dengan suatu perangkat lunak dengan jumlah elemen 452770. Beban yang diberikan pada model elemen hingga berupa gaya pada permukaan dalam rotary dryer yang kontak dengan beban.
Gambar 17 Model Elemen Hingga dengan 452770 elemen Pada analisis rotary dryer ini dilakukan solution setiap putaran per 300 dari 3600. Dimana yang berputar dalam pemodelan ini adalah tube support plates. Ini dianggap untuk mewakili perputaran dari rotary dryer itu sendiri karena semua komponen yang menempel pada shell adalah simetris. Dari hasil solution ini didapatkan 13 data, dimana data yang diambil adalah tegangan dan deformasi dari setiap 300perputaran pada titik yang sama.
Tube Support Plates pada 00
Gambar 18 Tegangan von-Mises pada 00
“Gambar (18)” didapatkan hasil dari analisis tegangan von-Mises sebesar 42,21 MPa. Berdasarkan pada kurva S-N “Gambar (4)”, bahwa tegangan yang didapat berada di atas endurance limit (37 MPa). Pada posisi rotary dryer 00 merupakan tegangan yang paling besar terjadi, dan jauh di atas kekuatan lelah material (20 MPa).
Sedangkan deformasi total maksimum yang didapat adalah 2,002 x 10-4 m. Deformasi terjadi pada bagian yang dibebani dan berada pada bagian tengah rotary dryer. Kontur atau gambar dari deformasi hasil analisis software FEA tersebut dapat dilihat pada “Gambar (19)”
.
Gambar 19 Kontur deformasi total pada posisi 00
Tabel 6 Hasil analisis dari perputaran rotary dryer
No Perputaran Rotary Dryer ( N ) (0) Von-Mises Strain Von-Mises Stress (MPa) Skala Von-Mises Pada 1800 1 0 2,23 x 10-4 42,21 1,7478 2 30 1,38 x 10-4 26,12 1,0816 3 60 2,78 x 10-5 5,27 0,2182 4 90 1,19 x 10-4 22,73 0,9412 5 120 1,39 x 10-4 26,39 1,0928 6 150 3,84 x 10-5 7,28 0,3014 7 180 1,27 x 10-4 24,15 1 8 210 1,80 x 10-4 34,19 1,4157 9 240 3,47 x 10-5 6,57 0,2721 10 270 1,12 x 10-4 21,24 0,8795 11 300 1,23 x 10-4 23,36 0,9673 12 330 7,76 x 10-5 14,72 0,6095 13 360 2,23 x 10-4 42,21 1,7478
Gambar 20 Hubungan Tegangan Von Mises vs Sudut Putaran
Pada uraian “Tabel (6)”, skala von-Mises yang didapat dimasukkan pada histori data fatigue pada software FEA. Sehingga dengan adanya histori data tersebut, maka didapatkan life dari rotary dryer 1,7 x 107 cycle.
Dari data diketahui bahwa putaran rotary dryer adalah sebesar 3,5 rpm (rotary per menit atau cycle per menit), sehingga :
Rotary dryer of life adalah Life Hasil Analisis dibagi dengan 3,5 cycle/menit
rotary dryer of life = (1,7 x 106 cycle)/(3,5 cycle/menit)
rotary dryer of life = 4857142,857 menit rotary dryer of life = 80952,380 jam rotary dryer of life = 3373,015 hari
rotary dryer of life = 112,43 bulan rotary dryer of life = 9,3 tahun
Hasil dari analisis dan perhitungan di atas didapat bahwa umur dari pada rotary dryer adalah 9,3 tahun. Dari sini dapat ditarik suatu kesimpulan bahwa kegagalan yang terjadi pada rotary dryer ini sebabkan oleh beban yang berlebih, karena berdasarkan informasi yang didapat, beban yang dipakai dalam operasi selalu digunakan beban maksimum sebesar 20 ton. Pada “Tabel (6)” dapat dilihat bahwa kurang lebih 70% tegangan yang terjadi di atas kekuatan lelah material (20 MPa).
Pada kenyataan di lapangan, kegagalan terjadi setelah rotary dryer dioperasikan selama 8 tahun. Kemungkinan dalam beberapa operasi selama 8 tahun tersebut beban yang digunakan melebihi beban maksimum.
4.2 Solusi Untuk Mengatasi Kegagalan
Untuk mencegah terulangnya kegagalan yang terjadi setelah dilakukan perbaikan dengan mengurangi beban yang digunakan dari beban maksimum. Ini juga bertujuan untuk menjaga ketahanan dari rotary dryer. Pada sub bab ini diberikan beban pada rotary dryer sebesar 17 ton.
Dengan dilakukan pengurangan beban, maka besarnya beban pada masing-masing 9 bidang dapat ditabelkan sebagai berikut.
Tabel 7 Solusi Pengurangan Beban Untuk Mencegah Kegagalan
No Luas (mm2) Volume (mm3) Volume Dalam (%) Beban Total (N) Beban per Bidang (N) 1 49083,478 736252170 3,776 166770 6296,655 2 139337,125 2090056875 10,718 166770 17874,809 3 206200,565 3093008475 15,862 166770 26452,360 4 239082,207 3586233105 18,391 166770 30670,569 5 234678,524 3520177860 18,052 166770 30105,644 6 197434,404 2961516060 15,187 166770 25327,797 7 138640.579 2079608685 10,665 166770 17785,453 8 74326,150 1114892250 5,717 166770 9534,902 9 21216,968 318254520 1,632 166770 2721,811
Seperti pada “Tabel (7)”, kemudian masing-masing beban per bidang dimasukkan ke dalam software FEA. Selanjutnya dilakukan langkah-langkah yang sama dengan beban 20 ton untuk mendapatkan life pada beban 17 ton.
Tabel 8 Hasil Analisis untuk Beban 17 Ton
No Perputaran Rotary Dryer ( N ) (0) Von-Mises (MPa) Skala Von-Mises Pada 1800 1 0 41.79 1.731869 2 30 25.78 1.06838 3 60 5.07 0.210112 4 90 22.59 0.936179 5 120 26.19 1.085371 6 150 7.11 0.294654 7 180 24.13 1 8 210 34.01 1.409449 9 240 6.33 0.262329 10 270 21.71 0.89971 11 300 22.95 0.951098 12 330 13.67 0.566515 13 360 41.79 1.731869
Gambar 21 Hubungan Tegangan Von Mises vs Sudut Putaran
135 Dengan adanya histori data tersebut, maka
didapatkan life dari rotary dryer 2,7 x 107cycle. Dari data diketahui bahwa putaran rotary dryer ini adalah sebesar 3,5 rpm (rotary per menit atau cycle per menit), sehingga :
Pada solusi ini dimana beban yang bekerja pada rotary dryer dikurangi dari 20 menjadi 17 ton, didapat bahwa umur dari rotary dryer adalah sebesar 15 tahun.
5. KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Setelah dilakukan kegiatan di atas maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:
1. Struktur rotary dryer yang telah ada mendapat tegangan di atas endurance limit (37 MPa) dan kekuatan lelah material (20 MPa), sehingga umurnya jadi terbatas.
2. Setelah dilakukan perhitungan didapatkan umur dari rotary dryer sebesar 9,3 tahun. Sedangkan pada aktualnya kegagalan yang terjadi pada alat ini adalah 8 tahun. Perbedaan kira-kira 1 tahun ini dikarenakan pada aktualnya beban yang pakai sering melebihi beban maksimumnya.
Nama Alat Kegagalan yang Terjadi
Analisis Menurut FEA
Rotary
Dryer 8 Tahun 9,3 Tahun
3. Kegagalan yang terjadi pada rotary dryer ini dikarenakan beban yang digunakan selalu beban
maksimum (20 ton), sehingga dengan
berputarnya alat ini, dimana dianggap satu titik mendapat beban yang berbeda dalam satu siklus perputaran (3600). Maka alat ini mengalami fatigue, sehingga di sekitar satu titik tersebut mengalami keretakan.
4. Untuk mencegah terjadinya kegagalan tersebut, dilakukan pengurangan beban pada rotary dryer, sebagaimana yang telah diuraikan di atas bahwa
pada beban 17 ton, didapatkan umur total sebesar 15 tahun.
5.2 Saran
1. Pemakaian beban untuk rotary dryer ini diusahakan tidak boleh lebih dari 17 ton.
2. Perlu dilakukan penelitian lanjutan dengan memperhitungkan faktor temperatur, korosi dan proses manufaktur yang terjadi pada rotary dryer.
3. Perlu dilakukan studi selanjutnya mengenai optimasi desain struktur rotary dryer.
PUSTAKA
1. Dowling, Norman E. Mechanical Behavior of Materials Engineering Methods for Deformation, Fracture, and Fatigue, Prentice-Hall, 1993.
2. Norton, Robert L. Machine Design an Integrated Approach, Prentice Hall, 1997. 3. Hertzberg, Richard W. Deformation and
Fracture Mechanics of Engineering Materials, Third Edition.
4. Harsokoesoemo, Darmawan, dan
Brodjonegoro, S.S. Diktat Metode Elemen Hingga, Laboratorium Perancangan mesin ITB, 1997
5. Shigley, Joseph E, Mischke, Charles R, Budynas, Richard G. Mechanical Engineering Design, Mc Graw Hill, 2004
6. Hibbeler, R. C. Mechanics of Materials, Fifth
Edition, Pearson Education, 2003
CURRICULUM VITAE
Rino Sukma adalah Staf Pengajar Jurusan Teknik
Mesin Politeknik Negeri Padang, Kampus Unand Limau Manis Padang 25163, Telp. (0751) 72590 Fax. (0751) 72576. Email:[email protected].
