Peningkatan Kekuatan Dudukan Rem Kereta Api Gajah Wong dengan Desain
Ulang dan Seleksi Material menggunakan Metode Ashby
Agus Sasmito and Tresna Priyana Soemardi
Mechanical Design Laborator, Departemen Mechanical Engineering Department, Faculty of Engineering, University of Indonesia
Kampus UI Depok 16424-Indonesia Email: tsoemardi@eng.ui.ac.id
Abstrak
Riset ini fokus pada kerusakan struktur cross beam yang berfungsi untuk dudukan Break Lever
pada kereta makan pada rangkaian kereta api Gajah Wong. Investigasi kerusakan cross beam
dilakukan dengan analisa finite element menggunakan solidwork, selanjutnya dibuat perbaikan
desain dudukan rem dengan analisa finite elemen dan peningkatan kekuatan struktur
cross beam
dengan seleksi material yang lebih baik menggunakan pendekatan ashby untuk produksi kereta
selanjutnya
.
Kata Kunci : Kereta Api, Material Selection, Ashby, Finite Element, Profil C, Cross Beam, Trial and Error, Beban Eksentrik.
1. PENDAHULUAN
Kereta api Gajah Wong diresmikan pada 25 Agustus 2011 untuk melayani penumpang rute Pasar Senen (Jakarta) – Lempuyangan (Jogja), kereta api ini merupakan kereta api kelas ekonomi AC yang dioperasikan oleh PT. Kereta Api Indonesia ( PT KAI ) dan dibuat oleh PT. Industri Kereta Api ( PT INKA) di madiun. Susunan rangkaian KA Gajah Wong adalah 10 kereta ekonomi AC (K3) dan satu kereta makan pembangkit (KMP3). Foto kereta api gajah wong ditunjukan pada Gambar 1 [1]. Kereta api gajah wong setiap gerbongnya mengangkut 80 penumpang dengan
formasi untuk tempat duduk 2-2. Kereta berangkat dari Stasiun Pasarsenen pukul 07.45 WIB dan tiba di Lempuyangan yogyakarta pukul 16.04 WIB. Untuk kembalinya, berangkat dari Lempuyangan Yogyakarta pukul 19.23 WIB. Dalam satu kali perjalanan kapasitasnya mencapai 800 orang dengan toleransi 50 persen dari kapasitas normal [2]
Wates, Stasiun Kutoarjo, Stasiun Kebumen, Stasiun Gombong, Stasiun Kroya, Stasiun Purwokerto, Stasiun Cirebon prujakan, Stasiun Bekasi, Stasiun Jatinegara dan berakhir di Stasiun Pasarsenen [3].
Kereta merupakan suatu konstruksi yang komplek, terdiri dari banyak komponen yang kritis. Desain struktur kereta didasarkan pada standar desain, fungsi struktur, kondisi aktual yang ada dan beberapa parameter lainya. Untuk keperluan desain, analisa kekukatan dan uji struktur semunya didasarkan pada kondisi pemakaian kereta [4]. Untuk keperluan simulasi beban eksternal dan uji untuk struktur komponen kereta ditentukan berdasarkan kondisi praktis aktual pemakain kereta [5]. Salah satu komponen yang kritis adalah sistem pengereman, dimana terdapat dua posisi pengereman pada tiap gerbong, satu posisi pengereman dibagian belakang dan satu dibagian depan. Beberapa komponen penting pengereman antara lain break lever yang berfungsi sebagai engkol untuk menarik tali rem dan kanvas, break lever tertumpu pada cross beam yang merupakan komponen bogi kereta. Ilustrasi sistem pengereman kereta ditunjukan pada Gambar 2 [6].
Pada januari 2012 terjadi kerusakan pada salah satu struktur komponen rem pada gerbong kereta makan pembangkit (KMP3) rangkaian kereta Gajah Wong, cross beam yang berfungsi sebagai dudukan rem mengalami patah [6].
Gambar 1. Rangkaian Kereta Api Gajah Wong
2. PERUMUSAN MASALAH
Cross beam yang berfungsi sebagai dudukan break lever pada kereta makan Gajah Wong mengalami patah, padahal usia operasional kereta belum lebih dari satu tahun. Posisi Cross beam yang mengalami patah tepat pada sambungan dengan komponen cross beam lain yang disambung dengan las, dengan patahnya cross beam maka proses pengereman kereta akan gagal. Saat ini terdapat 2 rangkain kereta yang beroperasi menggunakan struktur yang sama dengan struktur kereta yang rusak, dengan demikian dicari bagaimana upaya pencegahan kerusakan cross beam pada kereta yang telah diproduksi, dan perbaikan cross beam untuk produksi kereta selanjutnya.
3. TUJUAN
Tujuan analisa ini untuk mengetahui kekuatan konstruksi cross beam kereta KMP3 AC yang mengalami kegagalan pada area tumpuan brake lever. Hasil analisa ini nantinya digunakan untuk verifikasi desain dan menentukan kelayakan operasi serta kemampuan konstruksi dari segi kekuatan dan kekakuan.
Hasil analisa yang didapat, digunakan untuk dasar penguatan desain kereta yang telah beroperasi dan perbaikan desain, pemilihan material, khususnya struktur cross beam pada pembuatan struktur kereta selanjutnya di PT.INKA.
4. PEMBATASAN MASALAH
Dalam riset tesis ini, permasalahan hanya dibatasi pada cross beam KMP3 AC Gajah Wong yang mengalami patah. Struktur cross beam, bentuk rangkaian Body Car, beban
3. Cacat las pada sambungan diabaikan.
4. Tinjauan beban penyebab kegagalan cross beam hanya disebakan oleh beban lateral yang ditinjau secara statis akibat proses pengereman.
5. REVIEW CROSS BEAM KMP3 AC
Kerja sistem pengereman kereta tampak seperti pada Gambar 2, pada saat masinis menekan rem, maka hal ini akan memberi sinyal kepada brake cylinder untuk menggerakan piston keluar, piston yang keluar akan memutar brake laver, perputaran brake laver menyebabkan brake pullroad tertarik kebelakang, sehingga brake shoe menyentuh roda kereta untuk pengereman. Pada saat brake shoe menyentuh roda kereta, akan terjadi gaya tarik yang besar akibat perputaran roda, daya tarik ini dilawan oleh piston melalui mekanisme brake laver. Tarik tekan oleh brake pull road dan piston pada brake lever menyebabkan
gaya lateral pada cross beam tumpuan brake lever. Dari hasil pengamatan, ditemukan kegagalan cross beam terjadi pada posisi tumpuan dimana cross beam menerima gaya dari break laver [6].
Gambar 2. Komponen sistem pengereman dan posisi Cross Beam yang patah pada car body
Foto struktur cross beam yang patah ditunjukan pada Gambar 3 [6]. Cross beam patah didekat sambungan penguat, dimana sambungan dibuat dengan proses las.
(a) (b)
Gambar 3. Foto Kerusakan Cross Beam tampak dari depan (a), dan tampak dari belakang (b)
6. METODE PENELITIAN
Gambar 4. Diagram alur penelitian
7. ANALISA KERUSAKAN CROSS BEAM
DENGAN FINITE ELEMEN
Cross beam pada kereta Gajah wong dibuat dengan proses bending ( cold-formed) di PT.INKA Madiun dari bahan dasar plat baja SS 400 [6]. Untuk desain analisa FEM, berdasarkan struktur cross beam pada car body, maka dibuat model seperti Gambar 5.
(a) (b)
Gambar 5. Pemodelan Cross Beam untuk analisa Finite Element, model (a), dan penempatan konstrain dan beban
pada cross beam (b)
Besar beban pada cross beam untuk mewakili kondisi saat pengereman sebesar 272.120 N [6], penentuan besar beban dihitung dengan menggunakan data-data pada kondisi tertentu.
Jenis material yang digunakan untuk cross beam adalah SS400 ( JIS G 3101), spesifikasi teknis SS400 terdapat pada Tabel 1.
Tabel 1. Sifat-sifat Teknis Material
Sifat Teknis Material
SS400 ( JIS G 3101) Nilai
Modulus Young 207000 MPa
Modulus Geser 77000 MPa
Poison’s Ratio 0,3 MPa
Densitas 7,85 E-06 kg/mm3
Kekuatan Luluh 245 MPa
Kekuatan Ultimate 400 MPa
Tipe mesh yang dipilih untuk analisa ini adalah hexahedral, dengan menggunakan metode messhing untuk daerah dekat dengan titik kritis dibuat halus dan daerah yang jauh dari titik kritis dibuat kasar. Ilustrasi messhing untuk cross beam ditunjukan pada Gambar 6.
Hasil analisa finite element menunjukan bahwa tegangan terbesar berada dekat dengan sambungan, pada titik siku bagian bawah. Daerah yang mendapat tegangan terbesar dan defleksi yang terjadi pada beam ditunjukan pada Gambar 7.
Gambar 7. Hasil running model dengan Finite Element, stress yang terjadi.
Dari gambar diatas tampak bahwa tegangan sangat tinggi melampaui tegangan luluh bahan. Sehingga perlu redisain dan seleksi material baru.
8. SELEKSI MATERIAL ASHBY
Metode seleksi material dengan menggunakan chart ashby telah digunakan untuk seleksi material, seperti untuk menentukan material turbin angin dan towernya [7] dan pengaruh produk bagi lingkungan [8], efek deformasi geser pada komponen bending [9], seleksi material dan optimalisasi desain struktur [10].
Dari hasil analisa kerusakan cross beam untuk dudukan rem kereta menunjukan bahwa cross beam tidak mampu menahan beban pengereman, sehingga dibutuhkan struktur penguat tambahan sebagai dudukan rem kereta. Proses seleksi material dengan metode ashby untuk mencari struktur penguat dilakukan sebagai berikut :
8.1 Analisa Beban
Struktur penguat dibelakang beban ditunjukan sebagai berikut :
Gambar 8. Analisa gaya pada penguat
Dari gambar diatas nampak ada gaya bending dan tarik dan tekan yang bekerja pada struktur penguat.
8.2 Seleksi Bentuk
Berdasarkan analisa beban pada Gambar 8 terdapat beban tarik, tekan dan bending, sehingga perlu dicari bentuk yang paling optimal menahan beban-beban tersebut dengan proses sebagai berikut :
Berdasarkan Tabel 2 diketahui nilai faktor bending terbesar adalah kotak, sehingga diambil bentuk kotak sebagai
penguat dudukan rem.
8.3 Analisa Finite Elemen
Untuk struktur penguat, hasil analisa finite elemen menunjukan tegangan yang terjadi adalah :
Gambar 9. Cross beam dengan struktur penguat kombinasi dibagian depan beban (a), pemodelan untuk analisa FEM
(b), meshing (c), tegangan (d), deformasi (e).
8.4 Translasi Kebutuhan
Dari hasil finite elemen, didapatkan tegangan yang terjadi adalah 85,242 Mpa, apabila digunakan faktor keamanan 3 maka tegangan maksimal supaya struktur aman adalah :
σ aman = σ yang terjadi X 3
= 43,46 x 3 = 129 Mpa.
Tabel 3. Tabel translasi kebutuhan
8.5 Screening Material
Berdasarkan
kebutuhan dan dengan menggunakan konstrain dari persamaan 1 – 8, grafik 6 – 10, dan tabel 2, dilakukan screening berikut :
1. Bila diambil E = 100 Gpa, minimum yield 129 Mpa
Gambar 10. Seleksi material dengan grafik E - σ
2. Bila diambil E = 100 Gpa dengan
ϕ
T f3. Seleksi berdasarkan
ϕ
T fdan
C
v RGambar 12. Seleksi material berdasarkan grafik
ϕ
Tf-C
v R4. Seleksi berdasarkan E dan maksimal
E
1/2ρC
mGambar 13. Seleksi material berdasarkan grafik E
-E
1/2ρC
m5. Seleksi berdasarkan E dan maksimal
E
1/2ρ
Gambar 14. Seleksi material berdasarkan grafik E
-E
1/2ρ
8.6 Ranking Material
Berdasarakan Gambar 10 - Gambar 14 maka diperoleh daftar rangking material berdasarkan obyektif sebagai berikut :
1. Ranking berdasarkan objective
Lanjutan Tabel 4
Lanjutan Tabel 4
2. Weight Scoring
Untuk memberikan bobot skor maka diberikan nilai :
a. Maksimal kekuatan = 40 % b. Maksimal kekakuan = 30 %
c. Minimal harga = 20 %
d. Minimal masa = 10 %
3. Skore akhir
Apabila setiap konstrain dikalikan dengan bobot skore yang diberikan, maka diperoleh daftar material :
Tabel 5. Skore akhir untuk seleksi material
Berdasarkan Tabel 5 diketahui, Baja karbon paling unggul dibanding material yang lain, sehingga baja karbon digunakan sebagai bahan dudukan rem.
8.7 Material Tebaik hasil seleksi material
Dengan menggunakan persamaan 1 sampai dengan 22 dan grafik screening material diperoleh kesimpulan :
1. Profil yang terbaik adalah kotak
2. Material yang paling unggul adalah baja karbon.
8.8 Translasi kebutuhan desain untuk seleksi proses
Berdasarkan hasil redisain struktur dudukan rem kereta dan seleksi material, makadicari proses produksi yang tepat sebagai berikut :
Tabel 6. Daftar kebutuhan desain
8.9 Screening proses
Berdasarkan Tabel 3 maka screening untuk proses produksi adalah sebagai berikut :
1. Pemilihan proses berdasarkan material
2. Pemilihan proses berdasarkan bentuk
Gambar 15. Seleksi proses berdasarkan bentuk 3. Pemilihan proses berdasarkan masa
Gambar 16. Seleksi proses berdasarkan masa 4. Pemilihan proses berdasarkan ketebalan produk
Gambar 17. Seleksi proses berdasarkan ketebalan
5. Pemilihan proses berdasarkan jumlah unit
Gambar 18. Seleksi proses berdasarkan jumlah unit 6. Pemilihan proses berdasarkan presisi
Berdasarkan gambar Gambar 15 - Gambar 19 maka : a. Seleksi proses
Tabel 8. Ranking proses produksi
Berdasarka Tabel 8 dipilih proses terbaik : Tabel 9. Proses terbaik
b. Seleksi joining
Tabel 10. Ranking proses joining
c. Seleksi finishing
Tabel 11. Ranking proses finishing
8. Ranking proses untuk baja karbon
Berdasarkan Tabel 9, maka dicari proses termurah : Tabel 12. Menentukan proses termurah untuk baja
karbon
Berdasarkan Tabel 12 diketahui proses termurah adalah konvensional machining
9. PENSKALAAN
Spesimen diskalakan menjadi separohnya, dimana dimensi panjang, lebar, tebal bahan semua menjadi separohnya, maka beban juga menjadi separohnya [11], yaitu dari 57810 N menjadi 2895 N.
10. VALIDASI
Untuk validasi maka dibuat spesimen dan uji sebagai berikut :
10.1 Spesimen
Gambar 20. Spesimen uji
10.2 Peralatan uji
Alat yang digunakan untuk uji adalah : Tabel 13. Peralatan uji
10.3 Setup
Untuk uji, spesimen disetup seperti pada Gambar 21.
Gambar 21. Set up spesimen
10.4 Beban Uji
Pembebanan pada uji tekan statis ini ditunjukan pada
Gambar 22. Bentuk pembebanan
10.5 Hasil uji
Dari hasil uji maka diperoleh tegangan sebagai berikut : Tabel 14. Tegangan Hasil uji validasi
11. KESIMPULAN
Dari hasil riset diatas maka dapat disimpulkan :
1. Perlu struktur penguat untuk menahan beban pengereman.
2. Material terbaik adalah baja karbon dan diambil SS400 untuk menyesuaikan dengan komponen lainya. 3. Proses termurah adalah conventional machining.
12. REFERENSI
1. Humaska. (2011, August 24). PT KAI (Persero) Operasikan KA Ekonomi AC Gajah Wong. (Web Team Information System) Dipetik April 27, 2012, dari www.kereta-api.co.id: http://www.kereta- api.co.id/informasi-media/berita-ka/211-pt-kai-persero-operasikan-ka-ekonomi-ac-gajah-wong.html 2. Haryo Damardono, Robert Adhi Kusumaputra. (2011,
Diluncurkan. (Kompas.com 2011) Dipetik April 27,
2012, dari ramadhan.kompas.com:
http://ramadhan.kompas.com/read/2011/08/15/150753 37/KA.Ekonomi.AC.Gajah.Wong.Diluncurkan 3. wikipedia.org. (2012.). Kereta api Gajah Wong.
Dipetik April Selasa, 2012, dari wikipedia:
http://id.wikipedia.org/wiki/Kereta_api_Gajah_Wong 4. T.L.M. Morgado a, C. B. (2008). A failure study of
housing of the gearboxes of series 2600 locomotives of the Portuguese Railway Company. Engineering Failure Analysis 15, 154–164.
5. Weihua Zhang, P. W. (2006). An investigation into structural failures of Chinese high-speed trains. Engineering Failure Analysis 13, 427–441.
6. Madiun, S. D. (2012, Maret - Mei). Magang Riset dan Mengumpulkan data tentang Kereta. (A. Sasmito, Pewawancara)
7. A. Rashedi, I. S. (2012). Multi-objective material selection for wind turbine blade and tower: Ashby's Approach. Materials and Design 37, 521-532.
8. Holloway, L. (1998). Materials selection for optimal environmental impact in mechanical design. Materials and Design 19 , 133-143.
9. H.Eskandari. (2003). The effect of shear deformation on material selection for bending components. Materials and Design 24 , 143–149.
10. Natalia S. Ermolaeva, K. G. (2002). Materials selection combined with optimal structural design: concept and some results. Materials and Design 23, 459–470.
