ANALISIS KEGAGALAN O-RING SEAL
AKUMULATOR STEERING
SYSTEM DUMP TRUCK
Nusyirwan
(1)(1)
Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Padang,
ABSTRACT
Occurrence of O-ring seal leakage accumulator Dump Truck steering system causes the movement of components to be unstable and difficult to control. A series of tests have been conducted to determine the cause of leakage and mitigation efforts include: Visual testing, Dimensional testing, Testing Physical and mechanical properties of materials. It was found that the O-ring seal leakage caused by overheating due to excess hours of operation that causes changes in the physical properties that impact on changes of mechanical properties by increasing tensile strength (79.92%) and reduced elongation (14.8%). Reduced elongation ability would greatly influence the ability of O-ring seals as seals and to result leakage. It is necessary to note the working temperature of the fluid with respect to hours of operation of the unit as recommended by the manufacturer.
Keywords: O-ring seal, Leakage, Overheating, Mechanical properties
1. PENDAHULUAN
Akumulator pada sistem hidrolik berfungsi untuk memberikan tekanan dan aliran oli pada saat darurat (emergency), dengan cara menyimpan tekanan yang berlebih dan memberikan tambahan tekanan pada sistem apabila aliran yang dibutuhkan lebih besar dari jumlah aliran yang dapat dipasok oleh pompa. Umumnya pada sistem hidrolik moderen digunakan akumulator dengan tipe gas yang terdiri dari sebuah silinder dengan dua ruangan yang dipisahkan oleh sebuah piston. Satu ruangan berisi cairan hidrolik dan terhubung dengan sistem hidrolik dan ruangan lainnya berisi gas nitrogen.
Akumulator steering system pada Dump Truck dipasang antara pompa dan metering pump yang berfungsi untuk menjaga agar tekanan selalu tetap, meredam kejut, memberikan tekanan dan aliran oli pada saat darurat (emergency) dan mengimbangi laju aliran oli yang bervariasi.
Apabila terjadi kerusakan pada akumulator, dan pada saat yang bersamaan pasokan dari pompa tidak stabil maka akan membuat pergerakan komponen menjadi tidak stabil dan sulit untuk dikontrol.
Kerusakan yang sering terjadi berupa kebocoran pada
O-ring seal akumulator telah menyebabkan terganggunya kegiatan produksi. Untuk mengetahui penyebab terjadinya kebocoran, maka perlu dilakukan serangakaian penelitian dan analisis sebagai upaya penanggulangan agar kerusakan yang sama tidak terulang kembali.
2. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Konstruksi dan Sistem Kerja Akumulator
Akumulator terdiri dari sebuah tabung dengan dua buah ruangan, satu untuk nitrogen (sebelah kiri) dan satu lagi untuk fluida yang terhubung dengan sistem hidrolik (sebelah kanan). Kedua ruangan tersebut dipisahkan oleh sebuah piston (gambar 1 nomor 8). Pada piston terdapat seal assembly “Gambar (1) nomor 4” sebagai perapat untuk mencegah kebocoran gas nitrogen agar nitrogen tidak bercampur dengan fluida atau sebaliknya.
Gambar 1. Komponen akumulator (1) Valve as, core valve (2) Cap (3) Washer (4) Seal O-ring, ring backup (5) Head (6) Tube (7) Plate warning (8) Piston (9) Seal as (10) Ring wear (11) Head (12) Retainer (13) Ring retainer (14) Cover protection (15) Plate instruction (16)
Plug O-ring (17) Seal O-ring
Selain itu, juga terdapat ring wear yang akan bergesekan dengan dinding tabung saat piston bergerak.
Aliran fluida yang dialirkan oleh steering pump ke dalam akumulator bertekanan 15.500 ±170 kPa (2250 ± 25 pi) akan mendorong piston untuk bergerak ke
atas, sehingga gas nitrogen akan termampatkan. Selama tekanan fluida dari pompa stabil, piston akan tetap tertahan ke atas. Disaat tekanan dari pompa menurun, gas nitrogen tersebut akan mendorong piston ke bawah untuk memberikan suplai oli secara terbatas ke sistem. Ketika tekanan dari pompa kembali stabil, piston akan kembali terdorong ke atas.
2.2 O-ring Seal Akumulator
O-ring seal berfungsi untuk mencegah kebocoran,
berkerja dengan cara menutup celah-celah antara dua benda yang akan dirapatkan, dengan memanfaatkan sifat karet yang elastis.
Untuk dapat berfungsi dengan baik, O-ring seal harus memiliki sifat pampatan tetap (compression
set) yang baik sehingga dia dapat mempertahankan
bentuk awalnya pada saat terkena tekanan atau mengalami deformasi bentuk.
O-ring seal juga harus mempunyai ketahanan yang
baik terhadap perubahan temperatur karena umumnya O-ring seal beroperasi pada temperatur yang berubah (rendah atau tinggi).
Dalam bekerja, seal secara langsung bersentuhan dengan obyek yang dijaga supaya tidak meluber keluar sistem (bocor / leaking), maka O-ring seal tersebut dituntut tidak hanya tahan terhadap obyek yg dijaga (misalkan obyeknya bersifat korosif), tetapi juga tidak mengkontaminasi obyek tersebut.
Bahan seal yang digunakan pada akumulator ini adalah Nitrile (NBR) Rubber. Bahan ini memiliki hambatan yang sempurna terhadap oli, bahan pelarut, dan bahan bakar, memiliki ketahanan yang kuat terhadap tekanan dan tidak mudah terabrasi. Bahan
seal ini bisa digunakan pada temperatur operasi
antara - 300C sampai 1000C.
Meski komposisi pembuatan polimer nitrile-nya secara kimia dan secara fisik dapat berganti-berganti, namun seal ini tetap resistan terhadap oli, bahan pelarut dan bahan-bahan kimia lain. Semakin banyak
nitrile di dalam polimer, maka semakin tinggi pula
resistansinya terhadap oli namun menurunkan fleksibilitas bahan.
Untuk sifat mekanik dan sifat fisik dari Nitrile (NBR)
Rubber ini, dapat dilihat pada “Tabel (1)” di bawah : Tabel 1. Sifat Mekanik dan Sifat Fisik Nitrile (NBR) Rubber
No Type Specific Gravity (g/cc) Hardness (Shore A) Tensile Strength (Mpa) Elongation at break (%) Warna Temperatur Kerja (0C) 1 1.16 50 ± 5 7.5 450 2 1.19 60 ± 5 8.5 400 3 1.20 65 ± 5 8.5 400 4 1.21 70 ± 5 12.5 250 5 NBR 1.28 80 ± 5 12.5 150 Hitam - 30 s/d 100
Sumber : Nitrile Rubber, http://en.wikipedia.org
3. METODE PENELITIAN
Tahapan yang dilakukan untuk menemukan penyebab kebocoran dan upaya penganggulangan
nya adalah seperti ditunjukkan pada diagram dibawah ini :
1. Pengujian visual, diperlukan untuk melihat kondisi fisik dari O-ring seal akumulator dengan metoda makrografi. Dilakukan pada pembesaran sampai 50 kali.
2. Pengujian dimensi, dilakukan dengan mengukur
parameter dimensi seal. Diantaranya diameter dalam (Internal Diameter / ID), diameter luar
(Out Diameter / OD), dan diameter penampang (cross section diameter). Pengukuran dilakukan
masing masing empat kali di empat titik uji dengan masing-masing jarak pengujian sebesar 450. Pengukuran dilakukan dengan vernier caliper dengan ketelitian 0,02 mm.
A
B
Gambar 3. Pengukuran seal (A) Diameter dalam (B) Diameter luar
Pengukuran cross section diameter dilakukan seperti “Gambar (4)”.
Gambar 4. Pengukuran diameter penampang
3. Pengujian sifat mekanik, untuk mengetahui sifat mekanik seperti : kekerasan, kekuatan, dan
elongation bahan. Metode pengujian kekerasan
dengan menggunakan alat uji kekerasan Shore A yang memiliki skala maksimal 80 Duro. Sedangkan pengujian kekuatan (tensile strength) dan elongation dilakukan dengan melakukan mesin uji tarik universal.
4. Pengujian sifat fisik seal dilakukan untuk mengetahui massa jenis seal.
4. HASIL DAN PEMBAHASAN Pengujian Visual
Pengujian Visual dilakukan dengan pemeriksaan permukaan seal pada titik–titik seperti gambar berikut : A B C D
D
C
B
A
Gambar 5. Foto permukaan seal pada 4 titik uji, pembesaran 50 x
450
Dari hasil pengujian visual pada permukaan kerja seal secara makrografi “Gambar (5.A,B,C, D)”, tidak ditemukan adanya tanda-tanda kerusakan yang terjadi pada seal akibat kelebihan tekanan, kelebihan temperatur, kerusakan akibat kontaminasi, abrasi, kompresi yang berlebih, perubahan warna, dan kesalahan pemasangan
Pengujian Dimensi
Hasil rata – rata pengukuran dimensi yang dilakukan terhadap parameter penting dimensi seal dimana
masing - masing pengukuran dilakukan sebanyak empat kali di empat titik uji adalah seperti tertuang pada “Tabel (2)” berikut :
Hasil pengukuran pada “Tabel (2)”. menunjukkan bahwa pengujian dimensi yang meliputi pengukuran diameter dalam, diameter penampang, dan diameter luar menunjukkan adanya perubahan dimensi pada diameter penampang.
Tabel 2. Hasil pengukuran dimensi seal
No Parameter pengukuran Satuan Spesifikasi Hasil Pengukuran
1 Diameter dalam mm 94.84 94.84 2 Diameter penampang mm 3.53 3.22 3 Diameter luar mm - 101.28
Terjadinya pengecilan ukuran penampang seal menyebabkan berkurangnya kemampuan seal secara volumetrik untuk menutupi celah – celah dan mengakibatkan kebocoran..
Diduga perubahan dimensi diameter penampang seal (menjadi lebih kecil) disebabkan oleh faktor yang berhubungan dengan temperatur kerja dan kompresi yang diterima seal saat beroperasi. Telah terjadi Temperatur operasi diatas batas temperatur kerja seal.
Pengujian Sifat Mekanik
Pengujian sifat mekanik yang dilakukan meliputi uji kekerasan dengan menggunakan alat Hardness Tester. Selain itu, juga dilakukan uji tarik untuk
mengetahui tensile strength dan elongation seal. Hasil pengujian sifat mekanik seal adalah sebagaimana tertuang pada “Tabel (3)” di bawah ini :
Tabel 3. Hasil pengujian sifat mekanik seal
Type Hardness (Shore A) Tensile Strength (Mpa) Elongation at break (%) Color Spesifikasi 70 ± 5 12.5 250
Hasil Pengujian NBR 72 22.49 213 Hitam
Dari hasil pengujian tersebut dapat dijelaskan hal – hal sebagai berikut :
1. Kekerasan bahan masih berada dalam batas kekerasan yang diijinkan.
2. Terjadi peningkatan nilai Tensile strength bahan sebesar 79.9 % dari 12,5 Mpa menjadi 22,49 Mpa
3. Kemampuan elongation bahan mengalami penurunan hingga 14.8 % di bawah batas yang diijinkan dari yang seharusnya 250% menjadi 213 %.
Perubahan sifat mekanik bahan seperti diatas menyebabkan bahan seal menjadi lebih kaku dan sifat pampatan tetap (compression set)nya juga berkurang, sehingga kemampuannya untuk mempertahankan bentuk awalnya pada saat terkena tekanan atau mengalami deformasi bentuk saat beroperasi juga berkurang sehingga tidak mampu menutupi celah – celah untuk mengatasi kebocoran.
Pengujian Sifat Fisik
Pengujian sifat fisik dilakukan dengan mengukur masa jenis (specivic gravity) bahan, didapat hasil bahwa bahan memiliki masa jenis 1.35 g/cc. Hal ini menunjukkan terjadinya peningkatan masa jenis bahan sebesar 11,6 % dari yang seharusnya 1.21 g/cc sesuai spesifikasi bahan.
Analisis
Kecenderungan hubungan sifat fisik (massa jenis) dan sifat mekanik (kekerasan, kekuatan tarik dan
elongation) bahan Nitrile (NBR) Rubber adalah
bahwa : semakin besar massa jenis bahan maka semakin tinggi kekerasan dan kekuatan tariknya sedangkan kemampuan elongation semakin rendah. Dari data hasil pengujian visual, pengujian dimensi dan pengujian sifat mekanik dan sifat fisik bahan dapat dijelaskan bahwa :
Terjadinya perubahan massa jenis telah menyebabkan peningkatan kekuatan tarik yang berdampak pada meningkatnya kekakuan bahan dan mengurangi kemampuan compression set nya yang
ditunjukkan dengan berkurangnya kemampuan
elongation bahan. Hal ini sangat mempengaruhi
kinerja / kemampuan bahan untuk merapatkan komponen dan mencegah kebocoran.
Terjadi pengecilan ukuran penampang seal telah menyebabkan berkurangnya kemampuan seal secara volumetrik untuk menutupi celah – celah dan mengakibatkan kebocoran.
Diduga peningkatan massa jenis bahan disebabkan oleh temperatur operasi yang melampaui batas dan kondisi seal yang bekerja dibawah tekanan.
Temperatur operasi yang tinggi (di atas temperatur kerja seal) menyebakan seal lunak, Setelah temperatur kembali normal/dingin (setelah ber-operasi) seal akan kembali mengeras dibawah tekanan hidrolik sehingga termampatkan. Hal ini menyebabkan mengecilnya dimensi penampang seal, berkurangnya volume dan berlanjut dengan meningkatnya massa jenis.
Mekanisme Kegagalan
Kebocoran O-ring seal akumulator dump truck diawali oleh kelebihan jam operasi yang menyebabkan overheating, seal menjadi lunak dan akan kembali keras saat temperatur normal dibawah tekanan hidrolik (setelah operasi selesai)
Hal ini menyebabkan perubahan sifat fisik bahan (seal lebih padat dan diameter penampang lebih kecil) dan massa jenisnya meningkat. Perubahan ini menyebabkan perubahan sifat mekanik berupa peningkatan kekuatan tarik dan menurunnya kemampuan elongatoin bahan akibatnya seal menjadi lebih kaku, dan compression set nya bahan berkurang.
Akumulasi dari pengecilan penampang, rendahnya kemampuan elongation, meningkatnya kekakuan bahan menyebabkan seal kehilangan kemampuan malaksanakan fungsinya sebagai perapat saat kembali dioperasikan, dan kemudian mengalami bocor.
Upaya Penanggulangan
Untuk menanggulangi agar kasus ini tidak terulang kembali, harus dilakukan dengan memperhatikan jam operasi unit dump truck (sesuai rekomendasi pabrik) karena steering system ini tidak kilengkapi dengan sistem pendingin.
5. SIMPULAN
Kebocoran seal akumulator yang terjadi pada
steering system Dump Truck adalah karena perubahan sifat mekanik material yang didahului oleh perubahan sifat fisik yang dipicu oleh kelebihan temperatur operasi dan didukung oleh tekanan kerja pada saat tersebut.
Terjadi pengecilan diameter penampang seal (8,9 %) yang secara volumetrik mengurangi kemampuan seal sebagai perapat, dan berlanjut pada peningkatan massa jenis bahan sebesar 11,6 %
Terjadi perubahan sifat mekanik bahan (kekuatan tarik meningkat (79.9 %) / kekakuan meningkat dan elongasi menurun (14.8%) / compression set
menurun) yang mengurangi kemampuan bahan seal sebagai perapat.
UCAPAN TERIMAKASIH
Terimakasih kami sampaikan kepada Ka. Labor Pengujian Bahan dan Metrologi Politeknik Negeri Padang dan Ka. workshop PT. Trakindo Padang atas bantuannya dan saudara Handre Didesli atas peran aktifnya dalam penelitian ini
PUSTAKA
1. Abrianto, Standar Analisis Kegagalan,
http://www.scribd.com (12/07/2010 – 21.35), 2010.
2. Anynomous, Specifications 776D Tractor 777D
Truck Steering System, Caterpillar, Australia,
1996.
3. Anynomous, Seal Materials Available,
http://www.epm.com(18/08/2010 – 23.43), 2006. 4. Anynomous, Nitrile Rubber,
http://en.wikipedia.org (13/08/2010 – 00.52), 2010.
5. Anynomous, An introduction to SEALS and
GASKET, LBP Mitratama, Jakarta.
6. Liza, Chandra, Teknik Analisa Kerusakan (Failure Analisys) pada Komponen Plastik, 2008.
7. Shah, Vishu. Handbook Of Plastics Testing
Technology 3rd Edition, India, 2008.
8. TCR Engineering Services Technical Team,
Investigating Material and Component Failure, Failure and Root Cause Analysis, TCR Enigeering Service, India, 2004.
Curriculum Vitae
Nusyirwan, Lahir di Padang, 15 November 1966.
Lulus S1 Teknik Mesin STTP Padang tahun 1996 dan S2 Teknik Mesin ISTN Jakarta Bidang Teknik Pemeliharaan, tahun 2009, Bekerja sebagai Pengajar di Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Padang (Tahun 1989 – sekarang).
