Distribusi Tegangan Kontak Pada Roda akibat Beban Impact Ketika Roda Melewati Sambungan Rel dengan Adanya Pergeseran Ujung Rel ke Arah Lateral.

Transkripsi

1 Distribusi Tegangan Kontak Pada Roda akibat Beban Impact Ketika Roda Melewati Sambungan Rel dengan Adanya Pergeseran Ujung Rel ke Arah Lateral. I Made Parwata 1), D.J. Schipper 2), I GN. Wiratmaja Puja 3), Satryo S. B 4). Laboratorium Perancangan Mesin, Jurusan Teknik Mesin ITB 1,3,4). Jl. Ganesha No. 10, Bandung Surface Technology and Tribology Institute of Mechanics, Processes and Control University of Twente, Netherlands 2) md_parwata@yahoo.co.uk ABSTRACT When railway wheel roll over the rail joint may cause impact load and it produces defect both on wheel and rail. The magnitude of the load is about 1.1 until 3 times of the static load and even 5 times in some instances. In this paper, it will be investigated the stress and strain due to impact while the wheel roll over the rail joint with rail movement in the lateral direction. Using the numeric approach, this phenomenon will be modeled and simulated to investigate the effect of load axle, velocity of train and the difference of movement of rail in lateral direction to the stress and strain in the wheel. The results show that the velocity of train affect significantly to the stress with gradient , whereas load axle affect significantly to the strain with gradient 7e-6. Key words: rail joint, wheel, impact load, finite element, stress, strain INTISARI Beban impact akan terjadi ketika roda melewati sambungan rel dan dapat menyebabkan kerusakan atau cacat pada roda maupun rel. Besarnya beban ini bisa 1.1 sampai 3 kali beban statis bahkan 5 kali di beberapa tempat. Pada penelitian ini akan diamati tegangan dan regangan akibat beban impact ketika roda melewati sambungan rel yang memiliki tonjolan kearah lateral. Dengan menggunakan pendekatan numerik fenomena ini akan dimodelkan dan dibuatkan simulasi untuk mengamati pengaruh beban poros, kecepatan kereta, perbedaaan tonjolan arah lateral terhadap tegangan dan regangan pada roda dengan bantuan software finite element. Hasil numerik memperlihatkan kecepatan kereta memberikan pengaruh yang paling besar dan lebih sensitive terhadap tegangan dengan kecenderungan sebesar1.8525, sedangkan berat poros memberikan pengaruh yang paling besar terhadap regangan pada roda dengan kecenderungan sebesar 7e-6. Kata kunci: sambungan rel, roda, beban impact, finite element, tegangan, regangan 1. PENDAHULUAN Masalah utama yang terdapat pada dunia perkeretaapian adalah keausan dan kegagalan baik pada roda maupun rel. Clayton (1995) menyatakan bahwa keausan dan kegagalan ini sering terjadi pada lintasan belok, sambungan rel dan persimpangan. Hal ini akibat rolling kontak antara roda dan rel. Pada roda keausan dan cacat sering terjadi pada bagian flange roda. Usaha untuk mengurangi dampak keausan ini pernah dilakukan oleh Dahlan dan Satryo S. B (2002) dengan pemasangan elastomer. Kerusakan pada roda maupun rel menyebabkan ketidaknyamanan penumpang, kebisingan dan yang lebih berbahaya lagi adalah keluarnya roda dari rel (derailment). Pada paper ini akan dibahas salah satu penyebab dari kerusakan ini yaitu beban impact yang terjadi ketika roda melewati sambungan rel. Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh T.C. Ramesh dan N Ganesan (1993) dengan menggunakan model beban impact yang dimodelkan oleh Ahlbeck dan Hadden (1984) memperlihat bahwa tegangan akibat impact ini lebih besar 1.1 sampai1.5 kali beban statis berupa tegangan tangensial dan tegangan radial yang diamati di daerah flange dan counterflange. Beban impact ini dihasilkan oleh kombinasi cacat pada roda dan corrugation rail, seperti gambar 1. 1

2 Gambar 1. Beban impact menurut Ahlbeck dan Hadden [1] Sedangkan pengamatan lapangan yang dilakukan oleh Zepeng Wen dkk (2005) menyatakan bahwa gaya impact yang disebabkan oleh sambungan rel adalah 2 sampai 3 kali beban static antara roda dan rel dan bisa sampai 5 kali dibeberapa tempat. Gaya impact yang sangat besar ini dapat menyebabkan berbagai kerusakan baik pada rel maupun pada roda seperti penggepengan, pendataran, aus dan retak. Beberapa pengamatan pada sambungan rel telah dilakukan lihat referensi 3, 7, 9, dan 10. Pada paper ini dilakukan analisis tegangan dan regangan pada roda dengan adanya tonjolan akibat pergeseran rel kearah lateral pada sambungan rel. Analisis tegangan dan regangan pada rel akibat pergeseran ini telah dilakukan sebelumnya oleh Parwata dkk (2008). Terjadinya kerusakan pada roda maupun rel ini juga menyebabkan getaran dan noise, ketidaknyamanan penumpang dan bunyi yang kurang mengenakkan pada masyarakat disekitar lintasan kereta api. Sehingga perlu dilakukan analisa tegangan dan response dinamik kontak roda dan rel dalam pengembangan struktur sambungan rel dikemudian hari. Penelitian tentang beban impact ketika roda melewati sambungan rel sudah dilakukan beberapa peneliti. Sebagian besar peneltian ini menitikberatkan analisis pada rel, seperti yang dilakukan T.X. Wu dan D.J. Thompson (2003) melakukan penelitian tentang pengaruh beban impact terhadap level noise yang terjadi. Simulasi dilakukan untuk melihat berbagai level noise dengan memvariasikan kecepatan kereta, beban statis roda dan geometri sambungan yang meliputi lebar celah dan perbedaan tinggi ujung rel. Didapatkan bahwa level noise meningkat dengan naiknya kecepatan kereta. Kemudian Zepeng Wen dkk (2005) membahas pengaruh beban impact ini terhadap gaya kontak pada kepala rel. Hasilnya memperlihatkan bahwa gaya kontak vertical maksimum sekitar 2.6 kali gaya statis kontak pada kepala rel. Dengan menggunakan metode elemen hingga disimulasikan pula pengaruh beban poros dan kecepatan kereta ketika melewati sambungan terhadap gaya kontak, tegangan dan regangan pada kepala rel. Beban poros memperlihatkan pengaruh lebih besar terhadap terhadap tegangan maupun regangan daripada kecepatan kereta. Selanjutnya Chen (2006) membahas tentang pengaruh adanya insulated rail joint (IRJ) dengan material yang berbeda yaitu epoxy-fiberglass, PTFE, dan Nylon 66 terhadap distribusi tegangan kontak normal dan tangensial pada rel dengan menggunakan metode elemen hingga. Simulasi numeric juga mengamati pengaruh jarak kontak dan material IRJ terhadap distribusi tegangan geser maksimum dan tegangan kontak. Hasil pengujian memperlihatkan adanya IRJ ini mempengaruhi secara signifikan distribusi tegangan kontak. Kemudian Wu Cai dkk (2007) melakukan penelitian tentang analisis tegangan pada sambungan rel akibat perbedaan tinggi ujung rel, kecepatan kereta dan beban poros terhadap gaya kontak, tegangan dan regangan pada kepala rel. Simulasi dengan menggunakan metode elemen hingga memperlihatkan bahwa perbedaan tinggi ujung rel pada sambungan sangat berpengaruh terhadap gaya kontak, tegangan dan regangan. Kecepatan kereta lebih besar pengaruhnya terhadap tegangan, gaya kontak dibandingkan dengan beban poros. Oleh karena itu adanya perbedaan ketinggian rel ini pada sambungan harus dihilangkan. Sebagian besar penelitian akibat impact saat roda melewati sambungan rel difokuskan pada response dinamik pada rel sedangkan pada paper ini akan dianalisis response dinamik pada roda. Dengan menggunakan software finite elemen disimulasikan pula pengaruh besarnya tonjolan kearah lateral, kecepatan kereta dan beban poros terhadap tegangan dan regangan pada roda. Pemodelan Roda dan Rel Roda menggelinding diatas rel kemudian melewati sambungan rel. Sambungan ini menghubungkan dua ujung rel, terbuat dari dua buah fishplate dan diikat oleh 6 buah baut. Salah satu ujung rel ini dibuat bergeser sejauh h kearah lateral. Ketika roda melewati sambungan ini maka roda akan menabrak ujung rel yang bergeser tersebut. Beban impact akan terjadi pada kedua komponen yaitu roda dan rel. Gambar model dinamik roda dan rel seperti diperlihatkan pada gambar 2. 2

3 ω Gambar 2. Model dinamik Rel yang digunakan dalam pemodelan adalah type rel UIC 54 dengan inklinasi 1:40 sedangkan roda adalah type ORES 1002 dengan radius nominal R = mm. Panjang rel yang digunakan dalam pemodelan ini adalah L = 500 mm, lebar celah l = 6 mm dan penyimpangan h dibuat bervariasi yaitu: 1, 2, 3 mm. Kecepatan kereta Vo yang digunakan pada simulasi ini bervariasi mulai dari 45, 60, 75, 90, 105 km/jam. Beban poros roda P o adalah 8.25 ton, 9.25 ton, ton. Pada bagian bawah dari rel dianggap ditumpu dengan tumpuan jepit. Analisis dinamik dilakukan dengan menggunakan software Ansys LS-Dyna. Pada pemodelan finite elemen, kedua buah rel dan roda akan dimodelkan dengan benda elastis dengan modulus elastisitas 210 Gpa, Poisson ratio 0.3 dan massa jenis 7800 kg/m 3. Rel dimodelkan menggunakan material bilinear elastic plastic dengan kinematik skereta hardening, modulus elastic adalah 210 Gpa, Poisson ratio 0.3, massa jenis 7800 kg/m 3, Yield strength adalah 883 Mpa dan tangent modulus adalah 21 Gpa. Gesekan antara roda dan rel diasumsikan sebesar 0.3. Model finite elemen diperlihatkan seperti gambar 3 dan meshing pada flange roda diperlihatkan pada gamabr 4. Arah memanjang rel adalah arah longitudinal diindikasikan dengan sumbu Z, arah lateral diindikasikan dengan sumbu X dan arah vertical diindikasikan dengan sumbu Y. Elemen yang digunakan memodelkan roda dan rel adalah 8 node brick element. Dengan membuat meshing yang lebih halus pada bagian yang dianalisa yaitu bagian flange roda dan rel. Hal ini dilakukan untuk mengurangi jumlah elemen sehingga dapat mempercepat proses komputasi. Gambar 3. Meshing roda dan rel Gambar 4. Model meshing roda 3

4 2. HASIL DAN PEMBAHASAN Variasi besarnya tegangan ekivalen dan regangan diamati pada kecepatan kereta V 0 =75 km/jam, beban poros P 0 = 9,25 ton dan tonjolan rel 2 mm. Hasilnya pada flange roda adalah sebagai berikut. Tegangan yang terjadi akibat kontak antara roda dan rel dapat dilihat pada gambar 5. Tegangan ini mulai terjadi ketika roda menggelinding diatas rel yang satu ke rel berikutnya. Pada kasus ini impact mulai terjadi pada ms, berlangsung sangat cepat dan mencapai tegangan tertinggi pada waktu ms sebesar MPa. Pada saat impact terjadi regangan plastic seperti diperlihatkan gambar 6. Regangan ini mencapai nilai maksimum sebesar 9.72E-05. Distribusi tegangan terbesar terjadi pada flange roda seperti yang diperlihatkan pada gambar 7. Cacat yang terjadi pada flange foda diperlihatkan pada gambar 8. Pada penelitian ini simulasi dilakukan dengan menganggap kontak antara roda dan rel terjadi pada satu titik yaitu di sekitar daerah flange roda dan rel. Gambar 5. Kurva Time History tegangan Von Misses pada roda Gambar 6. Time history regangan elastik ekivalen pada roda 4

5 Gambar 7. Kontur tegangan equivalent Von Misses pada penampang roda cacat Gambar 8. Cacat pada flange roda 2.1. Pengaruh kecepatan kereta Pengaruh ini diamati pada kondisi beban poros 9.25 ton dan selisih tonjolan rel 2 mm. Kecepatan divariasikan mulai kecepatan 45, 60, 75, 90 dan 105 km/jam. Hasilnya diperlihatkan pada gambar Terlihat hubungan yang sebanding antara kecepatan kereta dan tegangan ekivalen. Semakin tinggi kecepatannya, tegangan yang terjadi juga makin besar dengan besarnya kecendrungan sebesar Demikian pula dengan regangan plastic terjadi hubungan yang sebanding dengan kecepatan seperti terlihat pada gambar 10. Berbeda dengan hasil analisis pada rel dimana terjadi hubungan yang terbalik antara kecepatan dan tegangan ekivalen seperti pada reference 9. 5

6 Gambar 9. Pengaruh kecepatan terhadap tegangan ekivalen pada roda Gambar 10. Pengaruh kecepatan terhadap regangan elastik ekivalen pada roda 2.2. Pengaruh beban poros Pengaruh ini diamati dengan kondisi kecepatan kereta 75 km/jam dan besarnya tonjolan 2 mm. Beban poros yang digunakan adalah 8.25, 9.25 dan ton. Gambar 11 memperlihatkan bahwa tegangan ekivalen meningkat dengan naiknya beban poros. Kecendrungan yang diperoleh adalah sebesar 1.087, masih lebih kecil dari pengaruh kecepatan kereta. Pengaruh beban poros terhadap regangan plastic ekivalen juga memperlihatkan kecendrungan meningkat yaitu sebesar 7e- 6, lebih besar daripada pengaruh kecepatan lihat gambar 12. Analisis pada rel memperlihatkan kecendrungan yang sama seperti yang dihasilkan oleh Parwata dkk (2008) untuk pergeseran rel arah lateral dan Wu Cai (2007) untuk pergeseran rel arah vertical, bahwa pertambahan beban poros menghasilkan tegangan ekivalen yang semakin besar ketika roda melewati sambungan rel. Gambar 11. Pengaruh beban poros terhadap tegangan ekivalen pada roda 6

7 Gambar 12. Pengaruh beban poros terhadap regangan elastik ekivalen pada roda 2.3. Pengaruh besarnya tonjolan rel Pengaruh ini diamati pada kondisi dimana kecepatan kereta 75 km/jam dan berat poros 9.25 ton. Gambar 13 menunjukkan bahwa semakin besar pergeseran rel kearah lateral maka tegangan ekivalen yang terjadi memiliki kecendrungan meningkat. Kecenderungan ini sebesar masih lebih kecil dibandingkan dengan pengaruh kecepatan maupun berat poros. Analisis pada rel juga mendapatkan hasil yang sama seperti yang dihasilkan Parwata dll (2008) untuk pergeseran rel kearah lateral dan simulasi yang dilakukan Wu Cai (2007) untuk pergeseran rel aral vertical. Regangan plastic yang terjadi juga memperlihatkan peningkatannya lihat gambar 14. Gambar 13. Pengaruh tonjolan terhadap tegangan ekivalen pada roda Gambar 14. Pengaruh tonjolan terhadap regangan elastik ekivalen pada roda. 3. KESIMPULAN Simulasi yang dilakukan dengan mengunakan finite element untuk memodelkan distribusi tegangan maupun regangan kontak pada roda memperlihatkan bahwa kecepatan kereta memberikan kecendrungan terbesar yaitu untuk tegangan sedangkan untuk regangan kecendrungan terbesar diperlihatkan oleh beban poros yaitu 7e-6, ini berarti bahwa kecepatan kereta berpengaruh sangat besar dan lebih sensitive pengaruhnya terhadap besarnya tegangan pada roda daripada 7

8 beban poros maupun perbedaan tonjolan rel. Sedangkan yang paling besar dan paling sensitive pengaruhnya terhadap regangan adalah beban poros diikuti kemudian oleh kecepatan kereta dan terakhir adalah perbedaan tonjolan. 4. SARAN Perlu dilakukan penelitian dengan mengganti material roda dengan material elastic-plastis untuk melihat terjadinya regangan plastic yang terjadi sehingga bisa diketahui kapan terjadinya deformasi plastis. Selanjutnya untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat perlu diikutsertakan komponen-komponen lain dari sambungan rel pada model. DAFTAR PUSTAKA 1. Ahlbeck D. R. dan Hadden J. A., Measurement and prediction of impact loads from worn railroad wheel and rail surface profiles, J. Engng Industry Tram. ASME 107, 1984, Clayton, P., Predicting the wear of rails on curves from laboratory data. Wear 181, 1995, Chen YC dan Chen LW. Effects of insulated rail joint on the wheel/rail contact stresses under the condition of partial slip. Wear,260, 2006, Dahlan dan Satryo S.B, Uji Coba Profil Aus untuk Mengurangi Keausan Flens Roda Gerbong KKBW KA Babaranjang, Jurnal Teknik Mesin ITB, XVII, 2002, Parwata Md, Satryo S. B., I GN. Wiratmaja Puja, Distribusi Tegangan Kontak Pada Rel akibat Beban Impact Ketika Roda Melewati Sambungan Rel dengan Adanya Tonjolan Ujung Rel ke Arah Lateral, Prosiding Seminar Nasional Teknologi Simulasi IV UGM, 2008, Ramesh, T. C. dan Ganesan N., Stress in A Railway Wheel Due to An Impact Load, Computer & Structures, 46, 1993, Tong D. Railroad track. Beijing: China Railway Publishing House; 1986 (in Chinese). 8. Wu Cai, Zefeng Wen, Xuesong Jin, Wanming Zhai, Dynamic stress analysis of rail joint with height difference defect using finite element method, Engineering Failure Analysis, 14, 2007, Wu T.X. and Thompson D.J., On the impact noise generation due to a wheel passing over rail joints, Journal of Sound and Vibration 267, 2003, Zefeng Wen, Xuesong Jin, Weihua Zhang, Contact-impact stress analysis of rail joint region using the dynamic finite element method, Wear, 258, 2005,