ANALISIS TEGANGAN BAUT PENGUNCI GIRTH-GEAR KILN

No.33 Vol.1 Thn.XVII April 010 ISSN : 0854-8471 ANALISIS TEGANGAN BAUT PENGUNCI GIRTH-GEAR KILN Devi Chandra 1, Gunawarman 1, M. Fadli 1 Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Andalas Alumni Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Andalas ABSTRAK Girth-gear merupakan penggerak utama kiln pada parik semen yang terpasang pada shell kiln Konstruksinya terdiri dari dua agian setengah lingkaran yang dihuungkan dengan menggunakan aut dan pin. Apaila salah satu dari aut atau pin mengalami kegagalan maka fungsi driver akan terganggu. Baut pengunci kiln driver sering mengalami kegagalan/patah sehingga perlu dilakukan analisa tegangan yang ekerja pada aut untuk mengetahui penyea kegagalannya. Dari hasil pengujian tarik diketahui ahwa tegangan ultimate aut seesar 891 Mpa dan Tegangan Yield 744 Mpa. Perhitungan tegangan secara teoritik dilakukan pada lima kondisi pemeanan erdasarkan pada posisi titik tangkap gaya tekan roda gigi penggerak kiln terhadap aut pengunci kiln yaitu 1800, 1350, 900, 450 dan 00. Dari hasil perhitungan didapatkan tegangan teresar terjadi ketika aut pengunci girth-gear tepat erada pada titik kerja gaya tekan roda gigi penggerak kiln dengan esar tegangan 63 MPa. Tegangan ini jauh leih kecil dari Tegangan Yield aut sehingga tidak mungkin terjadi gagal statik pada aut. Dengan demikian perlu dilakukan analisis dinamik dengan menggunakan Diagram Goodman. Dari analisis dengan diagram Goodman diketahui ahwa kegagalan yang terjadi pada aut adalah gagal fatique (lelah). 1. PENDAHULUAN Kiln merupakan agian yang sangat penting dari seuah parik semen, dimana kiln sangat mempengaruhi produksi dari seluruh elemen parik. Kiln digunakan seagai tempat pemakaran rawmix menjadi klinker. Konstruksi dari kiln erentuk taung (silinder) yang teruat dari pelat aja, agian dalamnya dieri lapisan atu tahan api, dan mempunyai saluran inlet dan outlet. Dalam operasinya kiln erputar diatas tumpuan dengan menggunakan dua uah motor penggerak. Kiln dipasang dengan kemiringan 4% dari panjang kiln atau sekitar 0 sampai dengan 50. Kiln erputar dengan kecepatan sekitar,5 sampai dengan 3,1 rpm dan digerakkan oleh uah motor penggerak dengan daya masing-masing motor adalah 600 kw. Dari motor penggerak putaran diteruskan ke girthgear yang terpasang pada shell kiln dengan menggunakan roda gigi pinion. Konstruksi girth-gear terdiri dari dua agian setengah lingkaran yang dihuungkan dengan menggunakan aut dan pin. Tiap sisi dari masingmasing ujung setengah lingkaran girth-gear dikunci oleh 3 uah aut dan satu pin. Dengan demikian, seluruh perangkat pengunci girth-gear ini terdiri dari 1 uah aut dengan 4 uah pin. Jika salah satu dari aut/pin dari sistem pengunci ini mengalami kegagalan maka fungsi girth-gear terganggu dan putaran/operasi kiln harus dihentikan untuk proses penggantian aut/pin. Penghentian operasi kiln akan mengganggu proses produksi semen dan ini tentu saja sangat merugikan perusahaan, penurunan kapasitas produksi, peningkatan iaya pemeliharaan, dan kesulitan koordinasi. Baut pengunci girth-gear kiln sering mengalami kegagalan/patah. Untuk mengetahui penyea kegagalan terseut maka diperlukan analisis tegangan dan analisis metalurgi terhadap perangkat aut pengunci girth-gear kiln ini. Analisis tegangan diperlukan terutama untuk mengetahui jenis dan kondisi tegangan yang ekerja serta esar tegangan yang dialami oleh aut/pin. Sementara, analisis metalurgi diperlukan untuk mengetahui penyea patahnya aut/pin, dan selanjutnya dapat menentukan material yang leih cocok untuk kondisi kerja girth-gear kiln.. GAMBARAN UMUM KILN Kiln pada parik semen didukung oleh komponen komponen penunjang s : a. Tyre / Live Ring Tyre atau Live Ring merupakan alat yang dipasang pada shell kiln dan erputar ersama dengan kiln. Tyre atau Live Ring. Supporting Roller Supporting roller erfungsi untuk menumpu dan seagai penahan kiln, selain itu supporting roller juga erfungsi untuk mempermudah kiln erputar. c. Trust Roller Berfungsi untuk menahan sekaligus untuk mendorong kiln yang sedang erputar tidak turun dari posisinya d. Fan Kiln merupakan tempat terjadinya pemakaran Raw Mix. Pemakaran dilakukan dalam temperatur tinggi yang erkisar antara 13000 15000C. Oleh sea itu dipasanglah fan untuk menarik gas panas yang ercampur dengan material. e. Burner Burner merupakan salah satu sistem pemakaran yang dilakukan didalam kiln. Cara kerjanya adalah dengan sistem penyemprotan TeknikA 1

No.33 Vol.1 Thn.XVII April 010 ISSN : 0854-8471 atu ara erentuk tepung dan disemprotkan menggunkan rotari lower ke ruang pemakaran. f. Grate Cooler Merupakan tempat pendinginan klinker yang keluar dari kiln dan sekaligus seagai alat transpor klinker menuju ke rooller crusher. g. Girth-gear Merupakan penggerak utama kiln. Cara kerjanya adalah dengan menggunakan sistem roda gigi. Roda gigi terseut dipasang pada shell kiln dan erfungsi seagai penggerak dari kiln. Arus listrik yang memutar motor penggerak diteruskan ke transmisi roda gigi dan terus memutar roda gigi pinion yang erhuungan langsung dengan girth-gear kiln. Gamar -1. Girth-gear Kiln Gamar - Girth-gear kiln dan aut pengunci 3 MODUS KEGAGALAN LOGAM a. Distorsi Kegagalan jenis ini akan terjadi jika komponen atau struktur terseut tidak mampu lagi memikul ean yang seharusnya, tidak dapat erfungsi seagaimana mestinya atau mengganggu operasi komponen lainnya. Jenis-jenis distorsi adalah : Distorsi ukuran Distorsi entuk Penyea utama kegagalan ini adalah pemeanan yang erleihan (overloading) yang diseakan oleh : Spesifikasi material yang tidak sesuai Kegagalan dalam memenuhi spesifikasi. Patah Ulet Permukaan patahannya memiliki deformasi plastis yang cukup esar. Patah ulet memiliki ciri-ciri antara lain permukaan patah yang rata, iir geser (shear lip) yang mementuk sudut 45o terhadap permukaan patah, dan selalu diawali dengan proses pengecilan penampang setempat (necking) ila mendapat ean tarik. Penyea kegagalan komponen dengan modus patah ulet murni adalah adanya ean yang erleihan (overloading), kesalahan dalam proses perlakuan panas (heat treatment), kesalahan pemuatan, cacat material, pengaruh lingkungan dan operasi. c. Patah Getas Patah getas peramatan retakannya sangat cepat, tidak terjadi deformasi plastis, permukaan patahannya rata, dan tidak didahului dengan pengecilan penampang setempat. Penyea patah getas antara lain: Cacat yang sudah ada dalam material Cacat yang timul karena proses pemuatan Cacat yang terjadi karena kondisi operasi d. Patah Lelah Patah lelah pada elemen mesin yang diuat dari aja adalah patah yang terjadi secara tia-tia setelah elemen mesin terseut eroperasi untuk eerapa waktu. Istilah tia-tia perlu segera dieri keterangan tamahan, sea sumer patah lelah yang erupa retak mikro atau micro crack yang tidak dapat terlihat oleh mata, seenarnya terjadi lama seelum patah lelah terjadi. Bereda dengan patah akiat dilampauinya tegangan tarik yang menunjukan patah ulet, yaitu terjadinya deformasi plastis yang cukup esar disekitar potongan patah, maka pada patah lelah tidak terjadi deformasi plastis yang cukup esar terseut sehingga kelihatan seperti patah getas atau rittle fracture seperti patahnya ahan getas. Padahal elemen mesin diuat dari aja yang ulet atau ductile dan ukan diuat dari ahan getas. Pada patah lelah dengan jelas terlihat adanya dua daerah yang dinamakan daerah patah lelah dan daerah patah tia-tia. Daerah patah lelah pada umumnya rata dan halus hampir seperti jaringan Pada daerah patah lelah tidak terjadi deformasi plastis. Jika diamati dengan teliti, maka titik asal patah lelah yang erupa retak mikro didaerah konsentrasi tegangan iasanya dapat dilihat dengan jelas. Patah pada daerah tia-tia adalah akiat dilampauinya tegangan atas tarik, yaitu karena luas potongan yang elum retak tinggal kecil saja sehingga tegangan yang terjadi akiat ean melampaui tegangan atas tarik. Pada daerah tia-tia terjadi akiat adanya deformasi plastis seperti pada patah ulet. Dari eerapa penelitian dan pengamatan patah lelah, dapat diamil kesimpulan ahwa patah lelah diseakan deformasi plastis yang diulangulang. Deformasi plastis terseut tidak perlu erupa deformasi plastis makro yang tampak oleh mata, tetapi deformasi plastis mikro yang terjadi pada retak mikro yang sekaligus menjadi konsentrasi tegangan dan menjadi titik asal patah lelah.

No.33 Vol.1 Thn.XVII April 010 ISSN : 0854-8471 Analisis kegagalan karena ean olak-alik suatu material dapat dilakukan dengan menggunakan diagram Goodman (Gamar 3). Diagram Goodman merupakan diagram yang menggamarkan tegangan yang terjadi pada elemen yang mengalami ean dinamik seperti ean erulang. Diagram ini menghuungkan antara tegangan ultimate, tegangan luluh (yield) dan tegangan lelah (endurance limit) dengan tegangan yang ekerja (working stress) sehingga dapat diketahui apakah material/elemen gagal atau tidak. Pengamilan Sampel Uji Pengujian Tarik Mulai Studi Lapangan Studi Literatur Perhitungan Secara Teoritik σu (Tegangan ultimate) Tegangan σe 0,7 σu Diagram Goodman Analisis Kesimpulan Gamar -3 Diagram Goodman 4. METODOLOGI 4.1. Data Penelitian Data-data untuk penelitian adalah s : Kiln Putaran Kiln (n) : 3 rpm Daya motor penggerak : x 600 kw Kecepatan tangensial : 0,4 m/s Girth-gear kiln Jumlah gigi girth-gear : 8 uah Sudut kemiringan gigi : 9 30 Diameter pitch girth-gear : 491,8 mm Baut Pengunci girth-gear Diameter aut pengunci : 48 mm 4. Diagram Alir Penelitian Skema lengkap penelitian dapat dilihat pada Gamar 4. Gamar -4 Diagram Alir Penelitian 4.3 PerhitunganTegangan pada Baut Pada aut akan terjadi dua entuk gaya yaitu gaya langsung (direct force) dan gaya momen (moment force). Untuk mendapatkan esar tegangan yang ekerja pada aut maka terleih dahulu dihitung gaya resultan yang merupakan jumlah dari direct force dan moment force. Perhitungan Direct Force Direct Force pada aut adalah gaya luar yang ekerja diagi dengan jumlah aut yang menahan ean. F F d N (1) F adalah gaya luar pada sistem aut N jumlah aut yang menahan ean Perhitungan Momen Force Momen Force merupakan gaya akiat adanya momen yang dipengaruhi oleh jarak tempat gaya ekerja terhadap titik pusat enda (lengan moment). Momen force dapat dihitung dengan menggunakan rumus : F i C. r i Dimana : Fi moment force aut ke i ri jarak aut ke i ke pusat massa aut C konstanta proporsional () Moment luar yang ekerja pada sistem aut akan sama dengan jumlah dari moment force seluruh aut : F. e. F i ri Selesai (3) TeknikA 3

No.33 Vol.1 Thn.XVII April 010 ISSN : 0854-8471 1 + F. e C( r + r...) Dimana : F adalah gaya luar yang ekerja e adalah lengan moment gaya luar ke pusat massa aut (4) Perhitungan Resultan Gaya Resultan gaya dihitung pada 5 kondisi pemeanan erdasarkan pada posisi titik tangkap gaya tekan roda gigi penggerak kiln terhadap aut pengunci kiln yang akan ditentukan tegangannya yaitu 1800, 1350, 900, 450 dan 00. Resultan gaya pada aut pengunci merupakan jumlah dari direct force dan moment force yang terjadi pada aut pengunci girth-kiln. Gaya Tekan Roda Gigi Penggerak Kiln Gaya tekan roda gigi atau gaya tangensial Ft dihitung dengan menggunakan rumus : Daya Ft v (5) Dimana v adalah kecepatan tangensial dari girthgear yang dihitung dengan persamaan : π d n v 60 (6) d merupakan diameter pitch dari girth-gear dihitung menggunakan rumus : N d Pdn cosψ (7) Dimana N merupakan jumlah gigi dari girth-gear, ψ sudut helik roda gigi miring, dan Pdn diameter pitch normal. Diameter pitch normal dapat dihitung dengan persamaan : P dn π π Pn P.cosψ (8) 5. HASIL DAN PEMBAHASAN 5.1 Perhitungan Gaya dan Tegangan Baut Gaya Tangensial Roda gigi P P cosψ n 33.87 π Pdn P d n π 33,87 0,098 N P cosψ dn 8 0 ι 0,098 cos 9 30 491,8 mm π d n v 60 π x 491,8 x3 60 0, 4 m s Daya F t v 100 kw 0,4 m / s 3000 kn Direct force (Fd) Ft 3000 kn Fd Jumlah Baut 14 14 Perhitungan Koefisien Momen C t kn {( ) 4 4 } 1 3 6 7 { 3( ) 4 4 } 1 6 7 { ( ) ( ) ( )} {( ) ( ) ( )} { } F Jarak c r + r + r + r + r c r + r + r 3000 3946 c 3 313 + 4 3540 + 4 3715 11838000 knmm c 6194014 + 5016400 + 5504900 11838000 knmm c 16771514 mm 11838000 knmm c 16771514 mm c 0,07 kn mm Momen Force F Momen force dihitung untuk menentukan resultan gaya yang ekerja pada aut pengunci kiln. F c Jarak Terjauh 0, 07 kn 3715 mm mm 60 kn Resultan Gaya dan Tegangan pada aut Kondisi I Kondisi II F F F R 60 14 46 kn Tegangan pada aut : 46 kn σ 5555 kn m aut 5,5 MPa F F Sin 45 y 14 0, 7071068 151 kn F F Cos 45 x 14 0, 7071068 151 kn ( ) ( ) F F F + F R y x ( ) ( ) 60 151 + 151 186 kn TeknikA 4

No.33 Vol.1 Thn.XVII April 010 ISSN : 0854-8471 Tegangan pada aut : 186 kn σ 103333 aut 103 MPa Kondisi III kn m ( F sσ a v e, k σ r ) F F + F R Kondisi IV Kondisi V ( 60) ( 14) + 336 kn Tegangan pada aut : 336 kn σ 186666 kn m aut 186,6 MPa F F Sin 45 y 14 0, 7071068 151 kn F F Cos 45 x 14 0, 7071068 151 kn ( ) ( ) F F + F + F R y x ( 60 151) ( 151) + + 437 kn Tegangan pada aut : 437 kn σ 4777 kn m aut 4,7 MPa F F + F R 60 + 14 474 kn Tegangan pada aut : 474 kn σ 63333 kn m aut 63 MPa 5. Diagram Goodman Untuk menggamarkan diagram Goodman diperlukan faktor konsentrasi tegangan aut (K) dan faktor keamanan Fs. Dari pengujian kekerasan didapatkan kekerasan rata-rata aut seesar 9,7 HRC atau 84 BHN. Dengan faktor konsentrasi tegangan ulir aut adalah 3. Diagram Goodman dapat digamarkan seperti diawah ini Gamar -5 Diagram Goodman Hasil Perhitungan 5.3 Analisa dan Pemahasan Pada kondisi V gaya tangensial yang ekerja pada girth-gear terletak tepat di ujung dekat aut pengunci dan tegak lurus dengan samungan dua agian main gear. Berdasarkan hasil perhitungan didapatkan tegangan teresar pada saat ean erada pada kondisi V yaitu seesar 63 MPa, ini erarti aut pada agian kanan gamar mengalami tegangan tekan seesar 63 MPa dan disaat yang sama aut pada agian kiri mengalami tegangan tarik seesar 63 MPa juga. Dengan demikian aut mengalami tegangan olak-alik dengan tegangan maksimum 63 MPa, seperti Gamar 6. σ ( M P a ) Gamar -6 Tegangan Bolak-alik yang ekerja pada Baut Berdasarkan diagram Goodman dapat dilihat ahwa tegangan yang ekerja pada aut erada diluar garis failure line, dengan demikian aut mengalami kegagalan lelah akiat ean olak alik. Gamar -7 Bentuk permukaan patah aut Dari Gamar 6 dapat dilihat entuk permukaan patah dari aut pengunci girth-gear kiln, agian A adalah entuk patahan akiat ean olak-alik yaitu patah lelah dan pada agian B merupakan patah getas. Patah getas ini terjadi karena aut tidak lagi mampu menahan ean yang ekerja setelah t TeknikA 5

No.33 Vol.1 Thn.XVII April 010 ISSN : 0854-8471 terjadinya awal patahan (patah lelah). Garis erwarna kuning merupakan atas antara patah lelah dengan patah getas. Semakin esar daerah B erarti material yang digunakan adalah material yang semakin getas dan semakin tidak mampu menahan ean olak-alik yang ekerja. Dan egitu juga sealiknya, semakin esar daerah A maka material terseut akan semakin mampu untuk menahan ean olak-alik yang ekerja. 6. KESIMPULAN Dari penelitian dapat diamil eerapa kesimpulan seagai erikut: Dari hasil perhitungan teoritik, tegangan teresar yang ekerja pada aut adalah pada kondisi pemeanan V yaitu seesar 63 MPa, dimana ean yang ekerja adalah ean olak alik tarik tekan dan tepat erada dekat dengan samungan girth-gear kiln. Tegangan hasil perhitungan jauh leih kecil dari tegangan yield ahan, karena itu tidak mungkin terjadi gagal statik pada aut. Dari analisis dinamik dengan diagram Godman dapat dilihat ahwa kegagalan yang terjadi adalah karena lelah (patah fatique) karena tegangan yang ekerja erada diluar grafik, ini sesuai dengan entuk patahan yang terjadi pada aut. DAFTAR PUSTAKA Gasni. Dedison, Kriteria Patah Lelah Untuk Bean Dinamik, Jurusan Teknik Mesin, Universitas Andalas, Padang, 00. J.A. Collins, Failure of Materials in Mechanical Design, John Wiley & Sons, The Ohio State University, 1981. Juvinnall, Roert. C, and Kurt, M. Marshek, Fundamentals of Machine Component Design second Edition, John Wiley & Sons, Inc. Canada. 1991 Niemann,G., Elemen Mesin, Jilid 1, Edisi kedua, Penerit Erlangga, Jakarta, 1999. Spotts, M.F., Design of Machine Elements, 6th ed, Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 1985. Sularso., dan Suga, Kiyokatsu., Dasar Perancanaan dan Pemilihan Elemen Mesin, Edisi kedelapan, PT Pradnya Paramita, Jakarta, 1994. TeknikA 6