INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

PENGEMBANGAN DESAIN DAN MATERIAL PENYUSUN BLOK REM KOMPOSIT KERETA API MENGGUNAKAN BAHAN ALAMI TUGAS SARJANA Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh: Tri Nugraha Setianto 13103015 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008

LEMBAR PENGESAHAN Tugas Sarjana Pengembangan Desain dan Material Penyusun Blok Rem Komposit Kereta Api Menggunakan Bahan Alami Oleh Tri Nugraha Setianto 131 03 015 Program Studi Teknik Mesin Institut Teknologi Bandung Disetujui pada Tanggal: Februari 2008 Dosen pembimbing 1, Dosen pembimbing 2, Dr. Ir. IGN Wiratmaja Puja N I P. 131 835 240 Prof.Dr.Ir.Rochim Suratman NIP. 130 528 312 i

Judul Pengembangan Desain dan Material Blok Rem Komposit Kereta Api Tri Nugraha Setianto dengan Menggunakan Bahan Alami Program Studi Teknik Mesin 13103015 Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara Institut Teknologi Bandung Abstrak Blok rem adalah salah satu bagian terpenting dari suatu sistem pengereman kereta api. Jika dibandingkan blok rem metalik, blok rem komposit memiliki kelebihan antara lain: (1) lima kali lebih ringan, sehingga lebih mudah dipasang, (2) umur pemakaian lima kali lebih tahan lama, (3) tingkat keausan lebih rendah, dan (4) perbandingan harga dan umur pemakaian yang lebih baik. Pengembangan blok rem komposit dalam negeri didukung oleh ketersediaan sumber daya di Indonesia yang cukup berlimpah. Seluruh komponen penyusun material komposit rem dapat diperoleh dari dalam negeri. Sumber alam di Indonesia yang dapat dimanfaatkan untuk pengembangan rem komposit adalah serabut kelapa dan arang tempurung. Pada tugas akhir ini, telah dilakukan pengembangan material komposit berbahan alami mulai dari pemilihan material penyusun, pembuatan dan pengujian spesimen hingga analisis dari pengujian yang dilakukan. Pengembangan dilakukan dengan menganalisis produk rem komposit impor kemudian memodifikasi komposisi bahan rem komposit tersebut. Pengujian dilakukan dengan melakukan uji bending, uji tekan dan uji gesek. Kemudian dilakukan juga analisis terhadap modifikasi desain blok rem komposit dengan menggunakan perangkat lunak ANSYS 10. Hasil analisis menunjukkan bahwa persentase bahan serabut kelapa yang paling optimum adalah 50%-75%. Selain itu, waktu curing paling optimum adalah 120 menit. Sedangkan penggunaan arang tempurung kelapa akan menyebabkan penurunan kekuatan mekanik dari blok rem komposit. Desain blok rem komposit yang dirancang adalah dengan menghilangkan center groove. Dari analisis dapat diketahui bahwa desain blok rem tanpa center groove mempunyai faktor keamanan yang lebih tinggi dari desain sebelumnya. ii

Title Material and Design Developing of Train Brake Block Using Natural Tri Nugraha Setianto Resource Major Mechanical Engineering 13103015 Faculty of Mechanical Engineering and Aerospace Institute of Technology Bandung Abstract Brake block is an important part of the train braking system. Compared with metallic brake block, composite brake block has several advantages such as: (1) lighter, so that composite brake block is easier to be installed, (2) low wear rate, (3) longer life cycle, and (4) Better ratio of price and life cycle. Developing composite brake block material is supported by available of natural resource in Indonesia. All of materials for producing composite brake block can get in Indonesia. Natural resource in Indonesia which can be benefited for the composite brake block is coconut fiber and coconut shell charcoal. In this final project, there are several step for research, they are: choosing brake block material, producing of specimen, testing and analyzing from the result of specimen testing. Development done by analyzing imported brake block then modifying composite brake block composition. Mechanical testing in this research are bending testing, compression testing, and friction testing. Next, author analyzing design of composite brake block with braking load using ANSYS 10. From analysis result, optimum percentage of coconut fiber for material modifying is 50% until 75%. Then, modifying using coconut shell charcoal will decrease mechanical properties of composite brake block. From production process, most optimum curing time is 120 minutes. Modified design of composite brake block is a design that omitting center groove. From ANSYS 10 analysis result, brake block without center groove have higher safety factor than previous design. iii

KATA PENGANTAR Puji syukur kepada Allah SWT atas rahmat dan karunia-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana dengan judul Pengembangan Desain dan Material penyusun blok Rem Komposit kereta api Menggunakan Bahan Alami. Laporan Tugas Sarjana ini disusun sebagai salah satu syarat kelulusan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Mesin dari Program Studi Teknik Mesin, Institut Teknologi Bandung. Pada kesempatan ini, penulis juga mengucapkan terima kasih yang sedalam-dalamnya kepada: 1. Bapak, ibu, dan saudara-saudara yang selalu memberikan perhatian, motivasi dan kasih sayangnya kepada penulis 2. Dr. Ir. IGN. Wiratmaja Puja dan Prof. Dr. Ir. Rochim Suratman, sebagai pembimbing yang telah memberikan waktu, perhatian, ilmu, dan dukungan moral kepada penulis. 3. Ratih di Jogjakarta yang selalu memberikan dorongan spiritual dan semangat serta motivasinya yang selalu ada. 4. Teman-teman di Jogjakarta, Ika, Deko, dan Widi yang selalu memberikan motivasi dan semangat moril. 5. Dosen dan karyawan Departemen Teknik Mesin atas bimbingannya selama kuliah. 6. Staf dan karyawan Laboratorium EDC, Pak Bagus, Pak Wayan, Pak Rahman, Mas Dadang, Mas Jajang, Mas Iin atas bimbingan dan kerja kerasnya. 7. Teman-teman di Lab. EDC, Theo, Hadi, Tommy, Eureka, Iyan, Azis, dan anak-anak EDC 2004 atas semangatnya. 8. Staf Dago Engineering, Mas Suke, Mas Ridha, Dodi, Adit, Reyner, Chandra, Okto, Dicky, Nova, Seto, Slamet dan semua orang yang telah membantu penulis. iv

9. Anak-anak satu angkatan Mesin 2003 yang himpunan maupun tidak atas semangat solidaritas yang kuat. 10. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu-persatu yang telah mendukung penulis. Semoga Allah SWT senantiasa melimpahkan rahmat dan rezeki-nya serta membalas semua amal baik atas segala bantuan yang telah diberikan kepada penulis. Amin. Penulis berharap laporan tugas sarjana ini dapat memberikan pengetahuan bagi teman-teman di Program Studi Teknik Mesin ITB. Kritik dan saran membangun terhadap laporan ini sangat diharapkan penulis untuk penyempurnaan tulisan selanjutnya. Bandung, Februari 2008 Penulis v

DAFTAR ISI LEMBAR PENGESAHAN... i ABSTRAK... ii KATA PENGANTAR... iv DAFTAR ISI... vi DAFTAR GAMBAR... ix DAFTAR TABEL... xiii BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang... 1 I.2 Perumusan Masalah... 3 I.3 Tujuan Penelitian... 6 I.4 Ruang Lingkup Penelitian... 7 I.5 Metodologi Penelitian... 7 I.6 Sistematika Pembahasan... 9 BAB II TINJAUAN PUSTAKA II.1 Kereta Api... 10 II.1.1 Definisi dan Jenis Kereta Api... 10 II.1.2 Sistem Pengereman Kereta Api... 12 II.1.3 Gaya Pengereman pada Kereta Api... 14 II.2 Material Komposit... 15 vi

II.3 Material Blok Rem Komposit... 17 II.4 Konsep Dasar Desain... 23 II.5 Pengujian Mekanik... 26 BAB III KARAKTERISTIK MATERIAL BLOK REM KOMPOSIT III.1 Karakteristik Blok Rem Komposit... 35 III.1.1 Pengujian SEM dan EDS... 35 III.1.2 Pengujian XR-F Material Rem Komposit... 39 III.1.3 Pengujian Gesek... 40 III.2 Studi Paten Blok Rem Kereta Api... 42 1. US Patent No. 6.581.732... 43 2. US Patent No. 5.595.267... 43 3. US Patent No. 6.241.858... 44 III.3 Desain Blok Rem Komposit Sebelumnya... 44 BAB IV PENGEMBANGAN MATERIAL PENYUSUN BLOK REM KOMPOSIT IV.1 Pemilihan Material Penyusun... 46 IV.2 Pembuatan Spesimen... 49 IV.1.1 Tahap Persiapan... 49 IV.1.2 Proses produksi spesimen... 55 IV.1.3 Tahap Pemberian Kode Spesimen... 57 IV.3 Pengujian Spesimen... 60 IV.3.1 Pengujian Bending... 60 IV.3.2 Pengujian Tekan... 62 IV.3.3 Pengujian Gesek... 64 vii

BAB V ANALISIS PENGEMBANGAN MATERIAL DAN DESAIN BLOK REM KOMPOSIT V.1 Analisis Modifikasi Reinforcement... 67 V.1.1 Perbandingan Kekuatan Bending... 69 V.1.2 Perbandingan Kekuatan Tekan... 70 V.1.3 Perbandingan Koefisien Gesek... 71 V.1.4 Pengaruh Temperatur Curing... 73 V.2 Analisis Modifikasi Friction Modifier... 74 V.2.1 Perbandingan Kekuatan Bending... 77 V.2.2 Perbandingan Kekuatan Tekan... 78 V.2.3 Perbandingan Koefisien Gesek... 79 V.2.4 Pengaruh Temperatur Curing... 80 V.3 Analisis Modifikasi Desain Blok Rem Komposit... 82 V.3.1 Pemodelan Blok Rem Komposit dengan Center Groove... 85 V.3.2 Pemodelan Blok Rem Komposit tanpa Center Groove... 87 BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN VI.1 Kesimpulan... 90 VI.2 Saran... 90 DAFTAR PUSTAKA... 91 LAMPIRAN... 93 viii

DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Kereta Api di Indonesia... 1 Gambar 1.2 Blok rem pada kereta... 2 Gambar 1.3 Prototipe blok rem komposit... 2 Gambar 1.4 Pecahnya roda kereta akibat penggunaan rem komposit yang kurang tepat [10]... 4 Gambar 1.5 Serat gelas yang digunakan pada rem komposit... 5 Gambar 1.6 Grafit yang digunakan pada rem komposit... 6 Gambar 2. 1 Kereta penggerak tunggal (a), multiple units (b)... 10 Gambar 2. 2 Grafik perbandingan beberapa moda transportasi publik [12]... 11 Gambar 2. 3 Skema batang penghubung pada sistem pengereman kereta api... 14 Gambar 2. 4 Batang-batang penghubung yang terdapat pada setiap roda... 15 Gambar 2. 5 Penyederhanaan model sistem pengereman... 15 Gambar 2. 6 Tren penggunaan material komposit [1]... 16 Gambar 2. 7 Skema Klasifikasi Komposit [7]... 17 Gambar 2. 8 Struktur polimer linear (a), bercabang (b), crosslinked (c) dan network (d) [3]... 22 Gambar 2. 9 Flowchart dalam proses desain [5]... 25 Gambar 2. 11 Prinsip uji bending [9]... 28 Gambar 2. 12 Diagram benda bebas material uji [9]... 29 Gambar 2. 13 Pengujian tekan pada mesin uji... 30 Gambar 2. 14 Ilustrasi material uji pada saat uji tekan [9]... 30 Gambar 2. 15 Contoh grafik hasil uji tekan [9]... 31 Gambar 2. 16 Ilustrasi terjadinya gesekan [16]... 32 Gambar 2. 17 Mesin uji gesek... 33 Gambar 2. 18 Skema dimensi pada batang carrier [10]... 33 Gambar 3. 2 Mesin pelapis emas SCD 400 (a), Spesimen yang telah dilapisi emas (b)... 36 ix

Gambar 3. 3 Mesin uji komposisi SDM-EDS EDAX ZAF... 37 Gambar 3. 4 Hasil pengujian SEM pada spesimen rem futuris... 38 Gambar 3. 5 Hasil pengujian SEM pada spesimen rem marquis... 38 Gambar 3. 6 Alat uji gesek spesimen rem komposit... 41 Gambar 3. 7 Skema alat uji gesek... 41 Gambar 3. 8 Grafik hasil pengujian gesek... 42 Gambar 3. 9 Keyless brake pad [17]... 43 Gambar 3. 10 Blok rem dengan key bridge terisi material komposit [17]... 43 Gambar 3. 11 Blok rem komposit untuk rekondisi roda kereta api [17]... 44 Gambar 3. 12 Desain blok rem komposit sesuai dengan spesifikasi teknik PT KA.44 Gambar 3. 13 Posisi blok rem komposit terhadap break head dan roda kereta... 45 Gambar 4. 1 Serabut kelapa (a), arang tempurung kelapa yang telah dihancurkan (b)... 48 Gambar 4. 2 Resin phenol kuning... 50 Gambar 4. 3 Alumina (Al 2 O 3 )... 50 Gambar 4. 4 Serbuk Besi (Fe)... 51 Gambar 4. 5 Fiber Glass... 51 Gambar 4. 6 Barium sulfat... 52 Gambar 4. 7 Grafit... 52 Gambar 4. 8 Nitril Butadiene Rubber... 53 Gambar 4. 9 Kalsium Hidroksida... 53 Gambar 4. 10 Proses pengayakan (screening)... 54 Gambar 4. 11 Proses penentuan kadar bahan dengan timbangan (a), Bahan-bahan yang telah diskalakan (b)... 54 Gambar 4. 12 Proses pencampuran (mixing)... 55 Gambar 4. 13 Proses pemanasan dies (a), proses pengukuran temperatur (b)... 56 Gambar 4. 14 Proses pemasukan bahan-bahan... 56 Gambar 4. 15 Proses pemberian tekanan (a), alat ukur tekanan (b)... 57 x

Gambar 4. 16 Spesimen yang telah tercetak dikeluarkan dari dies (a), Spesimen dimasukkan dalam oven (b)... 57 Gambar 4. 17 Spesimen material komposit perbedaan spesifikasi proses pembuatan... 59 Gambar 4. 18 Prinsip pengujian three point bending... 60 Gambar 4. 19 Keadaan spesimen setelah dilakukan pengujian bending... 62 Gambar 4. 20 Prinsip pengujian tekan... 62 Gambar 4. 21 Keadaan spesimen setelah dilakukan pengujian tekan... 64 Gambar 4. 22 Prinsip pengujian gesek... 64 Gambar 4. 23 Spesimen uji gesek... 66 Gambar 5. 1 Serat gelas (a), serabut kelapa untuk memodifikasi serat gelas (b).. 69 Gambar 5. 2 Grafik perbandingan kekuatan bending terhadap persentase komposisi serabut kelapa... 69 Gambar 5. 3 Grafik perbandingan kekuatan tekan terhadap persentase komposisi serabut kelapa... 71 Gambar 5. 4 Grafik perbandingan koefisien gesek terhadap persentase komposisi serabut kelapa... 72 Gambar 5. 5 Grafik perbandingan kekuatan bending terhadap waktu curing pada modifikasi reinforcement... 73 Gambar 5. 6 Grafik perbandingan kekuatan tekan terhadap waktu curing pada modifikasi reinforcement... 74 Gambar 5. 7 Grafit (a), arang tempurung kelapa untuk menggantikan grafit (b). 76 Gambar 5. 8 Grafik perbandingan kekuatan bending terhadap persentase komposisi arang tempurung kelapa... 77 Gambar 5. 9 Grafik perbandingan kekuatan tekan terhadap persentase komposisi arang tempurung kelapa... 78 Gambar 5. 10 Grafik perbandingan koefisien gesek terhadap persentase komposisi arang tempurung kelapa... 79 xi

Gambar 5. 11 Grafik perbandingan kekuatan bending terhadap waktu curing pada modifikasi friction modifier... 80 Gambar 5. 12 Grafik perbandingan kekuatan tekan terhadap waktu curing pada modifikasi friction modifier... 81 Gambar 5. 13 Desain blok rem komposit sesuai dengan spesifikasi teknik PT KAI.... 83 Gambar 5. 14 Modeling blok rem komposit dengan perangkat lunak ANSYS 10. 83 Gambar 5. 15 Pemodelan pada kasus pertama... 84 Gambar 5. 16 Pemodelan pada kasus kedua... 85 Gambar 5. 17 Kegagalan blok rem akibat beban bending... 85 Gambar 5. 18 Hasil pemodelan kasus pertama pada blok rem dengan center groove... 86 Gambar 5. 19 Hasil pemodelan kasus kedua pada blok rem dengan center groove 87 Gambar 5. 20 Desain blok rem tanpa center groove... 87 Gambar 5. 21 Hasil pemodelan kasus pertama pada blok rem tanpa center groove88 Gambar 5. 22 Hasil pemodelan kasus kedua pada blok rem tanpa center groove.. 89 xii

DAFTAR TABEL Tabel 2. 1 Perkembangan material untuk rem kendaraan [6]... 19 Tabel 2. 2 Material yang dapat digunakan sebagai material abrasif [2]... 20 Tabel 2. 3 Material yang dapat digunakan sebagai friction modifier [2]... 20 Tabel 2. 4 Material yang dapat digunakan sebagai reinforcement [2]... 22 Tabel 2. 5 Material yang dapat dijadikan sebagai filler [2]... 23 Tabel 3. 1 Komposisi unsur hasil uji SEM: a) Futuris dan b) Marquis... 37 Tabel 3. 2 Hasil pengujian XR-F spesimen futuris... 39 Tabel 3. 3 Hasil pengujian XR-F spesimen marquis... 40 Tabel 4. 1 Material penyusun rem komposit... 46 Tabel 4. 2 Modifikasi komposisi bahan reinforcement... 48 Tabel 4. 3 Modifikasi komposisi bahan friction modifier... 49 Tabel 4. 4 Kode spesimen dan spesifikasi proses pembuatan modifikasi reinforcement... 58 Tabel 4. 5 Kode spesimen dan spesifikasi proses pembuatan modifikasi friction modifier... 59 Tabel 4. 6 Hasil pengujian bending modifikasi reinforcement... 61 Tabel 4. 7 Hasil pengujian bending modifikasi friction modifier... 61 Tabel 4. 8 Hasil pengujian tekan modifikasi reinforcement... 63 Tabel 4. 9 Hasil pengujian tekan modifikasi friction modifier... 63 Tabel 4. 10 Hasil pengujian gesek modifikasi reinforcement... 65 Tabel 4. 11 Hasil pengujian gesek modifikasi friction modifier... 65 Tabel 5. 1 Hasil pengujian bending modifikasi reinforcement... 67 Tabel 5. 2 Hasil pengujian tekan modifikasi reinforcement... 68 Tabel 5. 3 Hasil pengujian gesek modifikasi reinforcement... 68 Tabel 5. 4 Hasil pengujian bending modifikasi friction modifier... 75 Tabel 5. 5 Hasil pengujian tekan modifikasi friction modifier... 75 Tabel 5. 6 Hasil pengujian gesek modifikasi friction modifier... 76 xiii