KATA PENGANTAR Puji dan syukur kami panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena berkat rahmatnya acara Konferensi Engineering Perhotelan IV (KNEP-IV) bisa terselenggara dengan sukses pada tanggal 27-28 Juni 2013 di Bali. KNEP-IV ini diselenggarakan oleh jurusan Teknik Mesin Universitas Udayana dalam rangkaian kegiatan BKFT ke 48 dan Dies Natalis ke 51 Universitas Udayana, didukung oleh Badan Kerjasama Teknik Mesin (BKSTM) seluruh Indonesia. KNEP IV 2013 ini merupakan forum untuk mendiskusikan dan mengkomunikasikan hasil-hasil penelitian terkini engineering dalam konteks perhotelan; dan topik-topik pendukung lain dalam lingkup Teknik Mesin. Disamping itu untuk meningkatkan kerja sama dengan organisasi profesi engineering perhotelan. Hasil yang dihapakan adalah meningkatnya mutu riset-riset yang akan dilakukan, meningkatnya daya kompetisi untuk mendapatkan grant penelitian, hubungan yang baik inter akademisi dan antara akademisi dengan praktisi. Konferensi ini mengangkat beberapa Grup topik yang meliputi: 1. Engineering perhotelan (EP): manajemen dan optimasi energi, manajemen air, AC dan Chiller, pompa, perpipaan, maintenance, elektrikal, sistem pengamanan, boiler, building service, bangunan hemat energi, dll. 2. Konversi energi (KE): Perpindahan panas, mekanika fluida, termodinamika, sumber energi alternatif. 3. Teknik dan manajemen manufaktur (TMM): proses permesinan, pembentukan, fabrikasi, sistem manufaktur, CAD-CAM, otomasi industri, sistem pengontrolan. 4. Teknologi, pengujian dan pengembangan material (TPPM): Korosi, pengelasan, pengecoran, polimer dan komposit, analisis kegagalan. 5. Bidang umum (BU): pendidikan Teknik Mesin, metode pengajaran, kebijakan energi, pengelolaan dampak lingkungan. Adapun jumlah artikel yang dipresentasikan dalam konferensi ini adalah sebanyak 87 makalah yang mencakup ke lima topik di atas. Kami mengucapkan terima kasih kepada Keynote speaker, para akademisi, peneliti, praktisi dan professional di bidang perhotelan yang telah mengirimkan artikelnya, serta semua pihak yang meliputi panitia pengarah, panitia pelaksana, scientific committee dan sponsor yang telah terlibat dan membantu terselenggaranya kegiatan ini dengan sukses. Denpasar, Bali 28 Juni 2013 Dr. Ir. IKG Sugita, M.T. Ketua Panitia
DAFTAR ISI Kata Pengantar Daftar Isi Makalah KNEP IV - 2013 Grup Engineering Perhotelan Grup konversi energi ii iii iii
Grup Teknik dan Manajemen Manufaktur
Grup Teknologi, Pengujian dan Pengembangan Material
.
Grup Bidang Umum Jadwal Lengkap KNEP IV - 2013
Analisa lebar kontak dan tegangan kontak untuk pengembangan desain gasket tipis Moch. Agus Choiron 1), Avita Ayu Permanasari 2), I Made Gatot Karohika 3) 1) Jurusan Teknik Mesin, Universitas Brawijaya 2) Mahasiswa Magister Jurusan Teknik Mesin, Universitas Brawijaya 3) Jurusan Teknik Mesin, Universitas Udayana agus_choiron@ub.ac.id Abstrak Pada penelitian sebelumnya, new corrugated metal gasket ukuran 25A telah dikembangkan untuk tekanan kerja yang tinggi. Di sisi lain aplikasi gasket pada sistem perpipaan untuk tekanan kerja rendah sangat dibutuhkan seperti pada boiler dan pendistribusian air di hotel. Tantangan yang dihadapi dalam desain adalah dimensi lebar gasket yang terbatas dan perbedaan mekanisme deformasi pada gasket yang tipis. Pada studi ini dilakukan analisa desain gasket tipis dengan menggunakan simulasi komputer. Geometri gasket memiliki dua radius convex dengan dimensi meliputi : tebal = 0,5 mm, pitch = 4.5 mm, over hang = 3 mm, lip height = 0.3 mm, radius convex = 2 mm. Model flange diasumsikan sebagai rigid material dan gasket diasumsikan sebagai bilinier kinematik hardening material. Model pengetatan flange dilakukan dengan memberikan input perpindahan pada flange atas dan fixed condition pada flange bawah. Hasil simulasi berupa proporsi daerah elastis yang dapat dipakai untuk menjustifikasi ciri khas dari desain gasket baru ini yaitu spring effect. Mekanisme spring effect ini akan memberikan pengaruh berupa meminimalisasi beban pengencangan yang dibutuhkan. Model keputusan dari desain gasket yang tidak bocor ditentukan oleh lebar kontak yang mempunyai tegangan kontak yang tinggi. Dari hasil komparasi desain gasket tipis dengan gasket tipe flat, didapatkan bahwa besar beban pengencangan yang dibutuhkan gasket tipis lebih rendah yang merupakan dampak dari adanya daerah spring effect yang ditunjukkan dengan proporsi daerah elastis. Kata kunci: Gasket tipis, lebar kontak, tegangan kontak, spring effect 1. Latar Belakang Gasket berfungsi sebagai media penahan kebocoran pada sambungan pipa penghubung yang diketatkan dengan sepasang flange. Metal gasket merupakan salah satu jenis material gasket yang memiliki kemampuan beroperasi pada tekanan kerja yang tinggi, ketahanan yang baik pada temperatur tinggi, tidak mudah korosi. dan dapat meminimalisasi frekuensi penggantian gasket. Bentuk umum desain gasket berupa bentuk flat yang memiliki kelebihan fleksibilitas bentuk untuk dapat dipotong sesuai dengan bentuk yang diinginkan. Kelemahan flat gasket adalah kebutuhan besar beban pengencangan (tightening load) yang besar dan kemungkinan terjadinya gasket relaxation. Gaya tightening yang besar akan menyebabkan kebutuhan desain material baut dan flange menjadi lebih mahal, sedangkan gasket relaxation akan membutuhkan tambahan pekerjaan dalam bentuk tightening procedure yang berkala untuk mencegah kebocoran dari gasket yang terpasang pada flange selama periode operasi. Model desain gasket selain flat gasket adalah corrugated shape (bentuk bergelombang). Desain baru dari corrugated metal gasket dikembangkan di Jepang oleh Saeed, et.all,[1]. Penelitian berkelanjutan untuk optimasi desain telah dilakukan oleh Haruyama S. et.all [2] dan Choiron, et.all [3,4] yang menghasilkan prosedur baru uji kebocoran dan desain gasket yang optimal untuk tekanan kerja yang cukup tinggi sebesar 10-20 MPa. Desain baru gasket ini dapat memberikan solusi terhadap kelemahan flat gasket yaitu membutuhkan beban pengencangan yang lebih rendah dan mengurangi kemungkinan terjadinya gasket relaxation. Penelitian sebelumnya merupakan studi untuk menghasilkan produk desain baru dari corrugated metal gasket untuk kebutuhan operasi tekanan tinggi. Pada penelitian ini akan dikembangkan gasket yang dapat dipakai pada tekanan kerja berkisar 90-160 psi. Dengan mengacu pada konsep desain dari penelitian sebelumnya, maka pada penelitian ini akan dirancang desain gasket tipis tipe bergelombang yang membutuhkan beban pengencangan lebih rendah dibandingkan dengan gasket tipe flat. Penelitian ini menggunakan simulasi komputer untuk mengefisienkan proses desain dan manufaktur sehingga biaya dan waktu untuk trial-error proses akan tereduksi. 2. Metodologi Penelitian Gasket yang digunakan dalam penelitian ini adalah gasket bergelombang yang dipasang diantara dua flange pada sisi atas dan bawah, seperti diilustrasikan pada Gambar 1. Ketika material gasket diketatkan diantara dua flange, maka kedua lingkar (bead) yang ada pada gasket akan terjadi kontak dengan flange dan menciptakan garis lebar kontak yang mempunyai tegangan kontak yang tinggi untuk mencegah kebocoran (Gambar 2). Walaupun lebar kontak yang terjadi pada gasket tipe corrugated ini lebih sedikit dibanding lebar kontak pada gasket tipe flat, dikarenakan tegangan kontak yang tinggi maka beban pengencangan yang dibutuhkan lebih kecil. Prosiding Konferensi Nasional Engineering Hotel IV, Universitas Udayana, Bali, 27-28 Juni 2013 285
OH P t R Gambar 1. Parameter desain gasket tipis Gambar 2. Tegangan kontak yang tinggi pada lebar kontak yang kecil Tabel 1 menunjukkan dimensi gasket tipis bergelombang yang nantinya akan dibandingkan dengan gasket tipis tipe flat dengan ketebalan 0.8 mm. Material baja SUS 304 digunakan dalam penelitian ini karena tahan terhadap temperatur tinggi dan tahan korosi. Material ini menggunakan standar JIS berdasarkan uji kekuatan tarik JISZ 2241, yaitu : Modulus Elastisitas (E) = 210 GPa Poisson ratio (v) = 0,3 Tegangan luluh (σ y) = 398,83 Mpa Tangent Modulus (H) = 1.900,53 Mpa Modulus Young = 190 Gpa Tabel 1. Dimensi gasket tipis tipe bergelombang No Parameter Desain Dimensi 1. Thickness (t) 0.5 2. Pitch 4.5 3. Over hang 3 4. Lip height (h) 0.3 5. Radius convex (R) 2 Analisa pemodelan gasket tipis bergelombang ini menggunakan software berbasis metode elemen hingga. Kedua flange diasumsikan sebagai rigid body, sedangkan gasket tipis diasumsikan sebagai deformable. Pemodelan dibuat dengan 2 Dimensi dengan asumsi model aksisimetris. Perpindahan pada arah aksial digunakan sebagai model pengetatan flange atas terhadap gasket dengan kondisi flange bawah dikonstrain (Gambar 3). Lebar kontak diukur dari jumlah elemen gasket yang mengalami kontak dengan flange. Gambar 4 menunjukkan perbandingan bentuk antara desain gasket tipe flat dan tipe corrugated. Hasil output dari simulasi computer yang akan ditampilkan adalah tegangan kontak dengan beban pengencangan yang akan dipakai untuk membandingkan perbedaan besar beban pengencangan yang dibutuhkan antara gasket tipe flat dengan gasket tipis corrugated. Ciri khas spring effect akan ditunjukkan dari proporsi daerah elastis sehingga kondisi inilah yang akan membantu mengurangi terjadinya gasket relaxation apabila nantinya pada kondisi operasi gasket tipis corrugated terjadi pengurangan keketatan baut. Prosiding KNEP IV 2013 ISSN 2338-414X 286
Gambar 3. Model fisik dan Model Axisymmetric Desain Gasket tipe flat Desain Gasket tipe corrugated Gambar 4. Perbandingan bentuk antara desain gasket tipe flat dan gasket tipe corrugated Secara umum langkah-langkah penelitian yang akan dilakukan mengikuti diagram alir yang terlihat pada Gambar 5. Mulai Studi Literatur Input Data: Geometri Spesifikasi Material Flat Model Corrugated metal Running Model 1. Tegangan Kontak - Load 2. Proporsi daerah elastis 3. Perilaku spring effect pada gasket Komparasi hasil antara gasket tipe flat dengan gasket tipe corrugated Kesimpulan Selesai Gambar 5. Diagram alir penelitian Prosiding Konferensi Nasional Engineering Hotel IV, Universitas Udayana, Bali, 27-28 Juni 2013 287
3. Hasil dan Pembahasan Dari output simulasi komputer didapatkan distribusi besar tegangan kontak (contact stress) dan lebar kontak (contact width) yang terjadi. Besar beban pengetatan flange pada gasket disertai pola distribusi tegangan dan deformasi gasket yang terjadi dapat dilihat pada Gambar 6. Gambar 7 menunjukkan lebar kontak pada salah satu convex gasket yang akan diamati sebagai pembanding besar tegangan kontak yang terjadi pada kedua tipe gasket. 0 KN 10 KN 20 KN 30 KN Gambar 6. Distribusi tegangan gasket tipe corrugated pada proses clamping load Lebar kontak yang dikaji elemen yang terkena kontak Gambar 7. Lebar kontak pada salah satu convex gasket Besarnya tegangan kontak pada lebar kontak yang akan diamati dapat diplot pada pembebanan ±30 KN yang merupakan beban pengencangan konvensional yang dihitung dari standar ASME Boiler & Pressure Vessel Code Section VIII. Gambar 8 menunjukkan distribusi tegangan kontak pada daerah lebar kontak pada gasket tipe corrugated dan gasket tipe flat pada pembebanan ± 30 kn. Tampak bahwa besar tegangan kontak pada gasket tipe corrugated lebih besar dibandingkan besar tegangan kontak pada gasket tipe flat dimana besarnya mencapai di atas tegangan yield bahan atau sudah mencapai tegangan plastis. Dari penelitian sebelumnya ditemukan bahwa kebocoran dapat dicegah oleh lebar kontak yang memiliki besar tegangan kontak yang plastis. Apabila dikomparasikan pada harga tegangan kontak yang sama maka dapat disimpulkan besar gaya pengetatan yang dibutuhkan pada gasket tipe corrugated lebih rendah dibandingkan gaya pengetatan pada gasket tipe flat. Prosiding KNEP IV 2013 ISSN 2338-414X 288
1200 Contact Stress (MPa) 1000 800 600 400 200 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 X-Axis Position Gasket tipe Corrugated Gambar 8. Distribusi Tegangan kontak pada daerah lebar kontak pada Gasket tipe Corrugated dan Gasket tipe Flat pada pembebanan ± 30 kn Efek Springback dapat dibuktikan pada Gambar 9 yang menunjukkan distribusi tegangan yang terjadi pada daerah antar gelombang setelah clamping load sebesar 30 KN. Hal ini ditunjukkan dari kontur warna yang menunjukkan besar deformasi yang terjadi pada daerah ini. Efek springback dihasilkan oleh daerah yang masih mengalami deformasi elastis dengan tegangan di bawah tegangan yield yaitu 398,83 MPa. Rasio perbandingan daerah elastis pada luasan daerah antara gelombang terlihat lebih dominan daerah elastisnya dibandingkan daerah plastis. Gambar 9. Proporsi daerah elastis pada gasket tipe corrugated Gambar 10 menunjukkan mekanisme deformasi dan perubahan posisi daerah antar gelombang mulai dari posisi gasket awal sebelum diketatkan, setelah diketatkan dan prediksi apabila terjadi gasket relaxation. Daerah antar gelombang mengalami deformasi dan perubahan posisi dimana pada saat sebelum diketatkan berada pada kondisi lurus, setelah gasket diketatkan posisi menekuk dengan sudut 1 dan bila terjadi release maka posisi daerah antar gelombang berusaha kembali ke posisi semula sehingga sudutnya 2 berharga lebih kecil dibanding sudut 1. Hal ini diakibatkan masih besarnya proporsi elastis pada daerah antar gelombang sehingga memberikan fakta bahwa pada daerah antar gelombang mengalami efek springback Prosiding Konferensi Nasional Engineering Hotel IV, Universitas Udayana, Bali, 27-28 Juni 2013 289
(a). Sebelum diketatkan (b). Setelah diketatkan (c). Setelah release Gambar 10. Mekanisme deformasi dan posisi daerah antar gelombang mulai dari posisi gasket awal (a). sebelum diketatkan, (b). setelah diketatkan (c). prediksi apabila terjadi gasket relaxation 4. Kesimpulan Dari hasil komparasi desain gasket tipis yang baru ini dengan gasket tipe flat, didapatkan bahwa besar beban pengencangan yang dibutuhkan gasket tipis baru ini lebih rendah yang merupakan dampak dari adanya daerah spring effect yang ditunjukkan dengan proporsi daerah elastis. Daftar Pustaka [1] Saeed, H.A, Izumi, S., Sakai, S., Haruyama, S., Nagawa, M., Noda, H., Development of New Metallic Gasket and its Optimum Design for Leakage Performance, Journal of Solid Mechanics and Material Engineering, 2 No. 1: 105-114 (2008). [2] Haruyama S., Choiron M.A, Kaminishi K., A Study of Design Standard and Performance Evaluation on New Metallic Gasket, Proceeding of the 2nd International Symposium on Digital Manufacturing, Wuhan China (2009) 107-113. [3] Choiron M.A, Haruyama S., Kaminishi K. (2010). Optimum Design of New 25A-size Metal Gasket Considering Plastic Contact Stress, International Journal of Modeling and Optimization, vol. 1, no. 2, p. 146-150 [4] Choiron M.A, Haruyama S., Kaminishi K. (2012). Studies of Relationship between Contact Width and Leakage on Large Size of New Metal Gasket, Applied Mechanics and Materials 229-231, pp. 705-709. Prosiding KNEP IV 2013 ISSN 2338-414X 290