Analisa Mekanik Brake Shoe Tipe T-360 Dan Tipe T-359 KK Dengan Metode Elemen Hingga Nana Supriyana 1, Alim Sya bani 2 1,2 Progam Studi Teknik Mesin STT Wiworotomo Email: Nana.sttw@gmail.com 1,Alim7pato@gmail.com 2 Abstrak Dalam sistem pengereman ini, blok rem (brake shoe) merupakan salah satu komponen terpenting. Kontruksi brake shoe yang dipakai memiliki beberapa kekurangan diantaranya adalah keberadaan center groove akan membuat ketahanan blok rem komposit terhadap beban bending menjadi rendah. Pada penelitian ini dilakukan analisis mekanik dari blok rem komposit tipe T-360 dan tipe T-359 KK dengan menggunakan perangkat lunak ansys 12.0 pada 3 perlakuan yaitu 3 kasus yang terjadi pada saat pengereman. Penelitian bertujuan untuk mengetahui tegangan maksimal yang dapat diterima dari material blok rem komposit. Data hasil simulasi dianalisa berdasarkan teori faktor keamanan (sf) yang ditampilkan dalam tabel dan grafik. Hasil kajian kegagalan terjadi pada blok rem komposit tipe T 359 KK pada perlakuan 2 dengan pembebanan 5551 N yaitu kondisi dimana radius holder lebih besar dibanding radius punggung blok rem, sehingga menyebabkan terjadinya beban bending. Hasil terbaik diperoleh pada blok rem komposit tanpa center groove (tipe T-360) karena pada hasil simulasi untuk semua perlakuan dikatakan aman dan mempunyai kekuatan bending yang jauh lebih baik dari pada desain blok rem dengan center groove (tipe T- 359 KK. Kata kunci : Analisa, rem, ansys 1. Pendahuluan Di dalam visi dan misi PT.Kereta Api Indonesia (PT. KAI) terdapat 4 pilar yaitu Keselamatan, Pelayanan, tepat waktu, dan kenyamanan, dan oleh karena keselamatan adalah menjadi syarat utama dalam suatu alat transportasi, maka sistem pengereman juga menjadi syarat utama pada kereta api [1]. Dalam sistem pengereman ini, blok rem (brake shoe) merupakan salah satu komponen terpenting [2]. Blok rem yang digunakan pada kereta api memerlukan penggantian secara rutin karena memiliki umur pakai yang terbatas. Selama ini kebutuhan blok rem kereta api di Indonesia dipenuhi dari blok rem metalik produk dalam negeri dan produk rem komposit impor. Desain blok rem komposit yang dipakai PT.KAI diklasifikasikan menjadi dua yaitu: (1) Blok rem tanpa center groove (Type T-360), dan (2) Blok rem dengan center groove (Type T-359KK) [1]. Pada desain blok rem komposit yang dinginkan konsumen dalam hal ini PT. KAI, terdapat beberapa kelemahan yang cukup menonjol. Salah satunya adalah adanya center groove [3]. Menurut PT. KAI center groove ini berfungsi untuk membuang geram dan sebagai pendingin konveksi, akan tetapi dalam beberapa kasus keberadaan center groove ini mempunyai kelemahan yang dapat mengakibatkan patah atau kegagalan dari fungsi blok rem tersebut [4]. Dengan tingkat keausan blok rem komposit yang sangat rendah, fungsi center groove sebagai tempat pembuangan geram tersebut dirasa kurang tepat. Pembuangan geram tidak perlu melewati center groove. Keberadaan center groove pada blok rem komposit akan mengakibatkan berkurangnya luas permukaan kontak antara blok rem dengan roda kereta api [5]. Dengan berkurangnya luas permukaan kontak blok rem, maka berkurang juga kemampuan rem untuk menyerap panas yang dihasilkan dari gesekan saat pengereman. Dengan demikian, temperatur akan menjadi lebih tinggi dibanding dengan blok rem yang tidak menggunakan center groove. Selain itu, keberadaan center groove juga akan membuat ketahanan blok rem komposit terhadap beban bending menjadi rendah, hal ini 29
disebabkan oleh karena adanya konsentrasi tegangan yang terjadi di center groove [6]. Untuk mendukung fungsi pengereman harus ada bahan yang didesain untuk aus untuk meneruskan gaya yang dibangkitkan dari sistem rem udara tekan dan berkontak langsung dengan bidang jalan roda [7]. Benda tersebut adalah blok rem (dalam bahasa Reglemen sering disebut Bidur abar), dan menurut Kamus Istilah Perkeretaapian Indonesia disebut Brake shoe = blok rem, begitu pula dalam katalog pergudangan dan dalam sistem akuntansi baru disebut blok rem tidak / bukan rem blok atau bidur abar. 2. Metode Penelitian Pada penelitian ini peralatan yang digunakan untuk simulasi menggunakan hardware dan software menggunakan Ansys versi 12.0 [8]. Bahan yang akan disimulasikan adalah blok rem komposit pada kereta api. Tempat penelitian PT. KAI dan di Laboratorium Komputer STT Wiworotomo Purwokerto Data-data yang diperoleh dari hasil survei tersebut adalah sebagai berikut: a. Berat jenis (gr/mm 2 ) = 0,015 0,024 b. Koefisien Gesek = 0,14 0,27 (low friction type) c. Kekerasan (HRR) = 78 105 d. Crush strength (N/mm 2 ) = minimum 25 e. Cross breaking strengt (N/mm 2 ) = 4,8-15 f. Shear strength (N/mm 2 ) = 15-35 g. Modulus of elasticity (N/mm 2 ) = 240-1500 h. Specific Heat (kj/kg.k) = 0,17 0,98 i. Thermal conductivity (W/m.K) = 0,12-0,8 j. Poisson s ratio (v) = 0,3 k. Ketahanan panas operasional = s.d 500 o C serta s.d 250 o C (Untuk operasi terus menerus) 2.1 Jenis Blok Rem Dilihat dari bahan dasarnya blok rem dibedakan menjadi 2 yaitu : a. Blok rem besi cor kelabu. b. Blok rem komposit (non logam), yang dapat dibagi lagi atas blok rem dengan center groove seperti pada Gambar 1 dan blok rem tanpa center groove. Gambar 2.1. Desain Blok rem 31
Dilihat dari jenis katalog dalam pergudangan dibedakan menjadi 3 jenis seperti pada Gambar 2.1 yaitu : a. Jenis T 360 : untuk lokomotif, kereta dan gerbong b. Jenis T 359 KK : untuk kereta dan gerbong c. Jenis T - 364 : untuk gerbong bergandar 2 Jika dilihat dari bahan kedua jenis blok rem tersebut masing masing blok rem mempunyai spesifikasi teknik yang berbeda dan masing-masing mempunyai keunggulan. Keunggulan blok rem komposit dibanding blok rem metalik adalah sebagai berikut : a. Massa lebih ringan (1/5 berat blok rem metalik) sehingga proses penggan-tian lebih praktis. b. Usia pakai lebih lama (5 kali usia pakai blok rem metalik). c. Tingkat keausan lebih rendah. d. Pada saat proses pengereman tidak menimbulkan suara derit (noise). Rasio antara harga dan usia pakai lebih baik dari blok rem metalik. (a) T 360 (b) T 364 (c) T 359 KK Gambar 2.2. Jenis blok rem Dari uraian diatas peneliti tertarik untuk menganalisa kekuatan dan tegangan maksimal dari blok rem komposit tipe T-359 kk dan Tipe T-360 berdasarkan pada beberapa kasus yang terjadi pada saat proses pengereman kereta api dengan menggunakan simulasi perangkat lunak (ANSYS 12.0). Dengan tujuan untuk mendapatkan nilai tegangan maksimal dan faktor keamanan dari masing-masing blok rem tersebut. 2.2. Perhitungan Gaya Tekan Per Blok Rem Subyanto (1981) Perlambatan yang dialami oleh kereta saat pengereman pada lintasan datar dipengaruhi oleh beberapa variabel yang saling berhubungan, yaitu gaya gesek akibat pengereman (f) dan gaya tahanan akibat rolling roda (f R). Variabel f didapat dari hasil penjumlahan kombinasi total koefisien gesek masing-masing blok rem dikalikan dengan gaya tekan per blok rem (p) seperti pada Persamaan 2.1. [8] [9] f = p (n x µ)...(2.1) Keterangan : p = gaya tekanan per blok rem (N) n = jumlah jenis blok rem yang digunakan µ = Koefisien gesek Gaya tekan per blok rem (p) dipengaruhi oleh gaya tekan piston (F k ) pada kereta maka untuk mencari gaya tekan piston (F k) diperlihatkan seperti pada Persamaan 2.2. F k = A e x P maks F f...(2.2) dengan Ae = Π x d2 4 32
Dengan adanya gaya pada silinder maka dapat dihitung gaya tekan per blok rem pada kereta penumpang kelas ekonomi seperti pada Persamaan 2.3 dibawah ini: n.p x b = F k x a...(2.3) Keterangan : F k = Gaya tekan piston (N) Ae = Luas penampang piston (cm 2 ) Pmax = Tekanan udara maksimum (kg/cm 2 ) Ff = Gaya lawan pegas (kg) d = Diameter silinder rem (cm) a,b = Panjang batang penghubung (cm). Berikut ini adalah diagram alir yang dipakai sebagai acuan dalam pelaksanaan penelitian : Mulai Kajian Pustaka Persiapan Alat dan Bahan penelitian Perlakuan 1 Perlakuan 2 Perlakuan 3 Analisa dan Pembahasan Kesimpulan Selesai Gambar 2.3. Diagram alur penelitian 3. Hasil Dan Pembahasan Pada desain blok rem komposit yang dinginkan konsumen dalam hal ini PT. KAI, terdapat beberapa kelemahan yang cukup menonjol. Salah satunya adalah blok rem komposit tipe T-359 KK karena adanya center groove. Dari penelitian dan pengujian lapangan yang telah dilakukan sebelumnya, diketahui bahwa tingkat keausan blok rem komposit sangat rendah. Dengan tingkat keausan yang sangat rendah, fungsi center groove sebagai tempat pembuangan geram tersebut dirasa kurang tepat. Pembuangan geram tidak perlu melewati center groove. Keberadaan center groove pada blok rem komposit akan mengakibatkan berkurangnya luas permukaan kontak antara blok rem dengan roda kereta api. Dengan berkurangnya luas permukaan kontak blok rem, maka berkurang juga kemampuan rem untuk menyerap panas yang dihasilkan dari gesekan saat pengereman. Dengan demikian, temperatur akan menjadi lebih tinggi dibanding dengan blok rem yang tidak menggunakan center groove. Selain itu keberadaan center groove juga akan membuat ketahanan blok rem 33
komposit terhadap beban bending menjadi rendah. Hal ini disebabkan oleh karena adanya konsentrasi tegangan yang terjadi di center groove. Gambar 3.1 Dimensi Blok Rem Komposit Analisa gaya pada blok rem komposit yang dilakukan adalah dengan membandingkan blok rem tipe T-359 KK dengan blok rem T-360. Hal ini dilakukan karena pada blok rem tanpa center groove yaitu tipe T-360 luas permukaan kontak dari blok rem terhadap roda kereta menjadi lebih besar sehingga temperatur pada saat pengereman akan lebih rendah dibandingkan dengan blok rem tipe T-359 KK karena adanya desain center groove. Berikut adalah penjelasan dari 3 kasus yang terjadi pada proses pengereman yang akan diaplikasikan kedalam simulasi. 1. Pada Gambar 3.2 dapat lihat kondisi pengereman normal, dimana gaya yang didistribusikan dari batang penghubung ke sepatu rem (holder) merata di 3 titik pada keseluruhan bagian belakang blok rem. Gambar 3.2. Kasus pengereman normal 2. Pada Gambar 3.3, merupakan kondisi pengereman dimana radius holder lebih besar dibanding radius punggung blok rem dan blok rem digunakan pada roda dengan dimensi lebih besar atau radius blok rem lebih kecil, akibatnya gaya yang didistribusikan dari holder hanya berpusat pada 1 titik dibagian key bridge/tengah. 34
Gambar 3.3. Kasus kesalahan pemasangan blok rem 3. Pada Gambar 3.4 adalah aplikasi pengereman pada saat terjadi perubahan letak sepatu rem, hal ini diakibatkan karena baut stut kendor sedangkan gaya yang didistribusikan berpusat pada 1 titik dibagian back guide/ujung. Gambar 3.4. perubahan letak sepatu rem Pada masing-masing titik akan diberikan beban dari aplikasi pengereman tidak penuh, pengereman penuh, asumsi nilai pembebanan sampai diperoleh tegangan maksimal yang dapat diterima blok rem. Untuk menentukan beban /gaya tekan masing-masing blok rem dibutuhkan beberapa data (informasi). Data tersebut dapat dilihat pada Tabel 3.1. Tabel 3.1. Data teknis kereta penumpang kelas ekonomi Data Awal SI Massa Kereta (m) 37880 kg Cylinder pressure (Pcyl) 3,8 kg/cm 2 0,3724 Mpa Diameter brake cylinder (Dcyl) 30 cm Gaya Pegas penahan (Ff) 140 kg 1372 N Panjang batang-batang penghubung a 475 mm b 355 mm Dari tabel 3.1 diperoleh data sebagai berikut : Ae = Π x d2 302 = 3,14 x = 706.5 cm2 4 4 Maka besarnya gaya pada silinder (Fk) adalah : 35
F k = A e x P maks F f F k = 706.5 x 3,8 140 F k = 2544,7 kg = 24938,06 N Pada setiap bogie kereta penumpang kelas ekonomi terdapat 8 blok rem sehingga total gaya pengereman yang diperlukan adalah 8 x p. Dengan adanya batang penghubung a,b maka untuk mencari p digunakan persamaan momen. 8p x b = F k x a a p = 8 x b x Fk 475 p = x 24938,06 8 x 355 p = 4170,98 N (425,6 kg) Untuk pengereman tidak penuh kita asumsikan nilai P cyl = 2,8 kg/cm 2, dengan cara yang sama seperti perhitungan diatas maka p = 3013 N, untuk kondisi dimana radius holder lebih besar dari pada radius blok rem kita asumsikan gaya pengereman masing-masing blok rem sebesar 5551N. Keluaran yang diambil dari hasil simulasi adalah tegangan maksimal, struktur dianalisis kekuatannya dari segi material, apakah masih dalam batas aman atau tidak. Gaya tekan permodelan masing-masing blok rem yaitu 3013 N, 4171 N, 5551 N sesuai dengan perhitungan diatas. a. Perlakuan 1 Salah satu hasil yang didapatkan dari pemodelan menggunakan software ansys 12.0 untuk blok rem komposit tipe T- 360 dengan gaya tekan permodelan 3013 N adalah sebagai berikut : Max : 1,199 Gambar 3.5. Hasil simulasi kondisi 1a 36
Letak node 202 Gambar 3.6.. Node distribusi tegangan Dari hasil simulasi diperoleh tegangan maksimum terletak disekitar node 202 dengan nilai sebesar 1,199 N/mm 2 seperti diperlihatkan pada Gambar 10. Besarnya tegangan yang terjadi adalah sesuai dengan penunjukan warnanya, bagian yang paling merah warnanya adalah yang menerima beban paling banyak. Yang paling biru adalah yang bebannya paling sedikit. Definisi dari gradiasi warna ini juga berlaku untuk semua hasil simulasi. b. Perlakuan 2 Pemodelan menggunakan software ansys 12.0 untuk blok rem komposit tipe T-359 KK dengan gaya tekan permodelan 4171N adalah sebagai berikut : Max : 4,43 Gambar 3.7. Hasil simulasi kondisi 2d 37
Letak node 214 Gambar 3.8. Node distribusi tegangan Dari hasil simulasi diperoleh tegangan maksimum terletak disekitar node 214 dengan nilai sebesar 4,43 N/mm 2 seperti pada Gambar 10 dan Gambar 3.9 Pemodelan menggunakan software ansys 12.0 untuk blok rem komposit tipe T- 360 dengan gaya tekan permodelan 5551 N adalah sebagai berikut : Max : 2,473 Gambar 3.9. Hasil simulasi kondisi 3e Dari hasil simulasi diperoleh tegangan maksimum terletak disekitar node 68 dengan nilai sebesar 2,473 N/mm 2 38
Tegangan Maksimum (Mpa) 4.2. Pembahasan Gambar 3.10. Node distribusi tegangan Ketiga kasus yang dibebankan pada masing-masing blok rem komposit memberikan nilai tegangan maksimal yang berbeda, untuk pembahasan hasil perhitungan simulasi blok rem tipe T-360 dan T- 359 KK diperlihatkan pada Tabel 3.2 dan Tabel 3.3 Tabel 3.2. Tegangan maksimum hasil simulasi pada blok rem tipe T-360 Tegangan Maksimum (N/mm 2 ) Kondisi 1 Kondisi 2 Kondisi 3 3013 1,199 1,671 1,348 4171 1,659 2,314 1,858 5551 2,208 3,079 2,473 Tabel 3.3 Tegangan maksimum hasil simulasi pada blok rem tipe T-359 KK Tegangan Maksimum (N/mm 2 ) Kondisi 1 Kondisi 2 Kondisi 3 3013 1,553 1,848 2,008 4171 2,62 4,43 2,779 5551 3,5 6,65 3,698 Hasil simulasi juga ditampilkan dalam bentuk grafik pada setiap kondisi dari perlakuan masing-masing blok rem komposit didalam simulasi seperti pada Gambar 3.12- Gambar 3.14. 39
Tegangan Maksimum (Mpa) 4 3 2 1 Blok Rem T- 360 Blok Rem T- 359 KK 0 3013 4171 5551 Gambar 3.11. Grafik hasil simulasi kondisi 1 7 6 5 4 3 2 1 0 3013 4171 5551 Blok Rem T-360 Blok Rem T-359 KK Gambar 3.12. Grafik hasil simulasi kondisi 2 Tegangan Maksimum (Mpa) 4 3 2 1 0 3013 4171 5551 Blok Rem T- 360 Blok Rem T- 359 KK Gambar 3.13. Grafik hasil simulasi kondisi 3 40
Dari pemodelan pembebanan blok rem komposit dengan menggunakan software ansys 12.0 diatas didapatkan nilai tegangan maksimum, dari tegangan maksimum tersebut dapat dicari faktor keamanan (sf) dari blok rem komposit tersebut berdasarkan pada Persamaan 2.8. Dari spesifikasi teknik blok rem komposit telah diketahui bahwa cross bending strength minimum yang diperbolehkan untuk digunakan di kereta api adalah 4,8 N/mm 2 atau 4,8 MPa. Dari literatur tersebut, dapat ditentukan faktor keamanan dari blok rem pada saat pengereman penuh. Dari pemodelan pada kasus 1a diperoleh tegangan maksimum sebesar 1,199 N/mm 2, maka faktor kemanan yang didapat adalah : kekuatan sebenarnya sf = kekuatan yang dibutuhkan sf = 4,8 1,199 = 4,003 Dengan cara yang sama seperti pada pembahasan diatas maka faktor keamanan masing-masing blok rem komposit untuk setiap perlakuan pada pemodelan dapat dilihat seperti pada Tabel 3.4 dan Tabel 3.5 sebagai berikut : Tabel 3.4. Nilai sf blok rem tipe 360 Faktor keamanan Kondisi 1 Kondisi 2 Kondisi 3 3013 4,003 2,9 3,56 4171 2,89 2,1 2,58 5551 2,17 1,56 1,94 Tabel 3.5. Nilai sf blok rem tipe 359 KK Faktor keamanan Kondisi 1 Kondisi 2 Kondisi 3 3013 3,09 2,6 2,39 4171 1,8 1,08 1,73 5551 1,37 0,72 1,3 Agar material tidak terjadi kegagalan maka faktor keamanan yang diperoleh tidak boleh kurang dari 1,0. Hasil pemodelan blok rem komposit tipe T-360 dapat dilihat nilai faktor keamanan untuk semua kasus adalah diatas 1,0 maka pada blok rem tipe T-360 pada semua kondisi dikatakan aman. Pada pemodelan blok rem komposit tipe T-359 KK diperoleh faktor keamanan pada perlakuan 2 dengan beban 5551 N sebesar 0,72, dari faktor keamanan tersebut maka rem akan mengalami kegagalan jika blok rem menerima beban pengereman pada kasus ini, tegangan maksimal terletak disekitar node 214.Hal ini disebabkan karena blok rem mengalami beban bending dan luas permukaan kontak yang lebih kecil karena adanya center groove. Dengan kata lain pada kondisi 2 ini sangat mempengaruhi defleksi atau perubahan mekanik yang terjadi. 41
Area Kritis Blok Rem Gambar 3.14. letak area kritis blok rem dari hasil simulasi 4. Kesimpulan a. Pada hasil simulasi terlihat blok rem komposit tanpa center groove (tipe T-360) mempunyai kekuatan bending yang jauh lebih baik. b. Dari perhitungan teori faktor keamanan diketahui bahwa blok rem komposit tipe T-360 untuk semua kondisi dikatakan aman karena nilai faktor keamanan yang didapat diatas 1.0. c. Berdasarkan hasil simulasi area kritis blok rem komposit terletak pada daerah disekitar key bridge. 5. Referensi [1] Pramono, S., 2010, Diklat Tentang Rem Udara Tekan Pada Kereta Dan Gerbong, BPTT Yogyakarta. [2] Hartono, AS. Ir. MM., 2004, Lokomotif Dan Kereta Rel Diesel, Bandung. [3] Girsang, CA., 2008, Analisis Kegagalan Blok Rem Komposit Kereta Api Yang Digunakan Pada Gerbong Kkbw 50 Ton, Tugas akhir Teknik Mesin, ITB, Bandung. [4] Biyanto Nur, Supriyana N, 2012, Analisa Kegagalan Poros As Roda Menggunakan Pengujian Bahan, Simulasi Ansys Dan Perhitungan MEH, STTW, Purwokerto [5] Sembiring, HD., 2008, Studi Analisis Pengaruh Kekuatan Backing Plate Dan Temperatur Pengereman Terhadap Modus Kegagalan Blok Rem Komposit Pada Kereta Dan Gerbong, Tugas akhir Teknik Mesin, ITB, Bandung. [6] Siregar, ABI., 2010, Analisis Simulasi Elemen Hingga Kekuatan Backing plate pada blok rem kereta api Menggunakan perangkat lunak Berbasis sumber terbuka, Tugas akhir Teknik Mesin, USU, Medan. [7] Subyanto, M. Drs.,1981, Dinamika Kendaraan Rel II, Bandung. [8] Stolarski, TA., Nakasone, Y., Yoshimoto, S., 2006, Engineering Analysis With Ansys Software, Elsevier Butterworth-Heinemann, Oxford. [9] Suarjana, M. Ir. Dr., 1999, Mekanika Rekayasa, ITB, Bandung. 42