Analisis kerusakan pegas ulir pada kereta api (AA)

5,102 views
4,947 views

Published on

Published in: Education
0 Comments
3 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total views
5,102
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
3
Actions
Shares
0
Downloads
449
Comments
0
Likes
3
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Analisis kerusakan pegas ulir pada kereta api (AA)

  1. 1. LAPORAN INVESTIGASI KERUSAKAN PEGAS ULIR BOGIE KERETA API Oleh: ABRIANTO. AKUAN JURUSAN TEKNIK METALURGI FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS JENDERAL ACHMAD YANI BANDUNG 1994
  2. 2. ABRIANTO ABSTRAK Investigasi dilakukan terhadap kerusakan pegas ulir bogie luar kereta api yang terbuat dari bahan 60 Si Mn 7 dengan kadar karbon 0,639% dan kadar silikon 1,45% serta kadar mangan 0,701%, dengan dimensi pegas yaitu sebagai berikut :  Diameter kawat pegas, d = 36 mm  Diameter lilitan pegas, D = 236 mm  Tinggi bebas pegas, lo = 361 mm  Jumlah lilitan aktip pegas, n = 4  Jumlah total lilitan pegas, n’ = 6  Konstanta pegas, C = 30 Kg/mm2 Berdasarkan analisa patahan menunjukkan bahwa gagalnya komponen tersebut disebabkan oleh patah lelah (fatigue fracture) dengan awal retakan pada daerah kerusakkan akibat fretting. Dari hasil pengujian kekerasan diperoleh harga kekerasan permukaan kawat pegas, lebih rendah dibandingkan dengan kekerasan pada daerah bagian dalam penampangnya (41,3 HRc<47,8 HRc) sehingga ketahanan aus dan ketahanan lelahnya menurun, serta dari hasil pengujian metalografi diperoleh pula pada bagian permukaan kawat pegas memiliki ukuran besar butir fasa karbida dalam matrik martensit temper yang lebih kasar dibandingkan dengan bagian dalam penampangnya.(5,1.10-3 mm>4,6.10-3 mm) sehingga kekuatan dan kekerasannyapun lebih rendah dibandingkan dengan daerah bagian dalam penampangnya. Berdasarkan analisa tegangan yang dilakukan, dapat menentukan sekaligus menjawab mengapa kegagalan terjadi, yaitu dengan adanya kerusakan berupa fretting, menyebabkan perubahan dimensi permukaan kawat pegas, sehingga tegangan nominal yang bekerja melebihi daerah aman batas lelahnya, juga daerah fretting merupakan daerah yang sangat sensitif terhadap retak lelah. Penyebab kegagalan pada kasus ini dapat dikatagorikan sebagai kesalahan proses pengerjaan dan kesalahan design, karena adanya perubahan ukuran besar butir dalam struktur mikro dimana fasa karbida dalam matrik martensit temper pada daerah permukaan kawat pegas, lebih kasar dari daerah bagian dalam penampangnya. Serta kurangnya lilitan mati diantara lilitan aktip dari pegas sehingga ujung lilitan menjadi titik konsentrasi keausan pertama yang mempercepat kerusakan fretting. Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 1
  3. 3. ABRIANTO DAFTAR ISI hal ABSTRAK i DAFTAR ISI ii BAB I. PENDAHULUAN 1 1.1 Latar belakang masalah 1 1.2 Tujuan investigasi 1 BABII. OBSERVASI LAPANGAN 2 2.1 Data dan kerusakan pegas ulir bogie 2 2.2 Proses pembuatan pegas ulir bogie 11 BABIII. PENGUJIAN LABORATORIUM 13 3.1 Pengujian komposisi kimia 13 3.2 Pengujian tarik 13 3.3 Pengujian kekerasan 16 3.4 Pengujian metalografi 18 BAB IV. ANALISIS 22 4.1 Analisis metalurgis 22 4.2 Analisis mekanis 28 BABV. KESIMPULAN DAN REKOMENDASI 34 5.1 Kesimpulan 34 5.2 Rekomendasi 35 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 2
  4. 4. ABRIANTO BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar belakang masalah Pegas ulir bogie luar adalah komponen bagian dari bogie kereta api yang berfungsi untuk mengurangi beban impak atau meringankan kejutan dan sebagai pendukung getaran massa dengan mekanisme lendutan lilitan-lilitan pegasnya yang berosilasi diantara posisi keseimbangannya pada saat gerbong kereta mengalami goyangan kiri-kanan. Dalam operasinya pegas ulir bogie luar ini mengalami beban puntir dengan tegangan-tegangan yang bekerja terdiri atas tegangan normal dan tegangan geser. Masalah yang sering dihadapi pada pegas ulir bogie luar kereta api ini adalah mengalami patah, yang mengakibatkan terbatasnya umur pakai dalam waktu yang lebih singkat. Seringnya terjadi kerusakan ini akan sangat menghambat pemakaian gerbong kereta api, karena penggantian komponen tersebut sangat memakan waktu, biaya, serta diiringi pula dengan kerugian-kerugian lainnya. 1.2 Tujuan observasi Dengan melihat kondisi tersebut diatas, maka dilakukan obsevasi yang diharapkan dapat mengetahui sebab-sebab terjadinya kerusakan pegas ulir bogie luar gerbong kereta api ini, serta dengan diketahuinya penyebab kerusakan tersebut dapat diambil langkah-langkah penanggulangannya agar kerusakan yang sama tidak terulang kembali pada masa-masa berikutnya. Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 3
  5. 5. ABRIANTO Untuk mencapai tujuan diatas tersebut, maka dilakukan tahapan-tahapan kegiatan yang meliputi observasi lapangan dan pengujian-pengujian laboratorium yang terdiri atas pengujian komposisi kimia, pengujian kekerasan dan pengujian metalografi, serta dilakukan pula analisis metalurgis maupun mekanis. Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 4
  6. 6. ABRIANTO BAB II OBSERVASI LAPANGAN Pada gerbong kereta dengan jenis bogie tipe 7 untuk gerbong kereta penumpang terdapat 2 bogie (chassis) yang terdiri atas 4 roda, 8 pegas ulir roda, dan 4 pasang pegas ulir bogie yang setiap pasangnya teridi atas satu pegas ulir bogie luar dan satu pegas ulir bogie dalam, sehingga dalam satu gerbong kereta terdapat 8 roda, 16 pegas ulir roda, dan 8 pasang pegas ulir bogie yaitu 16 pegas ulir bogie dalam dan 16 pegas ulir bogie luar. Dalam operasinya, pegas ulir bogie yang mengalami kerusakan di tengah perjalanan, maka kereta tersebut masih bisa melanjutkan perjalanannya hingga stasiun tujuan, karena patahnya salah satu pegas ulir bogie masih dapat ditahan oleh pegas ulir bogie lain dari pasangannya. Hal ini berlawanan jika patah terjadi pada pegas ulir roda, maka kereta tersebut harus berhenti dalam perjalanannya untuk perbaikan. Gerbong-gerbong kereta secara berkala dilakukan pengujian setiap 2 tahun sekali yang dilakukan oleh Balai Yasa Kereta - Manggarai Jakarta. Dalam pemeriksaannya semua komponen yang sudah tidak layak pakai, diganti dengan komponen yang baru yang umumnya komponen tersebut merupakan produk dari Balai Yasa Mangggarai sendiri, termasuk pula dalam hal ini adalah pegas ulir bogie. Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 5
  7. 7. ABRIANTO 2.1 Data dan kerusakan pegas ulir bogie Kerusakan pegas ulir bogie terjadi tanggal 12 Juni 1993 pada gerbong kereta penumpang dengan nomor: SLO-K2. 78715 yaitu jenis gerbong kereta penumpang jurusan Solo, kelas 2 dengan tipe bogie 7 dan tahun mulai dinas 1978 serta nomor seri kereta adalah 15. Serta data pemeriksaan gerbong secara berkala yaitu sebagai berikut:  Mulai Dinas, MD = 09 - 10 - 1978  Pemeriksaan akhir, PA = 30 - 04 - 1991  Pemeriksaan yang akan datang, PAD = 30 - 04 - 1993  Mengalami patah = 12 - 06 - 1993 Dari hasil observasi lapangan ini diketahui bahwa pegas ulir bogie yang mengalami kerusakan yaitu pegas ulir bogie luar yaitu patah pada daerah lilitan pegasnya yang terletak  1¼ diameter lilitan dari ujung pegas ( 295 mm), hal ini ditunjukkan pada gambar 2.3 dibawah ini. Pada gambar 2.1 dan 2.2 ditunjukkan gerbong kereta api dan posisi pegas ulir bogie pada bogie gerbong kereta api. Gambar 2.1 Gerbong kereta api yang mengalami kerusakan pegas ulir bogie. (0,1 X) Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 6
  8. 8. ABRIANTO Gambar 2.2 Posisi pegas ulir bogie pada bogie gerbong kereta api. (0,2 X) Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 7
  9. 9. ABRIANTO Gambar 2.3 Lokasi patah yang terjadi pada pegas ulir bogie luar (tanda panah) Untuk menunjang analisis yang akan dilakukan, maka diperlukan pula data spesifikasi dari komponen yang mengalami kerusakan yaitu dalam hal ini adalah pegas ulir bogie luar, yang didapatkan dari Balai Yasa Kereta – Manggarai Jakarta, serta data geometris yang didapatkan dari pengukuran langsung terhadap komponen pegas ulir bogie luar yang bersangkutan. Berdasarkan data spesifikasi komponen, maka material yang digunakan untuk kedua jenis pegas ulir bogie adalah sama yaitu Baja 60 Si Mn 7 standart Germany Democratic Republic (GDR Standart) 5350 dengan komposisi kimia seperti yang disajikan pada tabel. 1 dibawah ini. Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 8
  10. 10. ABRIANTOTabel. 1 Komposisi kimia bahan menurut standart GDR.5350. Komposisi kimia (% No Unsur Simbol berat) 1. Karbon C 0,57 – 0,65 2. Silikon Si 1,50 – 2,00 3. Mangan Mn 0,70 – 1,00 4. Khrom Cr  0,35 5. Nikel Ni  0,30 6. Tembaga Cu  0,30 7. Phosfor P  0,045 8. Belerang S  0,045 9. Besi Fe Sisa Data-data spesifikasi geometris dan bats-batas kerja atau operasi pegas ulir bogie dalam dan bogie luar pada kereta api ini dapat dilihat pada tabel 2 dan tabel 3 dibawah ini. Serta gambar 2.4 menunjukkan gambar teknik bogie gerbong kereta api tipe K7. Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 9
  11. 11. ABRIANTO Gambar 2.4 Gambar teknik bogie tipe K7. Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 10
  12. 12. ABRIANTO Tabel.2 Spesifikasi komponen pegas ulir bogie luar. Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 11
  13. 13. ABRIANTO Tabel.3 Spesifikasi komponen pegas ulir bogie dalam. Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 12
  14. 14. ABRIANTO Berdasarkan data spesifikasi komponen pegas ulir bogie luar dan pegas ulir bogie dalam tersebut terlihat bahwa pegas ulir bogie dalam mempunyai diameter kawat pegas dan diameter lilitan pegas yang lebih rendah dibandingkan geometri pegas ulir bogie luar tetapi keduanya terbuat dari bahan pegas yang sama yaitu Baja 60 Si Mn 7. Pada pemakaiannya pegas ulir bogie dalam berada didalam lilitan dari pegas ulir bogie luar, sehingga gabungan pegas ini disebut pegas ulir eksentris yang dapat meningkatkan pemakaian beban yang lebih besar atau tegangan kerja yang lebih besar tanpa merubah diameter kawat pegas maupun diameter lilitan pegasnya. Selain itu, pegas eksentis yang terdiri atas dua pegas ini dapat merupakan pula jaminan keselamatan jika terjadi kegagalan pada salah satu pegasnya. Dari data spesifikasi pegas ulir bogie luar yang mengalami kerusakan, dapat ditunjukkan pula beberapa hal yaitu :  Ketinggian pegas tersebut dalam keadaan tanpa beban, lo yaitu 361 mm atau sama dengan tinggi pegas diblok, lb ditambah defleksi maksimum, fmaks ditambah jarak antar lilitan pagas yang berdekatan (0,1 dikali jumlah total lilitan pegas,n’ dikurangi satu).  Ketinggian pada saat pemasangan pada bogie kereta, lp atau disebut pula tinggi presetting adalah sebesar 285 mm dengan beban presetting 2280 Kg, Pemberian beban presetting ini dapat meningkatkan batas elastis sehingga akan meningkatkan pula kapasitas beban yang dapat diterimanya. Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 13
  15. 15. ABRIANTO  Ketinggian pegas ulir bogie luar yang diizinkan pada saat operasi kerjanya, li adalah 259 mm dengan beban maksimum yang diizinkan 3078 Kg.  Ketinggian jika antar lilitan pegas tersebut saling bersentuhan atau disebut tinggi diblok, lb adalah 205,2 mm atau sama dengan diameter kawat pegas,d dikali jumlah total lilitan pegas, n’ , dengan beban 4672 Kg.  Konstanta pegasnya, C yaitu sebesar 30 Kg/mm2 yang merupakan nilai dari perbandingan beban, F terhadap defleksi, f .  Kekuatan geser luluh,y sebesar 82,5 Kg/mm2 atau mempunyai kekuatan luluh, y sebesar 165 Kg/mm2 .  Tegangan geser,  yang bekerja pada pegas ulir tersebut pada berbagai ketinggian pegas. Tegangan geser tersebut merupakan tegangan geser total dari penjumlahan tegangan geser yang ditimbulkan akibat momen puntir yang bekerja pada pegas ulir tersebut, 1 ditambah tegangan geser yang ditimbulkan akibat pembebanan, 2 yaitu: Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 14
  16. 16. ABRIANTO 1 = T . r / Ip = 8FD /  d3 dimana; T=F.R 2 = F/A = 4F /  d2 sehingga,  =  1 + 2 = 8FD /  d3 + 4F /  d2 = 8FD /  d3 ( 1 + d / 2D ) = 8FD /  d3 ( 1 + 1 / 2m ) dimana, m adalah indeks pegas atau perbandingan diameter rata-rata lilitan pegas, D dan diameter kawat pegas, d .  Indeks pegas, m dari pegas ulir bogie luar tersebut adalah sebesar 6,1 nilai indeks pegas tersebut akan sangat berhubungan dengan nilai faktor koreksi tegangan Wahl, yaitu: k = 4m-1 / 4m-4 + 0,615 / m sehingga, tegangan geser yang bekerja pada pegas ulir dapat ditulis:  = 8FD /  d3 . k persamaan diatas telah memperhitungkan efek tegangan geser langsung yang terjadi pada kedua sisi lilitan pegas. Selain dari pada itu, indeks pegas akan berhubungan pula dengan tahapan proses dalam pembuatan pegas tersebut. 2.2 Proses pembuatan pegas ulir bogie. Pegas ulir bogie sebagai salah satu komponen bagian dari bogie kereta api ini telah dapat diproduksi sendiri yang dilakukan oleh Balai Yasa Kereta – Manggarai Jakarta. Aliran proses produksi dalam pembuatan pegas ulir tersebut dapat diuraikan sebagai berikut: 1. Pemotongan bahan sesuai ukuran yang diperlukan. Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 15
  17. 17. ABRIANTO 2. Penempaan pada kedua ujung kawat bahan pegas yang dilakukan pada temperatur tinggi dimana bahan pegas tersebut dipanaskan dalam tungku pada temperatur: 850-900o C selama 1,5 jam. 3. Pemanasan dalam tungku selama 1,5-2 jam pada temperatur 900o C dimana sebelumnya tungku dipanaskan dahulu pada temperatur 800o C selama 1 jam. 4. Pengerolan bahan pegas pada mesin rol. 5. Pemanasan pegas dalam tungku untuk peregangan / perampatan pegas atau penyetelan tinggi pegas. 6. Pemanasan dalam tungku pada temperatur 830-860o C selama 1,5 jam. 7. Celup cepat dalam oli SABANA-120. 8. Penemperan pada temperatur 460-530o C selama 15- 20 menit kemudian pendinginan dalam bak pasir kering. 9. Pengetesan beban pada mesin test beban. 10. Pengecatan warna hitam dan pasang label hasil test beban. 11. Ekspedisi ke gudang Balai Yasa Manggarai. Berdasarkan tahapan proses pembuatan pegas ulir bogie kereta tersebut, maka perlakuan-perlakuan yang dialami pegas tersebut adalah terdiri atas proses pembentukan pegas dilanjutkan dengan proses perlakuan panas (hardening dan tempering). Hal ini adalah sesuai untuk jenis-jenis pegas yang mempunyai indeks pegas yang besar, sebaliknya untuk pegas dengan indeks pegas kecil, Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 16
  18. 18. ABRIANTO maka proses perlakuan panas dilakukan lebih dulu dan kemudian dilanjutkan dengan proses pembentukan pegas. Dari observasi lapangan dalam pembuatan pegas tersebut dapat terlihat adanya beberapa kekurangan yaitu antara lain masalah kurangnya pengetahuan metalurgis dari operator, sehingga hal ini dapat menyebabkan tidak tercapainya kualitas pegas yang sesuai dengan yang diharapkan. Selain itu juga sarana peralatan yang kurang memadai seperti tidak dilengkapinya tungku dengan alat kontrol temperatur dan waktu maupun kurangnya kontrol terhadap atmosfir tungku karena jenis tungku yang digunakan jenis yang terbuka dengan sumber energi dari bahan bakar minyak. Hal ini dapat pula sebagai sumber rendahnya kualitas pegas yang dihasilkan. Hal lainnya yang dapat menjadi salah satu kekurangan adalah terlalu tingginya temperatur temper yang dilakukan. Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 17
  19. 19. ABRIANTO BAB III PENGUJIAN LABORATORIUM Observasi terhadap kerusakan pegas ulir bogie kereta ini meliputi pula pengujian-pengujian yang dilakukan pada pegas ulir bogie luar yang mengalami kerusakan, yang terdiri atas pengujian komposisi kimia, pengujian tarik, pengujian kekerasan serta pengujian metalografi. 3.1 Pengujian komposisi kimia Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui unsur- unsur yang terkandung dalam material pegas ulir bogie luar yang mengalami kerusakan sehingga dapat diketahui jenis materialnya serta hasilnya dibandingkan dengan spesifikasi dari material komponen tersebut. Pengujian komposisi kimia ini dilakukan dengan menggunakan spektrometer. Hasil pengujian ditunjukkan pada tabel.4 berikut ini. Tabel.4 Hasil pengujian komposisi kimia pegas ulir bogie luar. Hasil Komposisi kimia standart spektrometer Unsur GDR.5350 (%) (%) C 0,639 0,57 - 0,65 Si 1,450 1,50 - 2,00 Mn 0,701 0,70 - 1,00 P 0,0044  0,045 S 0,0197  0,045 Cr 0,418  0,35 Ni 0,164  0,30 Cu 0,178  0,30 Mo 0,0919 - Al 0,0161 - Fe Sisa Sisa Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 18
  20. 20. ABRIANTO 3.2 Pengujian tarik Pengujian tarik dilakukan pada materian pegas ulir yang mengalami kerusakan bertujuan untuk mengetahui kekuatan tarik dari pegas ulir bogie luar tersebut yang hasilnya akan dibandingkan dengan data spesifikasi kekuatan bahan dan tegangan yang diizinkannya, serta data-data hasil pengujian tarik ini akan digunakan pula dalam analisis mekanis dalam menghitung tegangan yang bekerja pada pegas ulir bogie luar tersebut. Pengambilan spesimen dilakukan pada salah satu lilitan pegas dengan menggunakan standart spesimen uji tarik ASTM A.370 dan dimensi spesimen yang diambil adalah ukuran terkecil dengan diameter nominal 8,75 mm, seperti yang terlihat pada tabel.5 dibawah ini. Tabel.5 Standart spesimen uji tarik ASTM A.370 Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 19
  21. 21. ABRIANTO Dari hasil pengujian tarik, diperoleh data-data sifat mekanik material pegas ulir bogie luar yaitu sebagai berikut:  Kekuatan tarik, uts = 164,5 Kg/mm2  Kekuatan luluh, ys = 160 Kg/mm2  Perpanjangan, e = 8%  Reduksi penampang, q = 19,4 % Grafik hubungan antara beban, F dan perubahan panjang, l serta kurva tegangan regangan teknis (-e) dapat dilihat pada halaman berikut ini. Gambar 3.1 Kurva F-l serta kurva -e hasil pengujian tarik. Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 20
  22. 22. ABRIANTO 3.3 Pengujian kekerasan Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui distribusi kekerasan pada penampang melintang kawat pegas ulir bogi luar yang mengalami kerusakan serta mengetahui pula harga kekerasan permukaan pegas. Lokasi pengambilan spesimen untuk pengujian kekerasan ini diambil 1 Cm dari daerah patahan, dan titik-titik pengujian kekerasan seperti terlihat pada gambar 3.2 dibawah ini. Pengujian ini dilakukan dengan menggunakan mesin uji keras Rockwell skala C dengan indentor jenis kerucut intan dan beban 150 Kg. Gambar 3.2 Skema lokasi titik-titik pengujian kekerasan pada daerah penampang melintang dan daerah permukaan kawat pegas. Data hasil pengujian ditunjukan pada tabel 6 dan 7 serta pada gambar 3.3 berikut ini. Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 21
  23. 23. ABRIANTO Tabel. 6 Hasil pengujian kekerasan pada daerah penampang melintang kawat pegas. Kekerasan, HRc Jarak dari permukaan (mm) 1 2 3 Rata-rata 4 48,3 48,8 48,1 48,4 6 48,1 48,7 48,5 48,4 8 48,1 48,0 48,9 48,3 10 48,1 48,0 48,4 48,3 12 47,4 48,2 47,7 47,7 15 45,5 46,8 45,4 45,9 Kekerasan rata-rata daerah melintang : 47,8 HRc Tabel.7 Hasil pengujian kekerasan pada daerah permukaan kawat pegas. No Kekerasan, HRc Rata-rata 1 39,1 2 45,5 3 38,1 4 45,1 5 41,7 41,3 6 40,9 7 36,2 8 40,7 9 41,8 10 43,7 49 48.5 Kekerasan (HRc) 48 47.5 47 46.5 46 45.5 0 5 10 15 20 Jarak dari permukaan (mm) Gambar 3.3 Distribusi kekerasan pada daerah penampang melintang kawat pegas. Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 22
  24. 24. ABRIANTO 3.4 Pengujian metalografi Pengujian ini dilakukan terhadap pegas ulir yang mengalami kerusakan adalah bertujuan untuk mengetahui fasa-fasa yang dimiliki oleh material tersebut, sehingga dapat diketahui pula apakah komponen tersebut pernah mengalami perlakuan panas atau tidak. Spesimen untuk metalografi, diambil berdekatan dengan spesimen untuk pengujian kekerasan yaitu pada daerah dekat patahan, dengan titik-titik pemotretan struktur mikro seperti ditunjukkan pada gambar 3.4 dibawah ini. Gambar 3.4 Skema lokasi titik-titik pemotretan struktur mikro pada daerah penampang melintang dan daerah permukaan kawat pegas. Hasil pemotretan ditunjukkan pada gambar 3.5, 3.6, dan 3.7 berikut ini. Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 23
  25. 25. ABRIANTO Etsa: Nital 2% 700 X Gambar 3.5 Struktur mikro pada derah permukaan kawat pegas. Gambar 3.6 Struktur mikro daerah penampang melintang kawat pegas. Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 24
  26. 26. ABRIANTO Gambar 3.7 Struktur mikro pada daerah penampang melintang dekat permukaan kawat pegas. Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 25
  27. 27. ABRIANTO BAB IV ANALISIS 4.1 Analisis metalurgis Hasil analisis terhadap pegas ulir bogie luar yang mengalami kerusakan yaitu berupa patah pada jarak 1¼ diameter lilitan pegas dari ujung pegas, dari pengamatan terhadap permukaan patahan yang ditunjukkan pada gambar 4.1 maka dapat dinyatakan bahwa pegas ulir bogie luar gerbong kereta api tersebut adalah mengalami patah lelah (fatigue fracture) yang ditandai dengan adanya garis- garis pantai (beach mark). Gambar 4.1 Patah lelah yang terjadi pada kawat pegas bogie luar. (1,5 X) Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 26
  28. 28. ABRIANTO Awal retak terjadi pada daerah keausan pada permukaan kawat pegas yaitu daerah sisi bawah dari lilitan pegas (gambar 4.2) dengan arah perambatan retak sama dengan arah tegangan normal kontak dua permukaan. Hal ini menyimpang dari pengalaman-pengalaman dan teori predicts (ramalan). Gambar 4.2 Awal retak lelah yang terjadi pada sisi bawah lilitan pegas. (0,5 X) Penyimpangan ini disebabkan karena awal sisi bawah lilitan pegas mengalami keausan sehingga terjadi kecenderungan pembentukan awal retak lelah. Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 27
  29. 29. ABRIANTO Pembebanan selanjutnya menyebabkan awal retak mengalami perambatan sehingga terbentuklah daerah perambatan retakan yang ditunjukkan oleh garis-garis pantai, selanjutnya penjalaran retakan akan berhenti setelah penampang kawat pegas yang tersisa sudah tidak mampu lagi menahan beban yang bekerja hingga akhirnya patah. Daerah patah akhir atau daerah patah statik yang terjadi terlihat lebih luas dibandingkan dengan daerah penjalaran retakan atau daerah retak lelah, hal ini menunjukkan bahwa tegangan nominal yang bekerja pada pegas ulir adalah cukup besar. Dari pengamatan bidang patahan ini pula terlihat patahan yang terjadi pada pegas ulir bogie luar tersebut membentuk sudut  45o (helical), hal ini menunjukkan bahwa material pegas ulir bogie luar tersebut adalah getas. Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 28
  30. 30. ABRIANTO Analisis terhadap lokasi awal retak yang terjadi pada daerah keausan yang disebabkan karena kontak dua permukaan lilitan pegas pada saat operasinya terlihat pula adanya perubahan dimensi dari diameter kawat pegas (gambar 4.3), yang disertai pula adanya partikel atau serbuk oksida yang berwarna coklat kemerahan pada daerah permukaan keausannya. Gambar 4.3 Perubahan dimensi dari diameter kawat pegas. (1,5 X) Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 29
  31. 31. ABRIANTO Berdasarkan prinsip kerja pegas ulir yaitu berdefleksi dimana pada beban tertentu mengakibatkan kontak antar lilitan pegas, terutama lilitan akhir dengan lilitan berikutnya, serta adanya getaran dapat menyebabkan suatu kerusakan pada permukaan kawat pegas yang dikenal dengan keausan fretting, yaitu kerusakan yang berupa keausan adhesi pada dua permukaan kontak yang disebabkan oleh tekanan dan getaran. Hal ini dapat terlihat pada gambar 4.4 dan 4.5 yamg menunjukkan ciri-ciri keausan adhesi yang berupa dimple pada topografi permukaan kawat pegas dalam daerah fretting. Keausan terjadi mulai dari ujung lilitan dalam daerah kontak lilitan akhir dengan lilitan berikutnya yang relatif berkurang, hal ini disebabkan karena jarak antara kedua lilitan yang kontak (gap) yang relatif bertambah. Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 30
  32. 32. ABRIANTO Pada gambar 4.6 menunjukkan karakteristik dari keausan fretting yang berupa lubang-lubang (galling), lubang-lubang yang tajam pada daerah fretting sedemikian rupa hingga merupakan suatu takikan (notch) yang menyebabkan pemusatan tegangan setempat sehingga daerah ini sangat sensitif terhadap pembentukan awal retak lelah. Awal retak ini dipercepat pula sebagai akibat tegangan geser pada daerah sedikit dibawah permukaan karena aksi tegangan kontak antara kedua permukaan lilitan pegas. Gambar4.4 Keausan fretting yang terjadi pada permukaan kawat pegas ulir.(1,6 & 14 X) Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 31
  33. 33. ABRIANTO Gambar 4.5 Ciri-ciri keausan adhesi pada pemukaan kawat pegas ulir. (50 X) Gambar4.6 Lubang-lubang (galling) pada keausan fretting permukaan kawat pegas (20X) Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 32
  34. 34. ABRIANTO Dari hasil pengujian komposisi kimia dapat dinyatakan bahwa material pegas ulir bogie luar secara keseluruhan masih sesuai dengan standart spesifikasi materialnya, dan pengaruh unsur-unsur yang terkandung dalam material pegas tersebut adalh sebagai berikut:  Si (0,2-2,0%) adalah untuk meningkatkan sifat mampu keras.  Cu (0,1-0,5%) adalah untuk memperbaiki ketahanan korosi.  Mo(0,1-0,5%) adalah untuk mencegah pertumbuhan butir serta memperbaiki kekuatan dan ketangguhan. Dari hasil pengujian ini pula diketahui bahwa komponen pegas ulir bogie luar yang mengalami kerusakan tersebut adalah masih komponen aslinya yaitu buatan Yugoslavia sesuai dengan gerbong keretanya, sedangkan material pegas ulir yang dibuat oleh Balai yasa – Manggarai adalah jenis SUP 9, import dari jepang. Hasil pengujian tarik menunjukkan bahwa kekuatan pegas ulir bogie luar yang mengalami kerusakan, masih memenuhi persyaratan kekuatan sesuai dengan spesifikasinya seperti yang terlihat pada tabel 2 dimana kekuatan geser yang diizinkan adalah sebesar 82,5 Kg/mm2. Dari hasil pengujian kekerasan pada daerah penampang melintang menunjukkan bahwa material pegas ulir bogie luar yang mengalami kerusakan memiliki sifat mampu keras yang cukup baik, hal ini ditandai dengan penurunan garis pada grafik distribusi kekerasan penampang melintang yang tidak turun dengan curam atau tidak landai, atau dengan kata lain perbedaan kekerasan Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 33
  35. 35. ABRIANTO dalam distribusi kekerasannya, kecil. Kekerasan rata-rata daerah penampang melintang lebih besar dibandingkan dengan kekerasan rata-rata permukaan kawat pegas (47,8 HRc  41,3 HRc) atau terjadi perbedaan kekerasan pada kedua daerah tersebut sebesar 13,6 % sehingga daerah permukaan kawat pegas ulir tersebut memiliki ketahanan aus yang lebih rendah dibandingkan dengan daerah bagian dalamnya, hal ini juga menunjukkan adanya ketidakseragaman sifat mekanik dari komponen pegas ulir yang mengalami kerusakan tersebut. Hasil pengujian metalografi menunjukkan bahwa pegas ulir tersebut memiliki fasa karbida dalam matrik martensit temper, serta adanya ketidakseragaman ukuran butir karbida, dimana pada daerah permukaan kawat pegas memiliki ukuran besar butir karbida yang lebih besar dibandingkan dengan ukuran pada daerah dibawahnya. Berdasarkan hasil perhitungan ukuran butir dengan menggunakan metoda Hyen (lihat lampiran A) diperoleh ukuran besar butir karbida pada daerah permukaan kawat pegas sebesar 5,1 . 10-3 mm. Sedangkan pada daerah penampang melintang : 4,6 . 10-3 mm. Sehingga kekerasan dan kekuatan pada daerah permukaan kawat pegas akan lebih rendah jika dibandingkan dengan daerah penampangnya. Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 34
  36. 36. ABRIANTO 4.2 Analisis mekanis Salah satu cara untuk mengetahui penyebab kerusakan pada pegas ulir bogie luar ini adalah dengan melakukan analisis tegangan-tegangan yang bekerja pada komponen tersebut pada saat operasinya, yaitu sebagai berikut: 4.2.1 Beban maksimum pada pegas ulir bogie luar.  Bobot kosong gerbong kereta = 30 ton  Jumlah tempat duduk 64 buah (60 Kg/orang + barang) = 4 ton  Bobot total = 34 ton Pada satu gerbong terdapat 8 pasang pegas ulir bogie, yang setiap pasangnya terdiri atas satu pegas ulir bogie dalam dan satu pegas ulir bogie luar yang keduanya terbuat dari bahan yang sama (tabel 2 dan 3). Maka beban maksimum yang diterima oleh sepasang pegas ulir bogie adalah: 34/8 ton = 4,25 ton = 4250 Kg Dari persamaan defleksi pegas ulir, maka dapat diperoleh beban yang diterima hanya oleh pegas ulir bogie luar adalah: f = 8FD3n / d4 G F1 / F 2 = d14 D23 n2 / d24 D13 n1 = 364 1493 6,75 / 244 2363 4 = 2,2 F1 = 2,2 F2 ; F1 + F2 = F = 4250 Kg = 2,2 ( F – F1 ) = 2921,9 Kg Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 35
  37. 37. ABRIANTO dimana, subscript 1 dan 2 adalah menyatakan pegas ulir bogie luar dan pegas ulir bogie dalam. 4.2.2 Tegangan geser maksimum pada pegas ulir bogie luar yang tidak mengalami fretting. maks = ( 8FD /  d3 ) . k = ( 8 . 2921,9 . 236 / 3,14 . 363 ) . 1,23 = 46,32 Kg/mm2 4.2.3 Tegangan geser maksimum yang bekerja pada pegas ulir bogie luar yang mengalami fretting. Dari hasil pengukuran, perubahan dimensi pada permukaan dari diameter kawat pegas karena keausan fretting adalah sebagai berikut : Cos  = 15,6 / 18 = 0,867  30o Dari lampiran B (Ref.8), diperoleh: maks = ( T / c. r3 ) . k = ( F . R / c. r3 ) . k = ( 2921,9 . 118 / 1,25 . 183 ) . 1,23 2 = 58,2 Kg/mm Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 36
  38. 38. ABRIANTO 4.2.3 Lingkaran Mohr. Untuk mencari tegangan normal yang bekerja, maka digunakan lingkaran Mohr, dimana pada beban puntir : maks = maks = min . 1 = maks 3 = min Sehingga :  Pada daerah fretting maks pada beban maksimum (F=2921,9 Kg) adalah 58,2 2 Kg/mm min pada beban minimum (F=2280 Kg) adalah - 45,4 2 Kg/mm  Pada daerah tak fretting maks pada beban maksimum (F=2921,9 Kg) adalah 46,32 Kg/mm2 min pada beban minimum (F=2280 Kg) adalah - 36 Kg/mm2 Dari hasil pengujian tarik diperoleh kekuatan tarik material sebesar: uts = 164,5 Kg/mm2 (212,3 ksi), dengan demikian batas lelah (endurance limit), e adalah sebesar  100 ksi atau sama dengan 77,5 Kg/mm2 (Ref. 4), dan jika diperhitungkan Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 37
  39. 39. ABRIANTO faktor pembebanannya maka batas lelahnya menjadi = 77,5 X 0,577 = 44,7 Kg/mm2. 4.2.4 Diagram Goodman Untuk mengetahui apakah beban dinamis yang bekerja pada komponen pegas ulir bogie luar tersebut masih berada dalam kondisi daerah aman terhadap fatigue, maka digunakan diagram Goodman, yaitu sebagai berikut :  Pada daerah fretting : maks = 58,2 Kg/mm2 min = -45,4 Kg/mm2 mean + min mean =  = 6,4 Kg/ mm2 2 mean - min amplitudo =  = 51,8 Kg/mm2 2  Pada daerah tak fretting : maks = 46,32 Kg/mm2 min = -36 Kg/mm2 mean = 5,16 Kg/mm2 amplituda = 41,16 Kg/mm2 Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 38
  40. 40. ABRIANTO Gambar 4.7 Diagram Goodman kondisi tegangan yang bekerja pada pegas ulir bogie luar. Dari analisa tegangan dapat ditunjukkan bahwa kondisi yang bekerja pada pegas ulir bogie luar pada kondisi normal tanpa mengalami kerusakan fretting adalah aman terhadap kegagalan fatigue, sedangkan jika terjadi kerusakan fretting pada permukaan kawat pegas yang juga mengakibatkan terjadinya perubahan diameter kawat pegas, Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 39
  41. 41. ABRIANTO maka tegangan yang bekerja pada pegas ulir bogie luar tersebut akan sangat tidak amaan terhadap bahaya fatigue. Dalam kasus ini, umur pakai dari pegas ulir yang mengalami kerusakan tersebut adalah sebagai berikut:  Mulai dinas: K2 – 85715 = 9 - 10 - 1985  Pemeriksaan akhir, PA = 30 - 07 - 2000  Pemeriksaan akan datang, PAD = 30 - 07 - 2000  Mengalami patah = 12 - 09 - 2000 Berdasarkan data tersebut, maka gerbong kereta K2 – 85715 yang mengalami kerusakan pegas ulir bogie luar tidak memenuhi panggilan pemeriksaan (PAD) di Balai Yasa Manggarai – Jakarta, dengan keterlambatan selama 2 bulan, hal ini terlihat dari komponen pegas ulir bogie luar yang mengalami kerusakan masih bahan aslinya yaitu buatan Yugoslavia, bukan pegas ulir buatan Balai yasa Manggarai dengan bahan SUP 9. Dari data tersebut pula maka dapat dihitung jumlah siksus pemakaian pegas ulir tersebut hingga mengalami kerusakan yaitu sebagai berikut: (12-6-1993) – (9-10-1978) = 93,533 – 78,855 = 14,675 tahun maka jumlah siklus dengan jam kerja rata-rata 10 jam perhari adalah: = 14,675 tahun X 12 bulan/tahun X 25 hari/bulan X 10 jam/hari X 60 menit/ jam X 7,8 siklus/menit (perhitugan terlampir) = 20947680 siklus  2,5 . 107 siklus Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 40
  42. 42. ABRIANTO BAB V KESIMPULAN DAN REKOMENDASI 5.1 Kesimpulan  Keausan terbesar terjadi pada ujung lilitan pegas, sehingga ujung lilitan akhir menjadi titik kontak keausan pertama yang mempercepat kerusakan fretting.  Kekerasan daerah permukaan kawat pegas, lebih rendah dari kekerasan bagian dalam penampangnya (41,3 HRc  47,8 HRc).  Ukuran butir karbida pada bagian permukaan kawat pegas lebih kasar dibanding daerah penampannya, sehingga kekerasan dan kekuatannya lebih rendah yang dapat mempercepat terjadinya keausan.  Patah yang dialami pegas ulir bogie luar adalah patah lelah (fatigue fracture) dengan kondisi tegangan maksimum yang bekerja diluar daerah amannya ataupun batas lelahnya. Secara keseluruhan dapat disimpulkan bahwa patah yang terjadi pada pegas ulir bogie luar kereta api tersebut adalah patah lelah sebagai akibat tegangan yang bekerja melebihi batas lelah materialnya atau tegangan yang bekerja diluar daerah aman terhadap kegagalan fatigue, hal ini disebabkan karena adanya perubahan dimensi permukaan kawat pegas yang diakibatkan oleh kerusakan fretting yang dipercepat dengan rendahnya kekerasan permukaan kawat pegas dan kasarnya butir-butir karbida pada daerah permukaan, serta aktipnya ujung lilitan pegas. Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 41
  43. 43. ABRIANTO Adapun kesalahan-kesalahan yang mungkin terjadi adalah sebagai berikut:  Temperatur pada saat proses temper yang terlalu tinggi, ataupun waktu temper yang terlalu lama.  Design pegas ulir, dimana kurangnya lilitan mati setelah ujung lilitan, sehingga ujung lilitan pegas menjadi aktip. 5.2 Rekomendasi  Untuk memperkecil kerusakan fretting pada pegas ulir adalah perlu dibuat tambahan lilitan mati setelah ujung lilitan, sedemikian hingga ujung lilitan menjadi tidak aktip atau mati, serta jumlah total lilitan pegas harus berakhir dengan setengah.  Temperatur dan waktu pemanasan dalam proses tempering, perlu dihitung kembali agar supaya terjadi kehomogenan struktur dan kekerasan antara permukaan dan penampang dari kawat pegas ulir tersebut. Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 42
  44. 44. ABRIANTO LITERATUR 1 Metal Handbook vol. 10, `Failure Analysis and Prevention`, American Society for Metals, 1975. 2 Metal Handbook vol. 9, `Fractrography and Atlas of Fractrographs`, American Society for Metals, 1974. 3 Wahl, A.M, `Mechanical Spring`, Mc. Graw-Hill, 1976. 4 Bannantine. A. Julie, Comer. J. Jess, Handrock. L. James, `Fundamental of Metal Fatigue Analysis`, Prentice Hall, Inc, 1990. 5 Fuchs. O. H, Stephens. I. R, `Metal Fatigue in Engineering`, John Wiley and Sons, 1980. 6 R. Raymond. J, Y. Warren. C, `Formulas for Stress and Strain`, Mc. Graw-Hill. 7 Dieter, G. E, `Mechanical Metallurgy`, Mc Graw-Hill, 1976. 8 R. S. Khurmi, J. K. Gupta, `A Text Book of Machine Design`, Ram Nagar, New Delhi, 1982. 9 Wulpi. J. Donald, `Understanding How Components Fail`, American Society for Metals, 1985. Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 43
  45. 45. ABRIANTO LAMPIRAN A PERHITUNGAN BESAR BUTIR METODA HYEN  Besar butir rata-rata pada daerah permukaan pegas: n . l Dk =  V .  Fk 8 . 80 =  700 . 178,5 = 5,1 . 10-3 mm Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 44
  46. 46. ABRIANTO  Besar butir rata-rata pada daerah penampang melintang kawat pegas: n . l Dk =  V .  Fk 8 . 80 =  700. 199 = 4,6 . 10-3 mm dimana ; n = jumlah garis uji l = panjang garis uji V = pembesaran photo  Fk = jumlah titik potong Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 45
  47. 47. ABRIANTO LAMPIRAN B FORMULA UNTUK TEGANGAN GESER AKIBAT BEBAN TORSI Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 46
  48. 48. ABRIANTO LAMPIRAN C Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 47
  49. 49. ABRIANTO Lampiran D PERHITUNGAN JUMLAH SIKLUS FREKWENSI PEMBEBANAN PADA PEGAS ULIR BOGIE LUAR KERETA API W = F = m . g m = F/g = 2921,9 / 10 = 0,29219 Kg. dt2 / mm 2 = k / m = 30 / 0,29219  = 10,1 rad / dt2  Frekwensi pegas tanpa shock absorber: T = 2 /  = 6,28 / 10,1 = 0,62 maka, f = 1/T = 1,6 Cps = 96,5 Cpm Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 48
  50. 50. ABRIANTO  Frekwensi pegas dengan shock absorber sebagai peredam getaran: Cc = 2 m  (k / m) = 2m .  = 2 . 0,2921,9 . 10,1 = 5,9 Pada redaman kritis (Cc=C), maka: q2 = k / m - (C / 2m)2 = 30 / 0,2921,9 - (5,9 / 2 . 0,29219)2 = 0,8 q = 0,89 rad / dt2 sehingga, T = 2 / q = 6,28 / 0,89 = 7,85 maka, f = 1/T = 0,13 Cps = 7,8 Cpm Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 49

×