analisis kerusakan pegas ulir pada kereta api (aa)

LAPORAN INVESTIGASI KERUSAKANPEGAS ULIR BOGIE KERETA API

Oleh:

ABRIANTO. AKUAN

JURUSAN TEKNIK METALURGIFAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS JENDERAL ACHMAD YANIBANDUNG

1994

Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 1

ABRIANTO

ABSTRAK

Investigasi dilakukan terhadap kerusakan pegas ulir bogieluar kereta api yang terbuat dari bahan 60 Si Mn 7 dengan kadarkarbon 0,639% dan kadar silikon 1,45% serta kadar mangan0,701%, 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 bahwagagalnya komponen tersebut disebabkan oleh patah lelah (fatiguefracture) dengan awal retakan pada daerah kerusakkan akibatfretting. Dari hasil pengujian kekerasan diperoleh harga kekerasanpermukaan kawat pegas, lebih rendah dibandingkan dengankekerasan pada daerah bagian dalam penampangnya (41,3HRc<47,8 HRc) sehingga ketahanan aus dan ketahanan lelahnyamenurun, serta dari hasil pengujian metalografi diperoleh pulapada bagian permukaan kawat pegas memiliki ukuran besar butirfasa karbida dalam matrik martensit temper yang lebih kasardibandingkan dengan bagian dalam penampangnya.(5,1.10-3

mm>4,6.10-3 mm) sehingga kekuatan dan kekerasannyapun lebihrendah dibandingkan dengan daerah bagian dalampenampangnya. Berdasarkan analisa tegangan yang dilakukan,dapat menentukan sekaligus menjawab mengapa kegagalanterjadi, yaitu dengan adanya kerusakan berupa fretting,menyebabkan perubahan dimensi permukaan kawat pegas,sehingga tegangan nominal yang bekerja melebihi daerah amanbatas lelahnya, juga daerah fretting merupakan daerah yangsangat sensitif terhadap retak lelah.

Penyebab kegagalan pada kasus ini dapat dikatagorikansebagai kesalahan proses pengerjaan dan kesalahan design,karena adanya perubahan ukuran besar butir dalam strukturmikro dimana fasa karbida dalam matrik martensit temper padadaerah permukaan kawat pegas, lebih kasar dari daerah bagiandalam penampangnya. Serta kurangnya lilitan mati diantara lilitanaktip dari pegas sehingga ujung lilitan menjadi titik konsentrasikeausan pertama yang mempercepat kerusakan fretting.


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

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

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

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

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 kerusakanpegas ulir bogie. (0,1 X)


ABRIANTO

Gambar 2.2 Posisi pegas ulir bogie pada bogie gerbongkereta api. (0,2 X)


ABRIANTO

Gambar 2.3 Lokasi patah yang terjadi pada pegas ulirbogie 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

Tabel. 1 Komposisi kimia bahan menurut standart GDR.5350.

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.

No Unsur SimbolKomposisi kimia (%

berat)

1.2.3.4.5.6.7.8.9.

KarbonSilikonManganKhromNikelTembagaPhosforBelerangBesi

CSiMnCrNiCuPSFe

0,57 – 0,651,50 – 2,000,70 – 1,00

0,35 0,30 0,30 0,045 0,045

Sisa


ABRIANTO

Gambar 2.4 Gambar teknik bogie tipe K7.


ABRIANTO

Tabel.2 Spesifikasi komponen pegas ulir bogie luar.


ABRIANTO

Tabel.3 Spesifikasi komponen pegas ulir bogie dalam.


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

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

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

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

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

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 bogieluar.

Unsur

Hasilspektrometer

(%)

Komposisi kimia standartGDR.5350 (%)

CSiMnPSCrNiCuMoAlFe

0,6391,4500,7010,00440,01970,4180,1640,1780,09190,0161

Sisa

0,57 - 0,651,50 - 2,000,70 - 1,00 0,045 0,045 0,35 0,30 0,30

--

Sisa


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

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 pengujiantarik.


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 kekerasanpada 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

45.5

46

46.5

47

47.5

48

48.5

49

0 5 10 15 20

Jarak dari permukaan (mm)

Kekera

san

(HR

c)

Tabel. 6 Hasil pengujian kekerasan pada daerah penampangmelintang kawat pegas.

Kekerasan, HRcJarak dari

permukaan (mm) 1 2 3 Rata-rata

468101215

48,348,148,148,147,445,5

48,848,748,048,048,246,8

48,148,548,948,447,745,4

48,448,448,348,347,745,9

Kekerasan rata-rata daerah melintang : 47,8 HRc

Tabel.7 Hasil pengujian kekerasan pada daerah permukaankawat pegas.

No Kekerasan, HRc Rata-rata

12345678910

39,145,538,145,141,740,936,240,741,843,7

41,3

Gambar 3.3 Distribusi kekerasan pada daerah penampangmelintang kawat pegas.


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 strukturmikro pada daerah penampang melintang dan

daerah permukaan kawat pegas.

Hasil pemotretan ditunjukkan pada gambar 3.5, 3.6, dan

3.7 berikut ini.


ABRIANTO

Etsa: Nital 2% 700 X

Gambar 3.5 Struktur mikro pada derah permukaan kawatpegas.

Gambar 3.6 Struktur mikro daerah penampang melintangkawat pegas.


ABRIANTO

Gambar 3.7 Struktur mikro pada daerah penampangmelintang dekat permukaan kawat pegas.


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 pegasbogie luar. (1,5 X)


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 bawahlilitan pegas. (0,5 X)

Penyimpangan ini disebabkan karena awal sisi bawah

lilitan pegas mengalami keausan sehingga terjadi

kecenderungan pembentukan awal retak lelah.


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

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 kawatpegas. (1,5 X)


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

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 permukaankawat pegas ulir.(1,6 & 14 X)


ABRIANTO

Gambar 4.5 Ciri-ciri keausan adhesi pada pemukaan kawatpegas ulir. (50 X)

Gambar4.6 Lubang-lubang (galling) pada keausan frettingpermukaan kawat pegas (20X)


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

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

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 / F2 = d14 D2

3 n2 / d24 D1

3 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

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

= 58,2 Kg/mm2


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

Kg/mm2

min pada beban minimum (F=2280 Kg) adalah - 45,4

Kg/mm2

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

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

2mean - 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

Gambar 4.7 Diagram Goodman kondisi tegangan yangbekerja 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

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

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

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

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

LAMPIRAN APERHITUNGAN BESAR BUTIR METODA HYEN

Besar butir rata-rata pada daerah permukaan pegas:

n . lDk =

V . Fk

8 . 80=

700 . 178,5

= 5,1 . 10-3 mm


ABRIANTO

Besar butir rata-rata pada daerah penampang

melintang kawat pegas:

n . lDk =

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

LAMPIRAN BFORMULA UNTUK TEGANGAN GESER AKIBAT BEBAN

TORSI


ABRIANTO

LAMPIRAN C


ABRIANTO

Lampiran DPERHITUNGAN JUMLAH SIKLUS FREKWENSI

PEMBEBANAN PADA PEGAS ULIR BOGIE LUARKERETA 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

Frekwensi pegas dengan shock absorber sebagai

peredam getaran:

Cc = 2 m (k / m)

= 2 m .

= 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

analisis kerusakan pegas ulir pada kereta api (aa)

Education