Pemilihan Bahan Dan Proses1
-
Upload
rifki-aulia -
Category
Documents
-
view
281 -
download
40
Transcript of Pemilihan Bahan Dan Proses1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kebutuhan sarana transportasi semakin meningkat seiring dengan
bertambahnya jumlah penduduk. Karena transportasi mempunyai peranan
penting bagi sektor perekonomian. Dari beberapa jenis metode transportasi
yang ada menggunakan kendaraan, infrastruktur dan operasi tertentu untuk
memindahkan manusia, hewan dan komoditas dari satu lokasi ke lokasi
lainnya. Setiap metode transportasi mempunyai kelebihan serta
kekurangan, dan akan dipilih berdasarkan ongkos, kapabilitas, rute, dan
kecepatan.
Kereta api adalah salah satu jenis metode transportasi darat,
dimana kereta bergerak di atas 1 set rel paralel yang lebih dikenal dengan
rel kereta. Kereta api umumnya digerakkan oleh sebuah lokomotif yang
menggandeng beberapa gerbong penumpang atau barang. Lokomotif itu
sendiri berdaya uap, diesel, ataupun listrik. Secara umum sistem rel pada
kereta api mempunyai tahanan gaya gesek yang kecil sehingga kereta api
lebih efisien dalam penggunaan energi jika dibandingan dengan sarana
transportasi darat lainnya.
Rel merupakan struktru balon menerus yang diletakkan di atas
tumpuan bantalan berjarak konstan antar rel (gauge). Bantalan juga
berfungsi sebagai penuntun / mengarahkan pergerakan roda kereta api. Rel
juga di sediakan untuk menerima secara langsung dan menyalurkan beban
kereta api kepada bantalan tanpa menimbulkan defleksi yang berarti pada
bagian balok rel dia antara tumpuan bantalan. Oleh sebab itu, desain
bentuk dan geometrik rel harus dapat berfungsi menahan gaya akibat
pergerakan dan beban kereta api.
1
1.2 Tujuan
Tugas ini bertujuan untuk :
1. Mengetahui fungsi, bentuk, dimensi, bagian, proses produksi dan material
komponen rel.
2. Mengetahui klasifikasi dan ukuran rel yang digunakan di Indonesia.
3. Mengetahui perencanaan / desain komponen rel.
1.3 Manfaat
Manfaat tugas ini yaitu menambah wawasan tentang pemilihan bahan dan
proses komponen rel.
1.4 Batasan Masalah
Pada pemilihan bahan dan proses yang dibahas dibatasi untuk komponen
rel saja.
2
BAB II
TEORI DASAR
Pemilihan bahan dan proses balok rel harus didesain sedemikian
rupa sehingga dapat dipertanggung jawabkan secara teknis dan ekonomis.
Secara teknis diartikan balok rel yang digunakan harus dapat menahan
beban dari kereta api dan memiliki umur yang panjang. Sedangkan secara
ekonomis adalah pemilihan material yang tepat agar balok rel dapat dibuat
dengan biaya sekecil mungkin namun tidak mengurangi kekuatannya.
2.1 Jenis – Jenis Rel
Rel berguna untuk memindahkan tekanan roda-roda kereta api ke atas
bantalan dan juga sebagai penghantar roda-roda tersebut. Pada saat ini
digunakan tiga macam profil rel antara lain :
1. Rel berkepala dua (double-headed rail)
Rel ini mempunyai dua kepala yang sama, denga maksud supaya dapat
dibalik. Akan tetapi dalam prakteknya tidak mungkin, karena kepala
bawah sudah tertekan dan bentuknya sudah berubah akibat defleksi.
Perkembangan dari rel ini dibuat kepala atas lebih besar daripada
kepala bawah yang lebih dikenal dengan nama “bull head rail”.
Gambar 2.1 Profil rel berkepala dua.
3
2. Rel vignola (flat-bottom rail)
Rel dengan kepala bawah datar yang pertama kali digunakan secara
internasional. Ditemukan oleh Charles Vignoles dan dipakai oleh
negara Inggris.
(a) (b)
Gambar 2.2 Profil (a) bullhead rail dan (b) flat-bottom rail
3. Rel alur (grooved rail)
Ciri utama rel alur yaitu mempunyai kaki yang sangat lebar. Untuk
memperkecil aus di lengkungan, maka alur harus diperlebar dan lingir
alur dibuat lebih tebal. Rel alur biasanya digunakan untuk trem
ataupun pada permukaan berumput.
Gambar 2.3 Profil Rel alur
4
2.2 Kondisi Kerja Rel
Pembebanan dan pergerakan kereta api di atas struktur rel menimbulkan
berbagai gaya pada rel. Gaya – gaya tersebut diantaranya gaya vertikal,
gaya transversal, dan gaya longitudinal.
Gambar 2.4 Gaya yang bekerja pada balok rel.
Dimana dari gambar dapat dilihat Q adalah gaya vertikal, Y adalah gaya
lateral dan T adalah gaya longitudinal, sedangkan N adalah gaya akibat
perubahan suhu (termasuk gaya longitudinal).
Perhitungan beban dan gaya dari kondisi kerja rel ini perlu dipahami untuk
dapat merencanakan dimensi, tipe, dan disain rel, bantalan dan seterusnya
pola distribusinya berfungsi untuk merencanakan tebal lapisan balas dan
sub balas.
1. Gaya Vertikal; Q
Gaya ini adalah beban yang paling dominan dalam struktur rel. Gaya
vertikal menyebabkan terjadinya defleksi vertikal yang merupakan
indikator terbaik untuk penentuan kualitas, kekuatan dan umur rel. Secara
global, besarnya gaya vertikal dipengaruhi oleh pembebanan lokomotif,
kereta maupun gerbong.
5
a. Gaya Lokomotif
Jenis lokomotif akan menentukan jumlah bogie dan gandar yang akan
mempengaruhi berat beban gandar di atas rel yang dihasilkan.
b. Gaya Kereta
Karakteristik beban kereta dipengaruhi oleh jumlah bogie dan gandar
yang digunakan. Selain itu, faktor kenyamanan penumpang dan
kecepatan (dynamic factor) mempengaruhi beban yang dihasilkan.
c. Gaya Gerbong
Prinsip pembebanan pada gerbong adalah sama dengan lokomotif dan
kereta. Meskipun demikian, kapasitas muatan gerbong sebagai
angkutan barang perlu diperhatikan dalam perencanaan beban.
Perhitungan gaya vertikal yang dihasilkan beban gandar oleh lokomotif,
kereta dan gerbong merupakan beban statik, sedangkan pada
kenyataannya, beban yang terjadi pada struktur rel merupakan beban
dinamis yang dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti hambatan udara,
kondisi geometrik dan kecepatan rangkaian kereta api. Oleh karena itu,
diperlukan transformasi gaya statik ke gaya dinamik untuk merencanakan
beban yang lebih realistis. Persamaan TALBOT (1918) memberikan
transformasi gaya berupa pengkali faktor dinamis sebagai berikut :
Ip =1 + 0,01 ( V1,609
−5) (2.1)
dimana,
Ip = Faktor dinamis,
V = Kecepatan rencana (km/jam)
6
2. Gaya Lateral (transversal); Y
Gaya ini terjadi akibat adanya gaya sentrifugal (ketika rangkaian kereta api
berada di lengkung horizontal), gerakan ular rangkaian (snake motion) dan
ketidak rataan geometrik rel yang bekerja pada titik yang sama dengan
gaya vertikal. Gaya ini dapat menyebabkan tercabutnya penambat akibat
gaya angkat, pergeseran pelat andas dan memungkinkan terjadinya
derailment (keluarnya roda kereta dari rel). Syarat pembatasan besarnya
gaya lateral supaya tidak terjadi derailment adalah :
F lateral
F vertikal
<1,2 (2.2)
F lateral
F vertikal
<0,75 , untuk rel dan roda yang aus (2.3)
Secara skematis gaya lateral dapat diberikan seperti gambar di bawah ini:
Gambar 2.5 Skematik gaya lateral pada komponen rel.
3. Gaya Longitudinal; T
Gaya longitudinal dapat diakibatkan oleh perubahan suhu pada rel
(thermal stress). Gaya ini sangat penting di dalam analisis gaya terutama
untuk konstruksi rel panjang (long welded rails). Gaya longitudinal juga
merupakan gaya adhesi (akibat gesekan roda dan kepala rel) dan gaya
akibat pengereman roda terhadap rel.
7
2.3 Gambar Komponen Rel
Suatu komponen rel terdiri dari 4 bagian utama, yaitu :
1. Permukaan rel untuk pergerakan kereta api (running surface),
2. Kepala rel (head),
3. Badan rel (web),
4. Dasar rel (base),
Seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini :
Gambar 2.6 Bagian utama rel.
Ukuran / dimensi bagian – bagian profil rel dijelaskan menurut tabel. Untuk
Indonesia dimensi yang digunakan sesuai dengan Peraturan Dinas 10 tahun
1986. Penamaan tipe rel untuk tujuan klasifikasi rel disesuaikan dengan berat
(dalam kilogram, kg) untuk setiap 1 meter panjangnya, misal : tipe R54 berarti
rel memiliki berat sekitar 54 kg untuk setiap 1 meter panjangnya.
8
Gambar 2.7 Profil rel R60 dan R54
Tabel 2.1 Klasifikasi tipe rel di Indonesia.
18,00/ 24,00167014015954,40UIC 54/
R54
17,001563,812715350,40R50
16,574,315017260,34R60
13,60-17,0013,568,511013842,18R14A/
R42
11,90-13,60-17,0013,56811013841,52R14/
R41
11,90-13,60115810513433,40R3/
R33
6,80-10,2010539011025,74R2/
R25
Panjang Standar/
normal (m)
Tebal Badan
(mm)
LebarKepala
(mm)
LebarKaki
(mm)
Tinggi
(mm)
Berat
(kg/ m)Tipe
18,00/ 24,00167014015954,40UIC 54/
R54
17,001563,812715350,40R50
16,574,315017260,34R60
13,60-17,0013,568,511013842,18R14A/
R42
11,90-13,60-17,0013,56811013841,52R14/
R41
11,90-13,60115810513433,40R3/
R33
6,80-10,2010539011025,74R2/
R25
Panjang Standar/
normal (m)
Tebal Badan
(mm)
LebarKepala
(mm)
LebarKaki
(mm)
Tinggi
(mm)
Berat
(kg/ m)Tipe
Sedang untuk klasifikasi rel untuk negara lain ada standarnya masing –
masing. Dan setiap profil rel memiliki dimensi momen inersia, jarak terhadap
garis netral luas penampang yang berbeda untuk keperluan perencanaan dan
pemilihan dimensi yang tepat untuk struktur rel.
2.4 Proses Produksi Rel
Proses produksi rel kereta api terbagi menjadi 2 bagian utama yaitu
steelmaking dan rolling. Dijelaskan seperti dibawah ini :
1. Steelmaking (pembuatan logam)
Bahan baku berupa besi scrap (bekas) kemudian dimasukkan ke dalam
tungku untuk dilebur. Lalu diberikan penambahan unsur kimia paduan
seperti karbon, mangan, silikon, fosfor dan sulfur untuk menambah
kekuatan baja. Hasil dari proses ini berupa baja setengah jadi berprofil
bloom (berpenampang kotak dengan dimensi < 150 x150 mm).
9
Gambar 2.8 Baja berprofil bloom.
2. Rolling (pengerolan)
Baja berprofil bloom dipanaskan kembali pada tungku gas dan diteruskan
ke alat rol kemudian menghasilkan besi dengan profil yang di inginkan.
Umumnya besi tersebut dipotong lagi sesuai dengan standar panjang rel
yang digunakan.
Gambar 2.9 Penampang mesin rol yang membentuk profil rel kereta api.
10
BAB III
METODOLOGI
11
Pemilihan bahan struktur rel
Penentuan batasan – batasan (constraints)
Analisa batasan – batasan (constraints)
Penentuan indeks material
Penggunaan bagan material
Bahan yang digunakan
BAB IV
PEMBAHASAN
Dari penjelasan sebelumnya dapat diambil kesimpulan bahwa struktur rel
mengalami beban vertikal (bending) dengan beberapa batasan (constraints) yaitu
kekakuan (stiffness) dan kekuatan (strength). Kedua batasan ini digunakan untuk
memenuhi objektif dari pemilihan bahan yaitu massa dan harga. Lalu pemakaian
faktor bentuk (shape factor) dapat memaksimalkan pemilihan material dengan
performa yang optimal.
Maka untuk pemilihan bahan struktur rel dapat dituliskan :
Fungsi lintasan kereta apimenahan beban kereta api
Batasan panjang ditentukan, Lprofil penampang R60,
Objektif minimumkan massa, mminimumkan harga, Cm
Variabel bebas pemilihan material
Gambar 4.1 DBB struktur rel .
12
Di generalisasikan bahwa struktur rel adalah balok yang dijepit pada kedua
ujungnya dan memiliki beban yang terdistribusi (karena beban pada struktur rel
adalah beban dinamik). DBB dan potongan bagian dari struktur rel dapat dilihat
seperti pada gambar 4.1. Dengan rumus untuk massa dari struktur rel adalah :
m=ρ A L (4.1)
dengan I,
I = b4
12 (4.2)
Tabel 4.1 Indeks massa material
Batasan
(Constraint)
Rumus Umum Rumus Objektif
m = ρ A L
Indeks
Kekakuan
(Stiffness)
384 EI
L3 ( s32 )
12 . L
52 .[ ρ
E12 ] E
12
ρ
Kekuatan
(Strength)16
b4
4 b h2 (16 F )23 . L
53 .[ ρ
σ f
23 ] σ f
23
ρ
Sedangkan untuk pemilihan material dengan objektif harga dapat dijelaskan
seperti dibawah ini :
Tabel 4.2 Indeks harga material
Batasan
(Constraint)
Rumus Umum Rumus Objektif
C = A LCm ρ
Indeks
Kekakuan
(Stiffness)
384 EI
L3 ( s32 )
12 . L
52 .[ ρ Cm
E12 ] E
12
ρCm
Kekuatan
(Strength)16
b4
4 b h2 ( 616
F
L2 )23 . L3 .[ ρ Cm
σ f
23 ] σ f
23
ρCm
13
Lalu indeks berikutnya didapat dari data standar komponen rel sebagai berikut :
Gambar 4.2 Sifat mekanik komponen rel standar.
E=σε
(4.3)
Dengan mensubtitusikan nilai kekuatan yield dan persentasi penambahan panjang
dari tabel diatas didapat nilai E = 57,3 MPa. Maka m2 ≥ 57
Dari beberapa indeks yang telah didapat, nilai kekuatan dan kekakuan dari suatu
material dapat dibuat lebih efisien dengan mengaplikasikan bentuk yang tepat.
Efisien dalam artian penggunaan material yang lebih sedikit untuk kondisi beban
kerja yang sama. Misalnya sebuah batang baja berprofil I-beam akan lebih efisien
dibanding yang berprofil solid.
Faktor bentuk / geometri tingkat ke efesienan dari suatu material dari beban yang
diberikan pada bentuk yang berbeda. Mumpunyai nilai 1 untuk penampang solid
dan semakin tinggi berarti semakin efisien material tersebut.
Φ = variabelbentuk objekvariabel bentuk acuan
(4.4)
Misalkan untuk faktor bentuk pada benda yang mengalami beban bending maka
digunakan :
14
Φ = SSo
= EIEIo
= II o
(4.5)
Untuk faktor geometri struktur rel, profil persegi dijadikan acuan dan
dibandingan dengan profil rel R60.
y
x
Gambar 4.3 Geometri penampang solid dan rel.
dimana;I = momen inersia; rel R60 = 3055 cm4
A= luas penampang; rel R60 = 73,7 cm2
Φ = II o
= 4 πI
A2 = 7
Yang artinya adalah penampang rel R60 mampu menahan defleksi dari beban
bending 7 kali dibandingkan dengan penampang solid/persegi dengan luas yang
sama.
15
BAB V
PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Setelah mendapat indeks material lalu langkah selanjutnya adalah screening
pemilihan material menggunakan material selection chart. Material selection
chart berisikan informasi sifat material vs sifat material. Untuk pemilihan
material struktur rel material selection chart yang dipakai adalah modulus
Young vs densitas, modulus Young vs densitas*harga (stiffness constraint)
dan batas elastis vs densitas, batas elastis vs densitas*harga (strength
constraint).
Gambar 5.1 Bagan densitas – modulus Young.
Hasil screening material menggunakan program CES EDUPACK 4.5 dengan
acuan indeks m1 dan m2 memberikan daerah pemilihan material. Dari daerah
pemilihan tersebut material yang paling optimal nilai kekakuan dan ringan
terletak pada area kanan atas untuk itu material yang dipilih, yaitu :
16
Tabel 4.3 Hasil pemilihan material terkaku dan teringan.
Tabel 5.1 Hasil pemilihan material terkaku dan teringan.
Material Density (kg/m^3) Young Modulus (GPa)
High carbon steel 7800-7900 200 -215
Low alloy steel 7800-7900 205-217
Nickel-based superalloys 7750-8650 150-245
Stainless steel 7600-8100 189-210
Tungsten alloys 1,78 x 104 – 1,96 x 104 310-380
Gambar 5.2 Bagan densitas*harga – modulus Young.
Sedang hasil untuk screening material menggunakan program CES EDUPACK
4.5 dengan acuan indeks m1 dan m2 untuk material yang terkaku dan termurah
adalah :
17
Tabel 5.2 Hasil pemilihan material terkaku dan termurah.
Material Price (IDR) Young Modulus (GPa)
High carbon steel 4.381-7.885 200 -215
Low alloy steel 4.381-11.390 205-217
Nickel-based superalloys 87.610 – 262.800 150-245
Stainless steel 26.280 – 105.100 189-210
Tungsten alloys 140.200 – 262.800 310-380
Gambar 5.3 Bagan densitas– kekuatan.
Tabel 5.3 Hasil pemilihan material terkuat dan teringan.
Material Density (kg/m^3) Strength (GPa)
High carbon steel 7800-7900 550 - 1640
Low alloy steel 7800-7900 550 - 1760
Nickel-based superalloys 7750-8650 400 - 2100
Stainless steel 7600-8100 480 - 2240
18
Tungsten alloys 1,78 x 104 – 1,96 x 104 720 - 3000
Gambar 5.4 Bagan densitas * harga – kekuatan.
Tabel 5.4 Hasil pemilihan material terkuat dan termurah.
Material Price (IDR) Strength (GPa)
High carbon steel 4.381-7.885 550 - 1640
Low alloy steel 4.381-11.390 550 - 1760
Nickel-based superalloys 87.610 – 262.800 400 - 2100
Stainless steel 26.280 – 105.100 480 - 2240
Tungsten alloys 140.200 – 262.800 720 - 3000
Dari proses pemilihan bahan mengunakan material selection chart didapat 5 jenis
material yang memenuhi kriteria sebagai bahan struktur rel yaitu :
- High carbon steel
- Low alloy steel
- Nickel-based superalloys
19
- Stainless steel
- Tungsten alloys
DAFTAR PUSTAKA
Banks, J.H. 2002. Introduction to Transportation Engineering. MacGraw
Hill. 2nd Edition. Boston. 502 p.
Esveld, C. 1989. Modern Railway Track. MRT Publication. Germany.
Hay, W.W. 1982. Railroad Engineering. Second Edition. Wiley.
Hidayat, H. & Rachmadi. 2001. Rekayasa Jalan Rel. Catatan Kuliah.
Penerbit ITB. Bandung.
PJKA. 1986. Perencanaan Konstruksi Jalan Rel (Peraturan Dinas No.10).
Bandung.
PJKA. 1986. Penjelasan Perencanaan Konstruksi Jalan Rel (Peraturan
Dinas No.10). Bandung.
20
21