ANALISIS TEGANGAN BERVARIASI PERIODIK PADA STRUKTUR SHELL ROTARY STEAM DRYER

ANALISIS TEGANGAN BERVARIASI PERIODIK PADA STRUKTUR SHELL ROTARY STEAM DRYER Rino Sukma (1), Khairul Amri (1), Maimuzar (1), Elfian Hadi (1) (1)

Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Padang, ABSTRACT

There was a failure in the inner part of a rotary dryer, more exactly around the weld joint between drum and tube supports due to fatigue failure indicated by the existing of cracks. To prevent or avoid this kind of failure in the future, it is important to analyse this phenomenon in order to find out root of the problem. Through this study the phenomenon of cracking in the rotary dryer learnt. The final goal is to find out the alternative way out in a rotary dryer failure caused by fatigue and try to give a recommendation in prevention of the problem. Steps in this theses including literature study related with the problem, also the analysis using finite element method (FEM). Load and stress analysis using FEA was run in order to know the performance of the rotary dryer in normal circumstance. Maximum load of 20 tons used with each 30o of rotation checking points where a cycle is 360o. Stress and deformation gotten from the same points then scaled and used as history data in software fatigue calculation. The result of the finite element analysis found that the maximum stress 42,21 MPa was above the fatigue strength of the material, 20 MPa, implied to the life time of the rotary dryer that came shorter (9,3 years of 20 years design). Actually this rotary dryer fail after 8 years. Simulation using 17 tons load gave 15 years of life time. Keywords: fatigue failure rotary dryer, shell, tube support plates 1.

PENDAHULUAN

Rotary dryer digunakan untuk mengeringkan material (berbentuk butiran halus atau kasar) yang lembab atau basah dalam industri pengolahan mineral, bahan bangunan, metalurgi dan kimia. Material yang dikeringkan meliputi limestone slag, coal powder, clay stone, dan lain-lain. Sistem kerja dari rotary dryer yang dibahas dalam penulisan ini adalah dengan memasukan material (wet terephthalic acid crystals) yang akan dikeringkan ke dalam rotary dryer sesuai dengan kapasitas dari alat tersebut, dimana rotary dryer bergerak dengan putaran yang rendah. Pada tube support plates (sekat-sekat) terdapat pipa-pipa kecil (steam tubes) yang dialiri uap panas, yang berfungsi untuk memisahkan air dari material yang akan dikeringkan. Dimana material tersebut langsung berhubungan dengan uap panas yang berada di dalam steam tubes. Air akan dipisahkan dari material oleh aliran uap panas dan berubah menjadi uap untuk dibuang ke atmosfir. Rotary dryer ini sudah beroperasi kurang lebih selama 8 tahun dari umurnya yang direncanakan selama 20 tahun. Walaupun rotary dryer ini masih jauh dari batas umur pakainya, sudah terjadi retakan terutama pada bagian dalam dinding shell. Setelah diamati, diperiksa secara seksama, ditemukan bahwa retakan dimulai disekitar sambungan lasan tube support plate’s dengan dinding dalam shell. Apabila

rotary dryer dioperasikan terus maka dikhawatirkan retakan akan tumbuh semakin panjang dan memicu kegagalan pada struktur rotary dryer. Umur aktual rotary dryer yang sangat rendah dibandingkan umur desainnya akan menghambat proses produksi. Kondisi ini mengakibatkan kerugian bukan hanya dari kerusakan alat tetapi juga terhambatnya proses produksi. Untuk mempertahankan operasi yang aman dari rotary dryer ini, langkah utama perbaikan harus segera dilakukan. Analisis awal terhadap retakan yang terjadi membawa pada kecurigaan bahwa permulaan retakan akibat tingginya fluktuasi tegangan yang melebihi kekuatan lelah material. Untuk itu perlu dilakukan studi mengenai kegagalan tersebut untuk mengetahui akar penyebab kegagalan retak pada rotary dryer. Teknik konvensional dengan menggunakan rumusrumus untuk menghitung besarnya tegangan guna mendapatkan tegangan tidak cocok dilakukan, karena rumitnya geometri rotary dryer dan beban yang bekerja. Salah satu metode yang dapat digunakan adalah FEA (finite element analysis) dimana dengan metode ini analisis tegangan pada geometri serta pembebanan yang rumit dapat dilakukan. Analisis lebih difokuskan pada bagian shell dan tube support plates saja, karena disekitar bagian tersebut yang mengalami kegagalan dalam pengoperasian. Analisis tidak akan dilakukan pada bagian rotary

Analisis Tegangan Bervariasi Periodik pada Struktur Shell Rotary Steam Dryer (Rino Sukma)

dryer yang lain seperti tires, roller dan girth gear, dan juga tidak memperhitungkan pengaruh dari

temperatur,

korosi

dan

pengaruh

lingkungan.

Gambar 1 Rotary Dryer 2.

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Kurva Tegangan Regangan

Persamaan-persamaan yang menyatakan hubungan antara gaya dan perpindahan dalam metoda ini disusun dalam bentuk matrik, dan langkah penyelesaiannya dilakukan dengan perkalian matrik, eliminasi Gauss dan reduksi matrik. Untuk langkah pertama diturunkan hubungan antara gaya dan perpindahan pada tiap elemen, hingga diperoleh persamaan-persamaan yang dalam bentuk matrik dapat dinyatakan sebagai … (1)

Gambar 2 Diagram hubungan tegangan dan regangan untuk baja

2.2 Metode Elemen Hingga Metode elemen hingga dikenal untuk menyelesaikan berbagai kasus dalam struktur seperti analisis tegangan, analisis regangan, frekuensi pribadi struktur dan lain-lain. Elemen hingga didasarkan pada pemodelan elemen yang tidak berhingga sehingga elemen atau struktur secara keseluruhan dapat dianalisis. “Gambar (2)” menunjukkan hasil analisis elemen hingga dengan pita warna yang menunjukkan nilai tegangan atau defleksi yang terjadi.

Dimana [Ke] menyatakan matrik kekakuan dari elemen disebut sebagai matrik kekakuan lokal, sedangkan {F} menyatakan vektor beban dalam koordinat lokal dan {δ} menyatakan vektor perpindahan dalam koordinat lokal. Selanjutnya perlu dilakukan trasformasi terhadap matrik tersebut agar diperoleh hubungan matrik dalam koordinat global. Dengan menurunkan hubungan antara perpindahan lokal dengan perpindahan global ataupun beban lokal dan beban global akan diperoleh suatu hubungan yang dalam bentuk matrik yang disebut matrik transformasi. … (2) {F*} dan {δ*} dalam koordinat global Dengan demikian hubungan antara vektor perpindahan dan vektor gaya dalam sistem koordinat global dapat ditulis sebagai: … (3a) … (3b) … (3c) … (3d)

Gambar 2 Hasil Analisis Finite Elemen

Dengan mengetahui hubungan matrik secara global maka persamaan tersebut dapat diselesaikan. Persamaan matrik tersebut dapat diselesikan dengan terlebih dahulu menentukan kondisi batasnya. Persamaan tersebut dapat diselesaikan dengan 127

Jurnal Teknik Mesin

Vol. 8, No. 2, Desember 2011

metode eliminasi gauss maupun dengan cara mereduksi matrik sehingga diperoleh solusi yang diinginkan. 2.2.1 Kegagalan Lelah pada Rotary Dryer Kegagalan lelah adalah suatu bentuk kegagalan yang terjadi pada struktur yang dikenai tegangan dinamik dan berfluktuasi (contoh: jembatan, pesawat terbang, dan komponen-komponen mesin). Dalam kondisikondisi tersebut kegagalan mungkin terjadi bahkan pada tegangan yang lebih rendah dari kekuatan tarik maupun yield strength untuk beban statik. Kata fatigue (lelah) digunakan karena jenis kegagalan ini biasanya terjadi setelah beberapa waktu lamanya tegangan maupun regangan siklik terjadi. 2.2.2 Cyclic Stress Tegangan yang terjadi pada material di alam dapat bersifat aksial (tarik-tekan), flexural (bending), atau torsional (puntir). Pada umumnya, tiga tegangan fluktuatif yang berbeda bermodus waktu dapat terjadi. Salah satunya ditunjukkan secara skematis pada “Gambar (3a)”, dimana amplitudo grafik sinusoidal simetris terhadap zero stress level. Jenis ini biasanya disebut dengan reversed stress cycle. Tipe lain yang biasa disebut repeated stress cycle, diilustrasikan pada “Gambar (3b)” (nilai maksimum dan minimum tidak simetris terhadap zero stress level). Tipe terakhir adalah tegangan yang amplitudo dan frekuensinya berubah tidak menentu (random), seperti yang ditunjukkan pada “Gambar (3c)”.

ISSN 1829-8958

Pada “Gambar (3b)” terdapat beberapa parameter yang digunakan untuk mengkarakteristikan siklus tegangan fluktuatif. Amplitudo tegangan memiliki rata-rata sebesar mean stress m, yang dinyatakan sebagai rata-rata dari nilai maksimum dan minimum tegangan pada siklus tersebut. … (4) r dinyatakan sebagai selisih (range) antara tegangan maksimum max dan tegangan minimum min. … (5) Dengan demikian, amplitudo tegangan a adalah setengah besar stress range r. … (6) Rasio dari amplitudo tegangan minimum dan tegangan maksimum dinyatakan sebagai stress ratio R … (7) 2.2.3 Kurva S-N Dua tipe S-N dapat terlihat jelas pada “Gambar (4)” secara skematik. Gambar grafik ini menyatakan bahwa semakin tinggi besar tegangan, semakin sedikit jumlah siklus yang dapat dikenakan pada material hingga material tersebut gagal. Untuk beberapa material berbasis besi dan campuran titanium, kurva S-N (“Gambar (4)” dan “Gambar (5a)”) berbentuk garis horizontal pada nilai N yang tinggi, atau bisa dikatakan, ada besar tegangan batas yang dinamakan fatigue limit (atau sering juga disebut endurance limit), dimana di bawah garis tersebut kegagalan lelah tidak akan terjadi. Nilai fatigue limit ini menyatakan nilai terbesar dari tegangan fluktuatif yang tidak akan mengakibatkan kegagalan hingga jumlah siklus yang tidak terbatas. Untuk banyak jenis baja, fatigue limit bervariasi antara 35% hingga 65% dari kekuatan tarik.

Gambar 4 Kurva S-N Gambar 3 (a) Reversed Stress Cycle, (b) Repeated Stress Cycle, (c) Random Stress Cycle

Kebanyakan campuran nonferrous seperti alumunium, magnesium, dan tembaga tidak memiliki fatigue limit. Hal ini menyatakan bahwa 128


kecenderungan kurva S-N terus turun untuk nilai N yang semakin besar (“Gambar (5b)”). Dengan demikian, kegagalan lelah dapat dipastikan terjadi berapapun besar tegangan yang terjadi. Untuk material-material ini, besar tegangan dimana terjadi kegagalan lelah pada jumlah siklus tertentu dinamakan kekuatan lelah (fatigue strength). Penentuan nilai kekuatan lelah dapat juga dilihat pada “Gambar (5b)”.

pada rotary dryer sehingga pada akhirnya dapat diambil suatu kesimpulan.

Parameter penting lain yang menggambarkan sifat lelah suatu material adalah fatigue life (umur lelah) Nf. Fatigue life adalah jumlah siklus hingga terjadinya kegagalan pada suatu tingkat tegangan tertentu, seperti terlihat pada plot kurva S-N “Gambar (5b)”.

Setelah menggabungkan bagian-bagian rotary dryer, kemudian digambarkan pada posisi sebenarnya dengan kemiringan 2% dari panjangnya, sehingga dapat dicari berapa derajat kemiringan alat ini.

Secara garis besar komponen rotary dryer dibagi atas empat bagian besar yaitu struktur shell, tube support plates, tires, girth gear. Keempat komponen utama ini kemudian digabungkan membentuk sebuah struktur rotary dryer. 3.1.1 Assembly Rotary Dryer

2% x 15000 = 300 mm 15000 300 Tan  = 300/15000 = 0,02

Gambar 5 Stress Amplitude (S) vs Logaritma dari Number of Cycles to Fatigue Failure (N) untuk (a) Material Yang Menunjukkan Fatigue Limit dan (b) Material Yang Tidak Menunjukkan Fatigue Limit

3.

GEOMETRI DAN PEMODELAN ELEMEN HINGGA STRUKTUR ROTARY DRYER

3.1 Geometri Struktur Rotary Dryer Pemodelan rotary dryer pada penulisan ini dilakukan dengan perangkat lunak. Pemodelan yang dilakukan adalah model penyederhanaan dari objek aslinya. Hal ini dilakukan untuk memudahkan dalam analisis model yang dibuat. Tentunya pembuatan model dengan penyederhanaan dilakukan tanpa mempengaruhi keakuratan hasil yang akan didapatkan. Hanya bagian-bagian tertentu dari objek tidak digambarkan pada model dengan asumsi bagian tersebut tidak berpengaruh secara signifikan terhadap analisis model. Hasil dari analisis model yang dibuat akan dibandingkan dengan kasus nyata yang terjadi

 = 1,150

Gambar 6 Assembly Rotary Dryer

3.2 Pemodelan Elemen Hingga Struktur Rotary Dryer Analisis tegangan yang dilakukan adalah analisis statik. Skema dari analisis statik yang dilakukan dapat dilihat pada gambar berikut yang dimodelkan dengan software FEA. Pada “Tabel (1)” di bawah ini dijelaskan spesifikasi beban yang bekerja pada rotary dryer. Tabel 1 Spesifikasi Beban

Material Wet Terephth alic Acid Crystals

Berat (Ton)

Luas (L) (m2)

20

1,3

Massa Sudut Jenis () () 3 (kg/m ) 1000

118,160

Kemiringan Saat Beroperasi (0) 400

dimana: 129

Jurnal Teknik Mesin


ISSN 1829-8958 9



8

r = 1484 mmm

7

6 5 Luas Beban (L) a/2

4 a/2

3

Gambar 7 Posisi Beban pada Rotary Dryer

1

2

Gambar 8 Pembagian Bidang Beban

Berdasarkan “Gambar (8)” di atas, bidang beban dibagi menjadi sembilan, dimana luas dan volumenya dapat dilihat pada “Tabel (2)”.

Dari rumus di atas didapatkan harga  = 118,160

Setelah pembuatan geometri, dilakukan pengeditan geometri tersebut pada software FEA. Pada langkah ini dibuat posisi beban yang bekerja pada rotary dryer, seperti yang terlihat pada “Gambar (9)”.

Tabel 2 Beban per Bidang No 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Luas (mm2) 49083,478 139337,125 206200,565 239082,207 234678,524 197434,404 138640.579 74326,150 21216,968

Volume (mm3) 736252170 2090056875 3093008475 3586233105 3520177860 2961516060 2079608685 1114892250 318254520

Volume Dalam (%) 3,776 10,718 15,862 18,391 18,052 15,187 10,665 5,717 1,632

Beban Total (N) 196200 196200 196200 196200 196200 196200 196200 196200 196200

Beban per Bidang (N) 7407,830 21029,188 31120,424 36083,022 35418,405 29797,408 20924,063 11217,531 3202,130

Gambar 9 Bidang Beban pada Rotary Dryer

3.3 Engineering Data Setelah dilakukan pengeditan geometri, kemudian dilanjutkan pada langkah engineering data. Material yang digunakan pada rotary dryer ini ada 2 macam, dimana: 130


Tabel 3 Spesifikasi Material N o 1 2 3 4

Bagian Shell Tube Support plates Tires Girth Gear

Material Welded Stainless Steel Welded Stainless Steel Struktural Steel AISI 4140 Struktural Steel AISI 4140

a. Meshing Selanjutnya dilakukan meshing pada struktur rotary dryer. Sebelum menetapkan ukuran mesh yang akurat, maka dilakukan beberapa kali meshing.

Modulus Elastisitas (GPa) 189,6 189,6 200 200

Density (kg/m3) 8080 8080 7850 7850

Tensile Ultimate Strength (MPa) 586 586 1020 1020

“Gambar (11)” merupakan salah satu mesh yang dilakukan pada area tertentu. Pada penulisan ini dilakukan pemeshingan sebanyak 8 kali pada area tersebut.

Gambar 10 Meshing Secara General

“Gambar (10)” dilakukan meshing secara umum, sehingga didapatkan tegangan maksimum pada lokasi yang diberi lingkaran warna merah. Kemudian setelah didapat lokasi tegangan maksimum, maka dibuatlah suatu area pada posisi tegangan tersebut, dengan tujuan mengoptimasikan ukuran mesh supaya mendapatkan ukuran mesh yang akurat, seperti yang diperlihatkan pada “Gambar (11)”, sedangkan bagian yang lain tidak dilakukan optimasi, yang mana ukuran mesh tetap seperti yang dilakukan pada “Gambar (10)”.

Dari data di atas diambil ukuran mesh yang telah dioptimasi, yaitu dengan jumlah nodes 135441 dan jumlah elemen 452770. b. Statik Struktural Pada statik struktural ini dilakukan pemberian loads dan supports. Di sini juga dimasukan standard earth gravity atau berat dari rotary dryer itu sendiri, dimana berat yang didapat dari pemodelan dengan suatu software dengan memasukan data density dari kedua material Stainless Steel dan AISI 4140 adalah sebesar 67,6 ton. Sedangkan berat total dari rotary dryer ini adalah sebesar 99,4 ton. Sehingga sisa dari pengurangan berat total dan berat dari pemodelan adalah 31,8 ton. Dimana sisanya ini merupakan berat dari steam tubes, kemudian ditambah dengan berat steam atau uap panas tersebut sebesar 10 ton.

Gambar 11 Optimasi ukuran meshing pada area tertentu

Sedangkan berat beban maksimum pada rotary dryer ini adalah 20 ton. Untuk pemberian beban ini dilakukan sesuai dengan pembagian bidang beban yang telah dijelaskan pada “Tabel (3)”.

Gambar 12 Pemberian beban 20 Ton dan berat sendiri rotary dryer

131

Jurnal Teknik Mesin


Untuk berat steam tubes + steam adalah sebesar 41800 kg, kemudian dibagi sebanyak tube support plates (30 buah) yang diasumsikan sebagai berat dari steam tubes yang mana tidak dimodelkan pada gambar rotary dryer ini. Sehingga masing-masing tube support plates (terdapat 6 lubang) tersebut mendapat beban sebesar 13668,6 N.

ISSN 1829-8958

Tabel 4 Perbandingan Jumlah Elemen terhadap Deformasi dan Tegangan Jumlah Elemen dari Meshing 227219 237951 244118 254494 293418 358618 398345 452770

No 1 2 3 4 5 6 7 8

Deformation Total (m) 1,958 x 10-4 1,961 x 10-4 1,961 x 10-4 1,966 x 10-4 1,979 x 10-4 1,998 x 10-4 2,000 x 10-4 2,002 x 10-4

Equivalent Stress (vonMises) (MPa) 17,30 23,41 25,86 27,72 32,43 36,24 39,85 42,21

Maximum Principal Stress (MPa) 11,62 13,79 14,13 15,78 18.78 21,12 23,15 26,48

Gambar 13 Pemberian Beban 41,8 Ton pada

c. Tube Support Plates Pada langkah selanjutnya adalah menentukan supports dari rotary dryer, jenis dari supports ini adalah fixed support.

Gambar 15 Grafik Hubungan antara Tegangan vs Jumlah Elemen

Gambar 14 Pemberian Supports pada rotary dryer d.

Solution

Metoda ini merupakan langkah terakhir dari software FEA, dimana setelah dibuat geometri, meshing dan statik struktural, baru dilakukan solution. Pada solution ini yang akan dianalisis adalah deformation total, dimana hasilnya akan memperlihatkan perubahan bentuk yang dialami oleh rotary dryer setelah mendapatkan beban dalam melakukan operasi, kemudian equivalent stress (von-Mises), selanjutnya maximum principal stress, dan yang terakhir adalah fatigue life. Setelah dilakukan langkah-langkah analisis pada software FEA ini, berhubungan dengan penjelasan meshing di atas, dimana untuk mencari keakuratan dari meshing dilakukan beberapa kali mesh, untuk itu akan dipaparkan grafik hubungan antara meshing dan tegangan.

Gambar 16 Diagram Alir Analisis dengan Software

Pada akhir bab ini dipaparkan berat total dari struktur rotary dryer, dengan memasukan data-data yang ditampilkan sebelumnya: Tabel 5 Data Berat Rotary Dryer No 1 2 3

Bagian Rotary Dryer Steam Wet Terephthalic Acid Crystals TOTAL

Berat (Ton) 99,4 10 20 129,4

132


4.

ANALISIS TEGANGAN PADA ROTARY DRYER

Beban yang bekerja pada struktur rotary dryer ketika dioperasikan mengakibatkan terjadinya tegangan pada struktur rotary dryer. Tegangan yang terjadi hendaknya tidak melebihi kekuatan yield dari material struktur rotary dryer. Analisis tegangan dilakukan untuk mengetahui apakah beban yang bekerja pada elemen struktur melebihi tegangan yield material struktur. Analisis tegangan ini dilakukan untuk mengevaluasi struktur rotary dryer yang telah mengalami kegagalan. Kriteria kegagalan yang digunakan adalah kriteria von-Mises stress. Kriteria kegagalan ini dipilih karena material penyusun struktur rotary dryer adalah baja yang merupakan material ulet. Hasil analisis tegangan pada struktur rotary dryer yang ada sekarang digunakan sebagai acuan jika dilakukan modifikasi.

“Gambar (18)” didapatkan hasil dari analisis tegangan von-Mises sebesar 42,21 MPa. Berdasarkan pada kurva S-N “Gambar (4)”, bahwa tegangan yang didapat berada di atas endurance limit (37 MPa). Pada posisi rotary dryer 00 merupakan tegangan yang paling besar terjadi, dan jauh di atas kekuatan lelah material (20 MPa). Sedangkan deformasi total maksimum yang didapat adalah 2,002 x 10-4 m. Deformasi terjadi pada bagian yang dibebani dan berada pada bagian tengah rotary dryer. Kontur atau gambar dari deformasi hasil analisis software FEA tersebut dapat dilihat pada “Gambar (19)”.

4.1 Analisis Tegangan Struktur Rotary Dryer Struktur rotary dryer dimodelkan sebagai struktur solid dan 3D. Pemodelan dilakukan dengan suatu perangkat lunak dengan jumlah elemen 452770. Beban yang diberikan pada model elemen hingga berupa gaya pada permukaan dalam rotary dryer yang kontak dengan beban.

Gambar 19 Kontur deformasi total pada posisi 00 Tabel 6 Hasil analisis dari perputaran rotary dryer

No

Gambar 17 Model Elemen Hingga dengan 452770 elemen

Pada analisis rotary dryer ini dilakukan solution setiap putaran per 300 dari 3600. Dimana yang berputar dalam pemodelan ini adalah tube support plates. Ini dianggap untuk mewakili perputaran dari rotary dryer itu sendiri karena semua komponen yang menempel pada shell adalah simetris. Dari hasil solution ini didapatkan 13 data, dimana data yang diambil adalah tegangan dan deformasi dari setiap 300 perputaran pada titik yang sama.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Perputaran Rotary Dryer (N) (0) 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

VonMises Strain 2,23 x 10-4 1,38 x 10-4 2,78 x 10-5 1,19 x 10-4 1,39 x 10-4 3,84 x 10-5 1,27 x 10-4 1,80 x 10-4 3,47 x 10-5 1,12 x 10-4 1,23 x 10-4 7,76 x 10-5 2,23 x 10-4

VonMises Stress (MPa) 42,21 26,12 5,27 22,73 26,39 7,28 24,15 34,19 6,57 21,24 23,36 14,72 42,21

Skala VonMises Pada 1800 1,7478 1,0816 0,2182 0,9412 1,0928 0,3014 1 1,4157 0,2721 0,8795 0,9673 0,6095 1,7478

Tube Support Plates pada 00

Gambar 20 Hubungan Tegangan Von Mises vs Sudut Putaran Gambar 18 Tegangan von-Mises pada 00

133

Jurnal Teknik Mesin


Pada uraian “Tabel (6)”, skala von-Mises yang didapat dimasukkan pada histori data fatigue pada software FEA. Sehingga dengan adanya histori data tersebut, maka didapatkan life dari rotary dryer 1,7 x 107 cycle.

Dari data diketahui bahwa putaran rotary dryer adalah sebesar 3,5 rpm (rotary per menit atau cycle per menit), sehingga :

Dengan dilakukan pengurangan beban, maka besarnya beban pada masing-masing 9 bidang dapat ditabelkan sebagai berikut. Tabel 7 Solusi Pengurangan Beban Untuk Mencegah Kegagalan No

Luas (mm2)

Volume (mm3)

Volume Dalam (%)

Beban Total (N)

1 2 3 4 5 6 7 8 9

49083,478 139337,125 206200,565 239082,207 234678,524 197434,404 138640.579 74326,150 21216,968

736252170 2090056875 3093008475 3586233105 3520177860 2961516060 2079608685 1114892250 318254520

3,776 10,718 15,862 18,391 18,052 15,187 10,665 5,717 1,632

166770 166770 166770 166770 166770 166770 166770 166770 166770

rotary dryer of life = (1,7 x 106 cycle)/(3,5 cycle/menit) rotary dryer of life = 4857142,857 menit rotary dryer of life = 80952,380 jam rotary dryer of life = 3373,015 hari rotary dryer of life = 112,43 bulan rotary dryer of life = 9,3 tahun Hasil dari analisis dan perhitungan di atas didapat bahwa umur dari pada rotary dryer adalah 9,3 tahun. Dari sini dapat ditarik suatu kesimpulan bahwa kegagalan yang terjadi pada rotary dryer ini sebabkan oleh beban yang berlebih, karena berdasarkan informasi yang didapat, beban yang dipakai dalam operasi selalu digunakan beban maksimum sebesar 20 ton. Pada “Tabel (6)” dapat dilihat bahwa kurang lebih 70% tegangan yang terjadi di atas kekuatan lelah material (20 MPa).

Beban per Bidang (N) 6296,655 17874,809 26452,360 30670,569 30105,644 25327,797 17785,453 9534,902 2721,811

Seperti pada “Tabel (7)”, kemudian masing-masing beban per bidang dimasukkan ke dalam software FEA. Selanjutnya dilakukan langkah-langkah yang sama dengan beban 20 ton untuk mendapatkan life pada beban 17 ton. Tabel 8 Hasil Analisis untuk Beban 17 Ton No

Rotary dryer of life adalah Life Hasil Analisis dibagi dengan 3,5 cycle/menit

ISSN 1829-8958

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Perputaran Rotary Dryer ( N ) ( 0 ) 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

Von-Mises (MPa) 41.79 25.78 5.07 22.59 26.19 7.11 24.13 34.01 6.33 21.71 22.95 13.67 41.79

Skala Von-Mises Pada 1800 1.731869 1.06838 0.210112 0.936179 1.085371 0.294654 1 1.409449 0.262329 0.89971 0.951098 0.566515 1.731869

Gambar 21 Hubungan Tegangan Von Mises vs Sudut Putaran

Pada kenyataan di lapangan, kegagalan terjadi setelah rotary dryer dioperasikan selama 8 tahun. Kemungkinan dalam beberapa operasi selama 8 tahun tersebut beban yang digunakan melebihi beban maksimum. 4.2 Solusi Untuk Mengatasi Kegagalan Untuk mencegah terulangnya kegagalan yang terjadi setelah dilakukan perbaikan dengan mengurangi beban yang digunakan dari beban maksimum. Ini juga bertujuan untuk menjaga ketahanan dari rotary dryer. Pada sub bab ini diberikan beban pada rotary dryer sebesar 17 ton. 134


Dengan adanya histori data tersebut, maka didapatkan life dari rotary dryer 2,7 x 107 cycle. Dari data diketahui bahwa putaran rotary dryer ini adalah sebesar 3,5 rpm (rotary per menit atau cycle per menit), sehingga :

pada beban 17 ton, didapatkan umur total sebesar 15 tahun. 5.2 Saran 1.

Pemakaian beban untuk rotary dryer ini diusahakan tidak boleh lebih dari 17 ton.

2.

Perlu dilakukan penelitian lanjutan dengan memperhitungkan faktor temperatur, korosi dan proses manufaktur yang terjadi pada rotary dryer.

3.

Perlu dilakukan studi selanjutnya mengenai optimasi desain struktur rotary dryer.

PUSTAKA

Pada solusi ini dimana beban yang bekerja pada rotary dryer dikurangi dari 20 menjadi 17 ton, didapat bahwa umur dari rotary dryer adalah sebesar 15 tahun. 5.

1.

Dowling, Norman E. Mechanical Behavior of Materials Engineering Methods for Deformation, Fracture, and Fatigue, PrenticeHall, 1993.

2.

Norton, Robert L. Machine Design Integrated Approach, Prentice Hall, 1997.

3.

Hertzberg, Richard W. Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials, Third Edition.

4.

Harsokoesoemo, Darmawan, dan Brodjonegoro, S.S. Diktat Metode Elemen Hingga, Laboratorium Perancangan mesin ITB, 1997

5.

Shigley, Joseph E, Mischke, Charles R, Budynas, Richard G. Mechanical Engineering Design, Mc Graw Hill, 2004

6.

Hibbeler, R. C. Mechanics of Materials, Fifth Edition, Pearson Education, 2003

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan Setelah dilakukan kegiatan di atas maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1.

Struktur rotary dryer yang telah ada mendapat tegangan di atas endurance limit (37 MPa) dan kekuatan lelah material (20 MPa), sehingga umurnya jadi terbatas.

2.

Setelah dilakukan perhitungan didapatkan umur dari rotary dryer sebesar 9,3 tahun. Sedangkan pada aktualnya kegagalan yang terjadi pada alat ini adalah 8 tahun. Perbedaan kira-kira 1 tahun ini dikarenakan pada aktualnya beban yang pakai sering melebihi beban maksimumnya. Nama Alat

Kegagalan yang Terjadi

Analisis Menurut FEA

Rotary Dryer

8 Tahun

9,3 Tahun

3.

Kegagalan yang terjadi pada rotary dryer ini dikarenakan beban yang digunakan selalu beban maksimum (20 ton), sehingga dengan berputarnya alat ini, dimana dianggap satu titik mendapat beban yang berbeda dalam satu siklus perputaran (3600). Maka alat ini mengalami fatigue, sehingga di sekitar satu titik tersebut mengalami keretakan.

4.

Untuk mencegah terjadinya kegagalan tersebut, dilakukan pengurangan beban pada rotary dryer, sebagaimana yang telah diuraikan di atas bahwa

an

CURRICULUM VITAE Rino Sukma adalah Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Padang, Kampus Unand Limau Manis Padang 25163, Telp. (0751) 72590 Fax. (0751) 72576. Email: [email protected].

135

ANALISIS TEGANGAN BERVARIASI PERIODIK PADA STRUKTUR SHELL ROTARY STEAM DRYER

Recommend Documents