Perkiraan Umur Kerja Struktur Daun Baling – Baling Kapal Berdasarkan Kuat Tariknya Wibowo HN Marine Structural Monitoring / Hydroelasticity Group UPT - Balai Pengkajian Penelitian Hidrodinamika BPPT Tlp (031)5948060 (B), 0817315759(HP), Fax: (031)5948066, e-mail:
[email protected] Jln Hidrodinamika (kampus ITS) Sukolilo Surabaya , Indonesia 60112
Abstraksi A case study of predicting fatigue life of a propeller is presented on this paper . The propeller is for the traditional boat at South Sumatera Province. The material of the propeller is made from Manganese bronze. Tensile test was conducted at Material Strength and Construction Laboratory – ITS to ensure that the working stresses of the propeller blade are below the ultimate stress of the casting material. However, since the propeller blade is not just experiencing a static load but also a fluctuating stress a prediction life by making use of tensile test data is required provided that a fatigue test is not available. This paper reports the application of the useful rough formula of predicting fatigue life to the propeller blade in which the diagram of S-N fatigue life can be produced. Kata kunci : Baling – Baling, kuat tarik, Manganese Bronze, fatigue- life
1. PENDAHULUAN Penggunaan penggerak kapal secara mekanis telah dimulai pada akhir abad ke delapan belas yang hingga kini telah diketahui ada bermacam-macam bentuk penggerak kapal yang digunakan. Pada umumnya kelompok baling-baling (screw propeller) lebih banyak digunakan oleh berbagai jenis kapal, mulai dari kapal pengangkut barang/kontainer, kapal penangkap ikan, hingga kapal-kapal perang. Kelompok baling-baling ini dapat terdiri dari satu atau banyak baling-baling yang digunakan, bekerja di dalam suatu selubung atau terowongan, maupun baling-baling yang bekerja setengah tercelup Untuk itu baling-baling dibuat berdasarkan persyaratan-persyaratan tertentu dan butuh penanganan yang serius dan penuh ketelitian.Pembuatan baling-baling merupakan perpaduan antara seni (art) dan teknologi. Baling-baling dengan kualitas yang baik diperoleh dari hasil rangkaian proses disain untuk menghasilkan kecepatan kapal dan efisiensi baling-baling yang maksimum sampai dengan proses manufaktur (pembuatan cetakan dan pengecoran). Untuk menghasilkan baling-baling dengan kualitas yang baik, tidak terlepas dari pemilihan bahan baku coran yang baik dan dilakukan dengan proses manufaktur yang sesuai dan benar. Masalah yang sering muncul adalah terjadinya keropos (porosity), retak (crack), atau karakteristik daun baling-baling yang tidak sama: ketinggian daun, bentuk daun, lebar daun, dan lain-lain. Oleh karena hal – hal di atas maka ada perlunya kita menguji kekuatan spesimen hasil coran baling – baling untuk diketahui layak tidaknya dipakai pada suatu kapal. Pengujian kekuatan sebaiknya tidak hanya mempertimbangkan beban statiknya ( dalam hal ini kuat tariknya) tetapi juga karena beban dinamisnya ( umur fatigue). Pada paper ini akan ditunjukkan bagaimana diagram S – N fatigue life dapat dihasilkan dengan menggunakan data kuat tarik yang dihasilkan oleh material coran baling – baling, seandainya uji fatigue atau data fatigue bahan baling – baling tak tersedia. 1
2. DASAR TEORI Pada daun baling - baling kapal, tegangan yang disebabkan oleh gaya sentrifugal merata kesegala arah dan biasanya sangat kecil maka hanya tegangan bending yang diakibatkan oleh gaya dorong (thrust) dan torsi yang dipertimbangkan. Tegangan – tegangan ini bekerja berulang pada baling – baling kapal secara periodis. Beban yang berulang ini dapat menyebabkan kerusakan fisik secara mikrokospik terhadap materialnya. Walaupun beban yang dialami oleh baling – baling ini dibawah tegangan maksimum dari material baling – baling TS, kerusakan skala mikrokospik ini dapat tertumpuk dengan menerusnya beban yang berulang tersebut sehingga dapat terbentuk keretakan yang akhirnya daun baling – baling dapat patah. Peristiwa kerusakan dan kegagalan struktur baling – baling karena berulangnya beban disebut dengan kelelahan (fatigue). Dalam penentuan umur pakai dari baling – baling kapal harus diketahui dahulu tegangan yang bekerja pada daun baling – baling kapal. Selanjutnya dilakukan uji tarik terhadap material coran dari baling – baling kemudian dari data – data uji tarik dan dilakukan perhitungan perkiraan umur pakai dari baling – baling tersebut. 2.1. Perhitungan Tegangan Kerja Baling – Baling Kapal Report TMB1 no 919 memberikan metoda pendekatan berdasarkan teori balok sederhana (simple beam theory) untuk mendapatkan nilai tegangan yang bekerja pada sebuah daun baling – baling. Metoda ini digunakan untuk memudahkan pengerjaan perhitungan dari setiap potongan geometris daun baling – baling. Yang ditampilkan disini hanya persamaan – persamaan yang diperlukan. Untuk mendapatkan tegangan bending ini, maka perlu dihitung terlebih dahulu momen bendingnya. Momen ini terbagi atas dua komponen yang pertama adalah Mxo momen ini merupakan momen terhadap sumbu yang sejajar dengan garis nose – tail dari potongan daun, sedangkan Myo merupakan momen terhadap garis tegak lurus dari sumbu tersebut. Kedua sumbu tersebut melalui titik pusat gaya dari potongan daun (perhatikan Gb 5) jika sudut pitch adalah , dan momen yang terjadi dari gaya dorong MTb, dan dari gaya torsi MQb semuanya diketahui , maka momen bending terhadap sumbu xo dan yo dapat ditulis sebagai berikut:
M xo M Tb cos M Qb sin
[1]
M yo M Tb sin M Qb cos
[2]
Momen yang berasal dari gaya dorong MTb dan dari gaya torsi MQb dapat dihitung dari distribusi gaya dorong dan torsi yang diperoleh dari teori sirkulasi. Persamaan untuk kedua momen ini pada rancangan baling – baling dengan “ wake adapted” adalah: Sebagai berikut:
M Tb
R3 2 z
1
V
2
x x 1 tan 0
xh
i
dCTsi dx dx
[3]
2
M Qb
R3 2 z
1
V 2 x x0 tan i xh
dCTsi dx dx
[4]
dimana : x0 = jari – jari tak berdimensi untuk potongan daun baling – baling(r/R) = massa jenis air laut R = jari – jari baling – baling z = jumlah daun baling - baling I = sudut hidrodinamika (dari rancangan baling – baling ) = rasio gaya tahanan/angkat CTsi = koefisien gaya dorong(thrust) di aliran tak kental berdasarkan kecepatan kapal V = kecepatan kapal Jika Ixo dan Iyo adalah momen inersia terhadap sumbu Xo dan Yo, maka tegangan dari setiap potongan daun baling – baling dapat dihitung dengan persamaan di bawah ini: Tegangan pada “ leading edge” =
y1M xo x1M yo I xo I yo
Tegangan pada ‘ trailing edge” =
y 2 M xo x2 M yo I xo I yo
Tegangan pada “ back at point of maksimum” =
[5]
y3 M xo x3 M yo I xo I yo
[6] [7]
Tanda positip dari nilai tegangan menunjukkan kuat tarik sedangan tanda negatip menunjukkan kuat tekan. Seperti ditunjukkan pada Gb. 5, dimana x1, x2, x3 , adalah absis dari “ nose, tail, dan titik maksimum ketebalan dan dimana y1, y2, y3 , merupakan titik ordinatnya. 2.1. Perhitungan Prediksi Umur Pemakaian Baling – Baling Kapal Untuk membuat diagram fatigue S – N dari daun baling – baling diasumsikan adalah bahan ductile maka harus ditentukan besar tegangan kerja pada batas ketahanan dengan rumus2 :
Sn S n C L C G C S '
(8)
dimana S’n = batas ketahanan R. R. Moore, Perlu untuk diperhatikan bahwa untuk bahan logam besi batas ketahanan(endurance limit) dari R. R. Moore2 sampai pada N = 106 cycles sedangkan untuk logam diluar besi umumnya dapat dipakai nilai N = 108 cycles atau N = 5 x 10 8 cycles, untuk besi (steel ) rasio kuat fatigue 106 cycles terhadap kuat tarik statis berkisar antara 0,45 dan 0,65 sedangkan untuk paduan tembaga( termasuk brasses, bronzes, cupronikckel, rasio kuat fatigue 108 cycles terhadap kuat tarik statis berkisar antara 0,25 dan 0,5) CL = faktor beban
3
CG = faktor gradien stress, hal ini berhubungan dengan asumsi spesimen fatiguenya CS = faktor permukaan, khusus untuk faktor permukaan logam untuk logam besi dapat dilihat pada Gambar 2, sedangkan untuk material logam lain gambar tersebut dapat dipakai sebagai acuan Selanjutnya dihitung peak alternating stress untuk beban bending yakni S = 0,9 x Kuat tarik pada N = 103 cycles Secara umum pemakaian faktor – faktor di atas dipengaruhi oleh kondisi beban yang bekerja apakah dalam arah bending, axial atau torsi, hal ini dapat didekati pada Tabel 1. 3. PENERAPAN Contoh perhitungan dilakukan untuk umur pemakaian dari baling – baling jenis kapal tradisional di propinsi Sumatera Selatan hasil rancangan penulis. Rancangan dari baling – baling ini di tujukkan pada Gb. 13,5. Data – data teknis dari baling – baling ini di tunjukkan pada Tabel 13,5 . Uji tarik baling – baling kapal ini dilakukan di Laboratorium Uji Konstruksi dan Kekuatan di T. Perkapalan ITS. Untuk uji tarik spesimen di buat dari material manganese bronze hasil pengecoran baling baling ini. Spesifikasi batang uji menggunakan JIS Z 2201. Batang uji ini diperlihatkan pada Gambar 6. Peralatan yang dipakai untuk uji tarik ini adalah Universal Testing Machine “MFL System, UPD – 20”, dangan kapasitas 200KN. Pengujian dilakukan dengan melakukan penarikan secara perlahan hingga putus terhadap batang uji (perhatikan Gb 7). Hasil perhitungan yang menunjukkan tegangan yang terjadi pada pada masing – masing potongan daun dikombinasikan hasil dari Uji Tarik ditampilkan pada Tabel 37 . Dari hasil yang diperlihatkan pada Tabel 3, dilakukan perhitungan berdasarkan persamaan ( 8 ) dan Tabel 1 untuk didapatkan diagram S – N nya. Langkah – langkahnya adalah sebagai berikut : (1) Dari Tabel 1 peak alternating strengh untuk N = 103 cycles adalah untuk beban bending yang terjadi pada baling – baling kapal adalah S = 0,9 x Kuat Tarik = 0,9 x 19,625 ksi = 17,663ksi. (2) Untuk N = 108 cycles pada beban bending digunakan persamaan (8) dengan koefisien CL = 1 dan CG = 1 ( lihat Tabel 1) dan CS = 1 ( lihat Gb 2), sehingga didapat hasil perhitungan Sn = 7. 85 ksi. S – N diagram yang di hasilkan di tunjukkan pada Gambar 8. 4. ANALISA DAN DISKUSI Uji kuat tarik menunjukkan kualitas dari logam yang dihasilkan oleh proses pengecoran. Menarik untuk diperhatikan bahwa hasil dari uji tarik material baling – baling masih menghasilkan nilai lebih tinggi dari hasil teoritis mengingat hasil pengecoran sangat buruk dimana “porosity” banyak terjadi (perhatikan Gb. 7) . Porosity yang terjadi dapat dimaklumi karena merupakan hasil pengecoran dari masyarakat pedesaan dimana teori pengecoran logam tidak begitu dipahami. Pada perhitungan luas penampang dari spesimen uji tarik maupun tekan pengaruh porosity ini dianggap mengurangi luasan pembebanan sebesar 20%. Pada perhitungan yang menghasilkan momen bending pada masing – masing daunnya sehingga dari sini akan tercipta tegangan normal yang bekerja pada luas penampang irisan daun ( lihat persamaan 5, 6 dan 7). Jika Tabel 3 diperhatikan maka
4
tegangan kerja maksimum yang lebih dari setengah kuat tarik material, hal ini menyebabkan perhitungan umur pakai dari baling – baling ini sebaiknya dilaksanakan. Diagram S – N pada Gambar 8 menunjukkan jika baling – baling kapal bekerja pada tegangan kerja maksimumnya sebesar 11,151 ksi ( lihat Tabel 3) maka N – life nya adalah 6,5 x 107 cycles. Sehingga jika baling – baling berputar sebesar 550 rpm ( lihat Tabel 2) dan sebagai contoh kapal ini beroperasi selama 10jam setiap harinya, maka umur pakai dari baling – baling dapat diprediksi selama
6.5 107 197 hari. Asumsi ini adalah 550 60 10
jika kapal tradisional ini berlayar terus menerus selama 10 jam terus menerus dengan kecepatan maksimum, tentu umur propeller dapat menjadi lebih lama jika kecepatan putar maksimum baling – baling tidak selalu dipergunakan.
5. KESIMPULAN Secara umum makalah ini menunjukkan pembuatan diagram S – N yang mudah dan sederhana dari material baling – baling kapal berdasarkan data uji tariknya. Sehingga dengan memasukkan tegangan kerja maksimum baling – baling kapal pada diagram S – N ini umur pakai dari baling – baling kapal tersebut dapat diperkirakan.
DAFTAR PUSTAKA 1. Eckhardt M.K Lieut. Comm, Morgan W.B,” A Propeller Design Method “, Paper presented at the Annual Meeting, New York, NY., November 9-12, 1955, The Society of Naval Architects and Marine Engineers 2. Juvinal R C and Marshek K M,” 2nd Fundamentals of Machine Component Design”, Chapter 8 pp 257-302 , John Willey & Son 3. Sahlan PA, Wibowo HN, Teddy SS, “ Teknik dan Prosedur Pembuatan Baling Baling Kapal” Laporan Teknis UPT BPPH BPPT (2004) 4. Symonds J,” Mechanical Properties of Material,” Marks’ Standard handbook for Mechanical Engineers, 9th edition McGraw – Hill Book Company (1987) 5. Wibowo HN & Sahlan RB,” Analisa Kekuatan Rancangan Baling-Baling Kapal Ikan Tradisional untuk daerah perairan pesisir Kabupaten OKI, Sumatera Selatan (Sebuah Kajian Teoritis dan Eksperimental)”, Sem-Nas Pemberdayaan Masyarakat Pesisir UHT( Mei 20005) 6. Wibowo H.N, O, Samudro,” On The Fatigue Analysis of Mooring Lines in Irregular Wave”, Published and Presented for 4th Regional Conference of Marine Technology 2004,on 7 & 8 September 2004 at Johor, Malaysia 7. Wing H,” Report on Result No: 03382/PT.12.LK/K/P/20005/PDT Baling – Baling OKI, Sumatera Selatan, UPT – BPPH, Surabaya”, Lab. Konstruksi & kekuatan Teknik Perkapalan ITS.
5
Gambar 1. Properti geometris dari sebuah penampang daun baling – baling Tabel I. Faktor kuat fatigue untuk bahan ductile
Gb. 3. Rancangan baling – baling ” wake adapted” Tabel 2. Data teknis baling – baling
Gambar 4. Baling – baling Hasil Rancangan Penulis
Gambar. 2 Faktor Permukaan dari Logam
Gambar 6. Batang uji material hasil pengecoran baling – baling pada Universal Testing Machine
6
S - N Diagram 20
18
1.00E+03, 1.77E+01
Peak alternating stress S (ksi)
16
14
12 6.51E+07, 1.12E+01 10
8
1.00E+08, 7.85E+00
6
4
2
1. 20 E+ 08
1. 00 E+ 08
8. 00 E+ 07
6. 00 E+ 07
4. 00 E+ 07
2. 00 E+ 07
0. 00 E+ 00
0
Life N (cycles)
Gambar 8. Diagram S – N hasil pendekatan Gambar 7. Hasil uji tarik hingga putus
Tabel 3. Tegangan Kerja Maksimum Daun Baling – Baling & kuat tarik material corannya
7
