Analisa lebar kontak dan tegangan kontak untuk pengembangan desain gasket tipis.
,,
) 2 334
0 .
- . ) " '
"
#
&
#"##
'
#"#
'
!
#"#
' #"#
'$#"#
& /
!
)
#
* + #"##
"
#
$
#
%
#"#"
" &
, $
-
&
"'
' "
!" "%#"
##
$
#"%#'
&'
#
##"
(
&#
" #
0 . " # $ . %1
%&+
! "
" # $ . %1 %&+
" # $
. %1
%&'
( "
" ' ( )*' +
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kami panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena
berkat rahmatNya acara Konferensi Engineering Perhotelan IV (KNEP-IV) bisa
terselenggara dengan sukses pada tanggal 27-28 Juni 2013 di Bali. KNEP-IV ini
diselenggarakan oleh jurusan Teknik Mesin Universitas Udayana dalam rangkaian
kegiatan BKFT ke 48 dan Dies Natalis ke 51 Universitas Udayana, didukung oleh
Badan Kerjasama Teknik Mesin (BKSTM) seluruh Indonesia.
KNEP IV – 2013 ini merupakan forum untuk mendiskusikan dan
mengkomunikasikan hasil-hasil penelitian terkini engineering dalam konteks
perhotelan; dan topik-topik pendukung lain dalam lingkup Teknik Mesin. Disamping
itu untuk meningkatkan kerja sama dengan organisasi profesi engineering perhotelan.
Hasil yang dihapakan adalah meningkatnya mutu riset-riset yang akan dilakukan,
meningkatnya daya kompetisi untuk mendapatkan grant penelitian, hubungan yang
baik inter akademisi dan antara akademisi dengan praktisi.
Konferensi ini mengangkat beberapa Grup topik yang meliputi:
1. Engineering perhotelan (EP): manajemen dan optimasi energi, manajemen
air, AC dan Chiller, pompa, perpipaan, maintenance, elektrikal, sistem
pengamanan, boiler, building service, bangunan hemat energi, dll.
2. Konversi energi (KE): Perpindahan panas, mekanika fluida, termodinamika,
sumber energi alternatif.
3. Teknik dan manajemen manufaktur (TMM): proses permesinan,
pembentukan, fabrikasi, sistem manufaktur, CAD-CAM, otomasi industri,
sistem pengontrolan.
4. Teknologi, pengujian dan pengembangan material (TPPM): Korosi,
pengelasan, pengecoran, polimer dan komposit, analisis kegagalan.
5. Bidang umum (BU): pendidikan Teknik Mesin, metode pengajaran, kebijakan
energi, pengelolaan dampak lingkungan.
Adapun jumlah artikel yang dipresentasikan dalam konferensi ini adalah
sebanyak 87 makalah yang mencakup ke lima topik di atas.
Kami mengucapkan terima kasih kepada Keynote speaker, para akademisi,
peneliti, praktisi dan professional di bidang perhotelan yang telah mengirimkan
artikelnya, serta semua pihak yang meliputi panitia pengarah, panitia pelaksana,
scientific committee dan sponsor yang telah terlibat dan membantu terselenggaranya
kegiatan ini dengan sukses.
Denpasar, Bali 28 Juni 2013
Dr. Ir. IKG Sugita, M.T.
Ketua Panitia
DAFTAR ISI
ii
iii
Kata Pengantar
Daftar Isi
Makalah KNEP IV - 2013
iii
Grup Engineering Perhotelan
, 5 & # 6&
2 .$ &! # /
"
3
/ 7 5& 5 869 :
&; 8# : 2
#
Grup konversi energi
! 2 " (
#1'
"$#-
+&
" # / 3-"
'!
"
# $
1 #"( #-&
1 #?%
4 2 5 6
5 #"
# 1
3
$ ! ; 2 " 8
@
, $ / 9; , ; A &5
8 9,A: 2 ' '
#1'!"
*
1 55 2
-
5
2 &&"
(#" ! &
#"
1
!#1
"&!8
)
,
& 8 1 & 15 B: 3 !
&!
#"
1
C
/ & 2
. &
0
/2
4/
47
22
27
92
9:
0:
;7
9 0 B ! 2 " 8
! , $ 3 # $ ( A ! 5
6 ( $ 2 , $
, 2 " #!
3
, &
5 2 ! " !$
@
A 9 & 0 $ / , ' (
# 6 # $ ,
5 5
2 $
#
=
*
/& ; 5 5 1 5
5 ; 5 3 ,$' !# # & )
-
/& 5 . $
# "&!'
#
)
, 2 1 B 2 -
"
#"
C
1 8 5 :
5 5 ! ! 31!
8'#-
=
# !
*
!
1 2
&
#
" $ ' "
/ & 5 1 2
' $# ' ' '
$# '
# 5 5 5 ;
2 "
#
$
, & ! ! 2 '"
#
"
3
( ( (! " / , (
!
# > #
/'
>! & 2 %" !
#
)
# '
1
7/
7:
:
//0
/42
/4:
/27
/90
/02
/;/
@
, 5 ,
$ > 5 3 ' # "
#1' ,
(
*
5 / > B $& " 2
$#
#- "'
#"&!'
-
, ; 2 !" ((
# '" %
(#
!-!
)
1 , (
8,
D /$
: 2 '" # 5
Grup Teknik dan Manajemen Manufaktur
#$$
6 5 , # $ ;
( 3 '
#$$
! & 2 - & #%!
#!
#'
*
#$$
/ ! !
, E 5 + 2 ' $#"
#$$3
/ ,
6 $
&
2 '
-
' ' #"
#$$*
( (
9 /
( ( 2 2 "
'
#-"'
#$$-
! # ( 8$: 2 '
!
29:
Grup Teknologi, Pengujian dan Pengembangan Material
#$
7 5 * '*3' *C
! 2 8 &+
#$
/ ! &
31!! 88
-!
#$
5
> ( $ 2 &
#
# 5
#$3
5 !
& ; 1 2 " !
&#"85= 8
# 1
#$@
/ ! ! /,#$ /@
2 2 )' ='
#$*
2 ! ,$ 33@ 2
#$-
5 8 & : ; 5 8> :
5 5 0) 2
!! *
&&# $# -
%
!
#$)
/ "2 / 0
#%6 ,& 2
5
#$C
/ $ 5 $ # 5
=
$ ( ( ( (
6 2
!
$
#$
, 5 5 55 2 ,
(
#
#$
' 1 ; /(,
& 2 ! .
# !#"'
#$
/
# ,
2 1'
$
#-"'
#1
"
1
200
2;/
2;:
277
2:
! 2 '$
'
# ' '' "
(%3
!
; ! ? '
'
(%@
! $ , > $ 2
' ' " $
Jadwal Lengkap KNEP IV - 2013
B
042
04:
020
092
09:
000
0;/
0;0
07/
077
@
Analisa lebar kontak dan tegangan kontak
untuk pengembangan desain gasket tipis
Moch. Agus Choiron1), Avita Ayu Permanasari2), I Made Gatot Karohika3)
1)
Jurusan Teknik Mesin, Universitas Brawijaya
Mahasiswa Magister Jurusan Teknik Mesin, Universitas Brawijaya
3)
Jurusan Teknik Mesin, Universitas Udayana
[email protected]
2)
Abstrak
Pada penelitian sebelumnya, new corrugated metal gasket ukuran 25A telah dikembangkan untuk tekanan
kerja yang tinggi. Di sisi lain aplikasi gasket pada sistem perpipaan untuk tekanan kerja rendah sangat
dibutuhkan seperti pada boiler dan pendistribusian air di hotel. Tantangan yang dihadapi dalam desain
adalah dimensi lebar gasket yang terbatas dan perbedaan mekanisme deformasi pada gasket yang tipis.
Pada studi ini dilakukan analisa desain gasket tipis dengan menggunakan simulasi komputer. Geometri
gasket memiliki dua radius convex dengan dimensi meliputi : tebal = 0,5 mm, pitch = 4.5 mm, over hang = 3
mm, lip height = 0.3 mm, radius convex = 2 mm. Model flange diasumsikan sebagai rigid material dan
gasket diasumsikan sebagai bilinier kinematik hardening material. Model pengetatan flange dilakukan
dengan memberikan input perpindahan pada flange atas dan fixed condition pada flange bawah. Hasil
simulasi berupa proporsi daerah elastis yang dapat dipakai untuk menjustifikasi ciri khas dari desain gasket
baru ini yaitu spring effect. Mekanisme spring effect ini akan memberikan pengaruh berupa meminimalisasi
beban pengencangan yang dibutuhkan. Model keputusan dari desain gasket yang tidak bocor ditentukan
oleh lebar kontak yang mempunyai tegangan kontak yang tinggi. Dari hasil komparasi desain gasket tipis
dengan gasket tipe flat, didapatkan bahwa besar beban pengencangan yang dibutuhkan gasket tipis lebih
rendah yang merupakan dampak dari adanya daerah spring effect yang ditunjukkan dengan proporsi
daerah elastis.
Kata kunci: Gasket tipis, lebar kontak, tegangan kontak, spring effect
1. Latar Belakang
Gasket berfungsi sebagai media penahan kebocoran pada sambungan pipa penghubung yang diketatkan
dengan sepasang flange. Metal gasket merupakan salah satu jenis material gasket yang memiliki kemampuan
beroperasi pada tekanan kerja yang tinggi, ketahanan yang baik pada temperatur tinggi, tidak mudah korosi. dan
dapat meminimalisasi frekuensi penggantian gasket. Bentuk umum desain gasket berupa bentuk flat yang
memiliki kelebihan fleksibilitas bentuk untuk dapat dipotong sesuai dengan bentuk yang diinginkan. Kelemahan
flat gasket adalah kebutuhan besar beban pengencangan (tightening load) yang besar dan kemungkinan
terjadinya gasket relaxation. Gaya tightening yang besar akan menyebabkan kebutuhan desain material baut dan
flange menjadi lebih mahal, sedangkan gasket relaxation akan membutuhkan tambahan pekerjaan dalam bentuk
tightening procedure yang berkala untuk mencegah kebocoran dari gasket yang terpasang pada flange selama
periode operasi.
Model desain gasket selain flat gasket adalah corrugated shape (bentuk bergelombang). Desain baru dari
corrugated metal gasket dikembangkan di Jepang oleh Saeed, et.all,[1]. Penelitian berkelanjutan untuk optimasi
desain telah dilakukan oleh Haruyama S. et.all [2] dan Choiron, et.all [3,4] yang menghasilkan prosedur baru uji
kebocoran dan desain gasket yang optimal untuk tekanan kerja yang cukup tinggi sebesar 10-20 MPa. Desain
baru gasket ini dapat memberikan solusi terhadap kelemahan flat gasket yaitu membutuhkan beban
pengencangan yang lebih rendah dan mengurangi kemungkinan terjadinya gasket relaxation.
Penelitian sebelumnya merupakan studi untuk menghasilkan produk desain baru dari corrugated metal
gasket untuk kebutuhan operasi tekanan tinggi. Pada penelitian ini akan dikembangkan gasket yang dapat
dipakai pada tekanan kerja berkisar 90-160 psi. Dengan mengacu pada konsep desain dari penelitian
sebelumnya, maka pada penelitian ini akan dirancang desain gasket tipis tipe bergelombang yang membutuhkan
beban pengencangan lebih rendah dibandingkan dengan gasket tipe flat. Penelitian ini menggunakan simulasi
komputer untuk mengefisienkan proses desain dan manufaktur sehingga biaya dan waktu untuk trial-error proses
akan tereduksi.
2.
Metodologi Penelitian
Gasket yang digunakan dalam penelitian ini adalah gasket bergelombang yang dipasang diantara dua
flange pada sisi atas dan bawah, seperti diilustrasikan pada Gambar 1. Ketika material gasket diketatkan diantara
dua flange, maka kedua lingkar (bead) yang ada pada gasket akan terjadi kontak dengan flange dan menciptakan
garis lebar kontak yang mempunyai tegangan kontak yang tinggi untuk mencegah kebocoran (Gambar 2).
Walaupun lebar kontak yang terjadi pada gasket tipe corrugated ini lebih sedikit dibanding lebar kontak pada
gasket tipe flat, dikarenakan tegangan kontak yang tinggi maka beban pengencangan yang dibutuhkan lebih kecil.
Prosiding Konferensi Nasional Engineering Hotel IV, Universitas Udayana, Bali, 27-28 Juni 2013
285
1XGTCNNNGPIVJ
HKZGF
OH
P
J
t
R
Gambar 1. Parameter desain gasket tipis
Gambar 2. Tegangan kontak yang tinggi pada lebar kontak yang kecil
Tabel 1 menunjukkan dimensi gasket tipis bergelombang yang nantinya akan dibandingkan dengan gasket
tipis tipe flat dengan ketebalan 0.8 mm. Material baja SUS 304 digunakan dalam penelitian ini karena tahan
terhadap temperatur tinggi dan tahan korosi. Material ini menggunakan standar JIS berdasarkan uji kekuatan tarik
JISZ 2241, yaitu :
· Modulus Elastisitas (E) = 210 GPa
· Poisson ratio (v)
= 0,3
· Tegangan luluh (σy)
= 398,83 Mpa
· Tangent Modulus (H)
= 1.900,53 Mpa
· Modulus Young
= 190 Gpa
Tabel 1. Dimensi gasket tipis tipe bergelombang
No
Parameter Desain
Dimensi
Thickness (t)
1.
0.5
Pitch
2.
4.5
Over hang
3.
3
Lip height (h)
4.
0.3
Radius convex (R)
5.
2
Analisa pemodelan gasket tipis bergelombang ini menggunakan software berbasis metode elemen hingga.
Kedua flange diasumsikan sebagai rigid body, sedangkan gasket tipis diasumsikan sebagai deformable.
Pemodelan dibuat dengan 2 Dimensi dengan asumsi model aksisimetris. Perpindahan pada arah aksial
digunakan sebagai model pengetatan flange atas terhadap gasket dengan kondisi flange bawah dikonstrain
(Gambar 3). Lebar kontak diukur dari jumlah elemen gasket yang mengalami kontak dengan flange.
Gambar 4 menunjukkan perbandingan bentuk antara desain gasket tipe flat dan tipe corrugated. Hasil
output dari simulasi computer yang akan ditampilkan adalah tegangan kontak dengan beban pengencangan yang
akan dipakai untuk membandingkan perbedaan besar beban pengencangan yang dibutuhkan antara gasket tipe
flat dengan gasket tipis corrugated. Ciri khas spring effect akan ditunjukkan dari proporsi daerah elastis sehingga
kondisi inilah yang akan membantu mengurangi terjadinya gasket relaxation apabila nantinya pada kondisi
operasi gasket tipis corrugated terjadi pengurangan keketatan baut.
Prosiding KNEP IV 2013 •
ISSN 2338 - 414X
286
Gambar 3. Model fisik dan Model Axisymmetric
Desain Gasket tipe flat
Desain Gasket tipe corrugated
Gambar 4. Perbandingan bentuk antara desain gasket tipe flat dan gasket tipe corrugated
Secara umum langkah-langkah penelitian yang akan dilakukan mengikuti diagram alir yang terlihat pada
Gambar 5.
Mulai
Studi Literatur
Ø
Input Data:
Ø Geometri
Spesifikasi Material
Corrugated metal
Flat Model
Running Model
1. Tegangan Kontak - Load
2. Proporsi daerah elastis
3. Perilaku spring effect pada gasket
Komparasi hasil antara gasket tipe flat
dengan gasket tipe corrugated
Kesimpulan
Selesai
Gambar 5. Diagram alir penelitian
Prosiding Konferensi Nasional Engineering Hotel IV, Universitas Udayana, Bali, 27-28 Juni 2013
287
3.
Hasil dan Pembahasan
Dari output simulasi komputer didapatkan distribusi besar tegangan kontak (contact stress) dan lebar kontak
(contact width) yang terjadi. Besar beban pengetatan flange pada gasket disertai pola distribusi tegangan dan
deformasi gasket yang terjadi dapat dilihat pada Gambar 6. Gambar 7 menunjukkan lebar kontak pada salah satu
convex gasket yang akan diamati sebagai pembanding besar tegangan kontak yang terjadi pada kedua tipe
gasket.
0 KN
10 KN
20 KN
30 KN
Gambar 6. Distribusi tegangan gasket tipe corrugated pada proses clamping load
Lebar kontak yang dikaji
elemen yang terkena kontak
Gambar 7. Lebar kontak pada salah satu convex gasket
Besarnya tegangan kontak pada lebar kontak yang akan diamati dapat diplot pada pembebanan ±30 KN
yang merupakan beban pengencangan konvensional yang dihitung dari standar ASME Boiler & Pressure Vessel
Code Section VIII. Gambar 8 menunjukkan distribusi tegangan kontak pada daerah lebar kontak pada gasket tipe
corrugated dan gasket tipe flat pada pembebanan ± 30 kN. Tampak bahwa besar tegangan kontak pada gasket
tipe corrugated lebih besar dibandingkan besar tegangan kontak pada gasket tipe flat dimana besarnya mencapai
di atas tegangan yield bahan atau sudah mencapai tegangan plastis. Dari penelitian sebelumnya ditemukan
bahwa kebocoran dapat dicegah oleh lebar kontak yang memiliki besar tegangan kontak yang plastis. Apabila
dikomparasikan pada harga tegangan kontak yang sama maka dapat disimpulkan besar gaya pengetatan yang
dibutuhkan pada gasket tipe corrugated lebih rendah dibandingkan gaya pengetatan pada gasket tipe flat.
Prosiding KNEP IV 2013 •
ISSN 2338 - 414X
288
Contact Stress (MPa)
1200
1000
Gasket tipe
Corrugated
800
600
400
200
0
0
0.5
1
1.5
2
3
2.5
X-Axis Position
Gambar 8. Distribusi Tegangan kontak pada daerah lebar kontak pada Gasket tipe Corrugated
dan Gasket tipe Flat pada pembebanan ± 30 kN
Efek Springback dapat dibuktikan pada Gambar 9 yang menunjukkan distribusi tegangan yang terjadi pada
daerah antar gelombang setelah clamping load sebesar 30 KN. Hal ini ditunjukkan dari kontur warna yang
menunjukkan besar deformasi yang terjadi pada daerah ini. Efek springback dihasilkan oleh daerah yang masih
mengalami deformasi elastis dengan tegangan di bawah tegangan yield yaitu 398,83 MPa. Rasio perbandingan
daerah elastis pada luasan daerah antara gelombang terlihat lebih dominan daerah elastisnya dibandingkan
daerah plastis.
Gambar 9. Proporsi daerah elastis pada gasket tipe corrugated
Gambar 10 menunjukkan mekanisme deformasi dan perubahan posisi daerah antar gelombang mulai dari
posisi gasket awal sebelum diketatkan, setelah diketatkan dan prediksi apabila terjadi gasket relaxation. Daerah
antar gelombang mengalami deformasi dan perubahan posisi dimana pada saat sebelum diketatkan berada pada
kondisi lurus, setelah gasket diketatkan posisi menekuk dengan sudut q1 dan bila terjadi release maka posisi
daerah antar gelombang berusaha kembali ke posisi semula sehingga sudutnya q2 berharga lebih kecil dibanding
sudut q1. Hal ini diakibatkan masih besarnya proporsi elastis pada daerah antar gelombang sehingga
memberikan fakta bahwa pada daerah antar gelombang mengalami efek springback
Prosiding Konferensi Nasional Engineering Hotel IV, Universitas Udayana, Bali, 27-28 Juni 2013
289
(a). Sebelum diketatkan
(b). Setelah diketatkan
(c). Setelah release
Gambar 10. Mekanisme deformasi dan posisi daerah antar gelombang mulai dari posisi gasket awal
(a). sebelum diketatkan, (b). setelah diketatkan (c). prediksi apabila terjadi gasket relaxation
4. Kesimpulan
Dari hasil komparasi desain gasket tipis yang baru ini dengan gasket tipe flat, didapatkan bahwa besar
beban pengencangan yang dibutuhkan gasket tipis baru ini lebih rendah yang merupakan dampak dari adanya
daerah spring effect yang ditunjukkan dengan proporsi daerah elastis.
Daftar Pustaka
[1] Saeed, H.A, Izumi, S., Sakai, S., Haruyama, S., Nagawa, M., Noda, H., Development of New Metallic
Gasket and its Optimum Design for Leakage Performance, Journal of Solid Mechanics and Material
Engineering, 2 No. 1: 105-114 (2008).
[2] Haruyama S., Choiron M.A, Kaminishi K., A Study of Design Standard and Performance Evaluation on
New Metallic Gasket, Proceeding of the 2nd International Symposium on Digital Manufacturing, Wuhan
China (2009) 107-113.
[3] Choiron M.A, Haruyama S., Kaminishi K. (2010). Optimum Design of New 25A-size Metal
Gasket Considering Plastic Contact Stress, International Journal of Modeling and Optimization,
vol. 1, no. 2, p. 146-150
[4] Choiron M.A, Haruyama S., Kaminishi K. (2012). Studies of Relationship between Contact Width and
Leakage on Large Size of New Metal Gasket, Applied Mechanics and Materials 229-231, pp. 705-709.
Prosiding KNEP IV 2013 •
ISSN 2338 - 414X
290