Abstrak — Spring  rod merupakan  bagian  komponen  dari Coal Mill yang berfungsi  untuk  menahan  getaran  dari grinding roller yang  berputar  menggiling  batu  bara . Komponen spring rod merupakan  batang  berulir  yang  tersambung  ke  sistem hydraulic .  Dalam  penelitian  ini,  dilakukan  analisis  penyebab terjadinya  kegagalan  pada spring  rod di coal  mill dengan tujuan  menganalisis  faktor  penyebab  dan  mekanisme terjadinya  kegagalan  komponen spring  rod dalam spring suspension  assembly pada coal  mill . Pengujian  yang  akan dilakukan  untuk  menganalisis  kegagalan  ini  adalah  uji komposisi, pengamatan makroskopik, uji mikroskopik, dan uji kekerasan.  Setelah  dilakukan  pengujian  tersebut  didapatkan faktor  yang  menyebabkan  terjadinya  kegagalan  komponen spring  rod pada coal  mill Tuban  1  yaitu  kesalahan  pemilihan material  dan  kesalahan  perlakuan  panas.  Mekanisme kegagalan komponen spring rod pada coal mill Tuban 1 diawali oleh initial crack pada akar gigi pada ulir dikarenakan adanya tegangan  yang  berulang  yang  kemudian  retakan  merambat pada  permukaan spring  rod sebelum  terjadinya final  fracture dikarenakan spring rod tidak mampu menahan tegangan yang terjadi sehingga menyebabkan fatigue failure .
Kata Kunci — Spring, Rod, Coal Mill, Failure.

## I. PENDAHULUAN
ADA  tahun  2014  kapasitas  terpasang  Semen  Indonesia sebesar  31,8  juta  ton  semen  per  tahun,  dan  menguasai sekitar  42%  pangsa  pasar  semen  domestic.  PT.  Semen Indonesia memiliki anak perusahaan PT. Semen Gresik, PT. Semen  Padang, PT.  Semen  Tonasa dan Thang  Long Cement.  Untuk  PT  Semen  Indonesia  sendiri  memiliki  4 pabrik  dengan  kapasitas  terpasang  8,5  juta  ton  semen  per tahun  yang  berlokasi  di  Desa  Sumberarum,  Kec  Kerek, Tuban, Jawa Timur.
Semen  sendiri  terdiri  atas  bahan  baku  utama  dan  bahan  baku tambahan jika ditinjau dari segi fungsinya. Material yang termasuk bahan  baku  utama  adalah  batu  kapur  (CaC ), clay (tanah  liat), pasir silika (Si O ), iron sand ( Fe O ). Serta bahan baku tambahan dari  semen  adalah trass,  gypsum dan  dolomit.  Proses  produksi semen  yang  pertama  yaitu  penambangan  bahan  baku  untuk pembuatan  semen  terutama  batu  kapur  (CaC )  dan clay (tanah liat) menggunakan alat-alat berat kemudian dikirim ke pabrik, yang kedua,  bahan-bahan  yang  telah  ditambang  kemudian  diteliti  di laboratorium  kemudian  dicampur  dengan  proporsi  yang  tepat  dan kemudian  dilanjutkan  ke  proses  penggilingan  awal  ( raw  mill ) untuk  memperkecil  dimensi  material.  Proses  selanjutnya  adalah bahan kemudian dipanaskan di preheater, dilanjutkan di dalam kiln sehingga bereaksi membentuk kristal klinker. Kiln ini menggunakan bahan dasar pembakaran batu bara yang sebelumnya diproses di coal mill yang berjenis vertical roller mill, agar ukuran batu  bara  ini  dapat  digunakan  pada  kiln.  Kristal  klinker  ini kemudian  didinginkan  di cooler dengan  bantuan  angin. Panas  dari proses  pendinginan  ini  di  alirkan  lagi  ke preheater untuk menghemat  energi.  Klinker  ini  kemudian  dihaluskan  lagi  dalam
tabung  yang  berputar  yang  bersisi  bola-bola  baja  yaitu  pada ball mill sehingga menjadi serbuk semen yang halus. Klinker yang telah halus  ini  disimpan  dalam  silo.  Dari  silo  ini  semen  di packing dan dijual ke konsumen [1].
Pabrik  Semen  sendiri  memiliki  banyak  komponen  penunjang salah  satunya  yang  berperan  penting  ialah  tempat  penggilingan batubara (coal  mill). Tempat  ini  berfungsi  sebagai  penghancur batubara  yang  nantinya  hasil  dari coal  mill digunakan  sebagai bahan bakar untuk pabrik semen, yaitu pada proses pembakaran di rotary  kiln . Coal  Mill pada  PT.  Semen  Indonesia  menggunakan jenis vertical  roller  mill. Pada vertical  roller  mill ini,  terdapat bagian  yang  dinamakan spring  suspension  assembly yang berfungsi  untuk  menahan  getaran  dari grinding  roller yang berputar  menggiling  batu  bara . Pada spring  suspension  assembly ini, terdapat bagian yang dinamakan spring rod atau batang pegas yang tersambung ke sistem hydraulic . Namun, pada saat dilakukan maintenance pada Coal Mill Tuban 1 yang dilakukan pada Januari 2017,  ditemukan spring  rod yang  telah  patah  menjadi  2  bagian, sehingga spring  rod tersebut  harus  diganti  secara  keseluruhan, sehingga sangat  merugikan PT.  Semen Indonesia karena coal mill Tuban  1  ini  tidak  dapat  berjalan  dengan  baik  dan  mengganggu proses pada pembuatan semen. Spring rod pada coal mill Tuban 1 ini telah bekerja selama 10 tahun.
Untuk  hipotesa  awal,  kemungkinan  terjadinya  patahan dikarenakan  oleh  kegagalan  lelah  ( fatigue  failure ). Patah  lelah dapat dilihat adanya lokasi yang dapat menginisiasi adanya retakan lelah.  Patahan  yang  terjadi  akibat  dari  proses  lelah  dapat disimpulkan  dari  striasi  dan  adanya beachmark pada  penampang permukaan  yang  patah  [2].  Maka  dari  itu,  dilakukanlah  analisis terhadap kegagalan ini untuk membuktikan hipotesa awal tersebut, dan untuk menanggulangi hal tersebut, maka dilakukanlah analisis kegagalan  terhadap spring  rod pada spring  suspension  assembly agar kegagalan ini tidak terjadi lagi.

## II. METODE PENELITIAN
A. Review Dokumen Perusahaan
Review
dokumen perusahaan dilakukan untuk mendapatkan data perusahaan yang berkaitan dengan spring rod sebagai  pendukung  hasil  penelitian.  Data  yang  harus diambil  yaitu  desain spring  rod ,  data  operasi,  spesifikasi material, dan maintenance record .

## B. Preparasi Spesimen
Tahap  Persiapan  ini  diperlukan  sebelum  melakukan pengujian  untuk  menentukan  penyebab  kegagalan  patahan spring  rod pada  PT  Semen  Indonesia.  Persiapan  ini  berupa proses cutting menggunakan wire  cut dengan  ukuran dimensi 20x20x20 mm.
Proses  pemotongan  dilakukan  pada  bagian  yang  dekat dengan  patahan  dan  bagian  yang  jauh  dari  patahan. Spesimen  yang  berada  pada  bagian  yang  jauh  dari  patahan akan  diuji  sebagai  perbandingan  antara  material  yang  baru dengan material yang sudah patah/gagal.

## Analisis Kegagalan Komponen Spring Rod dalam Spring Suspension Assembly pada Coal Mill Tuban I PT. Semen Indonesia Tbk.
Ryan Tri Kurniawan, Alvian Toto Wibisono, dan Lukman Noerochim Departemen Teknik Material, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) e-mail : lukman@mat-eng.its.ac.id
P

## C. Uji Komposisi
Pengujian  komposisi  kimia  dilakukan  untuk  mengetahui komposisi  kimia  yang  terdapat  pada  komponen  yang mengalami  kegagalan.  Pada  identifikasi  komposisi  kimia menggunakan alat Optical Emission Spectroscopy (OES) di Laboratorium Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya untuk mengetahui komposisi yang ada pada spring rod.

## D. Pengamatan Makroskopik
Pengamatan  makro  dilakukan  untuk  mengetahui  bentuk, tampilan  dan  lokasi  komponen  yang  mengalami  kegagalan secara  makro.  Pengamatan  makro  dilakukan  menggunakan kamera dan mikroskop optik.
Adapun  perlakuan  terhadap  sampel  material  adalah melakukan  pengambilan  fotografi  dengan  kamera  DSLR untuk  mendapatkan  informasi  bentuk  dari  kegagalan  secara makro. Setelah  itu  dilakukan  pengamatan melalui stereomicroscope Carl  Zeiss  Stemi  DV4 terhadap  sampel material dengan perbesaran 8 kali untuk mendapatkan profil patahan makronya.

## E. Pengamatan Mikroskopik
Pengamatan mikroskopik dengan menggunakan mikroskop optik dilakukan untuk menganalisis fasa, bentuk, dan  ukuran  strukturmikro.  Hal  ini  digunakan  untuk mengetahui  proses  manufaktur  yang  terjadi  pada  material spring  rod .  Pengujian  ini  dilakukan  dengan  menggunakan mikroskop optik Olympus BX51M-RF.
F. Pengujian Kekerasan
Pengujian kekerasan dilakukan untuk mengetahui distribusi  kekerasan  dengan  melakukan  indentasi  di beberapa titik pada sampel material. Pengujian ini dilakukan dengan  metode  Vickers  dimana  dalam  pengujiannya memakai  indentor  bola  baja,  pembebanan  sebesar  100  kgf dan  waktu  indentasi  selama  15  detik.  Pengujian  ini menggunakan Universal Hardness Tester HBRV 187.5A di Laboratorium  Metalurgi,  Jurusan  Teknik  Material  dan Metalurgi, ITS.

## G. Analisis Titik Kritis (FEM)
Analisis  titik  kritis  dengan  menggunakan  metode  elemen hingga  dilakukan  untuk  mengetahui  daerah  pada  material dengan  tegangan  terbesar  yang  dapat  menyebabkan  adanya patahan. Analisis ini menggunakan software simulasi.

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN

## A. Record Spring Rod di Coal Mill Tuban I
Pada  bulan  Januari  2017,  PT.  Semen  Indonesia melaksanakan maintenance rutin yang berlangsung selama 2 minggu.  Kemudian  ditemukan  sebuah  patahan  dari komponen spring  rod yang  merupakan  bagian  dari  sistem spring suspension assembly pada mesin Coal Mill Tuban 1. Komponen spring  rod ini  telah  bekerja  selama  10  tahun. Menurut  operator,  kasus  patahnya spring  rod ini  belum pernah terjadi sebelumnya dan baru terjadi kali ini. Material standard dari spring rod menggunakan AISI 4140.
Berikut  ini  data-data  dari spring  rod mencakup  gambar desain spring  rod pada  Gambar  1  dan  data  operasi  pada Tabel 1.
Gambar 1. Desain spring rod di PT. Semen Indonesia.
Tabel 1. Data operasi Coal Mill Tuban 1
Hydraulic pneumatic pressure (kg/cm 2 ) 69 Temperatur kerja ( o C) 61

## B. Pengamatan Hasil Makro
Gambar 2 menunjukkan foto makro permukaan spring rod yang  mengalami  kegagalan  secara  horizontal.  Sedangkan Gambar  3  (a)  merupakan  permukaan  spring  rod  sebelum dilakukan liquid penetrant test dan Gambar 3 (b) merupakan permukaan  spring  rod  setelah  dilakukan  liquid  penetrant test. Pengujian liquid penetrant dilakukan untuk mempermudah  melihat  morfologi  pola  patahan  pada permukaan.
Gambar 2. Foto makro permukaan spring rod secara horizontal pada sudut pandang yag berbeda.
Gambar  3.  Foto  makro  permukaan spring  rod secara  vertikal  (a)  sebelum dilakukan liquid penetrant test (b) setelah dilakukan liquid penetrant test.
a
b
Gambar  2  menunjukkan  permukaan spring  rod yang mengalami  kegagalan  secara  horizontal  dengan  sudut pengambilan  gambar  yang  berbeda.  Dapat  dilihat  bahwa initial  crack berada  pada  akar  gigi  dari  ulir  yang  dapat dilihat  pada  titik  X,  kemudian  retakan  merambat  pada permukaan spring  rod ( crack  propagation )  yang dapat dilihat pada titik Y, dan terjadi final fracture atau final crack yang dapat dilihat pada titik Z.
Gambar  3  (b)  menunjukkan  permukaan spring  rod yang patah akibat tegangan tension – compression yang berulang setelah  dilakukan liquid  penetrant  test .  Tegangan tension – compression mengakibatkan  inisiasi  patahan  pada  diameter terluar spring  rod dengan  intensitas  tegangan  yang  rendah, yang  dapat  dibuktikan  dengan  banyaknya  serabut  yang terbentuk pada pola patahan. Daerah patahan dibagi menjadi 3  titik  yaitu  retak  awal (initial  crack) pada  titik  X , penjalaran retak ( crack propagation ) pada titik Y, dan final crack ditunjukkan pada titik Z [3].
C. Pengamatan Hasil Stereomicroscope
Gambar  4  menunjukkan  hasil  foto  permukaan  dari spring rod difoto  menggunankan stereomicroscope perbesaran  8 kali.  Gambar  4  (a)  menunjukkan  retak  awal  ( crack initiation ),  Gambar  4  (b)  menunjukkan crack  propagation , Gambar  4  (c)  menunjukkan  patah  akhir  ( final  crack )  dan Gambar 4 (d) menunjukkan beachmarks .
Gambar  4.  Foto stereomicroscope pada  daerah  patahan tension – compression pada  (a) initial  crack ;  (b) crack propagation ;  (c) final  crack ; dan (d) beachmarks.
Gambar  4  (a)  menunjukkan  retak  awal  ( crack  initiation ) pada spring  rod akibat  tegangan tension – compression berulang.  Retak  awal  ditunjukan  tanda  panah  yang kemudian  arah  retakaannya  menjalar  ke  bawah. crack initiation memiliki butiran lebih halus dibandingkan dengan crack  propagation .  Gambar  4  (b)  menunjukkan crack propagation yang  ditunjukkan  oleh  tanda  panah  yang kemudian arah retakaannya menjalar ke samping kanan dan menjalar  lagi  ke  bawah.  Terlihat  pada crack  propagation memiliki  butir  yang  lebih  kasar  jika  dibandingkan  dengan initial  crack. Gambar  4  (c)  menunjukkan  patah  akhir  ( final crack ). Final  crack  yang memiliki  butir  permukaan  yang lebih  halus  jika  dibandingkan  dengan crack  propagation . Gambar  4  (d)  menunjukkan  adanya beachmarks pada
permukaan patahan spring rod . Beachmarks mengindikasikan  adanya  patah  lelah.  Profil beachmarks merupakan  hasil  dari  fluktuasi  beban  yang  diberikan  pada benda.
Meninjau  hasil  pengamatan  makro  dengan  menggunakan stereomicroscope tampak  patahan  yang  terjadi  pada permukaan spring  rod dapat  di  kategorikan  patah  lelah. Patah lelah terjadi melalui tiga tahap yaitu tahap retak awal ( crack initiation), tahap penjalaran retak ( crack propagation), dan  tahap  patah  statis  ( final  crack ).  Setelah retak lelah merambat cukup jauh, maka beban yang bekerja hanya  akan  didukung  oleh  penampang  tersisa  yang  belum retak  dan  akhirnya  komponen  akan  patah  (tahap final failure) [4] .
Hasil  pengujian  komposisi  kimia  dan  komparasi  terhadap standarnya ditunjukan pada Tabel 2.

## Tabel 2.
Hasil uji komposisi
Tabel  2  menunjukkan  komposisi  kimia  pada  sampel  uji dari spring  rod .  Berdasarkan  hasil  pengujian  komposisi diatas,  komposisi  kimia spring  rod tidak  sesuai  dengan material  standar  AISI  4140.  Komposisi  standar  untuk AISI 4140 memiliki  kadar  karbon  pada range 0.380 – 0.430%, sedangkan pada spring rod memiliki  kadar karbon 0.342%. Kadar  karbon spring  rod memiliki  selisih  lebih  sedikit dengan  AISI  4140  yaitu  0.038%,  sehingga  dapat menyebabkan  kekuatan  dan  kekerasan spring  rod lebih rendah dari standar. Selain itu, terdapat unsur material yang tidak ada pada standar, yaitu Ni sebesar 0.206%, Al sebesar 0.0258%, dan Cu sebesar 0.189%. Unsur – unsur lain dapat menyebabkan  material spring  rod memiliki  hardenability lebih tinggi dibandingkan material standar AISI 4140 [5].

## D. Hasil Pengujian Metalografi
Gambar  5  menunjukkan  foto  struktur  mikro  pada perbesaran  1000  kali  dari  material  yang  jauh  dari  patahan dan dekat dari patahan.
Berdasarkan  hasil  foto  mikroskopik  tersebut,  didapatkan bahwa  bagian  terang  adalah  fasa  ferrit  dan  bagian  gelap adalah fasa bainit. Gambar 5 (a) menunjukkan bagian bainit dari  material  yang  jauh  dari  patahan  memiliki  luas  lebih banyak  dibandingkan  dengan  luas  bainit  dari  material  yang jauh  dari  patahan,  yang  ditunjukkan  pada  Gambar  5  (b). Selain  itu,  bainit  dari  material  yang  dekat  dari  patahan mengalami elongation dibandingkan  dengan  bainit  yang jauh  dari  patahan  sehingga  menyebabkan  adanya strain hardening pada material spring rod .
Bainit  dan  ferrit  terbentuk  pada  material  didapat  dari perlakuan  panas  dengan  pendinginan  kontinyu  yang  sangat
lambat  ditunjukkan  oleh  diagram continuous  cooling transformation pada garis d di Gambar 6.
Gambar  5.  Foto  struktur  mikro  pada  perbesaran  1000x:  (a)  jauh  dari patahan; (b) dekat dari patahan.
Gambar 6. Diagram continuous cooling transformation AISI 4140 [6].

## E. Hasil Pengujian Kekerasan Vickers
Pengujian hardness ini  digunakan  untuk  mengetahui distribusi  kekerasan  pada spring  rod yang  mengalami kegagalan  dan  yang  berada  jauh  dari  kegagalan.  Pengujian ini  menggunakan  indentasi  sebanyak  5  titik  pada  masing – masing daerah, indentasi dilakukan pada daerah  yang dekat dan  jauh  dari  patahan  dengan  beban  sebesar  100  kgf. Pembagian daerah indentasi dapat dilihat pada Gambar 7.

## Gambar 7. Titik indentasi pengujian kekerasan
Pada  Tabel  3  dapat  terlihat  bahwa  nilai  kekerasan  di daerah  yang  jauh  dari  patahan  memiliki  rata  rata  sebesar 249,2  HV,  sedangkan  yang  dekat  dengan  patahan  memiliki nilai rata rata sebesar 273,4 HV. Hal ini dikarenakan adanya efek strain hardening di bagian yang terkena deformasi [7]. Nilai kekerasan keduanya melebihi standar kekerasan untuk AISI  4140,  yaitu  207  HV.  Hal  ini  dikarenakan  material spring  rod sudah  dilakukan  perlakuan  panas  yang  sudah dibuktikan pada foto struktur mikro pada Gambar 5.
Pada  Gambar  8  menunjukkan  grafik  kekerasan  dari material jauh dari patahan dan dekat dari patahan.
Tabel 3. Data Hasil Pengujian Kekerasan
Gambar 8. Grafik nilai kekerasan pada material jauh dari patahan dan dekat dari patahan.
F. Analisis Titik Kritis
Software simulasi digunakan untuk melakukan permodelan  pada  komponen spring rod  untuk  mengetahui titik  tegangan  yang  paling  tinggi  pada  komponen  tersebut. Analisis  tegangan  dilakukan  dengan  batasan fixed  support dan  tekanan  yang  diberikan.  Tekanan  diberikan  dari  arah bawah menuju ke atas.
Sebelum  dilakukan  analisis  titik  kritis  pada  komponen spring  rod ,  dilakukan  perhitungan actual  stress untuk mengetahui  berapa  beban  yang  dapat  ditanggung  oleh komponen spring  rod . Ultimate  stress dari  baja  AISI  4140 sebesar 655 MPa [8].
 Perhitungan Actual Stress
σ A = σ U
Dengan : σ A = Actual Stress (MPa) σ U = Ultimate Stress (Mpa) N = Factor of Safety (Untuk baja dengan shock load memiliki nilai 12) [9].
Maka,
σ A = σU 𝑁 = = 54,583 MPa 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
Sehingga,  tegangan  yang  dapat  ditanggung  oleh spring  rod sebesar 54,384 MPa.
Kemudian dilakukan perhitungan tekanan yang didapat oleh spring rod .
 Perhitungan Tekanan
Hydraulic pneumatic pressure    = 69 kg/cm 2 = 676,2 kgf/cm 2
= 66,31 Mpa Fixed support dan tekanan yang diberikan dapat dilihat pada Gambar 9.
Gambar 9. Analisis tegangan dengan batasan (a) fixed support (b) tekanan hydraulic pneumatic.
Gambar 10. Permodelan setelah dilakukan meshing.
Kemudian dilakukan meshing pada software simulasi yang ditunjukkan pada Gambar 10.
Pada Gambar 10 terlihat bahwa maksimum tegangan yang terjadi pada komponen spring rod terpusat pada bagian yang
ditunjukkan oleh warna merah sebesar 79,637 MPa, di mana pada bagian tersebut merupakan bagian yang menyambungkan spring rod ke komponen support to rocker arm. Tegangan  sebesar  79,637  MPa  tersebut  melebihi tegangan actual / actual  stress dari spring  rod sebesar 54,583  MPa,  sehingga  dapat  terjadi  patahan  pada  daerah tersebut. Hal ini sesuai dengan dengan temuan patahan yang berada pada bagian tersebut.

## IV. KESIMPULAN
Berdasarkan  serangkaian  percobaan  dan  analisis  yang telah  dilakukan,  terdapat  beberapa  kesimpulan  mengenai kegagalan spring rod pada coal  mill Tuban  1  antara  lain sebagai berikut:
1. Faktor  yang  menyebabkan  terjadinya  kegagalan komponen spring  rod pada coal  mill Tuban  1  yaitu kesalahan  pemilihan  dan  kesalahan  perlakuan  panas. Material spring  rod tidak  sesuai  dengan  standarnya yaitu  AISI  4140  dengan  kurangnya  kadar  karbon  dan tambahan unsur lainnya, dan material spring rod telah dilakukan  perlakuan  panas  yang  menyebabkan kekerasannya  meningkat,  yang  seharusnya  tidak dilakukan  perlakuan  panas  jika  mengacu  pada standarnya  yang  membuat  material spring  rod lebih ulet.
2. Mekanisme kegagalan komponen spring rod pada coal mill Tuban  1  diawali  oleh initial  crack pada  akar  gigi pada  ulir  dikarenakan  adanya  tegangan  yang  berulang yang  kemudian  retakan  merambat  pada  permukaan spring rod sebelum terjadinya final fracture dikarenakan spring  rod tidak  mampu  menahan tegangan  yang  terjadi  sehingga  menyebabkan fatigue failure .
DAFTAR PUSTAKA [ 1]
Semen Padang, “ Proses Pembuatan Semen, ” 2015.
[2] H.  Bayrakceken  and  et  al, “ Failures  of  Single  Cylinder  Diesel
Engines Crank Shafts. Afyon, ” Turkey, 2006.
[3] S. Nishida, Failure Analysis in Engineering Application . Oxford: Butterworth – Heinemann Ltd, 1992. [4]
A. Akuan, “ Kelelahan Logam, ” Bandung, 2007.
[5] W.  Callister, Material  Science and  Engineering an  Introduction . New York: John Wiley & Sons Inc, 2007.
[6] R.  Manna, Continuous  Cooling  Transformation .  India:  Banaras Hindu University, 2005.
[7]
G. Miyamoto, Acta Materialia . Elsevier, 2012.
[8] Azom, “ AISI  4140  Chrome-Molybdenum  High  Tensile  Steel, ” 2012.
[9] R.  S.  Khurmi  and  J.  K.  Gupta, Machine  Design .  New  Delhi: Eurasia Publishing House, 2005.