Tauviqirrahman, dkk./ ROTASI, Vol. 21  No. 1  (Januari  2019) Hal. 56-60
Pengaruh Kekasaran Permukaan terhadap Performa Slider Bearing Bertekstur dengan Menggunakan Pendekatan CFD
Mohammad Tauviqirrahman*, Mufti M. Suryaman,  Muchammad Laboratorium Perancangan Teknik dan Tribologi, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Jl. Prof. Sudharto, SH., Tembalang-Semarang 50275, Telp. +62247460059
*E-mail: mtauviq99@yahoo.com

## Abstract
In  the  traditional  hydrodynamic  lubrication  theory,  the  assumption  of  perfectly  smooth  bearing surfaces is often adopted. However, it has been examined that such assumption is unrealistic because in general no surfaces are smooth. The present paper investigates the effect of surface roughness on the  performance  of  textured  slider  bearing  using  CFD  (computational  fluid  dynamic)  approach.  The multi-phase  cavitation  model  is  used  to  model  cavitation  phenomena  in  more  real  way.  The performance of rough slider bearing is compared with a corresponding smooth slider bearing varying the inertia conditions. Based on the simulation results, it is found that hydrodynamic pressure and load support decrease with surface roughness. It is also highlighted that if the bearing is designed to have low inertia, the load support will become larger.
Keywords: CFD (Computational fluid dynamic), inertia, cavitation, surface roughness, lubrication

## Abstrak
Dalam  teori  pelumasan  klasik  hidrodinamika,  asumsi  permukaan  kontak bearing yang  benar-benar halus sering kali digunakan. Meskipun demikian, telah dibuktikan bahwa asumsi tersebut tidak realistis dikarenakan  pada  umumnya,  tidak  ada  permukaan bearing yang  benar-benar  halus.  Tulisan  ini membahas  pengaruh  kekasaran  permukaan  terhadap  performa slider  bearing bertektur  dengan menggunakan pendekatan CFD ( computational fluid dynamic ). Model kavitasi multi-phase digunakan untuk  memodelkan  fenomena  kavitasi  yang  lebih  riil.  Performa slider  bearing dengan  tingkat kekasaran  permukaan  tertentu  dibandingkan  dengan slider  bearing halus  dengan  menvariasikan kondisi inersia. Berdasarkan hasil simulasi, ditemukan bahwa tekanan hidrodinamik dan daya dukung beban berkurang dengan bertambahnya  kekasaran permukaan. Selain itu, jika bearing dirancang agar memiliki kondisi inersia yang rendah, daya dukung beban akan menjadi lebih besar.
Kata kunci: CFD ( Computational fluid dynamic ), inersia, kavitasi, kekasaran permukaan, pelumasan

## 1. Pendahuluan
Salah satu komponen penting yang terdapat pada mesin yang berfungsi untuk menahan elemen mesin yang berputar adalah bearing . Bearing digunakan  sebagai pemisah sebuah  sumbu poros pada  mesin agar tidak terjadi kontak antara poros dan penumpunya. Pelumas pada bearing ada berbagai jenis, salah satunya dengan menggunakan fluida. Berdasarkan  hasil  penelitian  yang  ada,  performa  slider  bearing  berupa  daya  dukung  beban  dapat  ditingkatkan dengan menambahkan tekstur pada permukaan bearing [1-4]. Meskipun demikian, pemberian tekstur ini ternyata juga memiliki  efek  lain  pada  pelumas  yaitu  memunculkan  terjadinya  fenomena  kavitasi  [5].  Kavitasi  ini  muncul  karena adanya  penurunan  tekanan  pada  perubahan  luas  permukaan  secara  tiba-tiba  pada  bearing.  Akibat  dari  kavitasi  pada sebuah  komponen  adalah  munculnya  gelembung-gelembung  udara  yang  sangat  kecil  dan  menabrak  permukaan  yang bisa menyebabkan kerusakan komponen [1]. Dari penelusuran pustaka terkait dengan analisis pelumasan dalam bearing, asumsi permukaan bearing yang benar-benar halus masih sering digunakan. Padahal, berdasarkan teknologi pengukuran terbaru,  terutama  pada  skala  mikro,  tidak  ada  satupun  permukaan  yang  benar-benar  halus  bahkan  ketika  permukaan bearing tersebut sudah mengalami pemolesan (polishing) [6-8].
Atas  dasar  main-frame  inilah  dalam  penelitian  ini,  pengaruh  kekasaran  permukaan  terhadap  performa  pelumasan slider bearing bertekstur akan diteliti lebih lanjut terkait dengan pengaruh adanya kavitasi. Dalam penelitian ini, model kavitasi multi-phase digunakan. Model ini memungkinkan perubahan fasa pelumas dapat dihitung sehingga kondisi riil operasi bearing menjadi lebih representatif dibanding menggunakan model yang lain. Selain itu, pola geometri tekstur pada bearing juga divariasikan untuk menciptakan efek inersia.
2. Material dan metode penelitian
2.1. Persamaan umum
Persamaan  yang  digunakan  adalah  persamaan  Navier–Stokes  dan  kontinuitas  yang  dipecahkan  dengan menggunakan  metode  volume  hingga.  Persamaan  tersebut  mengasumsikan  densitas  dan  viskositas  konstan,  tanpa
melibatkan  gaya  bodi.  Kondisi  steady  dan  pemecahan  dalam  arah  dua  dimensi  (x  dan  z)  juga  digunakan.  Persamaan Navier-Stokes dan kontinuitas diekspresikan sebagai berikut:
2 ( )  = - p   
   u u u (1) = 0  u (2)

## 2.2. Pemodelan kekasaran permukaan
Dalam  penelitian  kali  ini,  kekasaran  permukaan  dimodelkan  sebagai uniform  sand-grain yang  dinotasikan  dengan parameter ketinggian kekasaran K s . Menurut Adams dkk. [9], hubungan antara K s and R a (kekasaran rata-rata aritmatik) dapat ditulis sebagai berikut:
K s = 5.863 R a (3)

## 2.3. Pemodelan kavitasi
Untuk  mencapai  hasil  yang  lebih  akurat,  model  kavitasi multi-phase digunakan.  Dalam  model  ini,  perubahan  fasa dari  liquid  ke  uap  air  dimungkinkan.  Transfer  massa  liquid-uap  air  (evaporasi  dan  kondensasi)  dimodelkan  dengan menggunakan persamaan transport uap air [10]:
    . v v g v c R R t       
     (4)
dimana α v adalah fraksi volume vapour dan ρ v adalah densitas vapor. R g dan R c merujuk kepada transfer massa antara fasa liquid dan fasa vapour dalam kavitasi. Untuk model Zwart-Gelber-Belamri, bentuk akhir persamaan kavitasi adalah sebagai berikut [10]:
Jika ,  v p p
maka   nuc υ υ υ B 3α 1 ρ P P 2 3 ρ     g evap R F
R
(5)
Jika ,  v p p maka υ υ υ B 3α ρ P P 2 3 ρ   c cond R F R (6)
dimana F evap = koefisien evaporasi = 50, F cond = koefisien kondensasi = 0.01, R B = radius gelembung-gelembung udara = 10 -6 m, α nuc = fraksi volume situs nukleasi = 5x10 -4 , ρ l = densitas liquid dan p v = tekanan uap air.

## 2.4. CFD model
Gambar 1 menunjukkan skema slider bearing bertekstur dengan satu sel tekstur yang diadopsi dari hasil penelitian Dobrica  dan  Filllon  [11].  Dalam  simulasi  kali  ini,  untuk  menvariasikan  pengaruh  kondisi  inersia,  ada  dua  pola  slider bearing  bertekstur  yang  digunakan,  yaitu  pola  dengan  pengaruh  inersia  tinggi  (λ  =  2,  Re  =  57.3),  dan  pola  dengan pengaruh inersia rendah (λ = 20, Re = 5.73). Re adalah bilangan Reynolds dan λ adalah aspek rasio tekstur (λ=lD/hd). Untuk  kedua  pola,  diasumsikan  bahwa  texture  density  (ld/lc)  adalah  konstan  sebesar  0.5,  dan  relative  dimple  depth (ld/hd) adalah sebesar 1.0. Dengan asumsi tersebut, lc dan ld pada kedua pola dibuat konstan, yakni lc = 0.8 mm serta ld = 0.4  mm.  Untuk  simulasi bearing ini, kondisi batas periodik digunakan pada sisi inlet dan outlet seperti ditunjukkan dalam Gambar 1. Sedangkan perbandingan dua pola bearing yang berbeda keadaan inersia ini disajikan dalam Gambar 2. Adapun pendefinisian fasa secara detil disajikan dalam Tabel 1.
Gambar 1 . Skema slider bearing bertekstur (Catatan: h d = ketebalan tekstur, h f = ketebalan film pelumas, l d = panjang tekstur, l c = panjang zona bertekstur, U = kecepatan sliding)
Gambar 2 . Perbandingan pola geometri bearing dengan dua kondisi inersia yang berbeda
Tabel 1 . Pendefinisian fasa No. Parameter Nilai 1 Densitas pelumas ρ 860 kg/m 3 2 Viskositas dinamis pelumas η 0.03 Pa-s 3 Densitas uap air ρ vap 1.256x10 kg/m 3 4 Viskositas uap air η vap 0.02556 Pa-s
Dalam  penelitian  kali  ini,  untuk  analisis  pengaruh  kekasaran  permukaan,  di  sepanjang  daerah  dinding  atas slider bearing (Gambar  1),  kondisi  kekasaran  permukaan  dengan  tingkat  tertentu  diaplikasikan.  Ada  4  tingkat  kekasaran permukaan yang dipilih, yaitu R a = 0.1 µm (sangat halus), R a = 0.4 µm (halus), R a = 1.6 µm (medium), dan R a = 12.5 µm (kasar). Sedangkan dinding bagian bawah slider bearing merupakan bagian yang bergerak dengan kecepatan sesuai bilangan Reynoldsnya. Bagian atas serta area tekstur pada slider bearing merupakan bagian permukaan yang diam. Solusi  numerik . Dalam  simulasi ini,  mesh  yang digunakan adalah quadrilateral dengan  jumlah nodal 15.000 dan 30.000 berturut-turut untuk pola bearing dengan inersia tinggi dan inersia rendah. Asumsi gradien kecepatan nol dalam arah  normal  terhadap  permukaan sliding digunakan  untuk  merepresentasikan  aliran fully  developed .  Model  aliran turbulen k-e realizable dan kondisi isothermal digunakan dalam analisa ini. Skema second order upwind diaplikasikan untuk diskretisasi momentum, sedangkan prosedur SIMPLE digunakan untuk pressure-velocity coupling .

## 3. Hasil dan pembahasan
Akhir-akhir  ini, kavitasi  telah  menjadi  bahan  kajian  penelitian  yang  cukup  intensif  di  berbagai  kalangan  peneliti, baik  dari  segi  pemodelan  matematisnya  maupun  fenomena  fisiknya.  Hal  ini  dikarenakan  kavitasi  dapat  membawa pengaruh yang positif maupun negatif terhadap performa sistem mekanik (dalam kasus ini bearing) . Asumsi pengabaian kavitasi  dalam  desain  dan  analisis  pelumasan  terbukti  bisa  mengakibatkan  hasil  kajian  menjadi  kurang  akurat  dan mendorong  terjadinya  pengambilan  kesimpulan  yang  salah,  terutama  untuk bearing dengan  perubahan  geometri permukaan  yang  ekstrim  seperti  adanya  tekstur  yang  dalam  [11-12].  Oleh  karena  itulah,  dalam  penelitian  ini,  terkait dengan  analisis  pengaruh  kekasaran  permukaan  terhadap  performa slider  bearing ,  dua  pendekatan  analisis  pelumasan akan dilakukan, yaitu pertama, analisis dengan mempertimbangkan model kavitasi (Pers. 5 dan 6), dan kedua, analisis yang tidak memperhitungkan model kavitasi.
(a) (b)
Gambar 3. Distribusi tekanan hidrodinamik tanpa memperhitungkan model kavitasi untuk kasus: (a) inersia tinggi, (b) inersia rendah
Dalam  penelitian  ini,  ada  dua  karakteristik  performa  hidrodinamik slider  bearing yang  dibahas,  yaitu  tekanan hidrodinamik p dan  daya  dukung  beban W ( load  support ). Daya  dukung  beban  diperoleh  dari  hasil  integral  distribusi tekanan  hidrodinamik  di  sepanjang  permukaan  kontak.  Gambar  3  menunjukkan  distribusi  tekanan  hidrodinamik  pada berbagai tingkat kekasaran permukaan ( R a = 0.1 µm, R a = 0.4 µm , R a = 1.6 µm, R a = 12.5 µm) untuk dua pola bearing yang berbeda (inersia tinggi vs inersia rendah) dengan tidak mempertimbangkan model kavitasi.
Dari  Gambar  3  ini  tampak  bahwa  tingkat  kekasaran  permukaan  yang  diaplikasikan  akan  sangat  berpengaruh terhadap  distribusi  tekanan  pada slider  bearing baik  itu  yang  berpola  “inersia  tinggi”  maupun  yang  berpola  “inersia rendah”. Untuk kedua pola bearing , ditemukan bahwa semakin tinggi nilai R a yang diaplikasikan yang berarti semakin kasar  permukaan slider  bearing ,  maka  akan  semakin  turun  distribusi  tekanan  hidrodinamik  yang  dihasilkan.  Sebagai contoh,  untuk bearing yang  kasar  ( R a =  12.5  µm)  dengan  pola  inersia  rendah  (Gambar  3(b)),  tekanan  hidrodinamik maksimum  turun  sebesar  137%  jika  dibandingkan  dengan bearing ideal  ( R a =  0).  Hal  ini  menandakan  bahwa  dalam proses pembuatan bearing bertekstur, jika finishing untuk permukaan kontak nya tidak dilakukan secara hati-hati, maka ternyata bisa menurunkan performa slider bearing.
Gambar 3 juga menunjukkan bahwa terkait dengan pengaruh inersia, ketika bearing didesain agar memiliki inersia yang kecil (dengan cara mengatur agar R e kecil dan λ besar), maka distribusi tekanan hidrodinamik menjadi jauh lebih besar  jika  dibanding bearing dengan  pola  “inersia  besar”.  Dengan  kata  lain,  dalam  kasus  ini,  inersia  membawa pengaruh negatif terhadap performa bearing .
(a) (b)
Gambar 4. Distribusi tekanan hidrodinamik dengan mempertimbangkan model kavitasi untuk kasus: (a) inersia tinggi, (b) inersia rendah
Untuk  analisis  pelumasan  yang  memperhitungkan  model  kavitasi,  hasil  simulasi  distribusi  tekanan  hidrodinamik ditunjukkan  dalam  Gambar  4.  Secara  umum,  jika  dibandingkan  dengan  Gambar  3,  ditemukan  bahwa  tekanan hidrodinamik  yang  dihasilkan  dengan  memperhitungkan  model  kavitasi  menjadi  lebih  kecil  untuk  semua  nilai kekasaran  permukaan  dan  semua  pola.  Dari  sudut  pandang  fisik,  ini  menandakan  bahwa  keberadaan  kavitasi (gelembung-gelembung  gas  pada  skala  mikro)  memberikan  pengaruh  negatif  terhadap  performa slider  bearing . Pengaruh  ini  akan  signifikan  untuk bearing dengan  inersia  besar  dan  tidak  terlalu  signifikan  untuk bearing dengan inersia kecil seperti diperlihatkan lebih detil pada Gambar 5.
(a)
(b)
Gambar 5. Perbandingan daya dukung beban untuk kasus: (a) tanpa model kavitasi, (b) dengan model kavitasi
Gambar 5 menyajikan perbandingan daya dukung beban untuk dua pola bearing bertekstur (inersia besar vs inersia) untuk dua kondisi (kavitasi vs tanpa model kavitasi). Ada beberapa karakteristik daya dukung beban yang diperoleh dari Gambar  5  ini,  yaitu,  pertama,  untuk  kasus  inersia  kecil,  perbedaan  antara  hasil  analisis  yang  mempertimbangkan kavitasi  dan  yang  tidak  mempertimbangkan  model  kavitasi  relatif  sangat  kecil  (kurang  dari  4%).  Dari  sudut  pandang
Tauviqirrahman, dkk./ ROTASI, Vol. 21  No. 1  (Januari  2019) Hal. 56-60
fisik,  ini  menandakan  bahwa  kavitasi  sebenarnya  tidak  terjadi  pada bearing dengan  inersia  kecil.  Kedua,  untuk  kasus bearing inersia  besar,  ada  perbedaan  prediksi  daya  dukung  beban  yang  cukup  signifikan,  berkisar  antara  15  –  37% tergantung  dari  nilai  kekasaran  antara  analisis  “kavitasi  vs  tanpa  kavitasi”.  Dapat  dikatakan  bahwa  terkait  dengan Gambar  3  dan  4,  untuk bearing dengan  inersia  besar,  fenomena  kavitasi  dalam  pelumas  menyebabkan  penurunan karakteristik hidrodinamika yang cukup signifikan.

## 4. Kesimpulan
Dalam  penelitian  ini,  pengaruh  kekasaran  permukaan  terhadap  performa  pelumasan slider  bearing telah diinvestigasi. Dua jenis bearing yang berbeda kondisi inersia nya menjadi bahan kajian. Pengaruh pemodelan kavitasi dalam analisis juga telah diteliti. Dari hasil simulasi, dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut: (a) Kekasaran permukaan  memiliki pengaruh  yang sangat  signifikan terhadap tekanan hidrodinamik dan daya dukung beban.  Makin besar  tingkat  kekasaran  permukaan,  makin  berkurang  daya  dukung  beban  yang  ditimbulkan.  (b) Bearing bertekstur dengan  pola  desain  inersia  kecil  menghasilkan  performansi  pelumasan  yang  jauh  lebih  baik  dibanding  pola  desain inersia besar, karena ketiadaan kavitasi. Hasil penelitian ini diharapkan dapat menjadi panduan ketika melakukan proses manufaktur slider bearing terkait dengan hasil finishing permukaan kontak bearing .

## Daftar Pustaka
[1] Cupillard,  S.,  Glavatskih,  S.  and  Cervantes,  M.J.,  2008.  “Computational  fluid  dynamics  analysis  of  a  journal bearing  with  surface  texturing,” Proceedings  of  the  Institution  of  Mechanical  Engineers ,  Part  J:  Journal  of Engineering Tribology, 222: 97–107.
[2] Cupillard,  S.,  Glavatskih,  S.  and  Cervantes,  M.J.,  2010.  “Inertia  effects  in  textured  hydrodynamic  contacts. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,” Part J: Journal of Engineering Tribology , 224(8): 751– 756.
[3] Rao, T.V.V.L.N., Rani, A.M.A., Nagarajan, T., and Hashim, F.M., 2012.  “Analysis of slider and journal bearing using partially textured slip surface,” Tribology International , 56: 121-128.
[4] Tauviqirrahman,  M.,  Muchammad,  Jamari  and  Schipper,  D.J.,  2014.  “Numerical  study  of  the  load  carrying capacity of lubricated parallel sliding textured surfaces including wall slip,” Tribology Transactions , 57(1): 134– 145.
[5] Shi,  X.  and  Ni,  T.,  2011.  “Effects  of  groove  textures  on  fully  lubricated  sliding  with  cavitation,” Tribology International , 44(12): 2022–2028.
[6] Gururajan,  K.  and  Prakash,  J.,  2001.  “Roughness  effects  in  narrow  porous  journal  bearing  with  arbitrary  porous wall thickness,” International Journal of Mechanical Sciences , 44: 1003–1016.
[7] Naduvinamani,  N.B.,  Hiremath,  P.S.  and  Gurubasavaraj,  G.,  2002.  “Effects  of  surface  roughness  on  the  static characteristics of rotor bearings with couple stress fluids,” Computer & Structures , 80: 1243–1253.
[8] Kalavathi, G.K., Dinesh P.A. and. Gururajan, K., 2016.  “Influence of roughness on porous finite journal bearing with heterogeneous slip/no-slip surface,” Tribology International , 102: 174–181.
[9] Adams T. and Grant, C., 2012. “A Simple algorithm to relate measured surface roughness to equivalent sand-grain roughness,” International Journal of Mechanical Engineering and Mechatronics , 1: 66–71.
[10] Zwart, P. Gerber, A. and Belamri, T., 2004. “A two-phase flow model for predicting cavitation dynamics,” Fifth International Conference on Multiphase Flow , Yokohama, Japan, May 30 - June 3, 2004, no. 152.
[11] Dobrica, M.B., Fillon, M., Pascovici, M.D. and Cicone, T., 2010.  “Optimizing surface texture for hydrodynamic lubricated  contacts  using  a  mass-conserving  numerical  approach,” Proceedings  of  the  Institution  of  Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology , 224(8): 737–750.
[12] Tauviqirrahman,  M.,  Yohana,  E.  dan  Hakim,  A.R.,  2016.  “Analisa  numerik  pemberian  slip  dan  tekstur  untuk peningkatan performansi pelumasan pada bearing , “ Prosiding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin (SNTTM) XV PM-018 , 897-903, Bandung 5-6 Oktober 2016, Institut Teknologi Bandung.