## ANALISA TEGANGAN POROS RODA GERBONG KERETA API DENGAN METODE ELEMEN HINGGA

## Nana Supriyana
Program Studi Teknik Mesin STT Wiworotomo Purwokerto Email: Nana.sttw @gmail.com

## Akhmad Kholidin
Program Studi Teknik Mesin STT Wiworotomo Purwokerto Email: kholidinptkai@gmail.com

## ABSTRAK
Poros  roda  kereta  merupakan  salah  satu  bagian  yang  berhubungan  langsung  dengan  keselamatan penumpang  maupun  bagian  lain  dalam  perjalanan  kereta  api.  Penelitian  untuk  mengetahui  distribusi tegangan  yang  dialami  oleh  poros  sehingga  diketahui  letak  area  kritis  pembebanan  poros  roda  kereta, apakah  area  kritis  roda  kereta  akibat  pembebanan  terletak  pada asnaff atau astap poros roda  kereta  dan kasus  beban impact karena  roda  benjol  atau  rata  bidang  jalan.  Simulasi  pembebanan  menggunakan software ANSYS 12.0 dengan tiga kondisi pembebanan poros roda kereta. Pertama saat menerima beban statis kereta sebesar 4,625 ton per leher poros kereta,  kedua saat kereta berjalan sehingga terjadi beban dinamis sebesar 8,9 ton dan ketiga saat terjadinya beban impact dari adanya roda benjol, kerataan bidang jalan  atau  ketidak  rataan  jalan  rel  sebesar  sepuluh  kali  beban  statis  atau  46,25  ton.  Dari  hasil  simulasi didapat  tegangan  maksimum  terjadi  pada  node  nomor  32  dan  nomor  180  yang  terletak  pada  peralihan diameter asnaff ke  diameter astap ,  area  ini  pada  jarak  285,2  mm  dari  ujung  poros.  Nilai  tegangan maksimum  yang  diterima  poros  pada  pengkondisian    beban  tertinggi  akibat  beban impact yang dimungkinkan  karena  roda  benjol  sebesar  112,3  N/mm 2 dan  109,  4  N/mm 2 masih  dalam  batas  aman karena tidak lebih besar dari tegangan yang diijinkan pada teori kegagalan von misses yaitu 225 N/mm 2 .
Kata kunci: poros, ansys , tegangan.

## ABSTRACT
Axle  shaft  is  one  part  that  relates  directly  to  the  safety  of  passengers  and  other  parts  of  the  train journey.  Research  to  determine  the  distribution  of  stress  experienced  by  the  shaft  in  order  to  know  the location  of  critical  areas  of  the  axle  load  trains,  is  a  critical  area  due  to  the  imposition  of  the  wheels located on asnaff or astap wagon wheel axle and wheel load cases impact due to road bumps or flat field. Loading  simulation using  ANSYS  12.0  software  with  three  train  axle  loading  conditions.  The  first  train when  receiving a  static  load of  4.625  tons  per  axle  neck  trains,  both  when  the  train  runs  resulting  in a dynamic load of 8.9 tons and the third time of the impact load on the wheel bumps, flatness field of road or rail road unevenness as much as ten times the load static or 46.25 tons. From the simulation results obtained maximum stress occurs on node number 32 and number 180 are located in the transition asnaff diameter to diameter astap, this area at a distance of 285.2 mm from the end of the shaft. The maximum stress value received in the conditioning shaft highest burden due to the impact load is possible because the wheels bumps of 112.3 N/mm2 and 109, 4 N/mm2 still within safe limits because it is not greater than the allowable voltage on the theory that the failure of von misses 225 N/mm2.
Keywords: shaft, ansys, stress.

## 1. PENDAHULUAN
Poros  roda  merupakan  salah  satu  komponen  dari  beberapa  komponen  yang  terdapat  pada  sarana perkeretaapian. Poros dirangkai dengan dua keping roda menjadi satu kesatuan perangkat roda atau wheel set dan berputar dengan keping roda karena terpasang kedalam naff / hub .
M.  Subyanto  pada  tahun  1982  [1]  menjelaskan  pada  perhitungan  kekuatan  gandar  (poros  roda kereta)  dan  menentukan  besarnya  tegangan  pada  batas  lelah  untuk  bahan  gandar  dengan fatique  test . Pramono  dan  Slamet  pada  tahun  2007  dari  Dipo  Kereta  Purwokerto  [2]  dalam  aspek  pengukuran  pada
perawatan  berkala  di  DipoPemeriksaan  dilakukan  menyeluruh  terhadap  kelengkapan  bogie  termasuk didalamnya pemeriksaan pelumasan dan bearing , pemeriksaan keausan flens dan bidang jalan roda serta pemeriksaan  keretakan  poros  roda  kereta  metode  undistruction  test  menggunakan  alat  ultrasonic  test. Setelah proses scan selesai kemudian dilakukan evaluasi hasil periksa apakah terdapat indikasi keretakan pada  poros  atau  tidak.  Apakah  pulse/echo  yang  timbul  sepanjang  poros  menunjukan  indikasi  retak  atau karena  memantul  pada  perbedaan  diameter  sepanjang  poros  khususnya  diantara astap dan asnaff .  Hasil periksa ini yang menjadi salah satu dasar kereta dapat Siap Operasi (SO) atau Tidak Siap Operasi (TSO).
Taufik Akbar Iskandar Chandra pada tahun 2009 [3] mensimulasikan pembebanan gaya berat pada mill  shaft  roll  shell (poros  pada  mesin  giling  tebu)  di  pabrik  gula  sei  semayang  dengan  metode  elemen hingga dan mendapatkan hasil simulasi kemudian dibandingkan dengan perhitungan teori kegagalan von misses, kondisi tidak aman akibat gaya yang timbul akibat torsi dapat diketahui, terjadi pada torsi pertama karena  distribusi  tegangan  maksimum  terjadi  lebih  besar  282x106  N/m2  dari  kekuatan  tarik  bahan 225x106  N/m2.  Hasil  studi  terhadap  kondisi  poros  kereta  api  diantaranya  menurut  Siswosuwarno,  dan mardjono  dalam  penelitianya  pada  tahun  2010  [4]  menjelaskan  bahwa  roda  benjol  menyebabkan terjadinya beban impact, baik kepada rel, maupun kepada roda. Makin dalam bagian yang benjol, makin besar beban impactnya. Benjolan sebesar 4 mm pada kecepatan 70 km/jam mengakibatkan beban impact 10 kali lebih besar dari beban statiknya (studi/penelitian di Belanda). Rekomendasi yang diberikan pada roda benjol adalah perlu segera dibubut ulang. Biyanto Nur dan N Supriyana tahun 2012 dalam penelitian analisa  kegagalan  poros  roda  menggunakan  pengujian  bahan,  simulasi  ansys  dan  perhitungan  MEH, STTW  Purwokerto  [5]  mendapatkan  kesimpulan  bahwa  poros  yang  mengalami  kegagalan  masih memenuhi  standar  penggunaan  dan  kegagalan  dimungkinkan  karena  pembebanan  yang  diterima  poros terlalu besar.
Maksud  penelitian  ini  adalah  untuk  mengetahui  distribusi  tegangan  yang  dialami  oleh  poros sehingga diketahui letak area kritis pembebanan poros roda kereta. Apakah area kritis roda kereta akibat pembebanan  terletak  pada  asnaff  atau  astap,  selain  tersebut  didapatkan  nilai  tegangan  maksimum  yang terjadi  pada  simulasi  kasus  beban  impact  karena  roda  benjol  atau  rata  bidang  jalan,  kondisi  dalam penelitian  ini  yaitu  poros  roda  kereta  tipe  CC  diameter  astap  119  mm,  dampak  adanya  faktor  cacat material dan thermal diabaikan.

## 2. METODOLOGI PENELITIAN

## 2.1 Desain Penelitian
Desain  penelitian  ini  adalah  mensimulasikan  distribusi  tegangan  akibat  pembebanan  berat  kereta pada  poros  roda  kereta  dengan  tiga  kondisi  yaitu  poros  dengan  pembebanan  berat  statis  kereta,  poros dengan  pembebanan  berat  dinamis  kereta  dan  poros  dengan  pembebanan  impact  akibat  roda  benjol, kerataan bidang jalan atau ketidakrataan jalan rel serta membandingkan hasil simulasi software ANSYS 12.0 dengan hasil teori kegagalan ( Von Misses ).

## 2.2 Alat Penelitian
Pembuatan  simulasi  menggunakan  hardware  berupa Personal  Computer (PC)  dan  software  yang digunakan adalah ANSYS versi 12.0.

## 2.3 Bahan Penelitian
1) Poros Roda Kereta
Perangkat roda tipe CC dengan spesifikasi teknisnya adalah sebagai berikut: a. Panjang poros = 1815 mm
b. Jarak bantalan radial /jarak titik tumpu(j) = 1590 mm
c. Jarak telapak roda (g)= 1120 mm
d. Diameter astap = 119 mm
e. Diameter keping roda= 774 mm, r = 387 mm
f. Beban poros maksimal= 14 ton = 14.000 kg
g. Poros  roda  kereta  terbuat  dari  baja  tempa  roll  setara  dengan  JIS  E  4502  SFA  60B  dengan
Modulus Elasity= 210 GPa ( General Properties of Steels 2009 eFunda ) 2) Kereta dengan spesifikasi teknik sebagai berikut:
a. Berat Total = 40 ton = 40.000 kg
b. Tipe Bogie = TB - 398 c. Berat perangkat roda = 750 kg

## 2.4 Tempat Penelitian
Penelitian dilaksanakan di Dipo Kereta Purwokerto dan lab. komputer STT Wiworotomo.

## 2.5 Prosedur Penelitian
Langkah prosedur penelitian yaitu dengan memperhitungkan tiga kondisi pembebanan yang terjadi pada poros roda yaitu:
1) Pada  saat  poros  roda  hanya  mengalami  beban  statis  dari  seluruh  bagian  kereta  yang  ditumpu yaitu dari berat body atau badan kereta, bogie, tangki air, unit AC, perlengkapan rangka bawah dan berat kursi dan penumpang seperti digambarkan pada gambar 1.

## Gambar 1. Bagian Kereta
2) Pada saat poros mengalami beban yang terjadi saat kereta berjalan yaitu beban dinamis 0,4 kali beban statis dan beban dari adanya gaya getaran horisontal.
3) Pada  saat  poros  mengalami  beban impact sebesar  10  kali  beban  statis  kereta  yang  dapat ditimbulkan  dari  roda  benjol maupun  kerataan  bidang  jalan  tapak  roda  atau  ketidakrataan  jalan rel.
Kemudian  melakukan  pembuatan  simulasi ANSYS yang  digunakan  adalah  dengan  pandangan  2 dimensi, seperti diperlihatkan pada gambar 2.
Gambar 2. Tampilan Hasil Displacement Pada Kedua Asnaff Poros
Langkah selanjutnya dilakukan penerapan beban ( load ) dengan pemberian gaya:
1) Kondisi pembebanan pertama yaitu beban yang ditumpu oleh poros roda kereta dari beban statis kereta  (W A ),  Dimana  berat  total  kereta  =  40.000  kg,  Jumlah  Perangkat  Roda  =  4  set,  Berat  4 perangkat roda @750 kg = 3.000 kg.
W A =
= 9.250 kg
(1)
Maka beban statis yang ditumpu pada satu leher poros adalah separuh beban satu gandar = 4.625 kg = 4,625T = 45.355,76N (1 T=9806,65 N)
2) Kondisi pembebanan kedua yaitu kondisi pembebanan dari beban dinamis kereta yang ditumpu oleh poros, beban dinamis pada satu leher (W 0 ).
W 0 = = 6.475 kg (2) Dan beban dari adanya gaya getaran horizontal (P): P = 0,3 x W A (3) = 2.775 kg Q Q = P x (4) = 2.386 kg
Nilai h adalah tinggi titik berat kereta dimana berat per bagian: G1 = 9 ton ( bogie 2 set),  G2 = 1,4 ton (perlengkapan rangka bawah),  G3 = 4,6 ton (kursi + penumpang),  G4 = 24 ton ( body kereta),  G5 = 0,2 ton (tangki air atas), G6 = 0,8 ton (AC 2 unit) dan tinggi per bagian: Y1 = 0,4 m. Y2 = 0,6 m. Y5 = 3 m. Y4 = 1,7 m.  Y3 = 1,4 m. Y6 = 3 m. sehingga persamaannya menjadi:
Ȳ = (G1.Y1+G2.Y2+G3.Y3+G4.Y4+G5.Y5+G6.Y6)/(G1+G2+G3+G4+G5) (5) Ȳ = (9.0,4 + 1,4.0,6 + 4,6.1,4 + 24.1,7 + 0,2.3 + 0,8.3) / (9+1,4+4,6+24+0,2+0,8)
= 136,7 cm (nilai h)
Beban dinamis keseluruhan yaitu diambil dari beban dinamis pada satu leher (W 0 ) ditambah beban dari adanya gaya getaran horizontal (P) sebesar:
= 6.475 kg + 2.386 kg = 8.861 kg = 8,9  = 87279,2 N
3) Kondisi  pembebanan  ketiga  yaitu  dengan  beban  yang  ditumpu  oleh  poros  adalah  beban impact sebesar 10 kali beban statis. Maka beban impact yang dimasukan pada kondisi ketiga sebesar: = 10 x 4,625=46,25 = 453.557,6 N
Hasil simulasi beberapa kondisi pembebanan:
1) Kondisi Pembebanan 1
Pada kondisi pembebanan dengan beban stastis kereta dengan titik pembebanan pada kedua titik tumpu roda seperti terlihat pada gambar 3.

## Gambar 3. Hasil Simulasi Kondisi Pembebanan 1
Dari  hasil  simulasi  diperoleh  tegangan  maksimum  terletak  pada  node  32  dengan  nilai  sebesar 11,230 N/mm 2 dan node 180 sebesar 10,940 N/mm 2 pada kedua leher poros, seperti diperlihatkan pada Gambar 4.
Gambar 4 . Gradiasi Warna Tegangan Maks. Node No. 32 dan 180 Pada Kondisi 1
2) Kondisi Pembebanan 2
Pada  kondisi  pembebanan  dengan  beban  dinamis  kereta  dengan  titik  pembebanan  pada  titik tumpu roda diperoleh tegangan maksimum pada kedua leher poros terletak pada node 32 dengan nilai sebesar 21,610 N/mm 2 dan node 180 sebesar 21,051 N/mm 2 pada kedua leher poros seperti terlihat pada gambar 5.
Gambar 5. Gradiasi Warna Tegangan Maks. Node No. 32 dan 180 Pada Kondisi 2
3) Kondisi Pembebanan 3
Pada  kondisi  pembebanan  dengan  beban impact akibat  roda  benjol  dengan  titik  pembebanan pada titik tumpu roda diperoleh tegangan maksimum pada kedua leher poros terletak pada node 32 dengan nilai sebesar 112,3 N/mm 2 dan node 180 sebesar 109,4 N/mm 2 pada kedua leher poros seperti diperlihatkan pada gambar 6.
Gambar 6. Gradiasi Warna Tegangan Maksimum Node No. 32 Pada Kondisi 3

## 3. ANALISA DAN PEMBAHASAN
Dengan  melihat  hasil  simulasi  pada  tiga  kondisi  dapat  diperoleh  letak  tegangan  maksimum  poros berada pada node no. 32 dan no. 180, seperti pada Tabel 1.
Tabel 1 . Tegangan maksimum hasil simulasi pada poros roda
Kondisi Beban Leher A Leher B Teg. maks (N/mm 2 ) No. node Teg. maks (N/mm 2 ) No. node Kondisi 1 11, 230 32 10, 940 180 Kondisi 2 21, 610 32 21, 051 180 Kondisi 3 112, 30 32 109, 40 180
Kedua node tersebut terletak pada area terluar asnaff yang berada pada 285,2 mm dari ujung poros dan  melihat  teori  kegagalan von  misses, agar  material  tidak  terjadi  kegagalan  maka  tegangan maksimum  yang  terjadi  tidak  boleh  melebihi  tegangan von  misses (N/mm 2 ). Yield  strength bahan  poros roda diambil dari nilai 450 Mpa. Yield strength atau Sy dari bahan poros:
= 225 N/mm 2 (6)
Pada pengujian dengan tegangan maksimum paling tinggi yaitu pada kondisi 3, nilai tegangan yang terjadi  sebesar  112,3  N/mm 2 dan  109,4  N/mm 2 sehingga  pada  pengkondisian  beban  poros  roda  kereta masih dalam batas aman karena tidak lebih besar dari tegangan yang diijinkan pada teori kegagalan von misses yaitu 225 N/mm 2 .

## 4. KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  perhitungan  dan  simulasi  menggunakan software  ansys diperoleh  beberapa kesimpulan yaitu:
1) Poros  roda  kereta  mengalami  distribusi  tegangan  yang  bervariasi,  distribusi  tegangan  relatif tinggi terjadi pada  area perubahan diameter poros dari diameter asnaff sampai dengan diameter astap . 2) Tegangan maksimum yang terjadi terletak pada node no. 32 dan no. 180 yaitu berada pada jarak 285,2  mm  dari  ujung  poros  dan  nilai  tegangan  maksimum  yang  diterima  poros  pada pengkondisian  beban  tertinggi  akibat  beban impact sebesar  112,3  N/mm 2 dan  109,  4  N/mm 2 masih dalam batas aman karena tegangan  yang diijinkan pada teori kegagalan von misses yaitu 225 N/mm 2 .

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Subyanto, M. 1982. “Dinamika Kendaraan Rel, Suatu Pembahasan Mengenai Gerakan Perjalanan Kereta Api Diatas Jalan-Baja Ditinjau Dari Segi Operasi Teknis” Bandung, CV. Komala.
[2] Pramono, Slamet. 2007. “Aspek Pengukuran Pada Perawatan Berkala di Dipo” Purwokerto, Dipo Kereta Purwokerto.
[3] Akbar Iskandar Chandra, Taufik. 2009. “Simulasi Pembebanan Gaya Berat Pada Mill Shaft Roll Shell Di Pabrik Gula Sei Semayang Dengan Metode Elemen Hingga ” Medan, Univ. Sumatera Utara.
[4] Siswosuwarno,  Mardjono.  2010.  “ Beberapa  Hasil  Penyelidikan  PLH:  Faktor  Penyebab  & Rekomendasi ” Tegal, Diklap Sarana BYTG-ITB Bandung.
[5] Biyanto  Nur,  Supriyana  Nana.  2012, “Analisa  Kegagalan  Poros  Roda  Menggunakan  Pengujian Bahan, Simulasi Ansys Dan Perhitungan MEH” Purwokerto, STTW.