Abstract

This study was done in one of the soft drinks manufacturer industries in Jakarta, which hassome line series of bottles filler machines. In 2013, something has happenned to the machine--adown time for 3 hours which may cause the chain pin broken on the linier filler machine. The purposeof this study is to analyse the damage problem on the machine and to maintain pin chain. Severaltests have been done such as the hardness test, chemical composition test, and metallographictest. The test result of broken material is seen that the type of material that is used is SS 431. It’sseen from pin chemical compoistion doesn’t change everything, it is suitable with standard material,the broken point at midlle of chain pin. Metallographic test shows on the pin area can be foundtemper martesite structur and raugh grain so become hard and britlle, finally is easy to happen fault.The strenght of pin meet the design criteria, the torque happaned as big as 7987 Nm, it is seen fromshear stress that happaned as big as 490 N/mm2. The reliability of 90% is achieved if is checkedof chain and pin at the seventy tree of day after changing and replacement of the new chain pin withthe same type.

Key Words: pin broken, torque, fatigue, metal testing

PENDAHULUANPada bulan Mei sampai dengan Nopember

2013, telah terjadi kerusakan atau kegagalan padapin rantai mesin filler linier pada sebuah pabrikindustri minuman ringan di Jakarta. Gambar 1.Memperlihatkan Pin rantai dari mesin filler linierdaerah masuknya botol untuk proses pengisianproduk.

Patahnya pin terjadi pada bagian tengah,dimana pin tersebut berfungsi sebagai dudukanhanger dan cell bar. Dari informasi yang dipe-roleh bahwa pin rantai ini telah mengalami kega-galan atau patah sebanyak 5 kali selama diguna-kan dalam 1 (satu) tahun, patah pertama kali ter-jadi pada Mei tahun 2013, pin yang patah dila-kukan penggantian dengan pin yang baru. Setiapkali terjadi kegagalan pada pin rantai mesin fillerlinier ini dibutuhkan waktu 3 jam untuk prosespenggantian dan instalasi pin tersebut.

Gambar 1. Mesin filler linier

Penelitian ini bertujuan (1) menentukanjenis kerusakan dan faktor-faktor yangmempengaruhi terjadinya kegagalan pin rantaimesin filler linier. Untuk itu, dalam penelitianini dilakukan pengujian dan analisis sebagai

ANALISA KERUSAKAN DAN OPTIMASI PEMELIHARAANPIN RANTAI PADA MESIN FILLER LINIER

Ahmad ZayadiProgram Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik dan Sains, Universitas Nasional

Jl. Sawo Manila No. 61 Pejaten Pasar Minggu, Jakarta Selatan - 12520Telp/HP. 081218269990 E-mail: azay_114@yahoo.com

UPN "VETERAN" JAKARTA

berikut: pengukuran dimensi, pengujiankekerasan, pengujian metalografi, dan analisakomposisi kimia dari material pin, dan (2) dengandiketahuinya jenis dan penyebab kerusakan padapin rantai mesin filler linier, maka dapatmemberikan petunjuk untuk melakukan perbaikandan tindakan pemeliharaan terhadap pin rantaisesuai dengan jenis dan penyebab kerusakan agarkerusakan serupa tidak terulang kembali.

Pengambilan data dan pengujian materialdalam proses penelitian ini dilakukan dalamperiode Mei - Nopember 2013 dari sebuah sebuahpabrik industri minuman ringan di Jakarta.

METODE PENELITIANAgar dapat diketahui analisa dari hasil

penelitian yang dilakukan ini, maka pada bab inimaka akan dibahas mengenai metode penelitianyang digunkan, proses pelaksanaan penelitianserta prosedur dari penelitian yang dilakukan,dimana pelaksanaan analisa kerusakan pin rantai,dilakukan di laboratorium metalurgi B2TKSPuspitek BPPT Serpong, dimulai dari persiapanmaterial atau bahan uji berupa bahan pin rantaiyang menjadi objek penelitian sampai prosespengujian material pin tersebut. Untukmendapatkan karakteristik dan sifat-sifat darimaterial pin rantai, diperlukan langkah-langkahpenelitian sebagai berikut:

Berdasarkan hasil pengamatan dan analisasecara visual, maka penyebab kerusakan dankegagalan pin rantai karena beban fatique, danuntuk mendapatkan evaluasi kerusakan dankegagalan pin rantai tersebut, diperlukan beberapametoda pengujian diantaranya adalah (1)pengukuran fisik material pin, berupa pengukuranpin dan kerusakan fisik yang terjadi pada pinrantai, (2) pengujian kekerasan pin, (3) pengujianmetallografi, (4) pengujian fraktografi, dan (5)pengujian komposisi kimia pin.

Dengan metoda penelitian diatas diharap-kan didapatkan hasil penelitian yang dapatmemberikan gambaran penyebab kerusakan atau

kegagalan pada pin rantai mesin filler liniersecara komprehensif.

HASIL DAN PEMBAHASANHasil Pengujian makrofraktografi dilakukan

pada daerah patahan untuk melihat permukaanpatahan, pemeriksaan ini dilakukan dengan alatstereo mikroskop, dari foto makro tersebut dapatdilihat indikasi terjadinya patahan. Daripemeriksaan makrofraktografi ini diketahui dalamsatu hanger pin terdiri dari dua bagian, sepertiterlihat pada gambar 3. Hasil foto makro ini jugaterlihat adanya patahan yang terjadi pada pin.

Gambar 2. Diagram Alir Penelitian

UPN "VETERAN" JAKARTA

MakrofraktografiHasil pengamatan secara visual dan makro

fraktografi terhadap permukaan patahan pin rantaimesin filler antara lain; (1) permukaan patahanpin 1 mempunyai bidang rata dan halus 3/4bagian, sedangkan 1/3 dari luas patahanmerupakan patah sisa, (2) permukaan patahanpin 2 (satu rangkaian Cellbar dengan pin 1)mempunyai bidang patah rata separuh danseparuhnya merupakan patah sisa (patah statik)dan mempunyai sudut patah 45°, dan (3) padaPin kondisi tidak patah sebagai pembanding,ditemukan adanya keausan akibat gesekan denganrantai tetapi tidak berpengaruh terhadap operasi.

MetallografiHasil pemeriksaan metallografi terhadap

pin yang patah dengan pin kondisi normal antaralain: (1) Struktur mikro pin 1 dan pin 2 pada

daerah awal patah berupa martensit temperdengan bentuk patahan melewati batas butir danpada daerah tepi ditemukan adanya serangankorosi celah, dan (2) pada pin kondisi normalstruktur mikro berupa martensit temper dengankarbida krome menyebar merata pada butiran.

Uji KekerasanPengujian kekerasan material pin

dilakukan dengan alat uji kekerasan skala vickersdengan 3 sample pengujian. Hasil pengujian.Sample 1 pengujian kekerasan dilakukan padapin 1 patah, kekerasan material berkisar antara328 s/d 271 HV, sample 2 pengujian kekerasanpada pin 2 patah dengan nilai kekerasan materialberkisar antara 391 s/d 407 HV serta sample 3pengujian dilakukan pada pin yang tidakmengalami patah (normal), kekerasan materialberkisar antara 336 s/d 386 HV.

Gambar 3. Foto makro Pin penghubung rantai dengan dudukan tempat hanger untuk bebankerja. Pada Pin yang patah dapat diilustrasikan; pin 1 merupakan penerima beban tarik terberat

dibandingkan pin 2, sehingga bentuk patahan bersifat rata (adanya patah fatiq) yangmerupakan patah pertama, sedangkan pin 2 merupakan patah kedua yang

mempunyai patahan separuhnya membentuk sudut 45°

UPN "VETERAN" JAKARTA

Uji Komposisi KimiaPada pengujian kimia material pin seperti

yang ditunjukkan pada tabel di bawah. untuk pinrantai tergolong jenis baja tahan karat (SS 431)dengan jumlah persentase karbon 0.125%.

Material pin ini mendekati material standaruntuk stainless steel yang memiliki ketahanankorosi dan kekuatan fatigue yang baik sehinggapemilihan bahan sudah sesuai untukpemakaiannya sebagai pin rantai seperti terlihatpada perbandingan komposisi kimia tabel 1.

Tabel 1.Perbandingan komposisi kimia pin rantai dengan

material standar

Hasil Perhitungan Kekuatan Pin RantaiHasil pengukuran dimensi material pin

yang mengalami patah menjelaskan bahwa, tidakterjadi perubahan dari ukuran pin sebelum dansesudah terjadinya patah. Data operasi yang ada,pin rantai berputar dari 4100 rpm menjadi 48rpm daya dari motor sebesar 32 Nm dan panjangrantai 17 m sedangkan jarak center antar sprocket7,75 m dan kecepatan rantai adalah 39 m/menit.

Perhitungan kekuatan pin pada rantaiPerhitungan gaya (tension) yang bekerja

pada pin berdasarkan daya dari motor yangdigunakan, maka dapat dihitung torsi yang terjadi

pada masing-masing sprocket dengan persamaansebagai berikut:

Torsi pada drive penggerak (T1)

T mean =22 x 60.000

2 x 3 x 4 x 48

= 6390 Nm

T max =125

= 1.25 x 6390 = 7987.22 Nm

Torsi pada drive yang digerakkan (T2)

Tmean

T 2 =D2

Gaya maksimum yang diijinkan adalah

D1x T max

= 0.75 x 7978.22 = 5990.42 nm

P = O Hukum Newtom II P1 = P2

T2 = P D2

P2 = 2T2

D2

P2 = 2 x 5990.42 Nm

0,75 m= 15975 N

Sehingga beban yang terjadi adalah sebesar :

Karena rantai terbagi menjadi 2 (dua)bagian kiri dan kanan maka gaya yang bekerjadiasumsikan terbagi 2 yaitu:

P2 = 15795 N9.81 m /det

= 1628 N

P2 = 15795 N2

= 7987 N

Tegangan geser didefinisikan sebagaiintensitas geser (shearing force) yang bekerjapada suatu titik pada permukaan suatu bidang.Huruf (t) dalam abjad Yunani digunakan untukmenandakan tegangan geser.

Tnom = PA

Tnom = PA

Tnom = Pn d24

Tnom = 7987n 824

= 158.98 N/mm2

∑

UPN "VETERAN" JAKARTA

Bearing stress atau tegangan yang terjadiantara dua bagian/part yang saling kontak, namunbergantung pada area dan gaya kontak. Salahsatu indikator dari bearing stress adalah intensitasgaya yang dibagi dengan luas penampang darikomponen tersebut. Bearing stress yang terjadidirumuskan dengan persamaan dibawah ini:

dimana:P = Bearing forceA = Luas cross section, = A = t x d (t adalahtebal plat, dan d adalah diameter hole), denganP = 7987 N, t = 3 mm, d= 8.5 mm, makabearing stress yang terjadi adalah :

Hasil perhitungan pin rantai, didapatkannilai tegangan geser sebesar 158.98 N/mm2.maka dapat dilihat bahwa gaya yang terjadi masihdibawah tegangan yield yang diijinkan, sehinggasecara perhitungan kekuatan pin rantai masihmampu menahan beban yang terjadi selamaproses berlangsung.

Hasil Perhitungan Reliability

Tabel 2. Tabel Data Failure Rate

Dari data diatas, didapatkan nilai mean danstandar deviasi sebesar 46.20 dan 16.86. Datatersebut kemudian diregresikan untuk mendapat-kan nilai beta dan etha seperti terlihat pada lampi-ran 3.Hasil betha dan etha yang diperoleh kemudi-an dimasukkan dalam perhitungan failureratekemudian dibuatkan grafik seperti pada gambar5.

Gambar 5. Grafik Failure Rate

Gambar 5 diatas menunjukkan kurva yangsemakin meningkat sesuai dengan nilai bethayang didapatkan yaitu ß >1. Artinya potensikerusakan semakin lama akan semakin besarsehingga diperlukan jadwal pemeliharaanterhadap pin agar kejadian patahnya pin ditengahproses dapat dihindari atau dikurangi sehinggatidak menimbulkan down time yang berakibatpada penurunan produktivitas dan biaya operasiyang tinggi. Dalam perhitungan total expectedreplacement cost seperti ditunjukkan pada gambar

Tb = PA

Tb = PA

Ptd

=

UPN "VETERAN" JAKARTA

6. untuk mendapatkan reliability sebesar 90%maka pemeriksaan berkala terhadap pin rantaiharus dilakukan pada hari ke 73 (tujuh puluhtiga) setelah penggantian dan pemasangan pindan rantai yang baru. Pemeriksaan dapatdilakukan dengan dye penetrant untuk mengetahuiada atau tidaknya retak pada pin. Selain itupemeriksaan terhadap sistem pada mesin fillerlinier secara operasional juga harus dilakukanseperti ada atau tidaknya indikasi rantai tidaksimetris terhadap cell bar, pemeriksaan dilakukanpada hari ke 73 (tujuh puluh tiga). Cell barberfungsi sebagai dudukan beban (botol) sehinggamenimbulkan gaya tarik-tekuk pada pin. Danbeban pergerakan rantai tidak stabil dalam artiada hentakan atau beban kejut sehingga dapatmenimbulkan terjadinya patah pada pin rantai.

Gambar 6. Grafik Biaya vs Interval Pemeriksaan

Berdasarkan gambar 6 dapat dijelaskanbahwa waktu yang optimum untuk melakukanpemeriksaan terhadap pin dan rantai adalah padahari ke 73 setelah penggantian dan pemasanganpin yang baru, Hasil Mean dan Standar Deviasikemudian dimasukkan dalam perhitungan totalExpected replacement cost.

Tindakan Pencegahan KegagalanTindakan perbaikan yang dapat dilakukan

dalam melakukan pemeliharaan terhadap mesinfiller linier lebih khusus terhadap pin rantai dapatdilakukan dengan pemeriksaan berikut: (1)Pemeriksaan NDT dengan dye penetrant untukmengetahui apakah telah terjadi tanda-tandaadanya retak pada pin, karena penetrant mampumemberikan informasi apabila pada benda uji

mengalami retak dengan menampilkan warnamerah yang telah disemprotkan sebelumnyadiatas warna putih, (2) Pemeriksaan denganvibration analyzer, dengan alat ini mampumendeteksi secara dini terjadinya kerusakan padasuatu elemen mesin secara menyeluruh dalamsebuah sistem kerja. “Bagian-bagian tersebutakan dihasilkan berupa minuman dan harushigenis disarankan untuk mengganti material pinrantai agar tidak terjadi korosi pada bagian pinrantai. Jika diperlukan solusi maka sebaiknyamaterial pin yang lama diganti dengan materialyang lebih baik yaitu material yang tahan terhadapkorosi yaitu berupa cobalt alloy steel”, dan (3)Secara operasional dipastikan bahwa tidak adabotol yang jatuh ataupun botol tersangkut yangdapat menjadi penyebab adanya beban kejut darirantai pin dengan menempatkan operator sighter.

SIMPULANPenyebab patahnya pin rantai mesin filler

linier lebih disebabkan oleh adanya beban fatigueyang terjadi pada pin rantai tersebut yang awalnyapada bagian yang mengalami korosi, selain itupada bagian tersebut memiliki tingkat kekerasanmaterial paling tinggi.

Besarnya beban torsi yang bekerja padapin rantai sebesar 7987 N.m, tegangan gesermaksimal yang terjadi adalah 158.98 N/mm2

sedangkan gaya yield yang ijinkan adalah sebesar490 N/mm2. Tegangan geser yang terjadi masihdibawah gaya yield ijin sehingga material masihcukup aman menerima beban statis, namunserangan korosi terjadi pada permukaan pin makaarea korosi tersebut daerah awal fatigue karenakelelahan pin rantai beroperasi.

Saat ini pemeliharaan yang dilakukanadalah dengan pemberian oli pada rantai, sedang-kan pin tidak dilakukan tindakan pemeriksaankondisi.

Pemeriksaan preventive maintenanceterhadap pin dapat dilakukan dengan nondestruktif test seperti dye penetrant untukmengetahui ada atau tidaknya retak. Denganvibration analysis alat ini mampu mendeteksisecara dini terjadinya kerusakan pada suatuelemen mesin

Frekuensi pemeriksaan pin dengan kondisidesain saat ini sebaiknya dilakukan pada hari ke

UPN "VETERAN" JAKARTA

73 (tujuh puluh tiga) agar kejadian pin rantaipatah ditengah proses dapat dihindari sehinggaperformance dari keseluruhan line tidakterganggu. Selain mempertimbangkan nilaikerugian yang cukup besar akibat dari kegagalanpin rantai mesin filler linier.

Jika diperlukan solusi maka sebaiknyamaterial pin rantai yang lama diganti denganmaterial lebih baik yaitu : berupa cobalt alloysteel yang tahan terhadap serangan korosi karenapada saat proses berlangsung terdapat H2O2yang dapat menyebabkan material pin terkenaserangan korosi.

DAFTAR PUSTAKAAndrew K.S. Jardine, Albert H.C. Tsang, 2006.

Maintenance, Replacement and ReliabilityTheory and Applications, CRC Tailor andFrancis.

American Society of Material, 2002. HandbookVol 11, Failure Analysis and Prevention.

Budynas-Nisbett, 2008. Shigley’s MechanicalEngineering Design 8th Edition, TheMacGraw Hills.

D.N. Adnyana, 2009. Klasifikasi KerusakanSecara Umum, Institut Sains dan TeknologiNasional, Jakarta.

GP. Sullivan, 2007. Operation and MaintenanceBest Practice, Pacific Nortwest.

Heriy Sonawan, Perancangan Elemen Mesin,Alfabeta, Bandung, 2010.

Khurmi, R.S., 2004. A text book of machinedesign. S.I. Units. New Delhi: EurasiaPublishing House (Pvt) LTD.

Heriy Sonawan, 2010. Perancangan ElemenMesin, Alfabeta, Bandung.

www.atlas.com, 2014.

www.corrosionsource.com.2014.

UPN "VETERAN" JAKARTA