1. PENDAHULUAN
Rusaknya logam akibat pembebanan yang berulang-ulang (dinamis) dikenal sebagai lelah (fatigue). Penelitian sifat lelah ini sangat diperlukan untuk menunjang perencanaan elemen mesin yang mengalami beban dinamis. Pentingnya penelitian sifat lelah ini mendorong untuk memiliki mesin uji lelah.
Mesin uji lelah, yang diperlukan untuk meneliti sifat lelah, sudah bisa dibeli dari negara-negara pembuatnya, tetapi harganya mahal. Oleh sebab itu, dicoba untuk dibuat sendiri, walaupun harus dimulai dengan mesin uji lelah yang paling sederhana. Di sini akan diuraikan mengenai perencanaan kinematis prototipe mesin uji lelah dengan pembebanan tarik bolak-balik dari jenis mekanis.
Yang menjadi masalah dalam usaha untuk merencanakan prototipe mesin uji lelah beban tarik bolak-balik adalah sebagai berikut:
Gambar 1. Beban tarik bolak-balik.
- (1) Diperolehnya pembebanan tarik bolak-balik seperti pada Gambar 1.
- (2) Dimungkinkannya perubahan P<sub>a</sub> (P<sub>amplitude</sub>) atau P<sub>r</sub> (P<sub>range</sub>) secara kontinu.
- i) Laboratorium Logam, Jurusan Mesin ITB.
- Laboratorium Mekanika Terpakai, Jurusan Mesin ITB.
- (3) Dimungkinkannya harga P<sub>min</sub> statik yang tetap.
- (4) Adanya perlengkapan pencatat jumlah siklus.
- (5) Mekanisme penghentian mesin, bila spesimen putus (lelah).
- (6) Hal-hal lain yang menjadikan mesin terencana memenuhi kualifikasi mesin uji lelah.
Struktur kinematis dari mesin yang direncanakan ditunjukkan pada Gambar 2. Motor listrik memutar poros engkol melalui transmisi rantai dan sproket. Gerak putar diubah menjadi gerak bolakbalik titik B, demikian pula titik C gerakannya sama dengan titik B tetapi berbeda dalam amplitudonya. Gerak bolakbalik titik C ini menyebabkan simpangan bolakbalik pada pegas yang dipasang seri dengan spesimen, dengan cara demikian maka spesimen menerima beban bolakbalik sesuai dengan simpangan pegas. Selanjutnya, cara kerja dari elemen-elemen mesin akan diterangkan pada bagian perencanaan kinematis.
Gambar 2. Struktur kinematis.
2. PERENCANAAN KINEMATIS
2.1. Mekanisme beban awal, statis.
Pada pembebanan yang melebihi batas luluh, spesimen mengalami pertambahan panjang yang permanen. Hal ini menyebabkan \(P_{min}\) (beban awal, statis) menjadi kecil. Untuk menjaga \(P_{min}\) agar tetap, dipakai mekanisme beban awal (static preload mechanism) yang direncanakan seperti pada Gambar 3. Jika terjadi pertambahan panjang yang permanen pada spesimen, puli-mur akan berputar sampai terjadi lagi kesetimbangan statika antara \(P_{min}\) dengan W. Kurva kalibrasi \(P_{min}\) terhadap m = W/g dapat digunakan untuk memperkirakan besar m untuk mendapatkan \(P_{min}\) yang dikehendaki.
Gambar 3. Mekanisme beban awal, statis.
2.2. Pengukur Beban
Untuk mengukur beban yang dialami spesimen, dipakai load cell yang dipasang seri dengan spesimen. Letaknya di antara mekanisme beban awal dan pemegang spesimen bagian atas. Sistem pengukurannya ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 4. Pengukur beban.
2.3. Pemegang spesimen.
Gambar 5 menunjukkan konstruksi pemegang spesimen (grip), yang direncanakan untuk spesimen
pelat. Dengan mengencangkan mur (yang mempunyai lubang-lubang radial) maka spesimen akan terjepit di antara pasak-pasak. Untuk spesimen batang bulat, pasak-pasak diganti dengan yang sesuai.
Gambar 5. Pemegang spesimen.
2.4. Pegas pembeban.
Dengan menyusun beberapa pegas tekan seperti tampak pada Gambar 6, diperoleh suatu susunan pegas tarik yang kekakuannya sama dengan jumlah kekakuan semua pegas penyusunnya. Pegas pembeban (susunan) ini dipasang seri dengan spesimen sehingga dengan cara memberi defleksi bolak-balik pada pegas akan diperoleh beban tarik bolak-balik pada spesimen.
Gambar 6. Pegas pembeban, sakelar lelah, dan kontaktor pencacah.
2.5. Pencacah.
Untuk mencatat jumlah siklus dipakai pencacah. Pencacah untuk keperluan ini adalah kalkulator Casio fx-120 yang dimodifikasi seperlunya. Fungsi pencacah/counter pada kalkulator ini adalah ulang-ulang maka kalkulator akan mencacah sesuai dengan jumlah tekanan pada tombol =
Agar kalkulator ini dapat dimanfaatkan maka tombol = diparalelkan dengan kontaktor di luar kalkulator (titik R dan S pada Gambar 9). Satu kali tekanan pada tombol = dapat digantikan dengan satu kali kontak/sentuhan antara titik R dan S.
Dalam kondisi pengujian lelah, kontak antara titik R dan S dilaksanakan dengan kontaktor pencacah seperti ditunjukkan pada Gambar 6. Sebelum spesimen putus, bagian yang bergerak pada pegas pembeban hanyalah pelat B. Dengan gerakannya yang naik-turun maka kontaktor pencacah melepas dan menghubungkan titik R dan titik S.
2.6. Sakelar lelah.
Untuk rangkaian motor satu fasa, direncanakan sakelar jenis mekanis seperti tampak pada Gambar 6. Sebelum spesimen putus hanya pelat B dari pegas pembeban yang bergerak, pelat A dan C tinggal diam. Dalam keadaan ini arus listrik dari sumber daya listrik ke motor penggerak masih mengalir lewat kontaktor tembaga pada ruas PQ dari rangkaian sumber daya listrik-motor (Gambar 8).
Begitu spesimen putus, maka pelat A, B, dan C dari susunan pegas pembeban bergerak bersamasama sehingga sakelar lelah bekerja melepaskan kontaktor tembaga, dan arus listrik pun terputus di ruas PQ dari rangkaian sumber daya listrik-motor.
2.7. Mekanisme pembeban.
Sebagai mekanisme pembeban dipakai mekanisme enam batang seperti terlihat pada Gambar 2. Enam batang penyusun mekanisme tersebut adalah rangka/fixed link (1), engkol atur (2), batang penghubung-1 (3), batang transmisi (4), batang penghubung-2 (5), dan tangkai pegas/slider (6).
2.8. Engkol atur.
Untuk membangkitkan beban bolak-balik dan mengatur \(P_a\) secara kontinu dipakai engkol atur (adjustable throw/crank). Engkol atur adalah engkol yang dapat diatur panjang lengannya (r), seperti ditunjukkan pada Gambar 7. Suatu pelat pembawa pena engkol dapat digeser letaknya dengan cara memutar baut-baut pengaturnya (set screws) sehingga sumbu pena engkol mempunyai jarak tertentu (r) terhadap sumbu poros. Kurva hasil kalibrasi \(P_a\) terhadap r dapat digunakan untuk memperkirakan
harga r yang harus dipasang untuk mendapatkan amplitudo beban yang dikehendaki.
2.9. Transmisi.
Sebagai media transmisi daya dari motor penggerak ke poros engkol dipakai rantai dan sproket. Putaran motor ke poros engkol direduksi dengan faktor reduksi sebesar i. Jika digunakan pengaturan putaran sampai 120%, maka putaran maksimum dari poros engkol \((n_p)\) adalah \(n_p = 1,2\) n/i, di mana n adalah putaran motor. Putaran poros engkol ini sama dengan frekuensi siklus beban bolak-balik.
Gambar 7. Engkol atur.
2.10. Motor penggerak dan pengaturan putaran.
Sebagai penggerak dipakai motor listrik dengan pengaturan putaran. Maksud pengaturan putaran ini adalah untuk meneliti pengaruh perubahan frekuensi terhadap sifat lelah. Sistem motor penggerak dan pengaturannya ditunjukkan pada Gambar 8, titik P dan Q dihubungkan dengan sakelar lelah.
Gambar 8. Motor penggerak dan pengaturan putarannya.
2.11. Susunan lengkap.
Jika semua elemen mesin disusun dalam suatu rangka, maka akan diperoleh susunan lengkap dari prototipe mesin uji lelah yang direncanakan adalah seperti ditunjukkan pada Gambar 9. Gambar 10 menunjukkan foto dari alat yang dibuat.
Gambar 9. Susunan lengkap.
Gambar 10. Foto alat hasil pembuatan.
III. PENGUJIAN DAN PENGAMATAN
Pengujian yang dilakukan meliputi beban bolak-balik pada spesimen, kalibrasi \(P_a\) (amplitudo beban) terhadap r (lengan engkol), dan kalibrasi \(P_{\min}\) (beban awal, statis) terhadap m (massa pembeban). Pengamatan yang dilakukan meliputi respons pencacah, kerja sakelar lelah, kerja pemegang spesimen, kebisingan, dan kerusakan elemen-elemen mesin.
Berikut ini ditunjukkan kurva kalibrasi \(P_a\) terhadap r dan \(P_{\phi \ min}\) terhadap m, pengujian dan pengamatan lain dapat dilihat pada pustaka (lihat daftar pustaka).
Gambar 10. Kurva kalibrasi \(P_a\) terhadap r (10-a) dan \(P_{\phi min}\) terhadap m (10-b).
IV. PENUTUP
Prototipe mesin uji lelah yang dibuat dalam rangka tugas sarjana ini telah selesai dibuat dan disimpan di Laboratorium Metalurgi Fisik — Jurusan Mesin ITB, sebagai pelengkap sarana laboratorium.
Beberapa masalah yang ditemui pada prototipe ini adalah bunyi bising dari rantai dan motor, keausan pena dan lubang, masalah pengerjaan, pengaturan putaran, dan masalah pengembangan misalnya sakelar lelah untuk rangkaian tiga phasa dan engkol atur yang masih ketinggalan dari exciter elektris atau hidrolis jika dilihat dari segi pengaturannya.