Dunia Kereta - Fenomena antara Roda dan Rel Kereta

Roda berbentuk lingkaran, tetapi apakah bentuk roda masih tetap lingkaran sempurna ketika sudah dipasang di mobil atau motor? Kita lihat bahwa roda mobil yang diparkir tidaklah berbentuk sempurna lingkaran. Pada kontak antara roda dan jalan maka roda terdistorsi mengikuti bentuk jalan. Hal ini karena beban berat mobil yang harus ditumpu oleh roda. Ketika mobil berjalan, fenomena ini juga terjadi walaupun tidak bisa kita amati. Fenomena ini disebut elastic distortion yaitu perubahan bentuk sesaat dan kembali lagi ke bentuk semula.

Seperti halnya mobil, roda kereta juga mengalami hal yang sama. Bukankah roda kereta terbuat dari besi? Iya benar. Akan tetapi, beban kereta yang sangat berat dan posisi kontak antara roda kereta dan rel yang sempit menyebabkan tekanan antara roda dan rel sangat besar. Selanjutnya akan dibahas lebih dalam mengenai fenomena yang terjadi pada kontak antara roda dan rel pada kereta.

Tidak seperti mobil, kereta memiliki desain roda yang khusus yang memiliki karakteristik yang unik antara lain hunting oscilation. Keunikan ini antara lain karena (1) Rel kereta memiliki profil khusus, yang ternyata agak dimiringkan sedikit, lihat gambar 1 bagian no 3., ini dilakukan untuk menyesuaikan profil roda dan juga untuk transfer beban yang baik ke bagian balas. (2) Kontak antara roda dan rel sangat kecil dibandingkan pada kontak roda mobil dan jalan. Kontak antara roda dan rel hanya memiliki luasan sekitar 1 cm2, sehingga pada kontak ini akan timbul tekanan yang sangat besar. Berdasarkan dua hal ini, maka kontak roda dan rel akan berubah - ubah tergantung kondisi lintas, lurus atau lengkung. Pada lintas lurus, kontak terjadi pada wheel tread dan kepala rel, gambar 2 titik 1. Sedangkan ketika di lintas tikungan, maka kontak roda ada dibagian flange dan sisi dalam rel. Inilah yang menyebabkan hunting oscilation.

Kontak antara roda dan rel kereta ini termasuk dalam gerak rolling – sliding. Apa itu rolling – sliding? Sebelumnya sedikit kita ingat pelajaran fisika. Gerak rotasi adalah gerakkan roda yang berputar ditempat, roda motor ketika tidak menyentuh tanah. Gerak sliding adalah gerakan meluncur, roda motor berpindah tempat tetapi tidak berputar, terpeleset. Gerak rolling adalah perpaduan antara gerak rotasi dan gerak sliding, roda berputar dan juga berpindah tempat, contohnya gerak roda motor yang sedang berjalan. Sedangkan gerak roda kereta rolling – sliding maksutnya ialah, ketika gaya gesek antara roda dan rel cukup, sebenarnya roda kereta bergerak rolling, tapi suatu saat, ketika gaya gesek roda dan rel tidak cukup, maka akan terjadi sliding. Jadi inilah kenapa gerak roda kereta di rel disebut gerak rolling – sliding.

Akibat adanya gerak rolling – sliding ini, maka kecepatan linier kereta ( Vt = Kec_sudut x Radius_roda) dan kecepatan kereta yang sebenarnya berbeda, perbedaan ini disebut dengan kecepatan sliding. Perbandingan antara kecepatan sliding dan kecepatan rolling inilah yang disebut dengan Creep. Beberapa literature menyebutkan bahwa Creep adalah rasio antara kecepatan sliding dan kecepatan kereta, dengan asumsi Creep yang terjadi kecil. Pada kontak antara flange roda dan sisi samping rel biasanya Creep tinggi, sedangkan pada kontak antara wheel tread dan kepala rel biasanya Creepnya kecil.

Reff:

[1] Yi Zhu. Adhesion in the wheel rail contact under contaminated conditions. Thesis. Department of Machine Design. Stockholm 2011.

[2]http://www.chalmers.se/en/about-chalmers/calendar/Pages/lunch-bunch-wheel-rail-interaction.aspx

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Adhesion_railway

Read More

Dunia Kereta - Analisa Lintasan Lengkung: Roy Diagram

Pada kesempatan kali ini, kembali akan kita pelajari bersama mengenai lintasan. Kali ini, tema yang akan kita angkat adalah analisa lintasan lengkung. Pada analisa kali ini, kita akan memakai  metode yang cukup terkenal dalam dunia pekeretaapian yaitu ROY DIAGRAM. Sebelum melangkah lebih jauh, akan kita cari tahu terlebih dahulu kenapa analisa lintasan lengkung sangat penting. Lihat gambar 1 dibawah ini. Pada ilustrasi ini terlihat sebuah kereta yang berada pada lintasan lengkung. Pada posisi tersebut, maka roda dan tentunya bogie akan mengarah sesuai arah lengkung lintasan, sedangkan body kereta sendiri tidak bisa melengkung. Hal ini menyebabkan ada bagian kereta yang menonjol jauh dari lintasan terutama bada bagian ujung – ujungnya. Jika pada lintasan lengkung ini kanan – kirinya bebas tidak begitu masalah, tetapi masalah akan timbul jika melewati peron atau terowongan yang memang gauge (ruang bebas) nya sudah ditentukan. Untuk itu, analisa lintasan lengkung sangat diperlukan dalam mendesain kereta sehingga kereta aman dan tidak melewati ruang bebas yang sudah ditentukan.

Gambar 1. Posisi bogie dan badan kereta ketika berada pada lintasa lengkung
(http://the-contact-patch.com/book/rail/r1114-railway-suspension )

Pada kesempatan kali ini, kita akan belajar analisa lintasan lengkung dengan metode roy diagram. Gambar 2 menunjukkan posisi kereta ketika melewati lintasan lengkung berjari – jari 80000 mm. Gambar lintasan ada diatas dan gambar kereta tampak samping ada dibawah. Pada Gambar 2, akan diselidiki beberapa titik fital yang rawan menjorok keluar lintasan ketika melewati lintasan lengkung yaitu pada titik A dan F pada ujung kiri kereta, titik B dan C pada bagian tengah, dan titik C dan D pada ujung kanan kereta.

Tarik garis proyeksi lurus dari titik pivot bogie hingga berpotongan pada gambar lintasan. Lakukan pada bogie depan dan belakang. Setelah mendapat kedua titik potong proyeksi di gambar lintasan, kemudian buat garis lurus dengan menghubungkan kedua titik tadi. Setelah proyeksi selesai kita lakukan, sekarang ukur jarak masing – masing antara lintasan dan garis lurus yang kita buat tadi tepat diatas bagian kereta/ titik yang akan kita amati. Pada titik A dan F, jika ditarik proyeksi menuju gambar lintasan, maka akan diperoleh jarak antara lintasan dan garis lurus yang kita buat tadi pada jarak 300 mm, berarti penyimpangan yang terjadi pada titik A dan F pada arah lateral ( tidak melihat posisi vertical dari titik A dan F) adalah 300 mm. Begitupun untuk titik B dan E serta titik C dan D dilakukan dengan cara yang sama.

Gambar 2. Roy Diagram arah lateral

Selanjutnya kita tinjau arah vertical, lihat gambar 3. Ketika kereta melewati lintasan lengkung, diperkirakan akan terjadi tilt ( kemiringan) pada badan kereta. Karena kemiringan ini cukup kecil, maka biasanya untuk pembuatan ROY DIAGRAM kemiringan diambil angka 1 derajad. Pada gambar 3 terlihat ilustrasi kereta ketika posisi tegak dan setelah dimiringkan sebesar 1 derajad. Kita ukur jarak penyipangan antara sebelum dan setelah dimiringkan. Terlihat pada gambar 3, pada posisi pengamatan titik A, B, dan C terjadi penyimpangan sejauh 55 mm, sedangkan pada titik D, E, dan F terjadi penyimpangan sejauh 25 mm.

Gambar 3. Roy Diagram arah vertical

Setelah melakukan pengamatan roy diagram pada arah lateral dan vertical, kita rangkum hasilnya pada tebel 1 untuk dianalisa apakah posisi titik yang diamati bebas dari loading gate. Pada titik A ( dimana ketinggian dari kepala rel 3000 mm dan simpangan setelah dimiringkan 1 derajad adalah 50 mm) maksimum deviasi arah laterah adalah 300 mm, jarak dari titik tengah setelah dimiringkan adalah 1100 mm, sehingga total space yang diperlukan 1450 mm ( M + maximum deviation + wide from central line). Karena kinematic gauge/ loading gauge yang tersedia adalah 1500 mm, maka masih ada space free sebesar 1500-1450 = 50 mm, artinya pada titik A posisi aman terhadap loading gauge ketika berada pada lintasan lengkung dengan jari – jari 80000 mm. Selanjutnya cara yang sama dilakukan untuk mengamati titik B hingga F.

Tabel 1. Rangkuman pembacaan Roy Diagram

Baca juga: Analisa Lintasan Lengkung Metode Vogel Diagram.

Read More

Dunia Kereta - Suspensi pada Kereta Api

Pada artikel kali ini akan kita pelajari bersama tentang sistem suspensi yang ada pada kereta api. Mulai dari sistem yang sederhana hingga yang modern. Sebelum masuk lebih jauh, sebaiknya kita tahu apa itu sistem suspensi dan fungsinya. Sistem suspensi adalah sistem yang berfungsi memberikan redaman pada goncangan yang dialami kereta sehingga memberikan kenyamanan bagi penumpang. Sistem suspensi memegang peranan sangat penting pada kereta api. Kita tahu bahwa rel terbuat dari besi baja, begitupun roda kereta api, apa jadinya ketika terjadi goncangan jika tidak ada suspensi pada kereta api.

Pada kesempatan ini akan dibahas sistem suspensi pegas (spring), karet (rubber), dan udara (air spring). Akan tetapi sebelum itu, lebih baik kita kenal terlebih dahulu apa itu primary suspension(suspensi primer) dan secondary suspension(suspensi sekunder). Suspensi primer adalah suspensi yang menghubungkan antara roda dan bogie frame. Sedangkan suspensi sekunder adalah suspensi yang menghubungkan antara bogie frame dan bodi kereta.

Suspensi pegas (Steel spring)

Gambar 1

Suspensi pegas terbuat dari pegas baja sehingga dikenal dengan steel spring. Gambar 1 diatas adalah salah satu ilustrasi dari steel spring, dimana jenis yang dipakai adalah daun (leaf spring), yakni berupa beberapa lempeng baja yang memiliki panjang berbeda yang disatukan oleh strap (pengkikat)(gambar warna kuning di tengan steel spring). Horn plate berfungsi sebagai tempat axle box yang sekaligus menjaga gerakan horizontal dari axle. Sedangkan spring hanger adalah tempat tumpuan steel spring.

Jika satu kereta (car) memiliki dua bogie, maka masing – masing bogie akan menahan setangah berat kereta. Dan jika satu  bogie memiliki dua axle, maka setiap axle akan menahan seperempat beben kereta. Dan jika pada satu axle terdapat empat spring hanger, berarti masing – masing spring hanger akan menahan beban 1/16 dari berat kereta. Ketinggian bogie relative terhadap rel biasa diatur melalui srew di spring hanger. Pengaturan ini diperlukan seiring dengan berkurangnya diameter roda karena keausan.

Seperti disebutkan sebelumnya, suspensi sekunder adalah suspensi yang menghubungkan antara bogie dan body kereta. Seperti terlihat pada gambar dibawah, suspensi sekunder yang berupa coil spring bertumpu pada spring plank, Gambar 4. Dimana spring plank sendiri ditahan oleh bearer rod yang berpegangan pada transom melalui  swing link ,Gambar 2.  Swing link disini berfungsi untuk mengakomodasi gerakan kesamping.

Gambar 2

Gambar 3

Gambar 4

Body kereta sendiri bertumpu pada centre bearing, dimana centre bearing ini juga berfungsi sebagai titik pivot ketika kereta berbelok. Sedangkan dua side bearer di sisi kanan dan kiri berfungsi sebagai penyangga tambahan agar lebih stabil. Keduanya memiliki permukaan atas datar sehingga tidak menghalangi putaran pivot bogie di tikungan.

 Suspensi Karet (Rubber suspension)

Suspensi pegas (steel spring) memiliki stabilitas yang baik dan cukup reliable, akan tetapi cukup berat dan memerlukan maintenance yang teratur karena sifatnya yang bisa berkarat. Disisi lain, sudah ditemukan karet yang cukup kuat dan mampu memberikan fungsi yang sama dengan steel sping. Untuk itu, pada abad ke 19 suspensi karet mulai dipakai dikombinasikan dengan suspensi pegas. Baru pada tahun 1950an, beberapa kereta mulai memakai suspensi karet penuh, baik pada suspensi primer maupun sekundernya. Seperti terlihat pada gambar 5, desain axlebox dibuat dengan bentuk khusus yang memungkinkan untuk pemasangan suspensi karet disudut-sudutnya sehingga gaya berat dapat terdistribusi ke bogie frame.

Gambar 5

Suspensi Udara (Air suspension)

Suspensi udara pertama kali muncul pada 1960 dan saat ini telah menjadi standart untuk kereta penumpang. Suspensi udara biasanya hanya dipakai pada suspensi skunder, sedangkan suspensi primer memakai spring atau karet, seperti terlihat pada gambar 6.

Gambar 6

Gambar 7

Kelebihan dari suspensi ini adalah, mampu mendeteksi beban dikereta dan mampu menyesuiakan tingkat suspensi yang diperlukan. Ketika penumpang banyak, maka operating lever akan mendeteksi dan selanjutnya supply udara pada kantong udara (air bag) di suspensi ditambah, dan sebaliknya ketika jumlah penumpang sedikit, udara yang ada di kantong suspensi dibuang. Dengan demikian, suspensi udara mampu mempertahan tinggi kereta terhadap permukaan rel hampir konstan ketika terjadi perubahan jumlah beban/ penumpang di kereta. Disini dikatakan hampir konstan, karena suspensi primer yang terbuat dari spring atau karet akan tetap terpengaruh ketika terjadi perubahan beban di kereta. Selain itu, pada sistem suspensi udara juga dilengkapi suspensi karet atau spring untuk kondisi emergensi misalnya ketika kantong udara suspensi  bocor atau kerusakan lainnya. Suspensi udara umunya dipakai pada bogie bosterless.

Reff: http://www.railway-technical.com

Read More

Dunia Kereta - BOGIE

BOGIE merupakan sistem kesatuan roda pada Kereta Api, baik di kereta berpenggerak maupun kereta tidak berpenggerak. BOGIE pada umumnya dipakai untuk roda yang jumlahnya lebih dari 2 gandar ( As ) dalam satu kereta.
 

Gambar 1. Kereta tanpa Bogie dan dengan Bogie

BOGIE adalah suatu kesatuan konstruksi yang terdiri dari dua perangkat roda atau lebih yang digabungkan oleh rangka yang dilengkapi dengan sistem pemegasan, pengereman, dengan atau tanpa peralatan penggerak ( traksi motor atau gear box ) dan slip protection device, serta berfungsi sebagai pendukung rangka dasar dari badan kereta. BOGIE dapat di lepas dan dipasangkan kembali jika sedang dilakukan perawatan.

Fungsi utama BOGIE adalah menghasilkan fleksibilitas kereta terhadap rel sehingga roda dapat tetap kontak dan berada pada rel saat melewati tikungan (“curve” ). Saat kereta melewati rel yang membelok atau menikung, maka akan terjadi sudut antara garis lurus badan kereta dengan rel. Pada keadaan ini, akan terjadi kontak antara flens dengan rel pada salah satu sisinya. Pada kereta tanpa BOGIE maka sudut ini terbatas karena roda akan selalu segaris dengan badan kereta sehingga saat flens sudah tidak bisa menahan rel, maka roda akan naik ke atas rel dan akhirnya terjadi derailment atau anjlok. Dengan adanya BOGIE, maka roda tidak segaris dengan badan kereta melainkan mempunyai sudut tertentu yang memungkinkan roda bisa membelok mengikuti rel tanpa terjadi anjlok atau roda yang naik ke atas rel.

Gambar 2. Bogie Steering , atas : tanpa BOGIE, bawah : dengan BOGIE
( sumber http://the-contact-patch.com/book/rail/r1114-railway-suspension )

Read More